FWD在道路施工質量控制中的應用

谷 中

彎沉是反映路面結構性能的重要指標,因此,路面彎沉檢測技術的研究開發一直在國際上得到廣泛重視。傳統的貝克曼梁已逐步被自動彎沉儀、振動式彎沉儀和落錘式彎沉儀(簡稱FWD)所取代[1]。特別是FWD具有無破損、測速快、精度高等優點,并很好地模擬了行車荷載作用,檢測結果為彎沉盆數據,因此在國際上的應用也日益廣泛。其應用范圍主要是在路面養護管理方面,而在道路施工階段對彎沉指標的檢測,仍然采用傳統的設備——貝克曼梁[2]。由于路面結構是多層體系,僅僅采用貝克曼梁所檢測的路面單點最大彎沉不能有效地反映路面各層的施工質量,特別是在施工驗收階段。

為此,我們可以通過應用FWD檢測技術并結合相關室內試驗手段來研究路面及路基材料的動態模量,為路面設計的動態參數提供基礎性數據。

1 FWD簡介

1.1 FWD基本原理

FWD的工作過程是通過落錘對路面施加沖擊荷載,荷載時程和路面的變形(動態彎沉盆)均由相應的傳感器測定,荷載大小由落錘質量和起落高度控制。Dynatest FWD通常在距荷載中心1.8 m的范圍內布置7個～9個速度傳感器,與承載板的距離分別為0 cm,20 cm,30 cm,45 cm,60 cm,90 cm,120 cm,150 cm,180 cm,故一次能測9個彎沉值。信息處理系統記錄荷載和路面變形的全部時程信息,整個操作過程均通過微機自動控制。

1.2 FWD與貝克曼梁的對比

雖然FWD與貝克曼梁之間有諸多區別,但一般情況下,二者的檢測數據具有密切的線性相關性[3]:

其中,δBB,δFWD分別為貝克曼梁和FWD的檢測彎沉值;a,b均為線性相關系數。

美國華盛頓州交通部材料試驗室于1982年～1983年建立的相關關系為:

式(2)中對應的荷載水平為40 kN,承載板直徑為30 cm,R2=0.86,n=713。

我國一些科研單位也曾對半剛性基層上的瀝青路面分別用FWD和BB彎沉儀進行了彎沉測試,并進行比較[4]。所得出的半剛性基層上瀝青路面FWD與BB的關系式與美國的關系式在形式上完全相同(線性關系),見表1。

表1 BB與FWD的線性相關分析結果

雖然不同路段、不同材料時,二者的回歸公式、相關系數可能稍有區別,但二者密切相關這一性質已被國內外學者所普遍接受。但在使用上述的不同彎沉儀間相互換算關系時,應該注意的是建立這些換算關系的條件具有相對性,最好的方式應該是針對特定的結構和所應用的彎沉測定儀器獲得被測路面的相互換算關系。

2 路面結構層模量直接估算

很多研究者嘗試繞開初始值選擇和反算結果唯一性這兩個問題,直接利用路表彎沉盆及其衍生的參數組合來反映結構層狀況,這些嘗試已經取得初步成果。例如,加利福尼亞州的路面技術顧問Richard N.Stubstad利用AASHTO設計規范中提到的彎沉盆參數 AREA對膠結料結構層有效勁度ES進行預測,并對Hossain和Yang建議用于估算水泥混凝土面板彈性模量EPCC的估算公式進行了調查研究:

其中,AF為AREA因子;k1=11.037(當上下相鄰兩層勁度相同時的AREA值);k2=3.262(AREA最大值為36/11.037);E0為承載板下整個路面結構的復合模量,MPa;k3為膠結料結構層厚度與承載板直徑的比值,k3=h1/(2a)。

2005年美國愛荷華州立大學研究人員Kasthurirangan Gopalakrishnan利用FWD對國家機場路面足尺試驗路數據分析的基礎上,結合人工神經網絡(ANN),進行了反算機場路面結構層模量的研究。

在對基于ANN的機構層模量反算結果與反算程序的結果比較顯示,ANN能夠成功地用來預測瀝青面層模量和非線性的土基回彈模量,但不能較好地預測基層和底基層彈性模量,且精度有待提高。隨著訓練樣本數量的增加及其代表性的增強,結構層模量反算的精度將會有所提高。

