（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土路面板底脱空判别方法和处治技术研究.pdf

摘要 近年来随着公路建设的发展 我国水泥混凝土路面修筑里程明显提高 但是目前在 我国已建成的水泥混凝土路面中 己有部分路面在使用周期内就出现了各种各样病害 有的己严重影响了其正常的使用功能 尤其是由板底脱空引起的早期断板 错台等病害 脱空是水泥路面结构中客观存在的事实 由于其状态的复杂性 对其维护治理极为困难 是困扰公路部门的一大难题 本文以烟台一威海高速公路试验路为依托 在广泛收集并 分析国内外板底脱空有关资料的基础上 对脱空评定 处治方法及脱空对弯沉的影响进 行了分析研究 本文主要进行了以下几方面的研究工作 1 系统研究和对比分析了现有国内外脱 空评定方法 指出各种评定方法的优缺点 得出可值得借鉴的地方 重点分析研究了应 用贝克曼梁弯沉仪 b b 检测的三种脱空判据和应用落锤式弯沉仪 f w d 检测的七 种脱空判定方法 2 运用a n s y s 有限元软件对板边 板角脱空 脱空仅发生在受荷 板下 脱空发生在受荷板与非受荷板下四种情况进行研究分析 得出了脱空深度 脱空 面积 传荷能力三个因素对板中弯沉 板边中点弯沉 板角弯沉 板边中点 板中弯沉 差及板角 板中弯沉差的影响程度 及其之间的拟合关系 3 对弯沉检测方法进行了 系统研究 指出了推荐弯沉检测方法 在深入分析现行相关规范脱空评定的基础上 根 据有限元分析模拟和维斯特卡德解计算结果及现场动静弯沉检测数据 提出了采用板边 中点一板中弯沉差和板角 板中弯沉差判定板底脱空的方法 给出了不同传荷能力的动 静弯沉差判别标准 并通过实际检测数据对所提标准的准确性进行了验证 4 在系 统分析国内部分道路浆体材料配合比的基础上 引入补偿收缩原理对水泥类和有机类压 浆材料进行配合比设计 针对不同脱空程度的路面提出了合适的自补偿式压浆材料 给 出了基于灌浆饱和度和弯沉的压浆效果评价标准 并通过试验路验证了压浆效果 关键词 板底脱空 脱空检测技术 脱空判别方法 脱空判别标准 f w d 贝克曼梁仪 压浆处治 自补偿式压浆材料 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n t h ec o n s t r u c t i o nm i l e a g e s o fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta r ei m p r o v e d a m o n gt h ec o m p l e t e dc e m e mc o n c r e t e p a v e m e n t si nc h i n a p a r t so ft h er o a dh a v eb e e na p p e a r e dv a r i o u sd i s e a s e si ns e r v i c ec y c l e a n ds o m ed i s e a s e ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h en o r m a lf u n c t i o no fu s e e s p e c i a l l yb o a r dc r a c ke a r l y f a u l t i n go fs l a be n d sc a u s e db yv o i d s t h ev o i d se x i s to b j e c t i v e l y i nc e m e n tp a v e m e n t s t r u c t u r e b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fi t ss t a t u s i tm a d ed i f f i c u l tt ot r e a t m e n tt h ev o i d s s o v o i d sa r eb e c o m eab i gd i f f i c u l tp r o b l e mt h a th a sl o n gb e d e v i l e dt h er o a dm a i n t e n a n c e d e p a r t m e n t r e l yo ny a n t a i w e i h a it e s ti 沁a d b a s e do nc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gr e l e v a n t d a t e so ft h ev o i d sa th o m ea n da b r o a d t h i st r e a t i s ea n a l y z e sd e t e c t i o nt e c h n o l o g y d e t e r m i n a t i o nm e t h o d sa n dt r e a t m e n tm e t h o d sf o rt h ev o i d s