用FWD分析路面結(jié)構(gòu)

1、用FWD分析路面結(jié)構(gòu)西澤辰男* 阿部長(zhǎng)門*摘要：在路面結(jié)構(gòu)分析中,準(zhǔn)確評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)是重要的，作為非破壞性的路面評(píng)價(jià)設(shè)備有落錘式 彎沉儀(FWD)。由FWD測(cè)定彎沉值和彎沉盆形狀評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)安全性，需先判定FWD測(cè)定中的誤差，由 FWD測(cè)定的彎沉值反求各層彈性模量，使之在同一區(qū)間內(nèi)大體相近,不同區(qū)間路面使用壽命差異較大。關(guān)鍵詞：FWD 彎沉測(cè)定反算分層彈性模量變異系數(shù)路面壽命*:石川工業(yè)專科學(xué)校環(huán)境都市工程系教授，工學(xué)博士。* :東亞道路工程有限公司技術(shù)部工學(xué)博士。、夕刖 言判斷路面結(jié)構(gòu)現(xiàn)在處于什么樣的狀態(tài)，預(yù)測(cè)今后的變化，在路面管理中是十分重要 的。為了預(yù)測(cè)包含面層的整個(gè)鋪裝層的狀態(tài)，有必要正

2、確評(píng)價(jià)現(xiàn)有的路面結(jié)構(gòu)。評(píng)價(jià)路 面結(jié)構(gòu)的安全性有不同的方法，但作為非破壞性評(píng)價(jià)最現(xiàn)實(shí)的方法是測(cè)定彎沉。路面彎 沉值，反映了路床、基層、面層整體的結(jié)構(gòu)承載性能FWD(Falling Weight Deflectometer) 采用相當(dāng)于交通荷載作用快速測(cè)定彎沉的設(shè)備被開(kāi)發(fā)，成為測(cè)定路面彎沉的世界標(biāo)準(zhǔn)設(shè) 備。雖然通常的FWD采用與交通荷載大小相對(duì)應(yīng)的荷載，但也利用荷載水平較低的手持 式小型FWD測(cè)定彎沉。用FWD評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)的目的是：掌握某一區(qū)間內(nèi)路面結(jié)構(gòu)的整體狀況；發(fā)現(xiàn)區(qū)間內(nèi)的異常路段；選擇破損路段的維修工藝；向設(shè)計(jì)方反饋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)績(jī)。第，通過(guò)將長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)的實(shí)測(cè)彎沉值和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，判定區(qū)間整體的

3、安全 性和路面結(jié)構(gòu)修復(fù)的必要性，采用道路網(wǎng)水平作為評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)資料。為此需進(jìn)行基于彎 沉偏差的統(tǒng)計(jì)分析，還應(yīng)通過(guò)反算方法求分層彈性模量，根據(jù)疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算路面剩 余壽命，可進(jìn)行未來(lái)的路面結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。第，確定較該路段平均彎沉異常大的路段，編制出依據(jù)彎沉水平制定的維修計(jì)劃。第，確定路面結(jié)構(gòu)破壞直接的原因，得出采用何種維修規(guī)模的分析資料，確認(rèn)維 修后路面結(jié)構(gòu)的恢復(fù)程度。第，從路面狀況和反算求出各鋪裝層的彈性模量和路床承載力的關(guān)系，驗(yàn)證設(shè)計(jì) 中采用的各種參數(shù)的合理性，作為調(diào)整路面設(shè)計(jì)的分析資料。所謂“反算”就是依據(jù)荷載和彎沉值推算路面結(jié)構(gòu)各層的彈性模量。向設(shè)計(jì)方反饋FWD數(shù)據(jù)，不僅要作FWD彎沉 測(cè)定，

