DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.12.044
旧水泥混凝土路面弯沉测试的若干问题研究
李盛，陈尚武，刘朝晖，展宏图
(长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410004)
摘要：针对旧水泥混凝土路面现行弯沉测试方法存在的不足，提出旧水泥混凝土路面弯沉测试的改进措施。研究弯沉测试的合理温度，测试实体工程板角、板中、接缝边缘的弯沉。研究结果表明：为减少温度梯度对弯沉测试结果的影响，建议在冬季进行弯沉测试，接缝传荷能力的测试尽量避开中午时段，而板中弯沉则在6:00左右进行测试；旧水泥混凝土路面弯沉最大值在板角的出现比例最大，落锤式弯沉仪(FWD)和贝克曼梁(BB)弯沉法动静弯沉测试结果有较好的线性相关性，采用BB弯沉法测定的板角平均弯沉为0.200 mm时需进行压浆处理。
关键词：道路工程；旧水泥混凝土路面；落锤式弯沉仪；贝克曼梁；温度梯度；弯沉测试
中图分类号：U416.224；U416.01 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)12-4713-06
Some problems on deflection test of old cement concrete pavement
LI Sheng, CHEN Shangwu, LIU Zhaohui, ZHAN Hongtu
(School of Traffic and Transportation Engineering,
Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)
Abstract: Focused on the flaws of current deflection test methods of old cement concrete pavement, improvements for deflection test of old cement concrete pavement were proposed. Reasonable temperature of deflection test was studied.The entity engineering deflection of the corner and middle of concrete slab, and the edge of joint were tested. The results show that, in order to reduce the effect of temperature gradient on the deflection test, deflection test needs to be carried out in winter, the test of joint load transfer efficiency needs to be avoided at noon, and the deflection test on the middle of concrete slab needs to be carried out at about 6:00.The largest proportion of average deflection is in the corner of concrete slab, the dynamic and static test results of falling weight deflectometer (FWD) and Beckman beam (BB) deflection test have good linear correlation, and grouting process is required when the average deflection is 0.200 mm on the corner of concrete slab using Beckman beam (BB) deflection test method.
Key words: road engineering; old cement concrete pavement; falling weight deflectometer; Benkelman beam; temperature gradient; deflection test