t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rc o n s i s t so fs o m ea s p e c t sa sf o l l o w s 1 s y s t e m a t i c a lr e s e a r c h a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so nd o m e s t i ca n do v e r s e a sd e t e r m i n a t i o nm e t h o d s t h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sd e t e r m i n a t i o nm e t h o d sa r ep o i n t e do u t t h ep l a c e st ol e a r na r e o b t a i n e d t h ep a p e rf o c u s e so na n a l y z i n go ft h r e ec r i t e r i au s i n gd e f l e c t o m e t e rb e n k e l m a n b e a m b b a n ds e v e nd e t e r m i n a t i o nm e t h o d su s i n gd r o ph a m m e rd e f l e c t o m e t e r f w d 2 t h ev o i d sb e n e a t hc e m e mc o n c r e t ep a v e m e n ta r ea n a l y z e db ya n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e i to b t a i n st h ei n f l u e n c el e v e lo nd e f l e c t i o nv a l u e 丽mv o i dd e p t h c a v i t ys i z e m a s sl o a d c a p a c i t y a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e f l e c t i o nv a l u ea n de a c hf a c t o r 3 t h ep a p e rs t u d i e s o nt h ed e f l e c t i o nd e t e c t i o nm e t h o d s p o i n t so u tt h er e c o m m e n d e dd e f l e c t i o nd e t e c t i o nm e t l l o d b a s e do ni n d e p t ha n a l y s i so ft h ec u r r e n td e t e r m i n a t i o nm e t h o d sf o rv o i d si nt h er e l e v a n t t e c h n i c a ls t a n d a r d a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n d w e s t e r g a a r df o r m u l aa n do n s i t e d e f l e c t i o nt e s t i n gd a t e s i tp r o p o s e st h ed e t e r m i n a t i o n m e t h o dt h a tu s i n gs l a be d g e s l a bc e n t e rd e f l e c t i o nd i s c r e p a n c ya n ds l a bc o m e r 二s l a bc e n t e r d e f l e c t i o nd i s c r e p a n c yd e t e r m i n et h ev o i d s t h ec r i t e r i aa r eg i v e n a n dt h ec r i t e r i aa r ev e r i f i e d b ya c t u a lt e s td a t a 4 b a s e do na n a l y z i n go fm i x i n gp r o p o r t i o no fm a t e r i a l si nc h i n a t h e p a p e rd e s i g n st h em i x i n gp r o p o r t i o no fc e m e n tt y p ea n do r g a n i ct y p em u dj a c k i n gm a t e r i a l s w i t ht h es h r i n k a g e