（林业工程专业论文）水泥混凝土路面板下脱空封堵技术研究.pdf

摘要 近几年来随着公路建没的发展，我省水泥混凝土路面的公路里程逐年增加，目前在我省 已建成的水泥混凝土公路中，已有部分公路在使用周期内就己出现了各种病害，有的已严重 影响了其正常的使用功能。尤其是出板下脱空引起的断板、错台、桥头搭板塌陷等病害越来 越引起重视，如何保持良好的行车路况，减少肇事，延长其使用寿命，发挥其功效，是当前 公路管理部门面临的迫切问题。目前我国及世界各国普遍采用板下封堵技术对水泥混凝土板 下脱空进行加固治理。 本文通过我省建成较早的哈阿公路的现场勘察测试判断水泥混凝土路面及桥头搭板的 脱空机理，以文克勒地基假定模型为基础的威斯特卡德刚性路面板力学计算公式及三维实体 有限元法，求解出未脱空水泥混凝土路面板的理论标准弯沉值，以此标准图，系统地研究了 水泥混凝土路面板的脱空机理，开发应用贝克曼粱式弯沉仪和s i r 1 0 路面探地雷达对水泥 混凝土路面桥头搭板脱空状况进行定量的评定，并利用实验室的研究，进行现场实验，提出 套有效的评定方法及水泥混凝土路面板下脱空封堵工艺。 关键词：混凝土路面；板下脱空；封堵；试验研究 a b s t r a c t t h em i l e a g eo fc o n c r e t eh i g h w a y si no u rp r o v i n c ei n c r e a s e d y e a ra f t e ry e a rw i t ht h e d e v e l o p m e n to fh i g h w a y sc o n s t r u c t i o n i nr e c e n t y e a r s a tp r e s e n t ，a l lk i n d so fd a m a g eh a v e a p p e a r e di np a r t so f h i g h w a y st h a th a v eb e e np a v e dw i t h i nt h e i re m p l o y e dp e r i o d si n0 1 1 rp r o v i n c e ， s o m eh a v es e r i o u s l ya f f e c tt h e i rn a t u r a lp e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l yt h ed a m a g eo fd e p r e s s i o nc a u s e d b yd i s s l o c a t i o n ，i th a sg i v e nr i s et om o r ea n dm o r er e c o g n i t i o n i ti sa nu r g e n tp r o b l e mf o rt h e h i g h w a ym a n a g e m e n tt h a th o wt om a i n t a i nh i g h w a y s f i n es t a t u s ，r e d u c et r o u b l e s ，e x t e n dt h e i r e m p l o y e di i v e s ，p l a yt h e i re f f i c a c yc r e a tm e t h o dw a sa d o p t e dg e n e r a l l yi no u rc o u n t r ya n do t h e r n a t j o n s t h ec o n c r e t ec o n c r e t ep a v e m e n ta c a d e m i cs t a n d a r dd e f l e c t i o nv a l u ea n ds t a n d a r dg r a p h i ca r e o b t a i n e db yt h eh m w e s t e r g a a r dm e c h a n i c a lf o r m u l a so i lt h eb a s i co fw i n k e rf o u n d a t i o nm o d e l a n dt h r e ed i m e n s i o ne n t i t yf i n i t ee l e m e n tm e t h o db yw a yo fe s t i m a t i n gc o n c r e t e c o n c r e t e p a v e m e n td i s s l o c a t i o n a tt h eh a ah i g h w a yl o c a l e c o n c r e t ec o n c r e t e p a v e m e n td i s s l o c a t i o n m e c h a n i s mw a ss y s t e m a t i c a l l y r e s e a r