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高速公路在役水泥混凝土路面结构强度特性
周智密，林有贵，杜荣耀
（1.广西道路结构与材料重点实验室、高等级公路建设与养护技术材料及装备交通运输行业研发中心 南宁市 530007；
2.广西交投科技有限公司 南宁市 530014）
摘要：针对广西某高速公路水泥混凝土路面整体路况较好，部分路段出现严重断板现象。通过现场路况调查、钻芯、FWD检测、室内试验等方法研究该段高速公路运营过程的混凝土路面板应力变化。结合收集的历史养护资料及交通量数据，采用现有规范和本文提出的面板实际尺寸法进行疲劳寿命可靠度分析。同时根据面板的极限断裂强度分析部分路段出现严重断板原因。结果表明：采用面板实际尺寸进行疲劳分析结果符合路面实际状况，并且面板碎裂的主要原因是超重车和温度梯度共同作用。
关键词：高速公路，混凝土路面，疲劳寿命，标准轴次，荷载应力,温度梯度
1前言
1997年至2007年期间，广西修建高速公路大量采用水泥混凝土路面。这些早期修建的水泥路面随着使用年限增加及超载车辆的不断增加，已经出现大面积的破损，基层和路基不断软化，表现为板底地基（基层顶面）模量和横缝传荷能力不断降低；导致板底荷载应力不断增大，路面疲劳损耗不断积累，剩余寿命不断减少。为了及时掌握路面剩余寿命，便于合理安排养护计划，国内外学者对于高速公路水泥混凝土路面的剩余使用寿命的预测做了相关研究，如唐伯明等（1996）、夏建广和苏卫国（2002）、彭前程（2006）等学者对于水泥混凝土路面结构性能评价提出的主要方法是：钻芯检测厚度和强度，FWD检测估算基层顶面模量、板底脱空和横缝传荷系数，进而估算路面疲劳性能。还有一些研究人员如寇雅楠和翁中兴（1997），周文献（2006）等应用神经网络理论等技术预测水泥混凝土路面使用性能。但都没有对通车以来累积疲劳损耗进行分析，因而无法估算剩余寿命。因此，作为养护技术人员应该结合路面结构及环境因素对砼路面病害形成进行深度分析，预测病害发展规律，提出适当的养护时机，做到有针对性、系统性地提出路面病害综合处治的成套养护对策。
本文依托广西区内某条高速公路水泥混凝土路面，该路段路基宽度26米，双向四车道，26cm厚 C35水泥砼面层，59cm水稳基层，通过研究该段高速公路运营过程的混凝土路面板应力变化，计算路面疲劳寿命可靠度和极限断裂强度，并与路面实际技术状况对比，验证应力分析的准确性。
2 试验检测评价依据及方案
2.1评价依据
本文依据的主要规范规程如下：
（1）部颁《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）；
（2）部颁《公路水泥路面养护技术规范》（JTJ073.2-2001）；
（3）部颁《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004）；
（4）部颁《公路技术状况评定标准》（JTG H20-2007）；
（5）部颁《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008）；
（6）部颁《公路养护技术规范》（JTG H10-2009）；
（7）部颁《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）。
2.2 试验检测方案
首先收集历年养护资料、现场全线初步调研路况，然后确定检测路段、检测内容和检测方法，本文选取5个典型路段（涵盖填方路基、挖方路基和填挖交接段）进行检测。详见表1。同时选取断面收集交通量数据，结合现场检测及室内试验结果，采用现有规范及课题自主创新的的计算方法进行路面疲劳寿命可靠度验证，最后结合极限断裂强度分析部分路段出现断板原因。
表1检测路段和内容
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序号 |
路况 |
现场检测 |
|
1 |
好 |
FWD检测慢车道驶入板完好旧板的横缝和板中，慢车道钻芯5个 |
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2 |
差 |
FWD检测慢车道驶入板完好旧板的横缝和板中，慢车道钻芯5个 |
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3 |
好，无更换新板 |
FWD检测慢车道驶入板完好旧板的横缝和板中，慢车道钻芯5个 |
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4 |
好，无更换新板 |
FWD检测慢车道驶入板完好旧板的横缝和板中，慢车道钻芯6个 |
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5 |
差，更换新板多 |
分别检测FWD检测慢车道驶入板完好新板和旧板的横缝和板中，慢车道新板钻芯5个，旧板钻芯3个 |
3现场调查及室内外试验结果
3.1路况调查结果
经现场调查了解路段的基本情况，该路段整体基数状况较好，但是部分路段有严重的断板及横缝的。一些典型病害于图1所示。