c o m p e n s a t i n gp r i n c i p l e a i m i n ga td i f f e r e n tl e v e l so fv o i d sb e n e a t h c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t i tp u t sf o r w a r d ss e l f c o m p e n s a t i o nm u dj a c k i n gm a t e r i a l sa n d r e c o m m e n d st h er i g h tm i x a n dg i v e st h ee v a l u a t i o nc r i t e r i o nf o rt h ee f f e c to fm u dj a c k i n g b a s e do nt h eg r o u t i n gs a t u r a t i o na n dd e f l e c t i o n t h ee f f e c to fm u dj a c k i n gt e c h n o l o g yi s v e r i f i e db yt e s tr o a d k e y w o r d s v o i db e n e a t hs l a b d e t e c t i o n t e c h n o l o g y d e t e r m i n a t i o nm e t h o d d e t e r m i n a t i o nc r i t e r i o n f w d d e f l e c t o m e t e rb e n k e l m a n b e a m s l a bj a c k i n gt r e a t m e n t s e l f c o m p e n s a t i o nm u dj a c k i n gm a t e r i a l s 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 王葛 2 c 彳年岁月f1 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学 校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 导师签名 三嚆 2 汐矿罗年 奎月 e t 3 宴会 刈i 夕年 月f 日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国水泥混凝土路面始建于2 0 世纪6 0 年代中期 8 0 年代以来 水泥混凝土路面在 全国得到了迅速发展 尤其是交通部1 9 8 9 年推广国家科委科技工作引导性项目 我国 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明 显提高 截止到2 0 0 8 年底 我国水泥混凝土路面达到1 0 2 3 7 万公里i l j 已成为世界上 水泥混凝土路面修筑里程最多的国家 水泥混凝土路面的大量修建 对合理利用水泥资 源 缓解沥青供应不足 减少沥青路面对公路周围的土地 地下水等造成的污染 增加 高等级路面铺筑里程 提高路面承载能力及运输能力 适应重交通日益增长的需要 加 快经济发展等都具有重要意义 脱空是水泥路面结构中客观存在的事实 由板底脱空引起的早期断板 错台等病害 越来越严重 对其维护治理极为困难 是困扰公路部门的一大难题 水泥混凝土路面在 使用过程中由于唧泥 重载车辆的作用 旧水泥混凝土路面基层抗冲刷性差 路面加宽 路基和路堤不均匀沉降 冰冻的影响及近桥涵段填土压实不足等原因 都会产生板底脱 空的问题 水泥混凝土路面板底脱空的产生 改变了水泥混凝土路面板的受力状态 是 造成水泥混凝土路面早期断裂的主要原因之一 2 水泥混凝土路面一旦脱空而不及时处理 就会发生开裂 唧泥 断板破坏 对于已 脱空的路面目前最常用的方法是进行压浆处治 但从大量的工程实践可以看出 压浆要 取得良好的效果 必须对各关键环节进行细致研究 面板脱空位置的确定和脱空面积的 估计 压浆材料的性能 压力大小 控压时间等均需严格控制 研究出一套快速 高效 准确的水泥混凝土路面板底脱空检测 评定方法 研发出一种性能较好的压浆材料 探 索一套有效的施工工艺成了道路工作者 特别是路面维护工作者的重要任务 目前 脱空检测评定主要采用的是弯沉类指标 由于脱空状态的复杂性 各种因素 对弯沉的影响分析还不够全面完善 因此 通过理论分析和采用三维有限元技术 开展 对旧水泥混凝土路面板底脱空的弯沉分析和研究 为确定需采取的脱空处治措施和方案 提供依据 对指导将来实践具有深远的工程意义 本文在结合国内外研究的基础上 依托山东省交通厅重点项目 旧水泥路面薄层沥 青罩面与层间技术一体化研究 对脱空检测 评价 处治 水泥混凝土板底脱空对弯沉 第一章绪论 的影响等问题进行深入研究 为科学进行脱空处治提供理论基础和工程指导 1 2 国内外研究现状概况 1 2 1 国内外水泥混凝土路面发展概况 国际上的水泥混凝土路面的发展经历了两大发展时期 