c h e d ，a ne f f e c t i v ea s s e s s a b l em e t h o da n df i l lu n d e r d i s s l o c a t i o nc o n c r e t ec o n c r e t ep a v e m e n tt e c h n i c o l o g yw e r ep r e s e n t e du s i n gl a b o r a t o r y sr e s e a r c h t or n a k el i r ee x p e r i m e n t s 水泥混凝十路面板下封堵技术研究 l 综述 1 1 水泥混凝土路面建设概述 随着全球经济的发展交通量的迅速增长，世界各国越来越重视公路的建设，尤其是高 等级公路的建设。由于水泥混凝土路面刚度大，稳定性好，承载能力强，使用寿命长及施工 简便等特点，在世界各国的公路网中占很高的比例，目前在西方发达国家高等级公路中所占 比例为5 0 以上，如在美国的高速公路网中水泥混凝土路面占5 1 ，前东德高达9 0 之多。 近几年来，尤其是在改革开放之后，我国的国民经济飞速发展，我国的公路事业也发展 迅猛，截止2 0 0 2 年统计我国目前公路总里程达1 7 6 5 2 2 2 公里，仅次于美国、印度：高速公 路总里程达2 5 1 3 0 位于美国之后，屠世界第二。随着公路里程的增长，道路上的交通量和轴 载迅速增长，车速的不断增大，对路面结构的要求随之相应提高。为了适应经济快速增长的 需要及交通运输事业的发展，我国建造了大量的水泥混凝土路面，特别是在交通部1 9 8 9 年 推广国家科委科技工作引导性项目中国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研究成果以 来，我国水泥混凝土路面修筑里程由1 9 8 0 年前的1 6 0 0 k m ，上升到1 9 9 0 年底的1 1 3 7 3 k m 到 2 0 0 1 年底的1 5 0 1 7 7 k m ，平均每年修建7 5 3 9 k m ，是前3 8 年年平均修建里程的近3 5 倍，占高 级、次高级路面的比例由1 9 7 0 年的0 9 ，上升到2 0 0 1 年底的2 2 3 ，详见表卜1 。 混凝土路面是一种刚度大( 也称为刚性路面) 、扩散荷载能力强的路面结构。世界上无论 是发达国家，还是发展中国家对水泥混凝土泥路面的修筑技术都一直在进行研究和总结，使 得水泥混凝土泥路面在修建技术上日臻完善，并得到较广泛的应用，特别是高等级重交通的 道路，水泥混凝土路面的应用更广泛。 我国在五六十年代，由于国家建设资金有限，水泥紧缺，修建水泥混凝土泥路面的公路 数量很少。1 9 7 0 年底全国仅有水泥混凝土路面2 0 0 k m ，占高级、次高级路面里程的0 9 。7 0 年代，浙江、广东、江苏等省在沥青供应不足的情况下，开始较多地修筑水泥混凝土路面。 与此同时，一些单位较为系统地开展了水泥混凝土路面技术的研究，8 0 年代，随着修筑里 东北林业大学工程硕士学位论文 程的增长，实践经验的积累，科学研究的深入，水泥混凝土路面的修筑技术逐步改进，质量 不断提高。 表卜l 全国1 9 6 0 2 0 0 1 年水泥混凝土路面所占比例表 高级、次高级路面 水泥混凝土路面水泥混凝土路面 年限 ( k m )c k m )比例( ) 1 9 6 01 9 4 3 6 03 1 1 9 7 02 2 9 7 62 0 0o 9 1 9 8 01 5 7 8 5 l1 6 0 01 0 1 9 9 02 5 9 9 5 8 1 1 3 7 34 4 1 9 9 l2 7 9 1 5 51 5 2 3 45 5 1 9 9 23 0 1 6 5 12 1 3 2 17 1 1 9 9 33 2 7 3 0 62 8 0 4 98 5 1 9 9 43 5 3 1 4 23 5 5 4 9l o 1 i 9 9 53 8 6 8 2 74 6 1 7 29 1 9 9 64 2 5 7 8 65 5 6 2 51 3 2 1 9 9 7 4 6 7 4 9 06 8 7 4 01 4 7 1 9 9 85 0 9 2 7 88 3 6 5 21 6 4 1 9 9 9 5 5 2 6 7 79 8 8 4 61 7 8 2 0 0 0 5 9 5 5 1 2 1 1 5 7 5 4 1 9 4 2 0 0 l6 7 2 1 8 01 5 0 1 7 72 2 3 i 1 i 黑龙江省水泥混凝土路面发展 黑龙江省近1 5 来水泥混凝土路面建设发展十分迅速，在1 9 9 7 年高峰期年竣工里程达 水泥混凝土路面板下封堵技术研究 3 1 1 0 0 公里，截止2 0 0 3 年统计我省水泥混凝土路面达4 4 7 l k m ，占高级、次高级路面里程的4 0 ， 其中国省干线公路水泥混凝土路面里程达3 4 9 1 ，占高级、次高级路面里程的5 6 ，而且每年 还在继续修建3 0 0 4 0 0 公里，水泥混凝土路面在我省高等级公路网中的比例是逐年增大。 