高速公路在役水泥混凝土路面結構強度特性

周智密 杜榮耀 馮明珠

摘要：針對廣西某高速公路水泥混凝土路面整體路況較好，但部分路段出現嚴重斷板的現象，文章通過現場路況調查、鉆芯、FWD檢測、室內試驗等方法研究該段高速公路運營過程中混凝土路面板應力變化情況，結合收集的歷史養護資料及交通量數據，采用現有規范和文章提出面板實際尺寸法進行疲勞壽命可靠度分析，同時根據面板的極限斷裂強度分析部分路段出現嚴重斷板的原因。結果表明：采用面板實際尺寸進行疲勞分析的結果符合路面實際狀況，面板碎裂的主要原因是超重車和溫度梯度共同作用所致。

關鍵詞：高速公路;混凝土路面;疲勞壽命;標準軸次;荷載應力;溫度梯度

Regarding the problem of good overall road condition of cement concrete pavement of an expressway in Guangxi，but severe broken in some road sections，this article studies the concrete pavement slab stress changing situation during the operation of this expressway section through onsite road condition investigation，core drilling，FWD inspection and indoor test，then，combined with the historical maintenance data and traffic volume data being collected，it conducts the fatigue life reliability analysis by actual panel dimension method proposed by the existing specifications and articles，and analyzes the reasons for severe broken of some road sections according to the ultimate fracture strength of the panel.The results show that the fatigue analysis results by actual panel dimensions are in line with the actual pavement conditions，and the main reason for panel fragmentation is the combined action of overweight vehicle and temperature gradient.

Expressway;Concrete pavement;Fatigue life;Standard axis;Load stress;Temperature gradient

0 引言

1997—2007年期間，廣西修建高速公路大量采用水泥混凝土路面。這些早期修建的水泥路面隨著使用年限的增加及超載車輛的不斷增加，已經出現大面積的破損，基層和路基不斷軟化，表現為板底地基（基層頂面）模量和橫縫傳荷能力不斷降低，導致板底荷載應力不斷增大，路面疲勞損耗不斷累積，剩余壽命不斷減少。為了及時掌握路面剩余壽命，便于合理安排養護計劃，國內外學者對于高速公路水泥混凝土路面的剩余使用壽命的預測做了相關研究，如唐伯明（1996）、夏建廣和蘇衛國（2002）、彭前程（2006）等學者對于水泥混凝土路面結構性能評價提出的主要方法是：鉆芯檢測厚度和強度，采用FWD檢測估算基層頂面模量、板底脫空和橫縫傳荷系數，進而估算路面疲勞性能。還有一些研究人員如寇雅楠和翁中興（1997）、周文獻（2006）等應用神經網絡理論等技術預測水泥混凝土路面使用性能。但這些都沒有對通車以來的累積疲勞損耗進行分析，因而無法估算剩余壽命。因此，應該結合路面結構及環境因素對混凝土路面病害的形成進行深度分析，預測病害發展規律，提出適當的養護時機，做到針對性、系統性地提出路面病害綜合處治的成套養護對策。

本文依托廣西區內某高速公路水泥混凝土路面進行研究，該路段路基寬度為26 m，雙向四車道，26 cm厚C35水泥混凝土面層，59 cm水穩基層。通過研究該段高速公路運營過程中混凝土路面板應力的變化，計算路面疲勞壽命可靠度和極限斷裂強度，并與路面實際技術狀況進行對比，驗證應力分析的準確性。

1 試驗檢測評價依據及方案

1.1 評價依據

本文依據的主要規范規程如下：

（1）部頒《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40-2011）;

（2）部頒《公路水泥路面養護技術規范》（JTJ073.2-2001）;

（3）部頒《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1-2004）;

（4）部頒《公路技術狀況評定標準》（JTG H20-2007）;

（5）部頒《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60-2008）;

（6）部頒《公路養護技術規范》（JTG H10-2009）;

