基于FWD的连续配筋复合式沥青路面结构性能分析

赵 旭 方向前

(上海城建养护管理有限公司 上海 201101)

良好的路面结构承载能力是路面保持其服役性能的基础，它与路表破损、平整度、耐久性等方面都存在内部联系[1]。在道路运营期间，其结构承载能力和其他性能都呈现下降的趋势。通常来说，对于结构性能强的路段，它的其他性能衰减得也会较为缓慢，反之，对于路面结构性能差的路段，其相关的其他性能衰变得相对较为快速[2]。

连续配筋复合式路面(CRCP)既保留了连续配筋混凝土板承载力强、整体性高的特点，还集成了沥青混凝土层的行车舒适等优点，是重载交通高速公路长寿命路面结构的发展方向之一[3]。G1501上海同三段于2016年进行了大修，采用的主要维修方案为连续配筋复合式路面结构。然而，由于繁重的交通荷载，加之降雨较多、空气潮湿，易造成大修后路面的结构性破坏。对于连续配筋复合式路面结构，结构性破坏一旦产生，维修相当困难，需封闭部分路段或完全中断道路交通，对道路通行能力造成严重影响。

针对CRCP的特殊情况，需采取有效的手段对连续配筋复合式路面在重载交通下的路面结构性能进行检测，基于此进行道路保养以使路面在使用年限内能维持较好的服务水平，防止造成路面整体结构的破坏。在路面设计、施工和运营期间，弯沉值一直是路面结构层承载能力的重要检测指标[4]。落锤式弯沉仪(FWD)这一动态弯沉量测仪器可以快速、无损地直接量测到路段的表面弯沉盆，从而对路段结构性能进行科学评价[5]。

1 试验路段概况

根据调研设计和竣工资料，全面考虑G1501上海同三段的实际情况后，初步选取了4个典型路段作为测试路段，其中路段1、2为不同类型基层和路基处治方法的连续配筋复合式路面，路段3为普通半刚性基层路面，路段4为CRCP与SMAC的过渡区。4个典型路段的路段长度及结构类型见表1，路面结构组合和路基处治方式见表2。

表1 典型路段特征

表2 各路段路面结构组合

2 测试方法

于2018年10月11日对G1501上海同三段4个路段进行了第一次动态弯沉检测，采用多点车载落锤式弯沉仪，局部测试选定的路段，测试点为典型路段的第二车道，每条路段长200 m，测点纵向布置，间距为20 m，每条路段共10个测点。9个传感器距荷载中心点的距离分别为0，200，300，450，600，900，1 200，1 500，1 800 mm，通过9个传感器的测试结果得到弯沉盆数据，9个传感器编号为D1～D9，对应的数值为d1～d9。测试采用的荷载为50 kN，荷载板半径为15 cm。传感器布设方案见图1。

图1 传感器布设方案

3 检测结果分析

3.1 各路段弯沉盆图分析

FWD测定的动态弯沉盆，包含着丰富的路面结构层强度信息。根据FWD弯沉测试数据，得到4个典型路段的弯沉盆曲线见图2。

图2 各路段弯沉盆曲线

比较多组数据离散程度大小时，当组间数据测量尺度差异较大，直接用标准差来比较不太合适，此时可以用变异系数消除这种尺度影响，计算方法见式(1)。

(1)

式中：CV为变异系数，STD为标准差，Mean为平均值。

由式(1)计算得各典型路段内部各测点中心弯沉d1的变异系数，见表3。

表3 各路段中心弯沉值变异系数

由表3可见，路段1变异系数最小(10.58%)，说明各测点离散程度较小，均匀性较好。而路段3变异系数最大(22.14%)，即SMAC各测点中心弯沉值离散程度较大，均匀性差。可知CRCP整体结构强度比SMAC要稳定。

分别计算4个典型路段多测点各传感器的平均弯沉盆值曲线，见图3。

图3 各路段平均弯沉盆值曲线

由图3可知：

1) 路段1为连续配筋混凝土复合式路面结构，其中心弯沉值偏低，且曲线斜率较缓，可知路段1的结构性能相对较好。

2) 路段2为连续配筋混凝土复合式路面结构，弯沉值整体偏小且曲线斜率较小，说明路段2的结构性能相对最好。

3) 路段3(SMAC)的中心弯沉值较为居中，并非最低，但D2～D9的弯沉值都为最小，尤其D1与D2差值较大，推测由于面层强度较低，使其传荷能力降低，故D2～D9的弯沉值较小。