1 2 板下脱空的治理技术研究进展 随着水泥混凝土路面建设里程的增加和使用期限的延长，混凝土路面在使用期内各种病 害及早期的破坏越来越引起有关管理部门的重视。尤其由板f 脱空引起的断板、错台及桥头 搭板塌陷等一系列病害，倘若不及时进行治理，路面在交通荷载的作用下，其使用性能将会 迅速下降，严重影响汽车的快速、舒适和安全行驶。 目前，在我国及世界各国对板下脱空治理普遍采用了板下封堵技术，在我国j t j 0 7 3 卜2 0 0 1 公路水泥混凝土路面养护技术规范中也将板下封堵技术做为唯一的治理板下脱 空方法。 利用板下封堵技术对板底脱空进行加固治理，从文献中发现，早在1 9 3 t 年就有美国的 a c 班奈克尔曼先生压浆进行板f 封堵的研究记载。1 9 4 3 年k b 伍德和t e 谢尔伯思对灌 浆材料、水灰比和较高水泥含量百分率获取理想效果的必要性做了进一步的调查研究。美国 很多州都曾采用不同等级的沥青材料进行过路面的板下封堵并取得过不同程度的成功。但 是，1 9 6 3 1 9 6 4 年间由纽约州实施的一一项非常复杂的综合研究却得出了这样的结论：不应使 用沥青材料，它受温度变化的影响很大，迅速的冷却常常会使空隙不能完全灌满，用石灰、 水泥稀砂浆能够获得最佳效果。而1 9 6 9 年路易斯安娜州的研究认为，不能使用石灰，使用 水泥、细砂和水才能取得最佳的效果。1 9 7 3 年密西西比州的研究工作得出这样的结论，用 水泥和砂的混合料能产生最佳的效果，并在施二c h , i 适当掺入氯化钙来缩短砂浆的凝固时间。 1 9 8 4 年伊利诺斯州研究发现，用火山灰水泥砂浆( 粉煤灰、水泥砂浆) 的效果比石灰石、水 泥砂浆更理想，强度更高。 1 9 9 0 年同济大学唐伯明用落锤式弯沉仪( f w d ) 对水泥混凝土路面板脱空状况进行了评定 与分析，利用室内试验研究成果建立了一种地基脱空评定方法。 1 9 9 7 年杭州市公路管理处吴中堂等及1 9 9 8 年西安公路研究所王安玲等都先后应用板下 东北林业大学t 程硕十学位论文 压浆技术定性地评价了延长水泥混凝土路面板的使用寿命。 但在我省乃至东北三省将这项技术真正的应用于公路路面的修复中还比较少。由于我 省各类公路，尤其是高等级公路中，以水泥混凝土路面占主导地位，因此研究适合于我省的 水泥混凝土路面板一f 封堵技术势在必行，是对水泥混凝土路面进行预防性养护的必要技术措 施，该项技术的研究与应用，必将带来巨大的社会效益和经济效益。 水泥混凝十路面板下封堵技术研究 2 板下脱空的机理研究 2 1引言 混凝土路面在实际使用过程中，由于车辆荷载的重复作用，板下基础将产生一定的塑性 变形和唧泥，致使混凝土板的局部范围不再与基础保持连续接触，即为板下脱空。大量的试 验表明，服务中的混凝土路面，基础的局部脱空现象是客观存在的。通过对哈阿路和哈大路 肇东部分路段试验研究表明，脱空多分布在混凝土路面板的缝边板角下、桥头搭板、明涵台 背下以及暗涵上与路面板之间的区域内。 2 2 脱空机理 水泥混凝土面层板具有很高的刚度，对路基的强度要求不高，因此在路基支承均匀的情 况下，面层板可直接设在路基上，然而，车轮荷载作用于路面上时，面层板会产生弯沉变形， 由于板的弯沉会使路基产生一定量的塑性变形，板在荷载驶离后恢复原状，而路基则残留这 部分塑性变形不能恢复原状，虽然荷载每次作用后路基所残留的塑性变形量很微小，但数百 万、数千万次作用后的累积量并不小。荷载作用于路面板上不同部位时，所产生的弯沉量不 同，板角隅处大于板边缘处，而板中部的量最小，由于不同部位板的弯沉量有差异，路基的 累计塑性变形量也不同，在板角隅下为最大，板边缘下次之，板中下部最小，这样，在板角 隅和板边缘处就形成了板底同路基顶面问的脱空。脱空意味板失去了部分支承，势必显著增 加板内的荷载应力。 同时，水泥混凝土路面存在接缝( 有时还有裂缝) 和自由边缘，路基因降雨等原因，有时 处于浸润状态，此时，在车轮荷载作用下，路面板与基层之间会产生高压水流，从而侵蚀基 层表面，这就是冲刷作用。在车轮荷载作用下，含有基层材料颗粒成分的压力水从路面板的 接缝或裂缝处喷出，通常称为唧泥或泵浆。降水会沿缝隙下渗，并积滞在上述脱空区内，车 轮驶过时，后方板的边缘或角隅先向下弯沉，将脱空区内积滞的水挤向前方，而后车轮行驶 到前方板上时，又将水挤向后方，行车速度较快，积滞水受到挤压的前后流动速度很高，路 基材料在高速水流的作用下很易受冲刷，而积滞水也变成了含有细粒土的泥浆，在车轮和面 层板弯沉变形的作用下，泥浆沿接( 裂) 缝自由边缘冒出，泥浆冒出，意味着路基受冲刷，细 粒土被带出，因而脱空区扩大，板的支承条件更为恶化，在荷载作用下极易产生断裂( 纵、 横向或角隅) 损坏。 当车轮驶往前方板时，带有细粒土的泥浆以高速向后方板的脱空区喷射，使部分细粘土 沉积在该脱空区，从而使后方板块抬高，形成了接缝处相邻两块板边缘的竖向高差，这种病 害称为错台。错台的出现加剧了路面的不平整，恶化了行车的舒适性。 东北林业大学工程硕士学位论文 总之，板下脱空首先是由于板与板之问传荷能力降低，车辆荷载对板的不同部位产生的 压应力不同，从而导致基层累计产生的塑性变形不同，另一方面，地表水的入渗在板的不同 空间部位上存在很大差别，致使基层强度不均，变形不均，还有高填方路堤侧面的临空面易 造成侧向变形不均以及路基的不均匀沉降等，这也是板下脱空的主要原因。 