我国早期修建的公路大多是国家主干公路，交通量大，超重货车比例大，且多为水泥混凝土路面结构。由于对交通荷载的发展估计不足，早期水泥混凝土路面面板厚度一般偏薄，且普遍没有设置接缝传力杆，加之路面结构防排水考虑不完善，相应功能层设计缺失，路面结构整体承载能力不足，造成路面结构使用性能衰减快，服务水平低，普遍损坏严重，不得不提前进行改建[1-3]。近年来，各地陆续开始对水泥混凝土路面进行大修、改造、扩建。在旧水泥混凝土路面提质改造或大修改过程中，需首先对现有旧水泥混凝土路面典型路段的技术状况进行调查、分析，提出旧水泥混凝土路面结构强度评价方法以及旧板脱空判别与压浆处治标准，并根据旧路状况及结构强度确定改造方案[4-6]。存在的问题是现行规范没有明确弯沉测试的准确位置和测试温度的影响，也未见关于不同测试方法相关性方面的研究报道。为此，本文作者研究旧水泥混凝土路面弯沉测试存在的问题，以便为旧水泥混凝土路面弯沉的合理测试提供参考。
1 现行规范旧水泥路面弯沉测试存在的问题及改进措施
路表在车辆荷载作用下的弯沉量和弯沉曲线(弯沉盆)反映路面结构的承载能力。弯沉测试是一项无破损试验，具有测点数量多、对交通干扰少的优点，在旧水泥混凝土路面的接缝传荷能力、板底脱空状况以及基层顶面当量回弹模量等的调查评定中得到了广泛应用[7]。
1.1 弯沉测试的目的
旧水泥路面弯沉测试的主要目的是：1) 全面了解旧水泥路面结构的承载能力，通过测定横向接缝两侧板边的弯沉，采用平均弯沉，评价旧水泥混凝土板的承载能力；2) 通过测定横向接缝两侧板边的弯沉，采用未受荷板和受荷板的弯沉比值，评价旧水泥混凝土板的接缝传荷能力；3) 通过测定横向接缝两侧板边的弯沉，采用弯沉差和平均弯沉，评价旧水泥混凝土板的板底脱空状况。
1.2 现行规范弯沉测试方法存在的问题
最新的JTG D40—2011“公路水泥混凝土路面设计规范”规定[7]：旧混凝土面层板的接缝传荷能力和板底脱空状况采用弯沉测试法调查评定；对于面板接缝传荷能力测定，为了避免温度和温度梯度对量测结果的影响，应选择在接缝缝隙张开而板角未出现向上翘曲变开的时刻，板角弯沉测定应选择在白天正温度梯度的时段，而板中弯沉的测定应选择在出现负温度梯度或正温度梯度很小的夜间至清晨时段进行。测试时间段并不是很明确，而且没有明确具体的测试位置及最大弯沉的出现位置，也没有不同测试方法的相关性。
1.3 弯沉测试的改进措施
1) 确定旧水泥路面弯沉测试位置。水泥混凝土路面矩形板规定的最不利荷位是纵向接缝边缘中部，其次是横向接缝边缘中部，板角是产生挠度最大的位置。对于旧水泥混凝土路面，由于受旧板损坏状况的影响，最大弯沉的出现位置并不明确，研究中需测试板角、板中、板接缝边缘的弯沉，根据最大弯沉的出现比例，确定出弯沉测试的具体位置，并确定常用测试手段中落锤式弯沉仪(FWD)和贝克曼梁(BB)弯沉法两者测试结果的相关性，确定不同测试方法下用于板底脱空判定的弯沉，以及为旧水泥混凝土路面弯沉测定提供理论依据和参考。
2) 研究温度的影响规律。混凝土板之间在不同温度下，相互的接触状态会有变化。高温时，接触紧密，传荷能力强；低温时，接触松散，传荷能力弱[8]。因此，在不同温度下，板边的弯沉测试结果会有变化，需通过试验确定出空气温度、混凝土板表面温度、板内部温度与弯沉之间的关系，并对其进行回归分析，确定它们之间的关系式，以便于进行温度修正。
对测定的大量的弯沉进行统计分析，确定各处的弯沉最大值，剔除奇异值后计算各处的弯沉代表值，并采用最小二乘法建立弯沉与空气温度、板表面温度、板温度梯度的关系，确定温度对弯沉的影响规律。
2 弯沉测试的合理温度
研究温度对弯沉的影响规律，需根据要求在测定弯沉的同时测定空气以及水泥混凝土面板的温度[8]，确定出空气温度、板温度以及弯沉之间的关系，以减小温度对弯沉测试结果的影响。
2.1 温度测试及板内温度确定的方法
2.1.1 温度测试方法
空气温度采用水银温度计进行测定，温度计最小分值不大于0.2 ℃，测量精度为±0.5 ℃[9]。考虑到温度计本身吸收太阳热量的能力要比空气吸收太阳热量的能力大，在太阳光直接曝晒下温度计的读数往往高于周围空气的实际温度，所以，将温度计放在离地约1.5 m处四面通风的百叶箱里[9]。混凝土面板面积为20 m2，需测定2个点的温度，将面板对角线三等分，测定其中2点的温度取其平均值[9-10]。测试中，每0.5 h读1次数。
测定混凝土板表面温度时，采用标定好的红外线感应温度计，每块板选定2个点进行温度测试，取平均值。每1 h测定1次弯沉，1次测3~5个固定点，以获得不同温度下的弯沉。
2.1.2 板内温度的计算方法
考虑到板内温度不易测定，且温度传感器埋设过程中易受环境和人为等因素而影响精度，通过埋设温度传感器进行大量测定并不适宜。可以根据传热学基本原理，运用有限元方法对板内温度场进行计算，并根据现场埋设温度传感器的测试结果对有限元模型及程序进行修正，以确保计算精度。
水泥混凝土路面结构的温度场有限元模拟主要根据空气温度的测试结果和传热学的基本原理，运用Fortran语言编制子程序，通过子程序以代码的形式扩展有限元主程序的功能[11]实现温度场的有限元模拟。其理论依据是：路面结构处于自然界中，路表与大气直接接触，通过太阳辐射、空气对流热交换、路面有效辐射等方式与大气进行热交换，并沿路面深度方向向下传递热量，形成路面结构内部的温度场[11-13]。在计算模型中用子程序定义随时间变化的外界温度并进行稳态和瞬态热传导分析，应用ABAQUS有限元软件模拟连续变温条件下混凝土路面的温度场[13]。温度场计算主要参数如表1所示。