4) 路段4为SMAC与CRCP的过渡段，其中CRCP结构与路段1一致。2个路段的路基处理一致，均为注浆加固。对比路段1与路段4的平均弯沉盆图可知，路段4的前5个传感器值更大。原因可能是由于含有一半SMAC，加上2种路面的不连续过渡使得路段4的弯沉值普遍偏大，强度偏低，但2个路段的路基强度则较为一致。

3.2 各路段弯沉盆参数分析

3.2.1中心弯沉值

表4 各路段中心弯沉平均值

3.2.2表面曲率指数

观察图2可知，与其他4个路段相比，路段3的d1与d2差值(表面曲率指数)较大，而该值主要反映面层模量，表面曲率指数越大，面层模量越小，反之则越大。表面曲率计算方法见式(2)。

SCI=d1-d2

(2)

由式(2)计算得各路段各测点的表面曲率指数(SCI)的平均值见表5。

表5 典型路段表面曲率指数平均值

由表5可见，路段4的表面曲率指数最大(12.71 μm)。说明由于半刚性基层沥青路面的面层厚度、基层材料组合及路基处理的区别，使得路段3反映出来的面层模量较低，路段4由于有一半为半刚性基层沥青路面，因此其表面曲率指数次之(10.73 μm)。4个路段的面层模量从小到大依次为：路段3<路段4<路段1<路段2。

3.2.3基层损坏指数

考虑到测试路段基层的差异性，计算各典型路段的基层损坏指数，其计算方法见式(3)。

BDI=d3-d4

(3)

各典型路段的基层损坏指数(BDI)的平均值见表6。由该表可知路段3的基层损坏指数最大(4.39 μm)，路段2最小(2.69 μm)。故可知路段3(半刚性基层)的基层强度较差，而路段2(连续配筋混凝土基层)的基层强度相对最高。4个路段的基层强度从小到大依次为：路段3<路段4<路段1<路段2。

表6 典型路段基层损坏指数平均值

3.3 2次检测结果对比分析

于2019年7月20日对G1501上海同三段4个路段进行了第二次动态弯沉检测，测试设备及测试方案与第一次检测一致。绘制第二次测试的各路段平均弯沉盆见图4，求得2次检测各路段在各测点的弯沉差值见表7，其中弯沉差值为第二次检测值减去第一次检测值。

图4 第二次检测各路段平均弯沉盆图

表7 2次检测各测点弯沉差值

对比图3和图4，并结合表7可知：

2) 就面层结构强度而言，2次检测结果也较为一致，根据路段平均面层曲率指数SCI，面层结构强度从大到小依次为：路段2>路段1>路段4>路段3。

3) 就基层结构强度而言，2次结果有所区别，根据路段平均基层损坏指数BDI，第一次基层强度从大到小依次为：路段2>路段1>路段4>路段3，而第二次基层强度从大到小依次为：路段2>路段1>路段3>路段4，说明在9个多月的时间跨度下，路段4的基层损坏相对较为严重。

4) 就弯沉值及弯沉盆参数本身而言，第二次测试的弯沉值和弯沉盆参数总体上来看比上次检测结果有所提高，说明在时隔9个多月的时间内，路面结构强度有所降低。CRCP的d1弯沉值增加幅度较低，说明CRCP结构性能较为稳定，而路段3的d1弯沉值增加较为明显，即SMAC在运营期间，结构整体强度相对降低得较快。

4 结语

对G1501上海同三段的4个路段做了2次动态弯沉测试，通过弯沉盆图及弯沉盆参数分析可得出以下结论：

1) 4个路段内部整体结构强度的均匀性为路段1>路段2>路段4>路段3，即CRCP整体结构强度比SMAC稳定。

2) 路段1和路段2弯沉值整体偏小且曲线斜率较小，说明CRCP的结构性能相对较好；路段3的表面曲率指数较大，即面层强度较低。推测由于SMAC的面层厚度、基层材料组合及路基处理的区别，使得SMAC反映出来的面层模量较低；路段4为SMAC与CRCP的过渡段，其中SMAC结构与路段1一致。由于存在SMAC以及2种路面结构的不连续过渡使得路段4的弯沉值普遍偏大，即结构强度偏低。

3) 根据2次动态弯沉测试结果，CRCP结构性能较为稳定，而SMAC在运营期间的结构整体强度降低得相对较快。未来可通过持续跟踪检测对比研究连续配筋复合式路面与半刚性基层沥青路面的结构性能的演变规律。