基于落錘式彎沉儀的水泥混凝土機場道面彎沉檢測

陳婷婷，張曉萌，韓文揚

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

利用貝克曼梁法測出的回彈彎沉是靜態(tài)彎沉，自動彎沉儀檢測彎沉時，因為汽車行進速度很慢，所測得的彎沉也接近靜態(tài)彎沉。為了模擬汽車快速行駛的實際情況，不少國家開發(fā)了動態(tài)彎沉的檢測設備，落錘式彎沉儀（Falling Weight Deflectometer,簡稱FWD）可模擬行車作用的沖擊荷載下的彎沉測量，并利用計算機自動采集數(shù)據(jù)，速度快，精度高。近年來，采用落錘式彎沉儀測定路面的動態(tài)彎沉，并用來反算路面的回彈模量[1-3]，已成為世界各國道路界的熱門課題。這種設備特別適用于高等級公路路面和機場的彎沉量測定和承載力評定，落錘式彎沉儀是目前國際上最先進的路面強度無損檢測設備之一。

1 落錘彎沉儀的水泥路面無損彎沉檢測原理

FWD通過計算機控制下的液壓系統(tǒng)提升并下落一重錘，對路面施加脈沖荷載，見圖1。荷載的大小通過改變錘重和提升高度可在相當大的范圍內調整，并通過剛性圓盤作用到路基上。路面的變形由9個傳感器測定。FWD測速快（每測點約40 s），精度高（分辨率為1μm），并較好地模擬了行車荷載的動力作用，目前被認為是較為理想的道路無損檢測設備。特別是FWD能夠準確測定多點彎沉，從而為道路結構反算分析提供了基礎。根據(jù)FWD多點彎沉檢測結果反算道路結構各層模量見圖2。該FWD傳感器從加載中心向外的排列見表1。

表1 傳感器距離加載中心距離

圖1 FWD系統(tǒng)構成

圖2 FWD多點彎沉檢測結果反算道路結構各層模量

2 水泥道面彎沉檢測評定方法

2.1 水泥道面模量演算方法

彎沉檢測采用的落錘式彎沉儀—FWD，宜選擇間距為0.30 m，距離荷載中心1.50 m范圍內各個傳感器的彎沉計算彎沉盆面積指數(shù)Aw：

式中：Aw—用于道面結構參數(shù)反演的彎沉盆面積指數(shù)；s—傳感器之間的間距，取值0.3 m；d0—荷載中心處彎沉值,m；di—第i個傳感器的彎沉值,m。

由彎沉盆面積指數(shù)Aw查圖3確定道面結構的相對剛度半徑1。如果Aw超出圖3中的取值范圍，可由Aw與1之間的多項式回歸公式：

式中：l—道面結構的相對剛度半徑，m；Aw—用于道面結構參數(shù)反演的彎沉盆面積指數(shù)，m；ai—回歸系數(shù)，取值見表2。

表2 彎沉盆面積指數(shù)Aw與相對剛度半徑1多項式回歸系數(shù)

圖3 彎沉盆面積指數(shù)Aw與道面結構相對剛度半徑關系

計算基層頂面的反應模量K。式中的彎沉系數(shù)是與道面結構相對剛度半徑l有關的單調遞減函數(shù)，可查《民用機場道面評價管理技術規(guī)范》（MHT 5024-2009）。

式中： K—基層頂面的反應模量,MN/m；q—

FWD測試承載板接地應力,MPa；r —FWD測試承載板半徑，取值為0.15 m；（l）—荷載中心位置處的彎沉系數(shù),m;按照圖4或者公式（4）計算；d0—荷載中心處彎沉值，m。

表3 相對剛度半徑l與荷載中心位置處彎沉系數(shù)(l)的多項式回歸系數(shù)

表3 相對剛度半徑l與荷載中心位置處彎沉系數(shù)(l)的多項式回歸系數(shù)

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8-0.2 2.0 -8.9 21.8 -31.1 26.1 -12.1 2.5

圖4 道面結構相對剛度半徑1與荷載中心處彎沉系數(shù)關系

按式（5）計算水泥混凝土板的彈性模量Er，如道面結構為水泥混凝土道面上加鋪瀝青混凝土或者加鋪水泥混凝土等復合道面所計算的彈性模量應作為復合道面的綜合彈性模量，用于道面結構承載能力的分析與評價[4-5]。

式中：Er—水泥混凝土板的彈性模量，GPa；μ—水泥混凝土材料的泊松比，取值為0.15；K—基層頂面的反應模量，MN/m3；l—道面結構的相對剛度半徑，m；h—道面結構的有效厚度,m。

2.2 水泥板角脫空判斷方法

脫空判斷采用截距法，它是由NCHRP研究中心建立的方法，目前被認為是一種比較理想的脫空檢測方法，利用FWD對水泥混凝土路面施加分級荷載，見表4，然后利用荷載板中心的彎沉與相應的分級荷載畫出荷載彎沉圖，見圖5，利用回歸分析做出荷載彎沉的線性回歸曲線，通過回歸直線的截距來判斷脫空情況。如果線性回歸曲線在彎沉軸的截距大于50 μm則認為板底存在脫空，否則認為板底不存在脫空。

圖5 截距法計判定脫空

表4 分級加荷載及數(shù)據(jù)

3 應用實例

3.1 檢測概況

某機場跑道水泥道面進行彎沉檢測，檢測采用丹麥Carbro公司的落錘式彎沉儀—FWD PRIMAX1500，通過逐級加載，檢測道面水泥板塊的脫空率及水泥板塊的承載能力，為道路改造維護提供基礎數(shù)據(jù)[6]。

3.2 數(shù)據(jù)采集及分析

3.2.1 水泥路面板模量演算結果

依據(jù)現(xiàn)場病害情況選取4塊水泥板進行板中測試，病害及選點見圖6，演算得到路面板模量，見表5。

圖6 病害板及選點

表5 水泥路面板模量演算結果

依據(jù)表5，板5～6模量演算結果顯示較好，板7～8模量演算結果顯示狀況較差。

3.2.2 水泥板角脫空判斷

脫空判斷采用截距法，施加的三級荷載分別為990 kPa、1 273 kPa、1 556 kPa，利用回歸分析做出荷載-彎沉的線性回歸曲線，通過回歸直線的截距來判斷脫空情況。水泥板選擇4塊進行檢測，分析結果見表6，可見在板4處出現(xiàn)一處脫空現(xiàn)象。

表6 水泥板脫空檢測結果

4 結語

（1）機場道面板板底脫空形成的原因：兩層水泥道面板間存在因為降雨等因素存留的水，在飛機起降過程中板體承受較大的壓力，同時也使得板間存留的水存在較強動水壓力。飛機往復起降使板體間動水反復沖刷水泥板體底部，較強的動水壓力破壞了水泥板底膠凝材料與集料間的結合，從而使得水泥板體底部失去強度，集料逐漸被剝離帶出，從而形成了一定的脫空。（2） 機場道面板板角斷裂成因：因為板體的脫空，使得道面水泥板底部的承載能力顯著降低，進而飛機荷載作用下，板體受力不均出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。應力集中往往存在于板底脫空與非脫空位置之間的界面上，因此，脫空板體在飛機荷載作用下產(chǎn)生的板角應力集中造成了板角斷裂。