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图1 左图：断板；右图：破碎板
3.2交通量调查结果
查阅历史资料得出，该路段从2010年至2015年日均交通量从5000多辆上升到7300辆左右，且在这些通行车辆中，货车占据了75%的比例。在此我们仅统计货车数据。根据收费站记录出站车每辆货车总重和单个轴重得到通过该路段的最大轴重为263kN,每辆货车平均换算标准轴次按458,最后根据历年统计的路段的货车交通量计算历年累计标准轴次（η=0.2）,计算结果见表2，该表中累计当量标准轴载作用次数用于后续第4节分析路面累积疲劳损耗。
表2某高速公路慢车道累计标准轴次
|
年份 |
日货车（辆） |
当年换算当量标准轴（次） |
慢车道历年累计标准轴次（次） |
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2004 |
2710 |
4.5296E+08 |
3.6237E+07 |
|
2005 |
2872 |
4.8013E+08 |
7.4647E+07 |
|
2006 |
3044 |
5.0894E+08 |
1.1536E+08 |
|
2007 |
3227 |
5.3948E+08 |
1.5852E+08 |
|
2008 |
3421 |
5.7185E+08 |
2.0427E+08 |
|
2009 |
3626 |
6.0616E+08 |
2.5276E+08 |
|
2010 |
3163 |
5.2870E+08 |
2.9506E+08 |
|
2011 |
2894 |
4.8380E+08 |
3.3376E+08 |
|
2012 |
3294 |
5.5063E+08 |
3.7781E+08 |
|
2013 |
3860 |
6.4527E+08 |
4.2943E+08 |
|
2014 |
4092 |
6.8399E+08 |
4.8415E+08 |
|
2015 |
4337 |
7.2503E+08 |
5.4215E+08 |
|
2016 |
4467 |
7.4678E+08 |
6.0190E+08 |
|
2017 |
4601 |
7.6918E+08 |
6.6343E+08 |
3.2钻芯取样
根据路况调查分别选取路面状况良好、路况较差及更换新板路段进行钻芯取样，分别在旧板和更换新板的慢车道右轮迹处钻取芯样，29个芯样完整，且芯样平均厚度为242-264cm，其中更换新板的厚度小于旧路面设计厚度，详细结果见表3。
3.3混凝土芯样强度
钻取的典型芯样切割两端后，根据相应检测芯样劈裂强度，换算弯拉强度和弯拉模量，结果见表3。本工程设计面板混凝土弯拉强度为5MPa。检测5个路段车道中，所有路段车道的芯样换算弯拉强度代表值满足设计要求。
3.4基层顶面模量Et
针对选取的5个路段分别检测慢车道旧板、新板中FWD弯沉。根据板中FWD弯沉盆，计算板底的基层顶面模量，结果5个FWD检测路段中，4个路段仅检测完好旧板块；1个路段检测完好旧板和新板。结果列于表3中，慢车道旧路面基层顶面平均模量为338-777MPa，代表值为131-561MPa；慢车道新板的基层顶面模量平均值为399MPa，代表值为250MPa。
3.5旧混凝土板横缝传荷系数
本文采用现行水泥路设计规范的传荷系数定义计算5个检测路段慢车道的横缝传荷等级，其中3个路段为中等以下，占60%，表明该路段目前横缝传荷能力不良。
4. 路面疲劳寿命可靠度分析
计算某年路面疲劳寿命时采用公式（式1）。
(式1)
式中，
是第x年的疲劳损耗；
为第x年的当量标准轴载作用次数，
为面板第x年的疲劳寿命（标准轴次）。
4.1地基模量换算
本文分别采用我国现行规范弹性实体地基和美国华盛顿大学研发的水泥混凝土路面荷载应力分析软件EverFE（采用Winkler地基），计算面板荷载应力。计算参数：四边自由板，标准轴载100kN作用于纵缝边缘中部（现行规范临界荷位），板长5m，宽4m，厚260mm，板弹性模量35000Mpa，计算结果列于表3。
表3 弹性实体地基（现行规范）和Winkler地基模型上板荷载应力
|
规范法
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地基模量E0 |
(MPa) |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
|
σsp |
（MPa） |
1.379 |
1.255 |
1.173 |
1.067 |
1.067 |
1.03 |
|
|
Winkler地基
|
K0 |
(MPa/mm) |
0.25 |
0.42 |
0.62 |
0.83 |
1.06 |
1.30 |
|
σsp |
（MPa） |
1.295 |
1.166 |
1.078 |
1.014 |
0.963 |
0.921 |
从表2可见，采用EverFe计算Winkler地基上板在标准轴载100kN作用于纵缝边缘中部的荷载应力，与现行设计规范计算值相差小于10%。
4.2按现行规范法分析面板疲劳损耗
根据实测的基层顶面模量、面板厚度、混凝土模量和换算弯拉强度代表值，采用现行路面设计规范计算的路面疲劳寿命列于表4。
表4按现行规范法计算慢车道疲劳寿命