2 3 影响脱空的因素 2 3 1 车辆荷载的作用 车辆荷载尤其是重型车辆的作用，震动、冲击作用强烈，致使水泥混凝土路面的变形增 大，结果由此在基层中产生的和基层中自然存在可悬浮细粒松散土，从接缝处排出，造成板 下脱空。从哈- - n 路水泥混凝土路面板取芯和基层钻探取样现场发现，水泥混凝土路面板f 本应是2 0 厘米厚的半刚性贫水泥稳定砂砾，但是，大多十分松散，无法取得成型样品。 2 3 2 地表水冲刷 路基因降雨等原因，有时处于浸润状态，此时，在车轮荷载作用下，路面板与基层之间 会产生高压水流，从而侵蚀基层表面，这就是冲刷作用。这种现象一旦发生，路面板就会局 部失去基层的支承作用而产生断裂及错台。 易产生冲刷的条件为：( 1 ) 因荷重作用板的弯蓝变形反复发生；( 2 ) 路面结构中有水存在； ( 3 ) 使用的基层构料易产生冲刷。因此，为防止冲刷，应采取如下措施：横缝处设滑动传力 杆，路肩铺筑混凝土板，车道混凝土板之间设拉杆等以减小混凝土板的弯曲变形；根据法国 的调查，由于接缝填料不良，降雨时路表水的6 0 浸入路面结构层，并从基层流向路肩， 通常路肩容易滞留水，故沿路肩的路面板易产生唧泥。为此，应在路肩下用透水性材料设置 排水装置。 2 3 3 施工原因 由于公路线路通过的区域工程地质条件的差异，纵段常为割线设计，大部分为填( 高达 1 0 米) 、挖方路基( 深达1 0 米) ，也有半填半挖及零填、浅挖路基，使得路基的均匀性控制 十分困难。 明涵、桥梁的修建时重型路基碾压设备无法靠近涵壁和台背，这些客观因素的存在，导 致完工后不均匀沉降量增加，造成板下脱空。 由于车辆荷载的作用，行车道上( 重载卡车居多) 在运行3 一j 年，大部分行车道水泥混凝 土路面板纵、横接缝便破坏变成上、下贯穿裂缝，从而加剧了地表水的冲刷。 水泥混凝土路面板下封堵技术研究 7 3 水泥混凝土路面板脱空标准的确定 目前对刚性路面的标准弯沉值没有统一的标准。在美国凡弯沉值超过0 6 3 5 的，被确定 为板下脱空，在我国公路水泥混凝土路面养护技术规范中推荐超过0 2 的，应确定为板 下脱空，本文应用威氏以地基反应模量k 表征地基刚度的文克勒地基假定( 简称k 地基) 路 面力学模型计算公式和三维有限元法，求解刚性路面板在不同荷位标准轴载下作用及不同工 程地址条件下的弯沉值，并结合现场实测，确定脱空判定标准。 3 1 威氏路面弯沉值理论计算 威氏于1 9 2 5 年最先运用文克勒地基上无限大或半无限大弹性薄板假定，推演了由于车 轮荷载作用所引起的未脱空的水泥混凝土板体最大弯沉及最大拉应力计算公式，后来经他本 人和其他学者的几次修正和理论上的不断完善，直到现在仍然在很多国家的刚性路面设计中 得到广泛的运用。 3 1 1 车轮圆形均布荷载作用于角隅 车轮圆形均布荷载作用于角隅见式3 - 1 、3 - 2 - 2 x ， = 9 ( 1 1 ，- x 一一0 8 8 a 广e7 - ) k l 2 ( 3 一1 ) 式中：。一板角弯沉( m )h 一路面板厚度( m )q 一轮载( k n ) d 一轮胎( 轮压为p ：0 7 m p a ) 接触地面圆半径( m ) e 路面板弹性模量( 3 5 k p a ) k - 地基反应模量( k p a m ) u 一路面板泊松比( o 1 j )o 弯拉应力( k p a ) 卜相对半径 x 一板角角分线至板角距离( m ) 当x = i a 时，板角最大弯沉计算结果见图3 - 1 8东北林业大学工程硕士学位论文 00 0 3 0 ，0 0 2 0 0 0 1 2 0 ” ：一。 、 h 、 、_ u 一。r 01 5o2d2 50303 5 图3 - 1 板角圆形均布荷载最大弯沉计算图 车轮圆形均布荷载作用于板中见式3 2 式中： ! 黑竺兰旦 新 u z 一板中弯沉( m ) 其他符号意义同前，计算结果见图3 2 61 0 4 5 l 0 4 31 0 1 51 0 1 o ， ， 焱jo 、。r 主兰姜差 01 5020 2 s0 300 5 图3 - 2 板中圆形均布荷载最大弯沉计算图 3 i 3 车轮半圆形均布荷载作用于无限大板的边缘 车轮半圆形均布荷载作用于板边中见式3 3 k 2 2 0 m p a j m 。 k 2 3 5 m p a m 。 k 2 6 5 m p a m k 3 1 0 5 m p a m ( 3 2 ) k = 2 0 m p a l m k = 3 5 m p d m k = 6 5 m p a m k 2 1 0 5 m p a m 水泥混凝土路面板下封堵技术研究 。一o a ，q ( 1 一半) 卢2 s ， u ! 一板中弯沉( m ) 其他符号意义同前，计算结果见图3 - 3 0 0 0 1 5 o 0 0 1 2 9 1 0 1 61 0 4 31 0 4 o 、 乏王 一、 ：一 一 、 0 0 圬o 202 50303 5 图3 2 板边圆形均布荷载最大弯沉计算图 k = 2 0 m p a m k 2 3 5 m p a m k = 6 5 m p a m k 2 1 0 5 m p a m 3 2 水泥混凝土路面荷载弯沉的三维有限元分析 国内外的学者和工程技术人员对水泥混凝土路面荷载弯沉采用多种分析方法进行过多 方面的力学分析，有限元分析是研究人员广泛采用的一种方法。