（7）部頒《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005）。

1.2 試驗檢測方案

首先收集歷年養護資料、現場全線初步調研路況，然后確定檢測路段、檢測內容和檢測方法。本文選取5個典型路段（涵蓋填方路基、挖方路基和填挖交接段）進行檢測，詳見表1。同時選取斷面收集交通量數據，結合現場檢測及室內試驗結果，采用現有規范及課題自主創新的計算方法進行路面疲勞壽命可靠度驗證，最后結合極限斷裂強度分析部分路段出現斷板的原因。

2 現場調查及室內外試驗結果

2.1 路況調查結果

經現場調查了解路段的基本情況，該路段整體基數狀況較好，但是部分路段有嚴重的斷板及橫縫病害。

2.2 交通量調查結果

查閱歷史資料可知，該路段2010—2015年日均交通量從5 000多輛上升到7 300輛左右，且在這些通行車輛中，貨車占據了75%的比例，為此我們僅統計貨車數據。根據收費站記錄，出站前每輛貨車總重和單個軸重得到通過該路段的最大軸重為263 kN，每輛貨車平均換算標準軸次按458次計，最后根據歷年統計的路段的貨車交通量計算歷年累計標準軸次（η=0.2），計算結果見下頁表2，該表中累計當量標準軸載作用次數用于后續第4節分析路面累積疲勞損耗。

2.3 鉆芯取樣

根據路況調查，分別選取路面狀況良好、路況較差及更換新板路段進行鉆芯取樣，分別在舊板和更換新板的慢車道右輪跡處鉆取芯樣。29個芯樣完整，且芯樣平均厚度為242～264 cm，其中更換新板的厚度小于舊路面設計厚度。

2.4 混凝土芯樣強度

鉆取的典型芯樣切割兩端后，根據相應要求檢測芯樣劈裂強度，換算彎拉強度和彎拉模量。本工程設計面板混凝土彎拉強度為5 MPa，而檢測的5個路段車道中，所有路段車道的芯樣換算彎拉強度代表值均滿足設計要求。

2.5 基層頂面模量

針對選取的5個路段分別檢測慢車道舊板、新板中的FWD彎沉值，根據板中FWD彎沉值，計算板底的基層頂面模量。結果顯示5個FWD檢測路段中，4個路段僅檢測完好舊板塊;1個路段檢測完好舊板和新板。慢車道舊路面基層頂面平均模量為338～777 MPa，代表值為131～561 MPa;慢車道新板的基層頂面模量平均值為399 MPa，代表值為250 MPa。

2.6 舊混凝土板橫縫傳荷系數

本文采用現行水泥路設計規范的傳荷系數定義計算5個檢測路段慢車道的橫縫傳荷等級，其中3個路段為中等以下，占60%，表明該路段目前橫縫傳荷能力不良。

3 路面疲勞壽命可靠度分析

3.1 地基模量換算

本文分別采用我國現行規范彈性實體地基和美國華盛頓大學研發的水泥混凝土路面荷載應力分析軟件EverFE（采用Winkler地基），計算面板荷載應力。計算參數為：四邊自由板，標準軸載100 kN作用于縱縫邊緣中部（現行規范臨界荷位），板長5 m，寬4 m，厚260 mm，板彈性模量35 000 MPa，計算結果列于表3。

從表3可見，采用EverFE計算Winkler地基上板在標準軸載100 kN作用于縱縫邊緣中部的荷載應力，與現行設計規范計算值相差<10%。

3.2 按現行規范法分析面板疲勞損耗

根據實測的基層頂面模量、面板厚度、混凝土模量和換算彎拉強度代表值，采用現行路面設計規范計算路面疲勞壽命，計算結果列于表4。

比對表2計算的累計當量標準軸次，至2017年底的累積當量標準軸次為6.634 3×108，遠大于表4所示的疲勞壽命標準軸次，但目前該路段路面多數面板總體良好，并未產生大面積疲勞破壞，可見現行路面設計規范的面板疲勞分析不能有效解析路面狀況，其原因將在其后進行分析。

