基于動態反演方法的半剛性基層結構層模量季節變化規律研究

郭 磊

（山西交控集團大同北高速公路分公司，山西 大同 037000）

0 引言

目前對路面結構性能評價主要以整體強度評價為主，隨著人們對道路結構性能評價手段的廣泛重視，道路結構使用性能評價的手段已經從整體強度性能評價向結構層模量定量反演發展[1]，傳統的分析方法只利用了各時程曲線的峰值，不能充分利用實測彎沉時程曲線的全部信息，導致分析結果不能更客觀地反映路面結構的力學性能，無法得知荷載頻率對瀝青混合料的力學參數的影響，導致路面結構質量評定環節和性能分析、結構設計環節不銜接。

瀝青混合料作為典型的黏彈性材料[2]，力學參數隨荷載頻率有顯著變化，FWD 對路面施加的是沖擊荷載，尤其是對半剛性基層瀝青路面，FWD 試驗中荷載和各點彎沉都是隨時間變化的時程曲線。本論文選取典型的半剛性基層路面結構，分別在不同的季節進行FWD 檢測，采用譜單元[3]對彎沉時程曲線進行動態反演，得到瀝青混合料動態模量主曲線及其他結構層模量，分析不同結構層模量隨季節變化規律，對正確認識半剛性基層瀝青路面使用狀況有著重要的指導意義。

1 動態反演方法介紹

路面力學參數動態反演采用譜單元法（SEM,Spectral Element Method）。譜單元法有機地結合了譜分析法的精度和效率以及有限元法中剛度矩陣的優點[4]，分析過程中瀝青混合料作為黏彈性材料，其他結構層作為彈性材料。譜單元法利用傅里葉變換，將結構控制方程轉換到頻率- 波數域內進行求解。在頻率- 波數域內，路面結構層的質量、慣性力等特性可以得到很好的表征，采用一個譜單元即可充分描述整個結構層的力學特性，這一特性為譜單元法在路面力學參數反演中的應用提供了便利。

與靜態彈性分析方法相同，譜單元法根據路面結構和荷載的對稱性，采用軸對稱模型模擬路面結構受力行為，如圖1 所示。

圖1 路面結構計算模型

類似于有限元法，譜單元法分析中形成單元剛度矩陣求解，譜單元法采用兩種單元類型模擬瀝青路面結構[5]，兩種譜單元如圖2 所示。與傳統靜態彈性方法相似，譜單元在水平方向（徑向）上為無限大。兩節點譜單元由兩個平行面構成，上下表面距離為h，可以用來模擬有限厚度的路面結構層。單節點譜單元僅有一個水平面構成，能夠模擬厚度無限大的土基或者硬巖層。

圖2 譜單元示意圖

2 動態反演結果分析

在朔州試驗路選取典型病害路段進行FWD 進行試驗，試驗路面平整、潔凈、無嚴重坑槽、松散等病害，路面結構信息見表1，開始檢測前需預熱設備20～30 min，調整設備落錘高度，荷載峰值設置為0.7 MPa，傳感器距荷載中心的距離分別為0 m、0.33 m、0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.4 m、1.7 m、2.0 m，同一位置至少測試4 次，每次連續4 次試驗，分析每個測點彎沉盆檢測數據是否穩定，當設備完全穩定后方正常開展試驗，分別在3月、6月、9月、11月對路面結構進行現場FWD 測試。

表1 路面結構信息

圖3 給出了典型位置處的反演彎沉結果和實測值的對比，可見兩者吻合的很好，表明反演力學參數能夠真實地反映路面結構的力學行為。

圖3 彎沉時程曲線對比

圖4給出了同一位置處不同季節的動態模量主曲線反演結果。

圖4 面層反演動態模量主曲線

由圖4 可知，動態模量在角頻率較大時隨季節變化具有明顯的變化，其中春、冬季測試期間氣溫較低，瀝青混合料動態模量的反演結果較大，夏、秋季節測試過程中氣溫較高，瀝青混合料較“軟”，動態模量反演結果小于春、冬季反演結果。

根據動態模量主曲線數學模型，利用不同位置處反演得到的力學參數，計算在10 Hz、45 Hz 頻率下的瀝青層的動態模量。并對同一季節各測試點的反演結果求取平均值，作為路面結構的力學參數，分析其隨季節的變化規律。表2 給出了不同季節反演力學參數的平均值，圖5 為其他結構層模量季節變化圖。

表2 路面力學參數平均值 MPa

圖5 半剛性基層模量季節性變化規律

由表2 可知，面層的動態模量值在3月和11月的結果較大，6月和9月的結果較小，其中6月結果中10 Hz 對應的動態模量僅為3月份結果的50%左右，表明瀝青層作為黏彈性材料受到大氣溫度等因素的影響，其力學性能發生較大變化；半剛性基層路面結構基層、底基層模量隨季節變化規律不強，基層最大差別為6.9%，底基層最大差別為18.8%，土基受氣溫、濕度等條件的影響，模量季節性變化較強，最大差別為49.5%。

3 結論

在不同季節用落錘式彎沉儀對半剛性基層路面結構進行試驗，采用動態反演方法得到瀝青層動態模量主曲線及其他結構層模量，分析不同結構層模量季節變化規律，得出如下結論：

a）動態反演方法可以有效利用FWD 時程曲線對半剛性基層瀝青路面結構進行動態反演分析，反演結果更能客觀反應瀝青混合料的力學特性。

b）瀝青面層動態模量值在3月和11月的結果較大，6月和9月的結果較小，其中6月結果中10 Hz對應的動態模量僅為3月份結果的50%左右。

c）半剛性基層路面結構基層、底基層模量隨季節變化規律不強。

d）土基受濕度等條件的影響，模量季節性變化較強，最大差別為49.5%。