由于计算机容量的限制，过 去主要采用二维平面应变有限元分析模型。对于半无限地基上的复合路面结构，采用二维模 型分析荷载作用下的三维应力状态，显然与实际的情况存在较大的差距。采用三维有限元分 析技术对标准轴载作用下的水泥混凝土路面荷载弯沉作一系统、全面的分析，对脱空标准的 确定是非常必要的。 3 2 1 路面结构分析模型及其参数 根据哈一阿路设计资料与工程地质勘察报告得知：路面结构由水泥混凝土路面板，水 泥稳定砂砾层，石灰土层，粉质粘土层组成。路面各结构层几何尺寸材料特性参数列于表 3 一l ，计算板的平面尺寸为5 0 4 5 m 2 ，板与纵向相邻板横缝之间不传递荷载，超车道纵缝 侧为固定端，其余三向为自由边界，采用三维2 0 节点等参单元，单元网格划分数为6 6 0 格，其中混凝土路面板1 1 0 格。 东北林业大学工程硕士学位论文 3 - 1 哈一阿路各结构层参数表 、参数 厚度f i l l ) 弹性模量( k p a ) 泊松比 结构层 路面扳 0 2 43 5 0 0 0o 1 5 水泥稳定砂砾层 01 8 4 0 00 3 0 i 石灰稳定砂砾层 o 1 6l j o 0 ，3 5 土基 o 9 32 0o3 5 分析采用b z z 一1 0 0 标准车型，轴重q - i o o k n ，轮压q = o 7 m p a ，轮距为l = 1 8 2 c m 。为了简 化，轮胎与路面的接触面理想化为0 2 7 0 2 7 m 2 的正方形，单元板采用1 1 1 0 的单元划分。 接触面积为1 4 2 8 5 7 c m 2 ，荷载作用于板角荷位，如图4 4 所示。 o 2 4 m o1 8 m 01 5 m 09 x 3 0 一一t 钿j 图3 4有限元划分示意图 3 2 2 计算结果 通过应用有限元方法对5 种水泥混凝土路面结构在标准轴载作用时的弯沉计算，计算结 果部分列于表3 - 2 。 水泥混凝土路面板f 封堵技术研究 表3 2 有限元方法部分弯沉计算结果 、计算结果板中板边板角 地基类型、( i l l f i i )( m i l l ) ( i i 】i ) 10l lo 3 606 8 20 1 20 2 805 8 30 1 002 40 6 4 4o 0 90 】80 4 7 5 0 1 6 o 3 206 6 表3 - 2 中3 号地基类型为哈一阿路结构，各结构参数见表31 。 3 3 计算结果与分析 3 3 1 弯沉值的总体变化特征 威氏法和有限元法计算的水泥混凝土路面板的弯沉值的共同特点如下： 1 相同荷载和板厚条件下，板角荷位产生最大弯沉，其次是板边荷位， 扳中荷位最小。 2 混凝土弹性模量增加，减少了板角挠度。 3 威氏法计算地基反应模量增加3 倍( 3 5 m p a m 至l jl0 5 m p a m ) ，板角挠度减少 473 ，提高地基模量对减少板角挠度较为有效。4 水泥混凝土路面板 弯沉随板厚的增加而减小，随板厚的减小而增加。 表3 3哈一阿路路面结构计算弯沉 、1 参数 地基类主、 板中( m m )板边( m m )板角( m m ) 威氏文克勒 00 90 2 20 63 有限元法 0 1 00 2 40 6 4 3 3 2 两种地基板的计算结果对比分析 通过应用有限元方法和威氏法对哈阿路典型路面结构在标准轴载作用时 的最大弯沉计算，计算部分结果列于表3 3 。 从表3 3 发现两种方法计算结果基本吻合。 i2 东北林业大学上程硕士学位论文 3 4 水泥混凝土路面板脱空标准的确定 3 4 1 弯沉与钻孔取芯相结合实测脱空分析 考虑到由横缝分割的相邻路面板的相互影响程度的差异，在脱空检测及 脱空标准的确定时，必须考虑板的传荷能力的影响。板的传荷能力用指标传 荷系数( k 。) 控制，见式3 4 k 。= u 。( 3 4 ) 式中：u 。未受荷载弯沉 c - ：一受荷载弯沉 当k 。= oh , j ，部分实测结果见图3 5 l 嚣 图3 - 5 丐沉对比分析图 图3 5 中o 和c 为脱空板，f 和e 为有限元方法和威氏法计算值，g 和b 为不脱空板 或轻微脱空板a 通过大量的弯沉结合钻孔试验，发现在相邻板不传递荷载时( 传荷系数为零) ， 板角弯沉值大于0 7 m m ，板角下较严重脱空，且脱空区随弯沉值增加而增大。 d 和c 脱空板的板中弯沉值与计算值基本没有差别，钻孔实测该处板下也未脱空，但其 板边中的弯沉值高于计算值，钻孔实测c 板边中发现脱空。 当k 。 0 时，实 e e 蛙 板中板角板边中 图3 - 6 弯沉对比分析图 水泥混凝土路面板下封堵技术研究 】3 = ! = = = = = = = 竺= = ! ! ! ! ! 兰兰兰兰兰兰竺! = = ! = ! = = ! 兰 试验研究发现在相邻板传递荷载时，板角弯沉值小于o 7 m m ，甚至小于有限元方法和威 氏法对不传荷g ( k u = o ) 和f ( k u 2 0 ) 计算的板角弯沉值，板角下仍发生较严重脱空现象，且 脱空区也随弯沉值增加而增大。