第一个时期是在2 0 世纪 3 0 4 0 年代 随着汽车工业的发展 战争物资和军队的调运 客观上对路面的质量要求 大大提高 促使水泥混凝土路面的迅猛发展 这一时期的标志是德国建成的世界上第一 条水泥混凝土路面汽车专用高速公路 第二个时期是2 0 世纪7 0 年代 世界性的石油能源 危机使一些主要使用沥青建造高速公路的国家认识到必须尽量减少高速公路建设对石 油沥青的依赖性 以节约沥青资源和能源 开展了水泥混凝土路面技术新一轮研究和开 发 2 1 9 2 8 年 我国在浙江奉化溪口镇修筑了第一条水泥混凝土路面 我国水泥混凝土 路面的技术发展过程 经历了以下四个阶段 第一阶段 1 9 7 7 年以前的摸索起步阶段 1 9 4 9 1 9 6 6 年 我国主要借助于前苏联的建设经验和研究成果 制订了1 9 5 3 年版和1 9 6 6 年版的 水泥混凝土路面设计规范 1 9 6 6 1 9 7 7 年 受 文革 影响 水泥混凝土路面的 发展极为缓慢 总铺设里程不超过1 0 0 0 k m 第二阶段 1 9 7 8 1 9 8 5 年技术开发阶段 在这期间交通部公路规划设计院 同济大学为首 组织了全国大专院校 公路 市政 民航等部门的设计 施工 科研约4 0 多个单位 开展了 联合攻关 研究 编写了 水泥 混凝土路面设计理论和参数 报告 并编制了我国第一部 水泥混凝土路面设计规范 j t j 0 1 2 8 4 和 水泥混凝土路面施工与验收规范 g b j9 7 8 7 第三阶段 1 9 8 6 1 9 9 8 年迅 猛发展阶段 在这期间公路水泥混凝土路面的总里程迅速上升 达到数万公里 每年新 建水泥混凝土路面超过1 万公里 水泥混凝土路面的设计和理论进一步深化 在许多方 面达到了国际先进水平 并编制了 公路水泥混凝土路面设计规范 j t j 0 1 2 9 4 第 四阶段1 9 9 9 至今的发展完善阶段 继续完善水泥混凝土路面设计理论 对水泥混凝土 路面的施工机械设备 材料 养护 维修技术等进行了深入研究 颁布了 公路水泥混 凝土路面设计规范 j t g d 4 0 2 0 0 2 和 公路水泥混凝土路面施工技术规范 j t g f 3 0 2 0 0 3 1 2 2 国内外旧水泥混凝土路面脱空研究现状 l 脱空检测技术研究现状 2 长安大学硕士学位论文 一直以来 对如何检测水泥混凝土路面板下脱空没有很好的方法 近年来 随着电 子 激光 计算机等技术的发展 利用这些技术进行道路检测 已到达了一个崭新的 全自动的新水平 对于路面状况和质量的检测也进入了连续 无破损 电子自动 计算 机应用的新阶段 针对结构内部脱空的检测也出现了一些新的技术手段 如雷达检测无 损技术 超声波路面探伤技术 落锤式弯沉仪检测技术 红外热像检测技术等 其中运 用落锤式弯沉仪和探地雷达对水泥混凝土板下脱空研究较多 取得了一定的成果 目前对于水泥混凝土路面板下脱空状况的判定使用最为广泛的仍然是利用弯沉指 标 主要采用贝克曼梁式弯沉仪和f w d 落锤式弯沉仪来检测弯沉值 s h a h i n 提出了 采用实测弯沉值与理论弯沉值对比判断脱空的方法 3 1 1 9 9 3 年 a a s h t o 设计体系提出 采用f w d 检测路面弯沉值 通过加载3 种不同荷载 2 7 k n 4 0 k n 6 7 l 洲 来判定板 底脱空状况 4 j 我国东南大学唐伯明在板底脱空方面做了大量的研究工作 并取得了很 多成果 5 j 1 9 9 7 年张宁 李雁提出了第一传荷状态临界荷载理论 并采用该理论对应的 弯沉值 考虑接缝传荷能力采用弯沉比法判定脱空状况 6 1 9 9 8 年曹东伟 胡长顺提出 了采用板中弯沉值与板边弯沉值之比判断板底脱空的方法 7 1 2 0 0 1 年应荣华 张起森采 用实测弯沉盆曲线和路表弯沉盆判断路基刚度来判定脱空状况i s 2 0 0 3 年王陶 王复明 利用f w d 实测板中弯沉盆数据反算面板与地基弹性模量 提出了根据板角 板边 弯沉 值判定地基脱空面积的迭代方法 9 王陶利用落锤式弯沉仪 f w d 实测板中弯沉盆数 据反算模量 根据反算模量计算板角 边 的理论弯沉值 对比理论弯沉值与实测弯沉 值来确定脱空面积 l o j 2 0 世纪7 0 年代中期 探地雷达在欧美最早用于路基路面物理力学指标的无损检测 中 1 9 8 6 年 探地雷达首次在芬兰应用于道路检测 9 0 年代初中期 芬兰开始将 1 o 1 5 g h z 之间的高频空气和雷达天线组合用于道路桥梁设计 检测和质量控制 1 9 8 5 年 美国联邦公路局第一次将车载式探地雷达检测系统应用于路面结构层厚度检 测 混凝土板下脱空识别和桥梁病害检测等 美国德克萨斯a m 大学交通研究所的 t o m s c u l l i o n 等对探地雷达在公路检测中的应用开展了大量研究工作 取得的成果代表了 国际研究水平 l2 1 我国于9 0 年代初开始应用探地雷达 近年来开始将探地雷达应用于道 路检测 其在压实度 含水量 脱空识别 路基缺陷 裂纹等方面的应用还停留在初期 阶段 中国地质大学 长安大学 长沙交通学院 郑州大学等单位开展了相关研究 声振检测 红外成像检测方法和超声波检测技术是近年来发展起来的几种无损路面 检测技术 对其在路面检测中的应用尚处于探索与发展阶段 3 