2006年,Richard N.Stubstad等人在對其前期研究的基礎上,針對AASHTO路面設計規范中建議使用 AREA估算剛性路面和柔性路面彈性模量的方法,經過利用LTPP數據進一步分析后,認為利用表征具有高剛度、大曲率半徑的剛性路面是非常合適的,但對于剛度較小、曲率半徑不大的剛性路面和柔性路面來說,由AREA來估算其彈性模量并不合適。因此,他提出了類似于AREA的彎沉盆參數AREA12,并將其用于估算剛度較小,曲率半徑不大的剛性路面和柔性路面的彈性模量:

其中,AFPCC為AREA因子;D8為距離荷載中心8in(為203mm)位置處的路表彎沉值,μ m;E0為承載板下整個路面結構的復合模量,MPa;k5為最上層結構層厚度與承載板直徑的比值,k5=h1/(2a)。

3 應用FWD的結構層應力(應變)反算

傳統的由路表彎沉盆曲線反演獲取路面結構剛度參數的努力集中于路面各結構層模量預估,而多數的瀝青路面結構設計采用整體性結構層底面拉應力(拉應變)和路基頂面壓應變作為控制指標。應用FWD測定結果反演獲取路面結構層模量組成,再由正算方法計算整體性結構層底面拉應力(拉應變)和路基頂面壓應變,以此來進行施工質量對于結構設計的符合性檢驗,此時由于目標值成為二次預測結果,可能產生更大的誤差。放棄反算模量,直接預測整體性結構層底面拉應力(拉應變)和路基頂面壓應變,這對于設計的符合性檢驗可能更為有效。

國外已有若干利用路表彎沉值和衍生的彎沉盆參數來評價路基路面體系結構層應力應變分布的研究成果。1988年Jung建議使用FWD荷載板邊緣處的彎沉斜率來預測瀝青面層層底拉應變。彎沉斜率是預先將彎沉取倒數,然后將其代入多項式方程求得。瀝青面層層底拉應變εac可由曲率半徑R獲得。1989年,Thompson針對全厚式瀝青和粒料基層路面提出了一個表征瀝青面層層底拉應變εac的彎沉盆參數AUPP,并給出了其定義以及與εac之間的回歸關系:

全厚式瀝青路面:

粒料基層瀝青路面:

2000年,北卡羅來納州立大學的Bing XU在其博士畢業論文中針對不同的路面結構類型,利用有限元程序構建了彎沉值與路面響應的數據庫,經過彎沉盆參數的敏感性分析后,分別建立了彎沉盆參數與結構層彈性模量以及路面響應之間的回歸方程:

對于全厚式瀝青路面:

logEac=-1.083 1×log(SCI)-2.621×logHac+0.048 2×logHabc+5.296 1;

logεac=0.998×log(BDI)+1.714 2;

logεsg=0.98×log(BDI)+2.146。

對于基層瀝青路面:

logEac=-1.143 5×log(SCI)-2.543 5×logHac+0.049 8×logHabc+5.200 5;

logεac=1.023×log(BDI)+1.722 7;

logεabc=0.995 8×log(BDI)+2.195 5;

logεsg=0.281 1×log(BDI)+0.678 8×log(BCI)-0.013 5×logHac-0.013 2×log Habc+2.208 3。

其中,Habc為基層厚度;εabc為基層層底拉應變;εsg為土基頂面壓應變。

4 結語

FWD與貝克曼梁相比具有很大的優越性,同時二者又存在著良好的線性相關性。FWD彎沉檢測可以作為一種控制道路施工質量的有效手段。利用FWD檢測彎沉盆數據來直接預測整體性結構層底面拉應力(拉應變)和路基頂面壓應變,這對于設計的符合性檢驗可能更為有效。此外,FWD彎沉檢測具有無破損的特點,不會破壞原有路面結構而影響道路施工進度;同時,FWD測試速度快,可實現道路施工期間實時全線各層位跟蹤檢測。

[1] 武志芬.淺談瀝青路面檢測新技術[J].內蒙古科技與經濟,2006,9(18):147-148.

[2] JTG F80/1-2004,公路工程質量檢驗評定標準[S].

[3] THOLEM.O,THOMPSON.M.R.Comparison of Falling Weight Deflectometer with other Deflectometer Testing Devices[J].Transportation Research Record,1986(1007):78-91.

[4] 宋煥宇,何榮裕,馮建亞.路面彎沉檢測方法相關性的試驗研究[J].鄭州工業大學學報,2000,21(4):51-54.

[5] 張肖寧.瀝青路面施工質量控制與保證[M].北京:人民交通出版社,2009.