通过大量的的弯沉测试结合钻孔试验及计算可以归纳出，以 忠写沉。自2 。- 自+ “z 舟2 ( i tk t u ) 2 自为评定指标，则0 7 0 m 玎1 仍然可以作为脱空分界标准，也 就是当k u o 时，若板角总弯沉值。一 o 7 m m ，则板角下脱空，u 。 0 7 m m ，则板角下不发生脱 空或仅有轻微黼牢。 东北林业大学t 程硕士学位论文 4 水泥混凝土路面板脱空状况的评定 4 1 概述 实践证明，采用板下灌浆封堵是一种有效的治理方法，但这是以准确评定脱空状况为先 决条件的，否则将得到适得其反的结果。采用何种仪器设备、何种标准，如何准确评定脱空 状况，是公路管理部门的面临的重要问题。 水泥混凝土路面板脱空状况的评定方法有目测法、弯沉法和雷达法等方法。目测法是汽 车通行时观测水泥混凝土扳的板缝、错台及沉陷松动情况来判定脱空部位，此法盲目性大， 只能作为一种粗略的定性脱空评定方法。 弯沉法足通过在同块水泥混凝土板上测定多点弯沉值或弯沉盆，根据各点值之间的异 常情况判定脱空位置及脱空范围，它是一种路面无损检测与评价技术。目前弯沉测试方法按 加载方式有动、静二类，考虑目前设备与技术情况，我国规范推荐以静载为主的测试方 法，静载测试常用的设备和方法有承载加载测弯沉法和汽车轮测弯沉法。 近2 0 年来，路面的无损检测与评价技术因为具有不损害路面结构的独特优势而在国内 外得到了迅速的发展。作为最重要的路面结构状况评价指标，弯沉的测量与分析技术发展十 分迅速，自1 9 5 3 年贝克曼发明梁式弯沉仪以来，由原来仅局限于柔性路面意义上的弯沉概 念发展到刚性路面的设计分析和结构评价中，从钻孔取j 吕获得路面各结构层厚度到应用路面 探地雷达成功的应用各种先进的无损检测设备，为我国高等级公路的建设、养护做出了很 大的贡献取得了巨大的经济效益和社会效益。 1 9 9 0 年同济大学唐伯明教授用落锤式弯沉仪( f w i ) ) 对水泥混凝土路面板脱空状况进行了 评定与分析，利用室内试验研究成果建立了一种简便实用的地基脱空评定方法。 鉴于落锤式弯沉仪( f w d ) 的普及程度在我国不高，本文以贝克曼梁式弯沉仪和黄河 j n1 5 0 标准车( 单轴载l o 吨) 为工具，现场实测每块板的板角弯沉值为依据，相应的理论分 析为基础，提出应用贝克曼梁式弯沉仪和黄河j n 1 5 0 标准车轮测弯沉法测定水泥混凝土板 的板角标准弯沉值，结合钻芯实测脱空数据，定量分析了在不同板角弯沉值时板下脱空范围。 同时，应用s i r 一1 0 h 型公路探测雷达系统对水泥混凝土板下脱空程度及封堵效果进行分析研 究。 4 2 贝克曼梁式弯沉仪应用于水泥混凝土路面板脱空评定 贝克曼梁式弯沉仪是贝克曼在a a s t 0 道路试验时研制的，它的主要部件是一根量测杆， 它铰接在一根有三点支座的基础梁上，测杆一端的弯沉值，用置于测杆另一端的百分表或千 水泥混凝土路面板下封堵技术研究 l5 分表来量测。测杆放在单轴荷载为l o o k n 的满载货车后轴双轮之间，在货车慢慢驶离后，量 测测杆的回弹弯沉值。 应用贝克曼梁式弯沉仪和黄河j n 一1 5 0 标准车( 单轴载l o 吨) 轮测弯沉法测定接缝两侧靠 近路肩边缘板角弯沉值，根据每块板的板角弯沉值的异常情况判定脱空位置及脱空范围，设 备采用j n 一1 5 0 黄河车、贝克曼粱、千分表、支座等。 测试工作通常应在午夜至上午l o 点之间进行，如果由于热膨胀出现了板封闭的现象， 可提前停止测试，脱空标准按3 4 节的确定值，以此标准在3 0 1 国道哈尔滨一阿城( 刘秀屯) 段共测出6 7 2 处脱空路面板。 4 2 1 水泥混凝土路面板脱空区平面分布特征 水泥混凝土路面板板下脱空区的平面分布总体特征为，多分布在正常行驶车道的右侧靠 近路肩的板角下。 啼越车邈l 号扳2 号概哈向 3 平一 驰_ 中审一 一，_ i a 一 一一 拍一 伯 2 5 2 6 甲孕翟 3 3 l 23 3 i 3 4 弩舶 1 3l4 l p 毕l 。 l 1 9奎lj 2 2 b2 4喻t t = l：4， 67b争l ol 蠢1 2 相隧路脚 图4 - lk 。m 号板弯沉测点平面图 实测弯沉数据见表4 - 1 表4 - 1k 。：一。号板实测弯沉测数据表单位：1 1 0 0 m 4 4 46 466 4 44 66 1 2l o881 01 42 01 6861 02 2 2 8 1 81 01 23 06 06 85 23 61 6 2 6 4 0 4 43 22 24 26 68 69 08 05 62 23 46 2 钻孔测试点平面分布和脱空数据分见图4 2 表4 2 謦燃 嫩 路肩缝路肩 图4 - 2k 一* 号板钻孔平面图 16东北林业大学工程硕士学位论文 表4 - 2 钻孔测试脱空数表 孔号 脱空高度( a m ) 孔号脱空高度( c i l )孔号 脱空高度( c m ) 12 050 09o 2 2 0 4 60 21 0 0 o 30 37o 01 1 0 0 4o 281 81 20 2 由以上实测数据编制的图表可以得出以下结论，水泥混凝土路面板下脱空的平面图分布 特征为，沿板横缝近似对称分布，且为近似的三角形楔形体，距板中愈近，脱空高度小，距 板角愈近，脱空高度大。