4、還要進(jìn)行路面狀況調(diào)查，同時(shí)應(yīng)收集路面斷面、交通量、路面病害等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 為了確認(rèn)使用過(guò)程中的變化，進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)調(diào)查是必要的。為了進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)，有必要事先理解FWD測(cè)定彎沉值的數(shù)理統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。本文根 據(jù)瀝青路面和水泥路面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，介紹由FWD測(cè)得的彎沉數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。1、瀝青路面的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)采用瀝青路面試驗(yàn)路段的彎沉數(shù)據(jù)，根據(jù)彎沉水平或彈性模量考慮其中可靠度因素， 進(jìn)行路面使用壽命評(píng)價(jià)的比較分析。這里的分析數(shù)據(jù)，是依據(jù)圖-1所示的設(shè)計(jì)交通量“C 級(jí)”，設(shè)計(jì)CBR12%的瀝青路面結(jié)構(gòu)得到的。在試驗(yàn)路1,140m路段測(cè)得的彎沉縱斷面如圖 -2所示。本路段雖然采用49kN荷載(錘重)進(jìn)行測(cè)定，但因路

5、床和路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，因此 距荷載點(diǎn)1,500mm、2,000mm位置的彎沉很小，受此影響，荷載點(diǎn)下體現(xiàn)路床和路面結(jié)構(gòu) 整體強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)的彎沉值，也較通常瀝青路面小得多。瀝青面層瀝青穩(wěn)定處理基層級(jí)配碎石底基層瀝青面層瀝青穩(wěn)定處理基層級(jí)配碎石底基層圖-1瀝青試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)斷面圖C交通，設(shè)計(jì)CBR12%(單位：mm)圖-2試驗(yàn)路面的彎沉縱斷圖m圖-2試驗(yàn)路面的彎沉縱斷圖m值 沉 彎距離(mm)采用這些彎沉數(shù)據(jù)，使用反算程序(BALM99)求出路面各層的彈性模量，根據(jù)反算法 求得的每一測(cè)點(diǎn)的分層彈性模量如圖-3所示。圖-3反算求得各層彈性模量變動(dòng)圖里模性彈-S8isffir律理言2i S=?一 is

6、圖-3反算求得各層彈性模量變動(dòng)圖里模性彈-S8isffir律理言2i S=?一 is =-,4saRMJIK君 sIKEM=m_=_ 髯 smhs i笛一二sas-xlw _=|以=眼.三招 .siw.s分析各層彈性模量，可見(jiàn)不少路段路床彈性模量高于級(jí)配碎石的彈性模量，瀝青面 層和瀝青穩(wěn)定處理基層的彈性模量和路床、底基層級(jí)配碎石彈性模量相比變化較小，因 而試驗(yàn)路段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化可按路床和底基層考慮。為了研究模量變化的影響，采用以下四種彈性模量，依據(jù)瀝青混合料底部拉應(yīng)變得 到的疲勞破壞關(guān)系式，進(jìn)行49kN容許輪數(shù)的比較分析，四種彈性模量如下：采用全部測(cè)點(diǎn)彎沉的平均值反算的平均彈性模量。用彎沉平均

7、值+1.28。(o為彎沉標(biāo)準(zhǔn)差)的彎沉代表值反算“代表彎沉彈性模量”。用各點(diǎn)彎沉值反算每點(diǎn)的彈性模量平均值，得出“平均彈性模量”。由、得出的平均彈性模量-1.28。(。為彈性模量標(biāo)準(zhǔn)偏差)得出的“代表彈性 模量”，可看出由全部測(cè)點(diǎn)彎沉平均值反算的彈性模量和各測(cè)點(diǎn)反算得出的彈性模量有何 不同，此外從和的結(jié)果，可看出偏差的影響。用上述四種方法算出的彈性模量，按多層彈性體系設(shè)計(jì)程序(GAMES2.3)計(jì)算出瀝青 穩(wěn)定處理底面拉應(yīng)變，由該拉應(yīng)變按路面設(shè)計(jì)施工指南所述的疲勞破壞關(guān)系式，算 出49kN容許輪數(shù)(譯注：即10t軸載的容許累計(jì)軸載數(shù))如表-1所列：表-1 4種彈性模量和應(yīng)變值計(jì)算的49kN容許