第一章绪论 2 脱空评定方法研究概述 国内外许多道路工作者在脱空评定方法方面做了很多工作 取得了丰富的成果 国 外学者对板底脱空的评估有两大类方法 是基于f w d 实测弯沉进行比较 用板角弯 沉断面图 实测弯沉与理论弯沉比较 n c h r p 法等手段进行脱空评定 另一类则是用 实地验证的方法进行评定 包括检测唧泥体积 钻孔 移开面板 注入环氧树脂等方法 国内主要脱空评定方法有 截距法 弯沉盆变异法 考虑接缝传荷的弯沉比 f w d 反 算基层模量法 基于遗传算法的脱空判定方法等 详见第二章 3 脱空力学分析 对水泥混凝土路面板底脱空进行力学计算已有相当长的历史f 1 3 1 9 2 6 1 9 4 8 年 w e s t e r g a a r d 基于无限大板或半无限大板假设 推导了混凝土路面温度翘曲及三种荷载情 况下的挠度计算公式 1 4 1 6 1 9 5 1 年p i c k e t t 给出弹性半空间地基板理论 1 7 1 1 9 8 9 年v a n c a u w e l a e r t 提出了可考虑板边缘处不同的剪力传递条件 无剪力传递 部分剪力传递及 全部建立传递 矩形均布荷载作用于板上任意位置时板各点的应力 挠度计算式 掩 1 9 9 2 年梁兴复和曲庆璋采用双三角级数法得到了w i n k l e 地基上四边自由矩形板的一般精确 解 1 9 6 6 年h u d o n 和m a t l o c k 应用离散单元法 假设土基是稠密液体 把板看作是弹性 节点 钢杆和扭杆组成的 对地基板荷载应力进行了分析 1 9 7 3 年s a x e n a 将离散单元 法应用于分析弹性固体地基上的板 1 9 6 5 年c h e u n g 和z i e n k i e w i c z 推导了液体和固体两种 弹性地基上板的有限元法 1 9 l 7 0 年代 s k w a n g 将有限元法应用于水泥混凝土路面 分析了w i n k l e 地基 弹性半空间地基 层状地基上混凝土路面的挠度和应力 探讨了 接缝传荷和地基部分脱空等情况的计算方澍2 0 1 我国从7 0 年代后期起 同济大学姚祖康等人应用有限元法计算分析混凝土路面 取得了大量的成果1 2 l 唐伯明最早采用有限元法对水泥混凝土板底脱空状况进行了分析 评定 2 2 2 0 0 4 年元松对水泥混凝土板下基础脱空 接缝传荷 脱空与传荷能力问的相 互作用机理进行了动力有限元分析f 2 3 1 2 0 0 5 年 张显安采用a n s y s 有限元法分析了脱 空 传荷能力和弯沉之间的关系 2 4 1 2 0 0 7 年肖兴强运用a b a q u s 分析了脱空与接缝传荷 能力之间的关系 2 5 1 4 压浆技术的研究现状 1 9 8 5 年美国联邦公路管理局在 路面修复守则 中提出了水泥混凝土路面板下封堵 技术的具体规定 法国养护策略系统提出采用灌浆方法处治水泥混凝土板的唧泥现象 我国 公路水泥混凝土路面养护技术规范 j t j 0 7 3 1 2 0 0 1 详细规定了压浆处治 4 长安大学硕士学位论文 的布孔方法 压浆材料和压浆工艺 国内学者在板底脱空压浆技术方面也做了很多工作 深入研究了压浆材料和压浆土艺 并且在1 日路改造工程中加以实践验证 压浆技术中最 为关注的问题有 压浆材料的选用 压浆孔位的布置 压浆压力的选择 压浆工艺控制 等方面 1 3 本文主要研究内容 本文以烟台 戚海高速公路试验路为依托 对脱空检测 评定 处治方法进行了分 析研究 主要研究内容如下 1 系统分析国内外脱空检测评定方法 指出其优缺点 得出可值得借鉴的地方 以期提出新的脱空判别方法和标准 2 采用有限元方法建立脱空模型 分析脱空深度 脱空面积和传荷能力对弯沉值 的影响 得出各因素与弯沉值之间的数值拟合关系 3 对各种弯沉检测方法进行研究 指出推荐方法 并根据理论分析和现场弯沉检 测数据 提出脱空判别方法和标准 为了检验所提标准的准确性 通过实际检测数据对 其进行验证 4 根据路面脱空状况 引入补偿收缩原理对水泥类和有机类压浆材料进行配合比 设计 推荐合适的自补偿式压浆材料配合比 提出压浆效果的评价方法和标准 并通过 试验路验证压浆效果 5 第二章国内外脱空判别方法研究 第二章国内外脱空判别方法研究 国内外许多道路工作者在脱空评定方法方面做了很多工作 取得了丰硕的成果 国 外学者对板底脱空的评估有两大类方法 一是基于f w d 实测弯沉进行比较 另一类则 是用实地验证的方法进行评定 国内传统的脱空评定方法有 1 外观评定法 2 实测 弯沉与理论计算弯沉比较评定 3 驶近 驶离板角弯沉比较法等 目前新兴起的判别 方法有 基于集成神经网络的脱空判定方法 基于遗传算法的脱空判定方法 声振法等 j 按照检测工具的不同 可以分为5 类 1 外观评定法 2 贝克曼梁弯沉检测法 3 基于f w d 的脱空判别方法 4 探地雷达法 5 声振法 2 1 外观评定法 板底脱空使基础与板底发生脱离 削弱了混凝土板的支承条件 使原本承受压力的 结构变为承受弯拉的类似于悬臂梁结构 从而加速了水泥混凝土板的开裂和断裂 路面 表面的雨水沿板块接缝或断裂处下渗 或受路基结构内部水的影响 在车辆荷载作用下 将会产生唧泥 随着唧泥的唧出 板底脱空程度越来越严重 水泥混凝土板脱空以后 与脱空之前相比 