路面钻孔对沥青路面弯沉的影响研究

路面钻孔对沥青路面弯沉的影响研究

胡梦捷

上海市建设机械检测中心有限公司，200137

摘要：在检测路面弯沉的过程中，弹性弯沉值常收到路面检测钻孔的影响。本文为探究路面检测钻孔对弯沉值的影响，利用数值模拟软件，研究不同钻孔填料和不同加载距离对于弯沉值的影响，并分析无钻孔、有钻孔不回填、沥青混凝土填料和灌浆料填料等四种情况下弯沉值的变化规律，为沥青路面的弯沉测量提供借鉴依据。

关键字：路面结构；弯沉值；数值模拟；弹性变形；

1 引言

弯沉是沥青路面设计和施工质量控制中通常使用的一个技术指标。弯沉，是指路面在汽车载荷的作用下所产生的垂直向下的变形[1]。弯沉能够反映沥青路面结构承载能力，是路面检测中一个重要的内容[2]。弯沉可以从整体上反映路面各层次的整体强度，既弯沉大代表着道路的变形大，路面各层也就容易破裂，整体强度也不高。弯沉值直接与路面各层的材料性质、厚度、整体性和压实度等指标相关，并受气候条件影响，是1986年、1997年和2006年等多版设计规范中的核心指标，在我国半刚性基层沥青路面建设的设计施工质量控制中起到了至关重要的作用[3]。

目前在弯沉实际测量中仍存在一些问题。在公路路面路基检测过程中，需要利用钻孔取路面测量材料的压实度[4]。钻孔的存在破坏了公路的整体性结构，因此可能对弯沉的测量造成影响[5]。同时在实际检测中，可能会存在同时钻取面层和基层的情况，然而这些问题在工程规范或以往的研究中却并未得到重视。（但）分析公路钻孔填料对于弯沉值的影响（以及）对于路面检测和验收具有十分重要的作用，理应得到重视。

需要注意的是，材料的变形可以为弹性变形和塑性变形两类，因此在弯沉测量中，也根据竖向变形的可恢复性，分为表征回弹变形的回弹弯沉和包括塑性变形在内的总弯沉两类[6]。不同种类的弯沉所使用的的测量方法也有所区别。在当前设计中，回弹弯沉主要采用贝克曼梁测定，而落锤式弯沉仪（FWD）测量得到的结果为动态弯沉，属于总弯沉，两者在定义上有明显的区别，因此在检测和分析过程中必须加以明确区分。在本次研究中，经研究路面的弹性变形，既回弹弯沉的影响。

综上所述，为探究公路路面检测钻孔对沥青路面弯沉值的影响，基于有限元法进行数值模拟，探究不同填料和不同加载情况时，钻孔处路面弯沉值的变化特征和规律，探究填料等因素对弯沉值测量的影响，同时结合工程实测数据进行分析，为实际工程中路面检测提供参考意义。

2 基于有限元法的数值模拟分析

本文主要探究检测钻孔的两个因素对路面弯沉的影响：（1）在相同的加载距离时，不同钻孔填料对弯沉的影响；（2）在相同填料时，不同加载距离对弯沉的影响。在探究上述影响因素与弯沉关系的过程中，由于实际工程的限制以及其他因素的制约，较难收集大量的数据和资料，以此本文通过数值模拟的方法来获得研究的数据资料，同时结合工程中的实测数据进行分析。本文利用商业数值模拟软件Geostudio中的SIGMA模块进行分析，SIGMA模块能够更好的模拟计算有关多种路面材料和土基乃至其他介质中工程结构的受力情况、应力分布和变形位移形态等。该模块带有多种计算模式和边界条件，并能够较好的完成不同材料间接触界面之间的关系。该软件的使用情况和提高计算精度能够满足本次模拟的要求。而在后处理方面，该模块不仅可以得到最终的应力分布云图，也可以得到某一时间点或者某一空间节点的数值，并通过指令输出需要的数据和图像等，因此可以用来模拟卸载后位移的变化，得到回弹弯沉。因此，Geostudio软件的SIGMA模块被应用于本文的数值模拟分析中。

本文的数值模拟通过模拟弯沉车测量道路的弯沉过程，既在一定区域内施加载荷，随后撤去该载荷，得到前后的变形量，并最终探究弯沉钻孔填料和加载距离的关系。模拟中，施加的载荷为标准弯沉检测中的载荷（100kN，0.7MPa），公路共三层，表层为沥青混凝土路面，厚度10cm，中间为水泥稳定碎石基层，厚度40cm，最底层为土基，厚度为1.5m，各层物理力学参数如表1所示。为了使数值模拟的结果能更清晰的反应不同填料引起的不同位置的位移变化趋势，本文选取了实际工程中最不利的情况，即同时钻取沥青混凝土路面和水泥稳定碎石基层。