表1 温度场计算参数
Table 1 Calculated parameters of thermal field
计算不同深度处板内的温度，所得结果如图1所示；混凝土板表面最大温度与气温的关系如图2所示。
从图1可以看出：在12:00左右，板内温度随深度变化幅度最大，2:00左右板内温度随深度变化不大，可见板内温度在中午时段受太阳辐射的影响程度大，而夜间板内温度以内部热传递为主导。由于夜间至清晨热传递持续时间长，热量传递较充分，路面结构内部温度变化不大。从图2可以看出：混凝土板表面最大温度与气温变化基本一致，最大温度均出现在14:00左右，但由于混凝土吸收太阳辐射的能力较强，所以，混凝土板表面的温度要高于气温。
通过不同时刻水泥混凝土路面结构内温度随深度的变化情况，可计算混凝土板在不同时刻的温度梯度。在不同时刻进行气温、板表面温度及弯沉测试，便可建立弯沉与气温、板表面温度、板温度梯度的关系，从而确定温度对弯沉的影响规律。
图1 不同时刻水泥路面结构内温度随深度的变化
Fig. 1 Relationship between temperature and depth in cement concrete pavement structure at different time
图2 混凝土板表面温度、气温与时间的关系
Fig. 2 Relationship between temperature of concrete slab surface and air temperature and time
2.2 水泥路面弯沉测试的合理温度
根据传热学的基本原理，应用ABAQUS有限元软件模拟连续变温条件下水泥混凝土路面的温度场。水泥混凝土路面的面板厚度取22，24，26，28，30和32 cm，分析和研究夏季及冬季水泥混凝土板最大温度梯度与板厚的关系。计算结果如图3和图4所示。
从图3和图4可以看出：夏季的最大正、负温度梯度均比冬季的大，为减少温度梯度对弯沉测试结果的影响，建议在冬季进行弯沉测试。
最大正温度梯度出现时刻随板厚增加略推后，一般出现在12:30至13:00左右，建议接缝传荷能力的测定尽量避开这一时段，如可在7:00—11:00或15:00—18:00进行测试；负温度梯度一般出现在20:00左右(随板厚增加可能推后到22:00左右)至次日6:00，板中弯沉的测定可选定在这一时段。由于0:00以后的负温度梯度相对较小且变化不大，并考虑到测试工作在夜间开展的难度，建议在6:00左右对板中弯沉进行测定。
图3 夏季混凝土板最大温度梯度与板厚的关系
Fig. 3 Relationship between the maximum temperature gradient of concrete slab and its thickness in summer
图4 冬季混凝土板最大温度梯度与板厚的关系
Fig. 4 Relationship between the maximum temperature gradient of concrete slab and its thickness in winter
3 弯沉测试位置及不同测试方法的相关性
现行规范均未对弯沉测定位置进行准确说明，也未见落锤式弯沉仪(FWD)和贝克曼梁(BB)弯沉法在旧水泥混凝土路面弯沉测试中相关性方面的研究成果。在研究过程中，以京港澳(北京—香港—澳门)高速公路潭耒段(湘潭—耒阳)改造一期工程为实体，对旧水泥混凝土路面弯沉测试位置及动静弯沉测试的相关性进行研究，并确定不同测试方法下用于板底脱空判定的弯沉。
3.1 弯沉测试方法
采用贝克曼梁(BB)弯沉法进行弯沉测定时，采用单后轴双轮组轴质量为10 t的测试车，具体要求见表2；采用5.4 m的贝克曼梁(BB)沿车辆行驶方向进行测试[14]，测定平均弯沉和弯沉差并进行传荷能力的评价。在进行弯沉测定时，避免在大风天气进行，待百分表的数据稳定后读数，尽量减小人为因素的影响。
表2 弯沉车要求
Table 2 Requirements of deflection survey vehicle
采用落锤式弯沉仪(FWD)进行弯沉测定时影响因素较少，测得的弯沉较稳定。京港澳高速公路潭耒段原有水泥路面设有传力杆，但由于重载交通环境以及雨水等原因造成面板破损严重，故对部分面板进行更换。在进行换板时难免对传力杆产生一定破坏，在进行弯沉测定时，主要选择传力杆完好的面板进行测定。由于现场测试持续时间较长，旧路改造现场封闭交通条件有限，采用落锤式弯沉仪(FWD)和贝克曼梁(BB)弯沉法相结合的方式进行测试。
3.2 弯沉测试合理位置
