FWD在水泥砼路面脱空评定与压浆效果检测中的应用研究

2.水泥混凝板脱空识别与评价方法研究 2.1理论分析
国内外研究表明，水泥混凝土板脱空通常发生在板缝与 板角处。以下将采用Winkler地基模型进行地基脱空分析：将 薄板划分为若干个单元，每个节点范围的地基作为弹性支 柱，同时，节点的挠度就是弹性地基的压缩量，地基的反力 来自于假定弹性支柱的压缩。按照Winkler地基理论，假定地 基表面所受压力q与地基表面的沉降w成正比，地基某一点的 沉降仅取决于竖向压力，按虚功原理，可以求出矩形单元下 Winkler地基单元刚度矩阵：
根据前节所述路面脱空的基本原理及识别方法， 混凝土路面基础脱空大多数发生在缝边板角处，而在 板角荷载作用下，以地基反应模量k表征的Winkler地 基模型与实际状况相接近。本节基于FWD检测数据，结 合湖南长益高速公路养护维修工程，对某段水泥混凝 土路面进行压浆后的评价，从强度及层间结合上对压 浆效果进行检验，以评价压浆后混凝土路面强度是否 符合对应标准要求，特别是基层的强度是否达到均匀 支撑板或正常工作板平均基础支撑强度
压浆处治前后板角和板中弯沉值对比
2．在不同测试区域基于FWD检测弯沉盆，通过双 层体系的模量反算，建立一个前后基础模量比， 即 k = E ，K2值大，说明压浆后地基模量比压浆前变
后 2
E前
化更明显强度提升越快。
压浆处治前后板角、板中模量对比值
从中央最大弯沉值来看，对板中弯沉而言，压浆前与压浆后， 中央弯沉变化不大，弯沉比皆在1.0与1.2之间，平均值为1.1。对普 通混凝土板，其脱空状况对板中弯沉影响不大，或者说脱空状况主 要不集中在板中。从板角1和板角2的压浆前后的弯沉比可以看出， 压浆后弯沉变化较大，弯沉值明显变小，弯沉比平均分别为1.3和 1.6，可以判定，板角是压浆效果明显的区域，或者说，板角是路面 脱空的主要区域，脱空主要集中在板角区域，这进一步验证了上一 节有关脱空原理及评价方法的正确性。 从上两表可以看出:压浆前后板体不同区域的基础模量之比变化 幅度不同压浆前后板中模量比平均值为1.1，而板角分别为1.6和2.0 ，压浆前后平均模量比为1.8。横缝中部地基模量比为1.2。从模量 比可以看出：压浆效果最明显的是板角，强度提升最快的是板角， 其次是横缝中部，最后是板中，这种规律和弯沉比很相似，因此， 弯沉比与模量比皆能判定压浆前后的效果，但模量比更能反应板体 地基的工作情况。从大量的处理工程实例来看，模量比更能有效表 征强度的提升。根据上述分析，一般来说，提高基础的强度，增强 地基的承载能力是改善脱空的最好途径。
双层反算模量
面板模量（MPa）
60000 50000 40000 30000 20000 10000 10 20 30 40 50 60 70
面板模量（MPa） 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 10 20 30 40 50 60 70
板中 板边

同时，通过对不同等级荷载作用下砼面板板边模量进行 反算（见下表），结果表明：完好的混凝土面板板边、板中 模量变化较小，脱空板变化较大；当施加的荷载大于临界荷 载时，接缝传荷作用才得以发挥，和脱空一起影响砼面板的 变形；当施加的荷载小于临界荷载时；由于传荷性能不能发 挥，反算的模量或弯沉只由脱空单独作用。
传统的分析方法将脱空和接缝传荷对弯沉的影 响独立地考虑，很少考虑到其相互作用的关联性及 对变形的共同作用，或者说，在脱空的情况下，荷 载与变形之间的关系怎样？对传荷影响如何？在不 同传荷状况下，脱空对于不同等级的荷载，其地基 的力学性能及对弯沉的变化影响如何？ 按以上分析与计算方法，为研究接缝传荷和脱 空对砼面板弯沉盆的综合影响，在两块结构层厚度 不同的脱空砼面板上进行FWD多级荷载试验，下图为 两块脱空砼板在多级荷载作用下的中央弯沉——荷 载变化。
60000 50000 40000 30000 20000 10000 10 20
（c）完好板与脱空板面板板中模量对比图
30
40
50
60
70
荷载等级（KN）
（d）完好板与脱空板面板板边模量对比图
基 础 板 中 模 量 （ MPa）
250 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70
[K ]
e
= k 0 ∫∫ [N ] [N ]dxdy
T
圆面积均布荷载作用下Winkler地基无限大板的挠度 解，可通过微小厚度环形荷载作用产生微小挠度求得。如图所 示，在厚环形荷载作用下板的挠度，在环内侧时
dw = qπ [ f 0 (a )u 0 (ξ ) − g 0 ( a )v 0 (ξ )]ada 2k
从图中我们可以看出，两块水泥砼面板在某一级荷 载的作用下，中央弯沉的变化基本上反映了面板的性能 变化，而且在某一荷载下，中央弯沉随着荷载的增加而 明显的增加，我们可将该荷载定义为临界荷载（P0）。 当施加的荷载P＞P0时，则传荷系统对所施加的荷载进行 传递，弯沉变化较明显；当P＜P0时，传荷未发生作用， 此时传荷未影响弯沉的变化，完全由脱空和板的自重决 定。研究表明：完好的砼面板其地基反应模量基本相 同，所以在路面结构地基支承条件相同时，其板中、板 边混凝土面板的模量应该是基本相同的。