模拟模型大小如图1所示。模拟中道路长度为20m，模型宽度为2m，钻孔直径为100mm，并在钻孔一侧设置了四个加载位置，分别编号为加载点A、加载点B、加载点C和加载点D，四个加载位置如图1所示，加载间间距均为1m，弯沉测量点位路面钻孔中心，换言之，四个加载点距离测量中心的距离分别为1m、2m、3m和4m。模拟中钻孔包括四种情况，分别为无钻孔时的初始情况，钻孔后不回填，沥青混凝土填料和灌浆填料。四种填料的物理力学参数如表2所示。需要注明的是，在不回填状态下，为防止模拟中出现单元不连续和大变形等问题，在模拟不回填状态时用物理力学参数极小的材料替代无填充情况。模拟中底面的边界条件为限制竖向位移，其他边界为自然边界条件。数值模拟模型采用四边形单元，单元大小约0.1m，模型共计2420个单元，2562个节点。在进行加载和卸载等模拟分析前，对土体和各种材料须进行应力重分布分析。

图1 数值模拟模型及网格划分

3 数值模拟结果

基于图1所示数值模拟模型，先在某个加载点处施加压力，作用时间为3个时间步，记录此时钻孔处路面的竖向位移L0，再撤去该作用力，同样在3个时间步后记录钻孔处路面的竖向位移L1，二者的差值即为该点处的回弹值，既路面的回弹弯沉。表3所示为不同回填材料时，各个加载点位处玩车的模拟结果。表3的数据表明，在相同的加载位置，不回填时的回弹弯沉最大，灌浆填料的回弹弯沉最小。这表明，回填材料的强度与弯沉的测量值直接相关。灌浆填料的弹性模量最大，其回弹弯沉也最小，原始路面的物理力学性质次之，加之路面结构完整，其弯沉也相对不大，但当填料的强度小于原始情况时，路面的弯沉就增大，例如沥青混凝土填料和不回填时的弯沉结果。虽然，数值模拟结果表明在用灌浆填料填充后弯沉值小于无挖空时的结果，起到了增加路面强度的作用，但可能是由数值模拟过程中理想情况导致的，没有考虑到路面和填料的连接强度等影响因素，因此并本文不认为灌浆材料会提升路面强度，仅接受模拟结果所呈现的趋势和对影响因素的反应结果。

在此基础上，进一步分析不同加载距离时对于弯沉的影响。图2所示为四种钻孔回填情况下，弯沉与加载距离变化的关系，四种回填情况分别表现出四种规律。如图2所示，在无钻孔时，弯沉的测量值与加载距离的关系不大，表明当道路在初始条件下，测得的弯沉值应该是较为稳定的。而在进行压实度测量后，路面上出现钻孔后，该处的弯沉值则与原始状态有所不同。对于不回填的情况，加载点与钻孔的距离越近，土体出现的弹性弯沉越大，且随着加载点的原理，弯沉值快速下降，当加载点距离钻孔的距离达到4m左右时，与无钻孔时的测量值基本一致。对于钻孔使用沥青混凝土回填后的情况与不回填的情况和趋势基本一致，但其变化的幅度和弯沉下降速率明显小于不回填时的结果。换言之，使用沥青混凝土填料回填后的弯沉值略高于原始的弯沉值，且很快与无挖空时的弯沉保持一致，例如在加载点距离测量点1m时，不回填和沥青混凝土填料所对应的弯沉值分别为70.8和36.3，均高于无钻孔时的弯沉，但当加载点距离测量点2m时，沥青混凝土填料的弯沉值（25.3）就基本与无钻孔时一致（23.6），但钻孔不回填的弯沉值51.4仍明显高于两者。而灌浆料填料回填钻孔的弯沉值变化规律与其他情况完全不同，因为灌浆料的物理力学性质等因素，四种模拟情况下的弯沉值均小于无钻孔时的弯沉值，且随着加载点逐渐远离钻孔，其弯沉值逐渐增加并趋近于无钻孔时的弯沉值。这种变化趋势表明，钻孔填料的物理力学性质影响该处的实测弯沉值，材料强度越大，弯沉值越小。

图2 不同填料和加载条件下弯沉值模拟结果

在此基础上，进一步分析加载后公路路面和土基内部的应力分布，因为在本次研究中仅仅考虑竖向弹性位移的变化，所以仅分析竖向应力（Y-总应力）的分布云图。尽管在模拟中实际模拟四个位置加载时的弯沉值，但此处仅选择最近加载点（加载点A，距离1m）和最远加载点（加载点D，距离4m）说明路面和土基中的应力分布，竖向应力分布云图如图3所示。