8、輪數(shù)表彈性模量類型彈性模量(MPa)平均彎沉彈性模量代表彎沉彈性模量平均彈性模代表彈性模量瀝青面層9,2006,5008,410彈性模量類型彈性模量(MPa)平均彎沉彈性模量代表彎沉彈性模量平均彈性模代表彈性模量瀝青面層9,2006,5008,410瀝青穩(wěn)定處理底基層+路床6,3007,7504,1505,3256,1107,2606,1884,228瀝青穩(wěn)定處理底面應(yīng)變(X10-6)63.311258.25,208114容許輪數(shù)(X106)18.83.8224.83.62從計(jì)算結(jié)果可知，瀝青層平均彎沉彈性模量和的平均彈性模量幾乎相同，用該值算出的瀝青穩(wěn)定處理層底面拉應(yīng)變也大體相同。此外考慮了

9、區(qū)間變化因素計(jì)算出的 代表彎沉彈性模量和的代表彈性模量算出的變形水平也顯示了相同的傾向。由此可知， 由全部彎沉平均值反算得到的彈性模量平均值及其代表值，與按各測(cè)點(diǎn)每個(gè)彎沉反算得 到的彈性模量的平均值及其代表值間沒(méi)有看出大的差異。因而作為評(píng)價(jià)全路段時(shí)的彈性 模量計(jì)算方法，無(wú)論采用全部彎沉平均值或每個(gè)測(cè)點(diǎn)彎沉值均可。但從表-1可知，在各種方法中，容許49kN輪數(shù)的計(jì)算值采用和的彈性模量的平 均值和采用考慮全路段變異因素的代表值時(shí)存在大的差異，可見(jiàn)兩者49kN容許輪數(shù)的比 值，采用的平均彎沉彈性模量計(jì)算結(jié)果是用代表彎沉彈性模量算出的結(jié)果5倍以上; 用平均彈性模量算出的結(jié)果，是用(4)的代表彈性模量算

10、出結(jié)果7倍以上。因此若對(duì)全 路段的變化不作正確的評(píng)價(jià)，算出的路面使用壽命就出現(xiàn)很大的差誤，因而當(dāng)路段由FWD 測(cè)定值變化大時(shí)，因?yàn)椴捎脧椥阅Ａ科骄翟u(píng)價(jià)偏于很不安全。因此在使用壽命計(jì)算中， 應(yīng)充分考慮彈性模量的變化。2、水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)對(duì)水泥混凝土路面，探討新鋪路段FWD測(cè)定值的變化。新鋪路段FWD的變化是以水泥 混凝土路面結(jié)構(gòu)的變化和路面類型變化為基礎(chǔ)的，本次進(jìn)行FWD測(cè)定的現(xiàn)場(chǎng)，是櫪木縣 黑磯市一般國(guó)道4#黑磯繞越十道改建工程，該現(xiàn)場(chǎng)有已使用25年的老水泥混凝土路面， 也有道路改建中新鋪的路面，對(duì)兩類路面進(jìn)行FWD檢測(cè)，詳細(xì)資料請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)。其 中新鋪水泥混凝土面板厚30cm，瀝

11、青中間層4cm，粒料基層15cm，橫縫間距10cm，接縫 處設(shè)置傳力桿。圖-4為所測(cè)彎沉值變化圖，在荷載作用下，D。點(diǎn)彎沉最大，距荷載點(diǎn)越 遠(yuǎn)彎沉值越小，彎沉值在檢測(cè)路段內(nèi)變化，其變化在檢測(cè)路段中一定的長(zhǎng)度范圍內(nèi)有一 定的規(guī)律。A-1 A-2 A-31 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73測(cè)定點(diǎn)圖-4 A1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73測(cè)定點(diǎn)圖-4 A區(qū)間內(nèi)FWD彎沉變化圖o O 5

12、O o O 5 O 020 0 2 3 4 6 9 1 DDDDDDD0.1000.0500.000按AASHTO提出的方法，將A路段分為NO.1 NO.43(A-1) ,NO.44NO.70(A-2),NO.71NO.74(A-3)三個(gè)區(qū)間，分別將該路段每個(gè)區(qū)間的總彎沉值、彎沉相近區(qū)間的平均彎沉值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等匯列于表-2中。該路段全段D0彎沉平均值為0.101mm，而A-1、A-2、 A-3區(qū)間分別為0.111mm、0.078mm、0.149mm，可看出其中差異。此外D0變異系數(shù)A區(qū)間 全段為 0.249, A-1、A-2、A-3 區(qū)間則較小，分別為 0.159、0.129、0.18