这一结论，在路肩开挖加宽路面时，被显露的脱空纵向图证实。 4 2 2 脱空尺寸计算 脱空尺寸的确定是一很困难的工作，本文假定脱空为一斜平面，根据钻孔取芯实测每孔 脱空高度，进行了部分计算，见图4 3 和表4 - 3 。 图43 已知x x z x 。：y , y z y 。：c 【) 。( _ ) z a 为钻孔l 、2 和3 的x 、y 坐标和孔下脱空深度实测值， a b 面为脱空假设界面，l h 和l z 为界限面截距和脱空体积，推导出4 1 至4 - 8 式求解。 已知x t = o 5 m ，x z = x 1 ，x f l 7 m ；y l = 0 5 m ，y 2 = 1 0 5 m ，y 3 = y l ，( i ) 【6 02 ， y 4 = y ix 5 = x 【( 4 - 1 ) x d = i x ，+ 。( x 3xj ) ( 。一3 ) ( 4 - 2 ) y i = y i + , i o l ( y zy 1 ) ( 6 0 i 一2 ) ( 4 - 3 ) l z = ) ( 5 + y s ( k k ) ( y s - y 。) ( 4 - 4 ) l h _ y 。+ x 。( y s - y 。) ( x 4 - x j ) ( 4 5 ) u o 。= 。l n ( h y ) ( 4 6 ) 0 2 = 6 0 l z ( l z x 。)( 4 - 7 ) v = l hl z o 。6( 4 8 ) 式中： l h 一一横向脱空计算宽度( m ) l ：一纵向脱空计算宽度( m ) v 一一计算脱空体积( m 3 ) 6 0 。一钻孔l 实测高度( m ) 6 0 ：一钻孔2 实测高度( m ) u 。一一钻孔3 实测高度( m ) 水泥混凝土路面板下封堵技术研究 17 计算结果见表4 - 3 。 y a o k bx 图4 - 3 脱空状况计算示意图 表4 - 3 脱空状况计算 弯沉 脱空高度脱空高度脱空高度计算纵宽计算横宽计算体积 to 23kl h v ( o 1 m m )( c m )( c m )( c m )( m )( 硼)( m 3 ) 1 3 63 o0 20 32 4 51 9 30 0 3 2 9 o2 oo 20 22 4 32 0 30 0 2 2 7 6l ，50 00 12 4 31 8 9o 0 1 6 1 4 3 6 o 51 o 2 8 72 0 10 0 4 4 1 32 80 30 62 7 11 9 90 0 3 2 7 21 50 10 32 ，7 01 9 30 0 1 8 1 22 5o 10 3 0 o2 5 21 9 20 0 2 6 7 01 00 00 0 未确定未确定未确定 6 00 20 0o 0 未确定未确定未确定 3 6o 00 o0 0o oo o o 0 4 6 0 20 0 0 00 0 0 00 0 表中弯沉大于0 7 m m 的路面板，脱空程度严重，最大计算纵宽、计算横宽分别为2 8 7 m 和2 0 3 m ( 被测板尺寸：4 5 m 5 m ) ；因此相邻板缝脱空区在纵向板边出现交会、重叠，这是 导致路面板产生纵向断裂的根本原因。 4 2 。3 脱空程度分析与分级 4 2 3 1 脱空程度的回归统计分析 通过对4 0 处不同弯沉值与同处钻孔实测数据计算，得到弯沉与脱空区面积s = i 2kb 18东北林业大学工程硕士学位论文 的线形回归方程4 - 9 ，数据的分布及相对式4 - 9 的离散。，见图4 4 。 相关系数r = o 9 5 0 8 ( m 2 ) ： 板角弯沉值( 0 1 | i 【) 图4 4 板角弯沉值与脱空面积相关分析图 图4 4 反映板角弯沉值与脱空尺寸有着较好的相关关系，用贝克曼粱式弯沉仪和黄河 j n1 5 0 标准车( 单轴载1 0 吨) 轮测弯沉法测定接缝两侧靠近路肩边缘板角弯沉值、以0 7i n t o 为脱空标准( 适用于半厚0 2 4m 的混凝土路面) 来判定脱空位置及脱空范围是很可行的方 法。 4 2 3 2 脱空程度的分级 根据实测资料与统计分析图，将脱空划分为三级： i 级脱空：轻微脱空，弯沉值范围o 6 0 0 7 0i i i e ，脱空程度较轻( 1 2l 。l z 0 5m 2 ， l h 或l z 在l m 以下) 或不脱空。 i i 级脱空：较严重脱空，弯沉值范围0 7 0 一o 7 7m m ，脱空程度较大( 0 5m 2 l h k 1 o m 2 ，1 0 1 1 l b 或l z 1 2 5 m ) 。 i 级脱空：严重脱空，弯沉值范围大于0 7 7f i l m ，脱空程度很大( 1 0m 2 l 2 l 、l z ( 2 5 m 2 ， 1 2 5 m l h 或l ：) 。 准确的评价脱空程度，对水泥混凝土路面板下脱空封堵治理有重要意义。 4 3slr 一10 h 型公路探地雷达桥头搭板板下脱空探测 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ) 是先进的无损检测系统。