在车辆荷载作用下将会产生更大的变形 严重影响了行车平稳性和乘 客舒适度 两相邻板之间 尤其是一块脱空另一块未脱空时 会出现明显的错台 开裂 断裂严重的路面很大程度上是由脱空引起的 外观评定主要有以下六种方法 2 1 1 唧泥判别脱空 唧泥指由于路面排水不良 引起基层材料产生液化 在车辆荷载的重复作用下 因板体上下运动而产生抽吸作用 使水和细粒土混合物自板中接缝 裂缝和板边冲出 长此以往 会造成板底脱空 使板体原有支撑条件改变 进一步造成板体开裂 断板破 坏和严重的错台等 路面产生唧泥需具备三个条件 1 路基或基层中松散细粒土的存在 2 面板与基层及之间水的存在 3 频繁车辆轴载的作用 使水泥混凝土路面板产生泵吸作用将泥浆吸出 如图 2 1 所示 6 长安大学硕士学位 女 图2 1 混凝土路面唧泥 脱空示意图 唧泥轻重程度与唧泥量 车辆荷载大小 板的脱空深度和缝隙的宽度大小有关 对 于同一路面结构来讲 可以简单的根据唧泥量与喷溅高度分级如下 见图2 2 2 4 轻度唧泥 重车驶过时有少量泥水从裂缝中唧出 唧泥高度 3 0 c m 露露藤 一般认为当路面板与基层结合紧密时不会产生唧泥现象 而当路面板脱空时常会出 现唧泥现象 1 9 8 3 年美国联邦公路局指出 对水泥混凝土板下脱空进行准确地评定是很 困难的 可从经验调查进行 如果没有唧泥现象发生则认为板底不存在脱空 有唧泥则 认为板底存在脱空 但是此经验方法并没有明确指出唧泥程度与板底脱空的关系 又 由于唧泥和脱空状态非常复杂 所以目前国内外在这方面的研究较少 2 12 重车通过时板块翘动 当有重车通过时 人在附近能感觉到水泥板有垂直移动和板块翘动或松动 或者重 车中的人可以感觉到有颠簸 说明该板体底面有脱空鲫 2 l3 错台时一侧板脱空 相邻板之间出现错台 若不严重 可能是由于地基强度不足 在荷载重复作用下产 生不均匀的路基下沉 但如果错台太严重 一般位置较低的一侧扳有脱空出现 如图2 5 第一章田内外脱空判别方法q f 究 图26 填缝材料损坏严重娃脱空图2 7断角处脱空 2 15 断角处有脱空 板角脱空后使板角失去支撑条件 相当于悬臂梁 在荷载作用下 板角上表面受拉 若拉应力过大 就会出现开裂 如果脱空进一步发展 板角有发生断板的危险 如图2 7 2 16 重锤敲打有回晌 根据常识和经验 内部密实和内部有空洞的物体在敲打时声音是有区别的 人工使 用太锤敲打 或者用铁钎敲击板边时有刚l 桐 可以定性的根据不同的声音判断是否脱空 及脱空程度8 9 1 外观评定法其优点是原理简单 操作方便 工作量小 不需要昂贵的检测设备 缺 长安大学硕士学位论文 点是只能做定性的分析 而无法定量的判断脱空程度 并且判断的准确性与调查者的工 作经验 技术水平有关 具有一定的不稳定性 盲目性 不可重现性 在实际工程中 外观评定法在简单判断是否有板底脱空时仍在使用 例如吴中堂 3 0 在压浆施工前 观察 接缝 裂缝处的唧泥程度 结合板块错台和沉陷情形 来决定是否需要进行压浆处理 我国现行公路水泥混凝土路面设计技术规划3 i 规定 脱空判别应根据面层板角隅处的多 级荷载弯沉测试结果 并综合考虑唧泥和错台发展程度以及接缝传荷能力 同样需采用 外观评定法 2 2 贝克曼梁弯沉检测脱空判别方法 2 2 1 板中弯沉值判据 对水泥混凝土路面采用贝克曼梁弯沉仪进行脱空检测 其关键问题是要了解脱空区 的分布规律以及如何确定脱空标准 水泥混凝土路面板 基层及土基构成的复合弹性体 在车辆荷载作用时 即使板下没有脱空也会产生一定的变形 所以采用弯沉值进行评定 首先要建立一个脱空标准 即确定一个弯沉量 其值多大属于未脱空 多大属于轻度 中度 重度脱空 我国 公路水泥混凝土路面养护规范 3 2 j t j 0 7 3 1 2 0 0 1 指出凡是 弯沉值大于0 2 m m 则说明板底出现脱空 根据对上海地区水泥混凝土路面实际检测弯沉数据 以及相关经验 同济大学道路 与交通工程教育部重点实验室给出了水泥板厚为2 2t i n 时 板边脱空判别标准 3 3 弯沉 3 0 o 0 1r a m 明显脱空 其中 判断为没有脱空情况的绝对弯沉 是没有唧泥现象时测得的绝对弯沉 判断 为不一定出现脱空情况的绝对弯沉 是测点出现轻微唧泥现象时测得的绝对弯沉 判断 为明显脱空情况的绝对弯沉值 是测点处明显出现中等 严重唧泥现象时测得的绝对弯 沉值 2 0 0 7 年侯航舰 3 钾结合目前广东水泥混凝土路面采用厚度为2 4 2 8c m 的情况 采 用w e s t r t g a a r d 板边弯沉公式重新计算后 将脱空判断作如下分级 板厚度2 2 2 4 c m 时采用原来标准 板厚度在2 4 2 8c m 时 采用如下判别标准 弯沉 2 8 o 0 1 m m 明显脱空 国内外许多研究者对静弯沉板底脱空判定标准进行了大量研究 研究表明 此方法 仅仅在局部路段有效 如果认为 当混凝土路面的实测弯沉值大于某判据时就认为板底 存在脱空 是不合理 不准确的 加拿大w u s s 3 5 1 根据试验研究表明 当仅用一个弯 沉值指标来评定脱空时 评定结果与实际情况不一致 此方法准确性很低 因此 为确定某一路段的弯沉脱空标准 首先对路面结构 自然地形条件 车辆荷 载组成及分布等进行调研 然后采用贝克曼梁仪进行弯沉检测 