13、1。表-2全路段和彎沉相近路段平均彎沉值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)匯總表DQD anD snD D D onD nn全路段平均(mm)0.1010.0960.0920.0870.0820.0710.062標(biāo)準(zhǔn)偏差(mm)0.0250.0260.0260.0260.0250.0240.022變異系數(shù)0.2490.2700.2840.2920.3050.3410.354A-1區(qū)間平均(mm)0.1110.1060.1020.0970.0920.0800.070標(biāo)準(zhǔn)偏差(mm)0.0180.0180.0180.0180.0180.0170.015變異系數(shù)0.1590.1730.1790.1870.1930

14、.2130.221A-2區(qū)間平均(mm)0.0780.0730.0680.0640.0590.0490.042標(biāo)準(zhǔn)偏差(mm)0.0100.0110.0110.0100.0090.0090.008變異系數(shù)0.1290.1480.1560.1520.1540.1790.186A-3區(qū)間平均(mm)0.1490.1480.1430.1360.1310.1180.103標(biāo)準(zhǔn)偏差(mm)0.0270.0270.0280.0300.0290.0280.026變異系數(shù)0.1810.1850.1940.2170.2220.2380.252圖-5為各接縫部位的荷載傳遞率圖，由于設(shè)置接縫，荷載側(cè)混凝土板的彎沉和

15、非荷 載板相比，荷載傳遞率高時(shí)，作用在荷載作用板上的荷載向其他板傳遞荷載能力強(qiáng)，發(fā) 生在混凝土中應(yīng)力較小，從圖中可知，若荷載傳遞率達(dá)到7090%的高值，變異系數(shù)穩(wěn)定 在8%左右，由于該路段為新鋪路面，可認(rèn)為全部接縫均是完好的，因此可以說(shuō)正確設(shè)置 傳力桿的接縫荷載傳遞率平均約90%，變異系數(shù)為8%?；炷涟寰幪?hào)圖-5各接縫荷載傳遞率圖采用路面彈性模量反算程序(BALM99)進(jìn)行反算，得到混凝土板、瀝青混合料中間層、基層、路床的彈性模量值匯列于表-3。表-3全路段和彎沉相近路段平均回彈模量、標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)匯總表水泥混凝土板| 瀝青層SM路床全區(qū)間平均(mm)5.30E+047.74E+031.

16、11E+034.00E+02標(biāo)準(zhǔn)偏差(mm)9.62E+031.37E+034.11E+021.56E+02變異系數(shù)1.82E-011.77E-013.69E-013.89E-01A-1區(qū)間平均(mm)5.58E+047.02E+038.82E+023.15E+02標(biāo)準(zhǔn)偏差(mm)1.01E+047.29E+022.08E+028.68E+01變異系數(shù)1.81E-011.04E-012.36E-012.75E-01A-2區(qū)間平均(mm)4.83E+049.20E+031.57E+035.73E+02標(biāo)準(zhǔn)偏差(mm)7.15E+031.03E+032.83E+028.46E+01變異系數(shù)1.48

17、E-011.12E-011.80E-011.48E-01A-3區(qū)間平均(mm)5.38E+046.37E+037.31E+022.26E+02標(biāo)準(zhǔn)偏差(mm)8.48E+033.36E+021.34E+029.37E+01變異系數(shù)1.58E-015.27E-021.83E-014.15E-01若從全路段分析，材質(zhì)均勻的混凝土面板和瀝青混合料中間層模量的變異系數(shù)較小， 基層和路床則相當(dāng)大，特別是路床模量越小的比例越大。變異系數(shù)中瀝青中間層最小， 路床最大，也就是說(shuō)如果路床性能相同，則路面整體的變異系數(shù)就小。3、結(jié)語(yǔ)為了用FWD進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)，考慮測(cè)定值的變異性是重要的。這種變化對(duì)確定 路面使用壽命有很大影響，為了了解變化規(guī)律，需要有較多的檢測(cè)數(shù)據(jù).此外新鋪路面FWD 彎沉值的差異雖較小，但由于交通荷載對(duì)路面的影響，彎沉