FWD荷載作用下路面動彎沉響應試驗研究

冀冠宇

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

落錘式彎沉儀（Falling Weight Deflectometer，簡稱FWD）是一種先進的路面結構強度無損檢測設備，其荷載效應可以更好地模擬動荷載作用，因此被廣泛應用于路面結構動態性能評價領域[1]。為了使我國路面設計與路面結構的實際工況更好地對應，有必要深入研究瀝青路面在FWD 動荷載作用下的實際動力響應。

1 FWD加載試驗測量原理

FWD設備是從一定的高度以一定質量的重錘自由落到作用在路面的承載板上，再通過承載板下和周圍按一定距離布置的位移傳感器記錄下這些位移數據，從而得到路面的彎沉盆[2]，其中FWD荷載的加載原理如下：

假設FWD 的落錘質量為M，下落高度為h，則能量轉化公式如式（1）所示：

承載板剛度為k，落錘沖擊承載板后產生振動，則此振動方程為：

式中：ω 是振動頻率，t為時間。C1、C2為待定參數。

初始條件為：

聯立式（3）和（4）則振動方程系數可得：

在式（1）帶入系數，并對Z做二階求導得：

根據牛頓定律，FWD 對路面沖擊作用的荷載計算公式為：

FWD 工作原理具體示意圖如圖1所示。

圖1 FWD 工作原理示意圖

2 FWD試驗加荷標準確定及測試方案

2.1 FWD 加荷標準的確定

針對道路交通荷載的力學特性，進一步確定本試驗瀝青路面結構頂面動彎沉FWD試驗加荷標準。

2.1.1 公路行業荷載常規加荷標準

根據《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60—2008）中承載板測定路面結構回彈模量的方法，承載板試驗的加載原則為：路基應基本處于彈性變形范圍內，且大體符合路基變形的情況[3]。

考慮公路行業交通設計荷載為標準軸載BZZ-100 輪載p=0.7 MPa，因此路面結構層頂面綜合回彈模量承載板法實測采用0.7 MPa 下的5 級加載試驗，獲得的路面頂面綜合回彈模量值為公路行業常規試驗結果[4]。

2.1.2 道路重載加荷標準

根據已有道路重載資料進行計算分析，結合公路荷載加荷標準，研究確定在公路常規0.7 MPa 五級加載的基礎上，增加0.84 MPa、0.98 MPa 兩級荷載。

2.1.3 試驗加荷標準及方案

FWD試驗加荷標準和加荷順序如表1 所示，采用該加荷標準測得面層頂面在各級荷載作用下的綜合彎沉。

表1 FWD試驗加荷標準

2.2 FWD試驗加載測試方案

FWD 現場加載試驗在試驗路上進行，圖2 所示為試驗路結構形式，FWD 現場加載點布設方案如圖3所示。

圖2 試驗路結構形式

圖3 FWD試驗現場加載點布設圖

此次試驗FWD設備承載板直徑為30 cm，承載板中心與各測點的中心位置對應，表2 所示為各傳感器距承載板中心的距離。

表2 FWD 位移傳感器位置

按照FWD試驗加載標準，針對每個測點進行FWD 五級和7 級加載試驗，通過FWD 位移傳感器測量路表動彎沉響應過程，FWD試驗過程如圖4所示。

圖4 FWD 試驗過程圖

3 FWD荷載作用下瀝青路面結構動態彎沉盆分析

在氣候條件（路表溫度18 ℃）相同的情況下進行FWD荷載下的動態彎沉試驗，獲得0.14 ～0.98 MPa 荷載作用下瀝青路面結構6 個測點的代表彎沉值和彎沉盆曲線，如表3 和圖5所示。

表3 各級荷載下FWD 動態彎沉值

圖5 FWD 各級荷載下的彎沉盆曲線

從表3 和圖5 可以看出，不同荷載水平的路表動態彎沉值變化是一致的，路面動力響應取決于FWD荷載，每個測點的動態彎沉值隨著FWD荷載的增加而增加，隨著距荷載中心點距離的增大而減小。

相鄰荷載水平間的彎沉變化率指數由公式（7）表征，用彎沉變化率指數來表示荷載變化與動彎沉變化倍數之間的關系，并對瀝青路面動態彎沉值隨FWD荷載變化的規律進行研究，表4 表示不同荷載水平下的動彎沉變化率。

式中：DCi為彎沉變化率，無量綱；Li（Li=0.14 MPa、0.28 MPa……0.84 MPa、0.98 MPa）為FWD 的不同荷載水平，Di（i=1～6）為不同荷載水平下相應的路面動彎沉，單位為0.01 mm。

表4 不同荷載水平下的動彎沉變化率

由表4 可知：

a）當荷載較小為0.28～0.56 MPa 時，FWD 的動彎沉變化率較小，且均小于1，說明荷載的增加倍數大于動彎沉值的增加；當荷載增加時（0.56 ～0.70 MPa），動彎沉變化率較大，且大于1，即荷載的增加倍數小于動彎沉值的增加；當荷載繼續增加時（0.70 ～0.98 MPa），動 彎 沉 變 化 率 比 0.56 ～0.70 MPa 時的減小但仍然接近1。

b）綜上所述，FWD 相鄰荷載水平下的動彎沉變化率，隨著荷載的增加先增大后減小，動彎沉變化率在0.56～0.70 MPa 時高于其他荷載水平。

4 結語

本文全面分析了FWD設備的工作原理和荷載特性，確定了試驗路面上FWD設備的加荷標準和加載方案，根據試驗結果，研究了瀝青路面在FWD荷載作用下的動力響應，得到了FWD荷載作用下瀝青路面結構的動力響應規律，主要的研究工作及相應結論如下：

a）針對FWD加載的力學特性，通過對公路行業規范中荷載加荷標準、重載加荷標準兩個方面的分析得出本次試驗瀝青路面結構頂面動態彎沉FWD試驗5 級加載標準和7 級加載標準。

b）通過對FWD荷載作用下瀝青路面結構動態彎沉盆的分析，得出：

（a）不同荷載水平的路表動態彎沉值變化是一致的，路面動力響應取決于FWD荷載，每個測點的動態彎沉值隨著FWD荷載的增加而增加，隨著距荷載中心點距離的增大而減小。

（b）FWD 相鄰荷載水平下的動彎沉變化率，隨著荷載的增加先增大后減小，動彎沉變化率在0.56～0.70 MPa 時高于其他荷載水平。