根据理论计算和实际检 测弯沉数据 结合现场钻芯检测结果 进行修正 方可提出适合该路段水泥混凝土路面 板的脱空标准值 2 2 2 相邻两板角弯沉差判据 有关研究表明 水泥混凝土路面板底脱空通常发生在相邻两板角隅的一侧 所以 测量两相邻板角间的弯沉差也就成为目前判断板底脱空的一种常用方法 美国沥青混凝 土加铺层设计手册 m s 1 7 规定 对应于b b 4 0 k n 的弯沉差判别标准为5 o 0 1 m m 对应于f w d 4 0 k n 的弯沉差判别标准为8 o 0 1 m m 3 6 根据弯沉差与荷载之间是线 性关系 可以推断 对应于我国标准轴载b z z 一1 0 0 k n 即f w d 5 0 k n 的弯沉差判别标 准为1 0 o 0 1 m m 采用相邻两板板角弯沉差来判定板底脱空没有考虑许多因素的影响 判定结果与实 际有出入 主要存在以下几点不足 该方法仅适用于相邻板一侧发生脱空时 如果相邻两板同时脱空 将无法准确 判别实际脱空状况 该方法没有考虑接缝传荷能力对板角弯沉值的影响 而有关研究表明 相邻两 板之间接缝传荷能力对弯沉的影响非常显著 该方法没有考虑环境因素 人为因素 设备因素等对弯沉值的影响 2 2 3 同板弯沉差判据 水泥混凝土路面结构 水泥混凝土板厚度 相邻板体的传荷能力 基层的强度及类 型 边坡坡度和测试季节等因素对静弯沉的影响非常大 致使静弯沉值变异性非常大 由此可见 仅采用单一弯沉值作为判别脱空的依据是不科学的 它随着各影响因素而变 化 但如果采用同一水泥混凝土板的板边或板角与板中弯沉差进行比较分析来评定路 l o 长安大学硕 i 二学位论文 面板脱空状况 显然可以消除上述部分因素的影响 例如路面结构 板厚 基层强度及 类型 边坡坡度等 从而采用同板板边中点或板角与板中弯沉差来判定脱空的准确性和 有效性更高 同板弯沉差可表示为 一 或 一 2 1 制定此方法的判别标准 首先选择一段典型路段 采用贝克曼梁检测该路段板边中 j 点 板角和板中弯沉值 根据式 2 1 计算同板弯沉差 和 综合考虑路面调 查的唧泥 错台 裂缝 板角破碎情况 并选择部分代表性板块进行钻芯或采用f w d 或雷达检测修正 从而更加准确的判定此处的脱空状况 通过理论计算和实测数据分析 给出该路段的弯沉差判别标准 2 3 基于f w d 的脱空判别方法 2 3 1 板角弯沉图法 1 9 8 5 年美国国家协作公路研究计划提出了由板角弯沉图进行脱空评定的方法 即由 f w d 实测一定荷载下混凝土路面的板角弯沉 绘制弯沉断面图 通过检测一定数量的 路面板 可以统计分析出一个有代表性的板角标准弯沉值 并认为此标准弯沉值代表了 路面支撑良好的情况 那么 当实测的板角弯沉大于此标准时 则说明混凝土板下存在 脱空 3 7 1 此方法原理简单 评定方便 只需要知道板角在荷载作用下的弯沉即可 不需要复 杂的计算和分析 现行公路水泥混凝土路面养护技术规范 1 1 3 1 规定 用5 4 m 长杆弯沉仪 及相当于b z z 1 0 0 重型标准汽车 凡弯沉超过0 2 m m 的应确定为面板脱空 但是赵茂 才 2 在哈尔滨一阿城路的板角脱空检测中则将脱空标准值取为0 7 r a m 该值是分析了影 响弯沉值的因素 结合实际测试 通过大量试验 考虑了相邻板的传荷影响确定的 取 值为相邻板一次测试两付5 4 m 贝克曼梁式弯沉仪的相邻两板实测弯沉值之和 但是 此方法存在的问题是 如何准确确定 标准板角弯沉值 因路基结构存在不 均匀性 各接缝的传荷能力也是变化的 标准值取 略大最小板角弯沉 依然会出现因人 而异的人为影响 同时 弯沉与各路面结构组成有关系 不同结构的路段必须建立独立 的标准板角弯沉值 每块板4 个板角全部检测的工作量也很大 2 3 2 比较分析法 1 9 8 5 年m y s h a h i n 的研究表吲3 8 1 将由f w d 实测的板角弯沉6 c 与理计算的弯沉 第二章国内外脱空判别方法研究 6 c7 进行比较 可以评定混凝土板底脱空 当8 c 8 c 时 说明板底存在脱空 但是 理论弯沉值6 c7 的计算本身就是很复杂的过程 必须知道路面的全部结构参数 几何尺 寸 材料模量 力学模型等 显然 评定过程引入的变量越多 越增加了评定结果的不 确定性 比如 当地基均匀支承时 弯沉检测值6 c 也不一定就等于理论计算的弯沉值6 c 同时 也不能把一条路的设计数据 结构参数 用于各个检测点的理论弯沉计算 2 0 0 7 年何岩 3 9 应用威斯特卡德理论 即以地基反应模量k 表征地基刚度的文克勒 地基模型弹性地基板 简称为k 地基 路面力学模型计算公式 求解刚性路面板板角在 标准轴载作用下的弯沉值 l 当采用某结构的一条水泥混凝土路面的板角理论弯沉0 3 l 求 出之后 取某一超过 l 的板角实测弯沉 s 然后利用数学中的标准偏差方法求得 s 的代表值 o 用咖与 l 的比值作为判别该结构脱空的标准 即判别标准为 择 o l 九为判别系数 2 2 由于在不同情况下 脱空的程度不同 所以根据脱空的严重程度定义两个临界判别 系数九l 如 它们分别表示严重和轻微脱空的临界判别系数 1 板角理论弯沉t o l 的确定 吼 1 1 0 8 8 塑1 1 旦 d e 2 3 式中 c o i 顿角理论弯沉 m 忙路面板厚度 m k 