它基于高频电磁波传播 理论，利用电磁脉冲在各种不同物质界面上的反射，结合当前电子计算机的最新技术，可实 现对被测物体连续无损检测。 水泥混凝土路面板下封堵技术研究 应用该系统对水泥混凝土路面的下界面与基层的脱空情况及封堵效果进行检测，尤其 是对桥头搭板及明涵台背下的脱空情况及封堵效果进行检测，结果准确，效果理想。 4 3 1 地质雷达法脱空试验检测原理 探地雷达是利用一对天线进行工作的。发射天线向地下发射高频电磁脉冲波，电磁波在 地下介质中传播，遇到地层介质中的电性差异分界面，产生波的反射和透射，在地表的接收 天线接收来自地下介质中的电性分界面的反射回波，通过逐点记录反射回波序列的定时与波 形特征，构成雷达反射剖面，根据雷达剖面便可进一步推断地下的地质结构。 当结构物内部存在缺陷( 空洞或蜂窝体时) 时，由于不同物质的电性质( 介电常数、导电 率) 不同( 见表4 4 ) ，形成界面。高频电磁波在界面上发生反射，形成反射波返回到结构物 表面，由接收天线所接收。根据它们的波形特征差异能很好地确定它们的空间分布。根据精 确测定的电磁波在结构物中传播的时间t 值，由式( 4 一l o ) 和( 4 1i ) 可求出反射体的深度d ： v = c ， ( 4 一1 0 ) d = v t 2( 4 1 1 ) 式中： c 一为电磁波在空气中的传播速度( m n s ) v 一为电磁波在介质中的传播速度( m n s ) t 一电磁波在介质十传播的时间( n s ) e ，一介电常数 地质雷达仪检测时发射天线和接收天线以固定距离沿测线移动，记录点位于两天线中 心。雷达波形在各点上均沿测线的铅垂方向以脉冲反射波的波形形式记录，波形的 正负峰分别以黑、白色表示，或者以彩色表示，这样，波形同相轴或等色 线即可形象地表征出目标体的反射界面，构成地质雷达剖面。 表4 4 与空隙相关介质的物理参数 电导率传播速度 衰减系数参数 界电常数 种类 m s m 1m s n s 一1d bm 一1 空气 l0 0 30 淡水8 00 50 0 3 3o 1 混泥土4 60 0 i - i0 1 2 0 1 30 0 i - i 粘土5 - 4 0 2 一i 0 0 0 o 0 6l 一3 0 0 干砂 3 50 0 lo 1 5 o 。0 1 2 0东北林业大学工程硕士学位论文 4 3 2 检测方法与技术 选用美国劳雷公司产的s i r l o h 型探地雷达仪进行现场测试。根据检测目 的，所需的分辨率与探测深度，选用时窗2 2 i 2 s 、中心频率为用5 0 0 m h z 、9 0 0 m h z 的高频手拖式天线进行试验，采用反射剖面法进行测量。在检测前，将待测路 面板上放样，采用纵、横向2 m 测线距。在作雷达反射剖面法检测时，在天线经 过已知脱空区时，由操作员在雷达剖面上当场作下记号，这样做的目的是便于 将检测出的结果与实际脱空程度进行比较和标定。 4 3 3 探地雷达脱空探测实例分析与解释 地质雷达检测资料的解释，包括两部分的内容，一为数据处理，二为图像 解释。由于目标体介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收 以及介质的不均匀性，使得脉冲到达接收天线时，波的振幅被减少，波形变得 与原始发射波形有较大的差别。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰波，也 歪曲了实测数据。因此，地质雷达数据处理的目标是压制干扰，以最大可能的 分辨率在地质雷达图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用的参数( 包括 电磁波速度、振幅和波形等) 辅助解释。 目前，常规的数据处理过程为：取时间方向上多次重复测量的平均值，以 抑制随机噪声，取邻近不同位置的多次测量平均值，以压制非目的体杂乱回波， 改善背景，做自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收，增强深部目标体的雷达图 像，进行数字滤波来压制干扰波，以突出有效波，进行偏移绕射处理以反映目标介质的真实 位置与大小。 图4 - 5i ( 2 ；。六孔高架桥亚沟方向桥头搭板脱空雷达剖面图 水泥混凝土路面板下封堵技术研究 2l 图像解释首先是识别目标体的地质雷达图像特征，然后进行探测资料的解释。识别目标 体的地质雷达图像特征的过程是一个经验积累的过程，一方面基于地质雷达图像的正演成 果另一方面由工程实践工作积累。图4 5 为一实测桥头搭板雷达剖面图。 图45 应用9 0 0 i h z 手拖天线，时窗开至2 2 n s 测得，测试剖面方向为哈尔滨至亚沟方向 超车道上距隔离带l _ o m ，长度为3 5 m 。图中显示电磁波在上层水泥混凝土路面层中( 0 - 0 3 4 m ) 的传播特征很清晰，既同相轴连续性好，色彩反射强( 原图为彩色图) ，但在剖面图像的长度 0 5 - 1 9 m 和深度0 3 4 0 7 0 m 段，出现了色彩同相轴明显不连续现象，顶界面直线形态，下 界面为一斜坡面，脱空区估算截面面积为0 3 4 m 2 ，体积为5 1 m 3 。钻孔实