随着我国经济的发展和改革开放的深入，交通基本建设 的投入也不断增大，近十年来，公路建设取得了巨大的成 就。 落锤式弯沉仪（FWD，Falling Weight Deflectormeter）是一种较为理想的弯沉检测设备，至今已 有60多个国家和地区先后应用FWD，特别在美国和欧洲发达 国家FWD的应用十分广泛。我国《路基路面现场测试规程》 （JTJ059-95）已将FWD列为弯沉检测设备。然而，目前我国 FWD应用还不是十分广泛，主要原因是人们对FWD还不够了 解，特别是FWD弯沉检测与传统的弯沉检测手段之间相关性 的好坏直接影响着人们对FWD科学性、先进性、可靠性的认 同程度。
在环外侧时：
dw =
qπ [ f 0 (ξ )u 0 (a ) − g 0 (ξ )v 0 (a )]ada 2k
w=
qπ qπ [ f 0 (a )u 0 (ξ ) − g 0 ( a )v 0 (ξ )]ada + [ f 0 (ξ )u 0 (a ) − g 0 (ξ )v 0 (a )]ada 2k 2k
板中 板边
（a）完好板板中与板边面板模量对比图
（b）脱空板板中与板边面板模量对比图
面板板中模量（MPa）
70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000
完好板 脱空板
10 20 30 40 50 60 70
70000 面板板边模量（MPa） 完好板 脱空板
荷载等级（KN）
4.2 FWD弯沉盆检测及模量反算
在模量反算程序中，按两层体系反算，面层为25cm 厚的水泥混凝土板，泊松系数为0.15,承载板半径为15cm, 其下为基层，可反算出面层及基层的模量。依评价的需 要，本文在对压浆路段混凝土面板板中、板缝进行FWD检 测，测试间距取25m，荷载为5t，取最稳定值作为该测点 的实测弯沉值。下面两表为多个压浆板体压浆前后不同 区域的中央最大弯沉及基础模量汇总表。 1．在不同的测试区域，设一个前后弯沉比，分别检 测压浆前后的弯沉盆，并选用中央最大弯沉作为一个独 l前 立量，即压浆前和压浆后的弯沉比 k 1 = l ，比值越大 后 说明压浆前后弯沉变化越大，效果越明显。
2.3实例验证
广东某水泥混凝土路面左半幅板体不同区域 的弯沉值（FWD最大弯沉），通过模量反算得出 不同板体两个板角及横缝中部的地基模量，然后 与该路段均匀支撑时地基横缝板中模量EN 比较， 判别板体脱空情况，并将判别结果与雷达人工综 合检测结果对比，以检验判别结果。
地基综合模量
对比评价
3.传荷与脱空的相互作用机理研究
FWD在水泥砼路面脱空评定与 压浆效果检测中的应用研究
长沙理工大学 曾胜（博士） 2005年4月
本报告的主要内容包括：
• • • • • 1.前言 2.水泥混凝板脱空识别与评价方法研究 3.脱空与传荷的相互作用机理研究 4.压浆效果评定 5.结论与展望
1. 前言 1.1 我国高速公路的发展与FWD的应用情况
而圆面积荷载作用下板的挠度，在荷载范围以内，
在荷载范围以外,即时：
w=∫
q 0
qπ [ f 0 (ξ )u 0 (a ) − g 0 (ξ )v 0 (a )]ada 2D
在水泥砼板传荷性能完好的情况下，混凝土板与地基连续接 触，共同作用，则Winkler地基上无限大板其受力和变形关系，用 弹性曲面方程表示为：
D∇ 2 ∇ 2 w(r ) + kw(r ) = q (r )
FWD荷载作用为半正弦荷载，在一定的范围内可按圆面积场均 布荷载作用下求解，挠度方程为： qa ∞ J 0 (ξr ) J 1 (ξa) w(r ) = ∫0 1 + l 4ξ 4 dξ k
2.2 评定指标的提出
水泥混凝土板脱空使得基础的承载力下降，脱 空的区域往往发生在两块板交接的板缝位置，以地 基反应模量K表征的Winkler地基模型与实际较为接 近，以上选用了K地基作为作为地基脱空状况的分 析模型。研究表明：地基脱空就等同于地基刚度的 消减，所以通过求板体不同敏感区域基础综合模 量，即水泥混凝土面板两板间及板缝中部地基的平 E=( 均模量，定义E1 + E 2 + E 3 ) / 3 ，将这一刚度值与地 基均匀支撑时的标准值进行比较，就可检测板下地 E<E 基脱空的位置，预估脱空的范围。如果N 则判 定该评价板体存在脱空，这里为均匀支撑时板缝板 中地基的平均模量。
板边、板中砼面板及地基反算模量值
不同等级荷载作用下砼面板板边反算模量值
4.压浆效果评定
4.1概述 随着水泥混凝土路面在全国迅猛的发展，近年来，我国 现有的水泥混凝土路面有相当部分接近或超过设计年限，有 的虽还没有达到设计年限，由于交通量剧增、汽车荷载日益 加大以及超载现象的影响，加上由于基层施工质量的影响， 出现路面损坏、行车舒适性差的现象。水泥路面由于行车荷 载的冲击及施工材料、工艺及质量的影响，有些板体存在脱 空现象。由于脱空的存在，使水泥混凝土路面承载力明显降 低，会导致断板、错台等破坏，严重影响行驶质量。一般来 说，灌浆在很大程度上解决了混凝土板的脱空及错台现象， 板体脱空压浆，是为了恢复板与基层的密贴，从而形成均匀 的支承，提高基础的强度和对面板的支承力。但对压浆效果 的好坏，在工程中很难作出正确的评价。