均布荷载强度 m p a 卜路面板弹性模量 3 5 g p a i i 路面板泊松比 0 1 5 k 当量圆半径 m 一删度耗引 南r 卜地基反应模量 k n m 3 2 板角弯沉代表值0 3 0 的确定 历 z s 乙踮持喜c q 面 2 1 2 2 4 2 5 长安人学硕士学位论文 历 二yc o c o 2 0 一 l z z 智 式中 0 3 旷 一路段的代表弯沉值 m 面 实测板角弯沉的平均值 m 乙卜实测板角弯沉的标准偏差 可根据脱空的严重程度分别得到两个代表弯沉值 o i 翱 0 0 2 2 0 0 7 年周海军 4 0 1 从水泥混凝土路面板底脱空力学机理的有限元分析出发 认为水泥 混凝土路面板底脱空等同于地基刚度系数的消减 根据以上理论 提出了基于f w d 的 水泥混凝土路面板底脱空的识别方法 路表弯沉盆是路面结构刚度参数的体现 而地基脱空对路表弯沉盆的影响明显 因 此 可以通过路表弯沉盆来评定混凝土路面板的脱空状况 将混凝土板下地基的脱空理 解为地基刚度参数的衰弱 利用有限元分析 建立一种简便实用的脱空评定方法一比较 分析法 由f w d 实测缝边板角弯沉 评定水泥混凝土板下基础的刚度参数 将这一刚 度参数值与基础均匀支承时的标准值进行比较 检测板下地基脱空的位置 预估脱空的 尺寸 由于实际使用中水泥混凝土路面的基础脱空大多数发生在缝边板角处 而板角荷载 作用下 以地基反应模量k 表征的文克勤地基模型与实际状况较为接近 因此 在地基 脱空状况评定中选用k 地基上具有接缝的水泥混凝土路面分析模型 经过大量的计算分析 得到混凝土路面板脱空状况评定的回归公式 q 0 9 7 x 1 0 6 o 9 1 x 1 0 5 疋 o 1 7 1 0 5 瓦 o 1 7 x 1 0 5 h 2 7 k 4 9 6 9 2 3 2 6 瓯一0 1l 瓦 0 9 9 h 2 8 式中 q 广 接缝的传力杆系数 6 广 板角荷载作用下的弯沉 c m k r 板角荷载作用下地基的反应模量 n c m 3 e 广传荷系数 h 一路面板厚度 c m 根据6 e w 及面板厚度h 由式 2 7 2 8 计算出板角荷载作用下的地基反应 模量k 及接缝的传力杆系数c w 并计算板中荷载作用下的地基反应模量k i 如k 5 01 0 01 5 0 f 1 d 实测弯沉值 1 1 1 图2 8 截距法判定脱空原理图 截距法是一种行之有效的定性的判定脱空的方法 能达到良好的判别效果 但用于 脱空检测依然有其不足之处 共有以下几点 f w d 截距法检测只能逐个板角进行检测 测试速度较慢 不能达到f w d 快速 检测的目的 f w d 截距法检测是一种定性的判别是否脱空的有效手段 但不易对具体脱空范 1 4 长安大学硕 学位论文 围进行确认 f w d 截距法未考虑接缝处传荷能力对弯沉的影响 如接缝传荷良好的情况下 将不会出现截距的情况 2 3 4 弯沉盆变异法 混凝土路面板的路表弯沉盆是路面结构刚度参数的体现 而地基脱空对路表弯沉盆 j 的影响是明显的 均匀支承的混凝土路面板在荷载作用下的弯沉随着离荷载作用点距离 的增大而减小 如果离荷载作用点较远位置的弯沉值比较近位置的弯沉值大 则说明可 能存在脱空现象 此判定方法能否有效的评定板底脱空状态 最关键的问题是能否选择 一个符合实际路面状态的弯沉盆拟合曲线 弯沉盆曲线大致是一个凹曲线 随着距离的增加 弯沉值逐渐减小 国内外许多学 者就选用何种曲线模型对弯沉盐进行拟合有较大的分歧 也采用多种数学模型进行了分 析比较 其中拟合较好的典型曲线数学模型见表2 1 表2 1 拟合较好的典型曲线数学模型 曲线种类数学表达式 指数曲线 y a e h 抛物线 y 2 a i a 2 x a 3 x 三次曲线 y 2 a l a 2 x a a x 2 a 4 x 3 选取已确定存在板底脱空的水泥混凝土板f w d 板中实际测试数据 分别就三种不 同模型进行模拟 以便于选用最佳的模型来判定板底脱空 第二章国内外脱空判别方法研究 图2 9 三种曲线回归比较图 由图2 9 可见 指数曲线回归能够较好反应出弯沉的变异性 因此 当采用弯沉盆 变异法判定板底是否存在脱空时 选用指数曲线回归弯沉盆 图2 1 0 为以指数曲线回 归脱空板和未脱空板的弯沉盆曲线对比 从图可以看出 如仅用弯沉盆变异法 寻找变 异点来判定路面板脱空状况 存在很大的主观性和盲动性 且多大变异说明存在板底脱 空 也没有一定科学根据 因此 弯沉盆变异法仅能用作辅助手段来判别板底脱空状况 1 0 0 8 0 05 0 1 0 0 1 5 02 0 0 图2 1 0 脱空板和未脱空板的板中弯沉盆曲线对比 1 6 长安大学硕士学位论文 2 3 5f w d 夹角法 根据路表荷载向下以圆锥形扩散的假定 夹角法利用弯沉盆定义参数q 以此来估 计脱空的存在 首先利用f w d 实测弯沉值画出弯沉盆图 然后在弯沉图上对距f w d 荷载盘中心3 0 c m 与1 8 0 c m 的弯沉点进行连线 经过距f w d 荷载盘中心1 8 0 c m 的弯沉 点作一水平线 这两条线之间的夹角被定义为q 参数q 如图2 l l 所示 6 0 5 0 呈4 0 器3 0 2 0 1 7 第二章国内外脱空判别方法研究 准 如何降低夹角法的误判率还有待进一步的研究 2 3