路面結構承載能力合理量化評定標準研究

梁斌

(山西省交通科技研發有限公司， 山西 太原 030006)

1 路面結構承載能力評定指標及檢測

1.1 路面結構承載能力評定指標

路面結構承載能力是路面抵抗荷載、水溫變化等作用的能力，取決于結構層厚度、材料力學性能和路面損壞情況。在壽命周期內，路面結構厚度變化基本可忽略不計，故路面結構承載能力基本上可用結構層材料彈性模量來評定。另外，根據材料彈性模量可預估疲勞強度，因而路面結構承載能力還可用剩余疲勞壽命來評定，這對路面資產管理可能更實際。傳統上，現有路面材料力學性能的確定大多采用鉆孔取芯法，經過芯樣力學試驗確定其力學性能如彈性模量、抗壓強度或抗折強度等。眾所周知，現場路面取芯不僅耗時耗力，如果沒有適當的交通控制，還可能產生交通安全問題。因此，大規模進行網級路面取芯檢測是不實際的。

迄今，落錘式彎沉儀(FWD)已被公路部門廣泛用于路面結構承載能力檢測評價。該方法通過測定路表彎沉，根據彎沉反算各層材料模量。根據檢測目的，可進一步從材料模量確定結構層強度和路面結構剩余疲勞壽命。也就是說，借助FWD檢測，可確定運營期路面的彎沉、彈性模量和剩余疲勞壽命3個強度指標，其中任何一個指標都可用于評定路面結構的承載能力。通過大量分析比較，建議直接采用FWD荷載中心彎沉評定路面結構承載能力，主要理由如下：1) 公路路面尤其是瀝青路面結構均為多層結構，而現行的基于彎沉的模量反算方法不能提供各層模量的精確解，且對彎沉的誤差較敏感；2) 對于網級路面結構承載能力評價，用戶更關心的是路面整體結構承載能力，而荷載中心彎沉不僅和各層結構強度有關，還和路面損壞狀況有關，用其作為評價指標簡單明了。

1.2 網級路面FWD檢測

理論上，無論是瀝青路面多層體系，還是水泥砼路面彈性地基板理論，路表彎沉均取決于各層厚度、材料力學性能、荷載大小及其接觸和邊界條件。在現場FWD檢測時，瀝青材料性能和水泥砼板翹曲將受環境條件的影響。另外，現場路面損壞狀況將影響FWD彎沉大小。為此，建議現場網級路面FWD彎沉檢測位置取瀝青路面行車道中央或水泥砼板中心，檢測荷載和路面標準軸載一致；參照檢測溫度為20 ℃，其他溫度的彎沉換算成20 ℃彎沉。另外，沿行車方向的檢測間隔為0.5～1 km，每3年檢測一次。

2 路面結構承載能力評定標準

2.1 現行FWD彎沉評定標準

根據JTG H20-2007《公路技術狀況評定標準》，路面結構強度采用路面結構強度指數PSSI評價，計算公式如下：

(1)

式中：a0、a1為模型參數，a0=15.71，a1=-5.19；SSI為路面結構強度系數，SSI=檢測代表彎沉/路面設計彎沉。

現行路面結構強度評價把一個客觀、可測定的參數即彎沉換算成一個虛擬的參數PSSI，實際意義不大。另外，PSSI的計算引入了一個和路面設計彎沉有關的路面結構強度系數SSI，這不符合水泥砼路面結構設計理論和方法。根據JTG D40-2011《公路水泥混凝土路面設計規范》，板厚確定標準是在行車荷載和溫度梯度綜合作用下砼板不產生疲勞斷裂。這也進一步說明直接采用荷載中心的FWD彎沉更符合實際。

2.2 FWD彎沉累計分布曲線

路面結構承載能力評定涉及因素多，如在重交通下結構承載能力評定“中”的路面，對于輕交通來說可能是“良”甚至“優”。根據山西靈石—南關二級公路、朔州高速公路及美國高速公路和普通公路的平均實測彎沉分布(見圖1)，朔州和美國高速公路的彎沉分布曲線變化趨勢相似，且近80%的彎沉值小于0.125 mm；靈石—南關二級公路和美國普通公路的彎沉分布趨勢正好相反，前者60%以上的彎沉值大于0.25 mm，后者60%以上的彎沉小于0.120 mm。

圖1 路表實測彎沉累計分布

仔細分析圖1中曲線形狀，朔州高速公路、美國高速公路及美國二級公路的彎沉分布曲線均呈上凸形狀，而靈石—南關二級公路的彎沉分布曲線呈下凸形狀。如表1所示，靈石—南關二級公路的平均彎沉值為0.414 mm，遠大于其他3條公路的平均彎沉值。現場調查也表明，靈石—南關二級公路的路況很差，病害多，路面坑坑洼洼。根據以上觀察和分析結果，可推斷當路面結構承載能力較差時，彎沉累計分布曲線下凸；當路面結構承載能力較好時，彎沉累計分布曲線上凸。彎沉的累計分布曲線特征對路面養護維修具有一定的指導意義。

表1 路表實測彎沉統計特征值

2.3 推薦的路面結構承載能力評定量化標準

美國的有關研究人員通過大量FWD現場檢測，提出了表2所示路面結構承載能力的FWD彎沉評定量化標準。其中彎沉位置為荷載中心，荷載大小為40 kN，參照溫度為20 ℃。由于成本和檢測要求，中國FWD檢測主要用于項目級路面結構承載能力評價，網級路面FWD檢測及其數據均非常有限。另外，中國的標準軸載為100 kN，相應的一側輪載為50 kN；美國的標準軸載為80 kN，相應的一側輪載為40 kN。為了對FWD彎沉標準進行荷載換算，近似地采用圓形剛性承載板作用下的彈性半空間模型：

(2)

式中：w0為荷載中心板底彎沉；a、p分別為圓形承載板半徑及板底分布壓力；E、μ分別為彈性半空間體材料的彈性模量和泊松比。

從式(2)來看，荷載中心板底彎沉和荷載大小成線性關系，將標準輪載40和50 kN分別代入式(2)，得w0,50 kN=1.25w0,40 kN，從而得到推薦的路面結構承載能力FWD彎沉評定標準(見表2)。

表2 路面結構承載能力的FWD彎沉評定量化標準

3 結論

(1) 現場網級路面FWD彎沉檢測位置為瀝青路面行車道中央或水泥砼板中心，檢測荷載和路面標準軸載一致。

(2) 《公路技術狀況評定標準》關于路面結構承載能力的評價采用虛擬的指數PSSI和SSI，而實際上這些指數是通過相對獨立的客觀參數即彎沉計算得到的，推薦直接采用FWD彎沉評價路面結構承載能力，并提出了路面結構承載能力的FWD彎沉評定量化標準。

(3)路面結構承載能力較差時，彎沉累計分布曲線下凸；路面結構承載能力較好時，彎沉累計分布曲線上凸。