图3 路面和土基中竖直方向应力分布云图

图3展示了弯沉测量过程中，应力作用的范围和特点。当路面有载荷时，应力较大的区域集中在路面一层，图3的应力分布表明应力集中的范围主要为加载点两侧1m左右的范围内以及深度0.5m的范围内。这表明在深度方向上，路面表层的沥青混凝土和水泥稳定碎石基层是应力较大的区域，土基相对而言的所受影响不大；而在宽度方向上，当加载点距离钻孔的距离在1m以上时，钻孔所受的影响也较小，这也解释了当加载点距离钻孔的距离达到2m后，其弯沉值的变化相对较小。但是，对于钻孔后无填料的情况而言，由于钻孔处形成了临空面，因此也成为了应力集中的区域，其变形也会增大，因此钻孔后无填料的弯沉值始终较大。同时，由图3也可以看出，在距离钻孔1m的加载点的位移变化主要是由水泥稳定碎石基层的材料变化引起的，由于荷载对沥青面层产生的应力范围很窄，结合上述分析当仅在沥青混凝土面层中钻孔时，钻孔的状态对整体弯沉值的影响不大。因此，在进行水泥稳定碎石的破坏性检测后，如灌砂法测压实度或基层完整性检测，回填材料对面层弯沉的影响也是值得研究的课题。

4 实测数据分析

结合上述数值模拟的结果和工程实际情况，由于弯沉检测本身存在一定的离散性。同时数值模拟结果显示距离钻孔点越近，弯沉受回填材料的影响就越明显。因此在选取两个实际工程进行测试时，选择距钻孔相同距离的测点，仅对不同填料的模拟结果进行验证分析。

测点为距离钻孔1m的位置，每个工程选取10个钻孔及测点，对同一测点分别测定弯沉值、不填料的弯沉值、和填料后的弯沉值。工程1采用灌浆料填料进行回填，测试时灌浆料龄期为10d。工程2采用沥青混合料填料进行回填，测试结果见表4。

从表4可以看出由于弯沉检测本身存在的离散性，同时数值模拟的理想化模型和实际情况还有一定差距，导致钻孔使用不同填料对测点弯沉的影响不明显。但结合实际测试的数据和数值模拟的结果可以看出：

（1）钻孔不填料会在一定程度上增加所选测点的弯沉值；

（2）钻孔采用沥青混合料填料，由于压实条件的不同，会导致所选测点的弯沉值有略微增加；

（3）钻孔采用灌浆料回填，不会使路面的弯沉值降低，但具体的影响还有待探究。

5 结论

基于数值模拟模型和实际工程的数据分析，本文对路面钻孔条件下弯沉的影响因素进行了讨论，并根据数值模拟结果最终得到以下结论：

（1）路面钻孔会对弯沉值的测量结果产生影响，尤其在钻孔不填充时测量的弯沉值明显高于无钻孔时的结果，因此弯沉测量时必须使用填料封闭路面钻孔。对于不同的填料而言，沥青混凝土填料会使实测弯沉值增大，灌浆料填料对实测弯沉的影响不大，具体如何影响还有待进一步研究；

（2）当路面材料和结构和均一时，理论上弹性弯沉测量值变化较小，但钻孔的存在会使路面结构发生改变，仅而影响不同加压位置的弯沉值；

（3）加压点影响范围主要是土基以上和加压点周围1m的范围，因此当钻孔填料对弯沉值影响较大时，可以尽量远离钻孔以得到更加准确的检测结果；

（4）基层材料的钻孔对弯沉的影响范围更大，因此在进行基层的破坏性检测时，应选择合适的填料进行回填修复。

参考文献

[1] 王旭东. 沥青路面弯沉指标的探讨[J]. 公路交通科技, 2015.

[2] 李海军, 黄晓明. 重载条件下沥青路面按弯沉等效的轴载换算[J]. 公路交通科技, 2004(7):5-8.

[3] 孙立军, 八谷好高. 水泥混凝土路面板模量反算的一种新方法:惰性弯沉法[J]. 土木工程学报, 2000, 33(1):83-87.

[4] 林有贵, 罗竟. 级配碎石基层的回弹模量及沥青路面设计弯沉的研究[C]// 中国科协2000年学术年会.

[5] 赵炜诚, 许志鸿, 黄文. 混凝土面层与贫混凝土基层的层间作用对荷载应力和弯沉的影响[J]. 中国公路学报, 2003, 16(004):9-15.

[6] 王新友. 沥青路面强度变化规律及养护[M]. 黄河水利出版社, 2004.