为确定弯沉测定的最不利位置，在京港澳高速公路潭耒段改造一期工程中进行弯沉测定时，对部分面板板角、纵缝边缘中部、横缝边缘、板中4个位置进行弯沉测定，其中板角弯沉的测试位置如图5所示。
图5 板角弯沉测试示意图
Fig. 5 Diagrams of deflection test on corner of concrete slab
统计板角、纵缝边缘中部、横缝边缘、板中4个位置平均弯沉最大值所占的比例，如表3所示。表中前3个桩号测试板数量为40块，后3个桩号测试板数量为41块。
从表3可以看出：板角处的平均弯沉最大值所占比例最高。
表3 各位置平均弯沉最大值的比例
Table 3 Proportion of the maximum average deflection in each position %
3.3 FWD与BB法动静弯沉测试相关性
大量研究采用最小二乘法对落锤式弯沉仪(FWD)和贝克曼梁(BB)弯沉法在沥青混凝土路面以及水泥稳定碎石基层上的弯沉测定值进行回归分析，发现两者具有很好的相关性，但关于旧水泥混凝土路面上两者的相关性还没有具体的结论。
在京港澳高速公路潭耒段改造一期工程中，在相同的测试条件下采用FWD和BB法进行对比试验，对测得的部分弯沉进行分析，由实测数据绘制成动、静弯沉散点图，如图6所示。
在进行弯沉测定时，受各种因素的影响，产生了系统误差和随机误差，但数据基本符合正态分布规律。计算出弯沉代表值，剔除异常值，对剩余的数据采用最小二乘法进行线性回归，建立动静弯沉的关系方程：
(相关系数R2=0.804 0) (1)
在旧水泥混凝土路面上，由FWD和BB法在相同条件下测得的弯沉结果相关性达到0.800 0以上，但其相关性比在沥青混凝土路面及水泥稳定碎石基层上的相关性低。其主要原因是在进行FWD和BB法测定时，二者的测定位置有一定偏差；此外，对于旧水泥混凝土板，由于其受接缝传荷能力、板底脱空等多种因素的影响，测试结果本身离散性较大。
图6 FWD与BB的动静弯沉测试相关性
Fig. 6 Correlation of dynamic and static deflection test for falling weight deflectometer and Benkelman beam
板底脱空可根据板角弯沉测试结果并综合考虑接缝传荷能力、唧泥、错台等确定[15-16]。目前旧水泥混凝土路面对于落锤式弯沉仪(FWD)测定的弯沉大于等于0.140 mm时，一般认定需要进行压浆处理。按照上述回归出的线性公式可算出贝克曼梁(BB)弯沉法测定的弯沉为0.208 mm，需进行压浆处理。考虑到BB法测试结果的影响因素较多，造成的离散性较大，为了提高可靠性，确定BB法测定的板角平均弯沉为0.200 mm时需进行压浆处理。
4 结论
1) 分析了现行规范旧水泥混凝土路面弯沉测试方法存在的问题，并提出需建立弯沉与空气温度、板表面及内部温度的关系，确定温度对弯沉的影响规律。
2) 为减少温度梯度对弯沉测量结果的影响，建议在冬季进行弯沉测试，接缝传荷能力的测试尽量避开中午时段，而板中弯沉则在6:00左右进行测试。
3) 测试了实体工程板角、板中、接缝边缘的弯沉，确定出旧水泥混凝土路面弯沉最大值在板角的出现比例最大。
4) 落锤式弯沉仪(FWD)和贝克曼梁(BB)弯沉法动静弯沉测试结果有较好的线性相关性；采用贝克曼梁(BB)弯沉法测定的板角平均弯沉为0.200 mm时需进行压浆处理。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2014-12-08；修回日期：2015-03-24
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51178062)；湖南省自然科学基金资助项目(14JJ7041)；湖南省教育厅科学研究项目(14B001)；公路养护技术国家工程实验室开放基金项目(kfj150102)(Project (51178062) supported by the National Natural Science Foundation of China;Project (14JJ7041) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province;Project (14B001) supported by Educational Commission of Hunan Province; Project (kfj150102) supported by Open Fund of State Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology)
通信作者：李盛，博士，副教授，从事道路工程研究；E-mail：lishengttt@163.com
