基于FWD的瀝青混凝土路面結構破壞評價方法

吳志強

（上海浦江橋隧東海運營管理有限公司，上海市 201308）

0 前言

在路面設計指南中，新的力學-經驗法中第一設計水平是通過實驗室測試和無損檢測的方法來確定路面結構參數。這表明通過無損檢測來評價道路的承載能力是具有可行性的[1-2]。從落錘式彎沉儀（FWD）實測動態彎沉盆入手，對路基路面各結構層的模量進行反算，可以為維修、養護提供設計參數[3]。

目前，國內外學者對反算方法及反算軟件進行了廣泛的研究，并取得了大量研究成果[4-5]。但是原有的研究成果尚需改進及深入研究，反算方法及反算軟件的選取對反算結果的準確性與精度有較大影響，另外，舊路承重層的破壞使FWD彎沉測試及反算的各結構層模量值變異性很大[6]。為此，本文結合東海大橋海堤段路面養護工程，以FWD測試和BAKFAA軟件為基礎，對瀝青混凝土路面結構破壞情況進行評價，并通過鉆芯取樣進行驗證。

1 試驗概況

東海大橋海堤段工程樁號從K29+000至K30+800，總長1 800 m，于2005年10月正式通車。路基采用強夯加固，路面結構由下至上為30 cm厚級配碎石、30 cm厚水泥穩定碎石、一層玻纖格柵、8 cm厚AC-25瀝青混凝土和6 cm厚AC-16瀝青混凝土。隨著車流量的增多及所處特殊的地理位置，路面出現坑槽、車轍、沉陷，松散等病害，另外海堤段沉降造成很多裂縫。

該項研究采用的FWD彎沉車通過9個位移傳感器的測試結果得到彎沉盆數據，其中9個傳感器距荷載中心點的距離分別為0mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm、1 500 mm、1800mm、2 100 mm、2 400mm，編號為D0～D8。測試采用的荷載為50 kN，荷載板半徑為15cm。測點間的間距為50 m，道路右幅（A線，洋山港方向）和左幅（B線，浦東方向）各32測點，均位于第3車道。

2 動態模量值的計算及路面結構破損評價

BAKFAA軟件是采用美國聯邦航空管理局（FAA）的彈性層狀分析軟件LEAF和下山單純形法反算模量，最小化函數是各傳感器位置理論彎沉與實測彎沉差值的平方和。在BAKFAA軟件中采用如表1所列的路面結構，將D0、D1、D2、D3、D4、D5、D7傳感器測得的路面彎沉盆輸入軟件，收斂精度設置為0.000 1。

表1 路面結構參數表

應該注意的是，由于BAKFAA在反算模量時，并沒有對各層動態回彈模量的取值進行一定限制，在達到收斂精度的條件下，函數的極值可能并不唯一，瀝青路面層數較多，如果再出現破損，更易出現反算模量的解不唯一的情況。因此，在反算過程中應對反算結果進行檢驗。對于明顯超過材料模量限值的結果，改變初始值或收斂精度，通過調試程序，獲得合理的反算模量。計算得到的各測點動態模量如圖1、圖2所示。

圖1 A線各測點模量反算結果曲線圖

圖2 B線各測點模量反算結果曲線圖

以A線K29+080點為例，程序初次計算得到的各層模量為如表2所列。

表2 K29+080初次計算路面各層模量一覽表

雖然計算彎沉值與實測彎沉值有較好的擬合度，但面層動態模量達到41 978 MPa，路基模量達到987 MPa，明顯不符合材料本身性質，因此，降低收斂精度到0.000 5，得到的各層模量如表3所列，因此，對軟件計算結果進行檢驗和調整是十分必要的。

表3 調整收斂精度后K29+080計算路面各層模量一覽表

取動、靜態回彈模量的均值比為3.14，根據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2006）中的材料靜態抗壓回彈模量取值范圍，在該項研究中將各結構層的破損判別閾值分別定為：面層3 500 MPa，基層 4 000 MPa，底基層 600 MPa，路基150 MPa。當反算得到的模量小于對應的閾值，則認為該層出現破損。

東海大橋海堤段A線和B線的路面結構破損評價結果如表4和表5所列。

由表4和表5可以得出，A線面層破損率為12.5%，基層破損率為40.6%，底基層破損率為65.6%，路基基本完好。B線面層破損率為15.6%，基層破損率為31.2%，底基層破壞率為75%，路基破損率為6.3%。該路段基層和底基層破壞嚴重。

3 路面取芯實證（見圖3）

在A線K29+680、K30+330處，B線K30+360、K30+560、K30+410的第3車道分別鉆芯取樣，結果發現A線K29+680處，面層和基層均完好；A線K30+330處，面層和基層均破碎；B線K30+360處，面層和基層均破碎；B線K30+410處，面層完好，基層破損；B線K30+610處，面層完好，基層破碎。對比鉆芯結果和基于FWD檢測的計算分析結果可以發現，五個取芯處只有B線K30+410處出現誤判。可以說明該項研究中使用的方法可有效地進行瀝青混凝土路面結構破損評價。

表4 A線路面結構破損評價表

表5 B線路面結構破損評價表

圖3 鉆取路面芯樣實景

4 結論

使用軟件反算模量時，在達到收斂精度的條件下，函數的極值可能并不唯一。因此，在反算過程中應對反算結果進行檢驗。對于明顯超過材料模量限值的結果，改變初始值或收斂精度，通過調試程序，獲得合理的反算模量。路面現場取芯結果證明了該項研究中采用BAKFAA反算路面結構模量并對路面結構進行破損評價的方法行之有效。

[1]Project 1-37A,Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures[S].

[2]Prozzi JA,Hong F.Traffic characterization for a mechanistic empirical pavement design[R].Austin:Texas Department of Transportation,2007.

[3]謝國棟.基于FWD的瀝青路面反算模量修正系數研究[D].重慶:重慶交通大學,2011.

[4]Khazanovich.L.Structure Analysis of Multi-Layer Concrete Pavement Systems[D].University of Illinois,USA,1994.

[5]謝輝，郭忠印，叢林.基于人工神經網絡的瀝青路面模量評估[J].同濟大學學報(自然科學版)，2007.35(8)：1044-1048.

[6]倪富健,鄧學鈞.柔性路面結構層模量反演方法研究[J].中國公路學報,1994,（17）:24-25.