3.3 按面板實際尺寸分析疲勞壽命

本文3.2指出了現行規范法計算的面板疲勞壽命與實際不符?，F行規范指出，臨界荷位位于縱縫邊緣中部，且分析荷載應力采用的板平面尺寸為長500 cm、寬375 cm，與本工程路面板塊尺寸不同。本工程板塊尺寸為長500 cm、寬420 cm，快車道、慢車道和標線的幾何關系見圖1和圖2。

實際車輛一般總在兩條標線中央行駛。據此，本檢測路段的力學模型見圖3。圖2是標準軸載（100 kN）輪印平面幾何尺寸簡化圖。本文僅分析慢車道荷載應力，其實際輪印邊緣距離縱縫邊緣為806 mm（見圖3）。本文將分析圖3所示的模型在標準軸載100 kN作用的AB軸上的最大荷載應力σP，同時采用現行規范方法計算該點的溫度疲勞應力σtr，進而分析估算路面的剩余疲勞壽命。

此處采用EverFE軟件計算荷載應力。假設為Winkler地基，輪載作用于距縱縫邊806 mm處，四邊自由，最大應力位于AB軸上。應該指出，EverFE給出各點的6個應力分量，未給出最大主應力σ1，根據這6個應力分量計算最大主應力。力學模型的單元劃分和應力云圖見圖4～5。計算結果見表5，表中混凝土面板參數是代表值，因此計算的疲勞壽命是偏于安全的。

比對表2計算的累計當量標準軸次，至2017年底的累積當量標準軸次為6.634 3×108，遠小于表5所示的疲勞壽命標準軸次，且目前該路段路面多數面板總體良好，并未產生大面積疲勞破壞，可見根據面板實際尺寸進行的面板疲勞分析與實際情況吻合。

4 混凝土面板極限斷裂強度

本文第2節已統計最大軸重為263 kN，并且最大單軸重250～270 kN的貨車行駛于我區高速公路已成為常態，因此偏重安全估計，采用該軸重。按現行設計規范計算該軸載作用于縱縫邊緣中部的最大荷載應力和最大溫度應力，同時按照極限斷裂破壞標準判定（見圖6），計算結果列于表6。為便于敘述，將σmax定義為最大應力，其值等于最大荷載應力與最大溫度應力之和;將[σ]定義為容許應力。

表6的計算結果表明，5個路段中僅有2個路段面板的極限斷裂強度滿足規范要求，而大部分路段面板極限斷裂強度不能滿足要求。因此，目前該路段混凝土面板斷裂原因是由于超重車和溫度應力的共同作用。

5 結語

綜合以上分析，形成如下結論：

（1）按實際路段面板平面尺寸、實測參數，采用有限元軟件計算荷載應力和溫度應力，分析了5個路段（6個檢測段）面板的累積疲勞損耗。結果表明：該路段路面多數面板總體良好，并未產生大面積疲勞破壞;并且驗證了現行水泥路面設計規范計算分析的路面疲勞壽命與目前路面實際技術狀況不符。

（2）根據實測該段水泥路面幾何、力學參數及最大軸重263 kN和最大溫度梯度920 ℃/m，采用現行水泥路面設計規范法計算最大應力，分析目前混凝土板的極限斷裂強度是否滿足最大應力要求。結果表明：6個檢測路段中，只有2個路段面板滿足現行設計規范的要求，這一結論與目前路面實際技術狀況相符，可見該路段整體承載力不滿足目前交通要求。

（3）該路段水泥路面板病害產生原因為：板中部斷裂的主要原因是混凝土板的極限斷裂強度不滿足最大應力要求;板角斷裂病害主要集中在填方段和填挖交接段，源于路基沉陷造成板底脫空;縱向裂縫主要出現在高填方路基段，產生原因是超載車、路基沉陷和側向滑移等因素的綜合作用;面板碎裂的主要原因是超重車和溫度梯度共同作用，首先產生板中斷裂，而后由于路表水滲入軟化基層，導致面板進一步破損形成破碎板。

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