基于彎沉值的路面結(jié)構(gòu)強度分析

強扶平,孟令國

（江蘇寧杭高速公路有限公司,江蘇 南京 213300）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的全面、健康、持續(xù)發(fā)展，江蘇省高速公路進入了前所未有的快速發(fā)展階段，其中近85%的高速公路通車時間在10年以上，60%的高速公路通車時間在15年以上。在長期的荷載以及環(huán)境因素的作用下，各高速公路除了路表所反映的表面病害以外，通常還伴隨著結(jié)構(gòu)強度的下降，針對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評價手段也存在較大的局限性。其中結(jié)構(gòu)完整性評價手段方面，鉆芯取樣的傳統(tǒng)檢測方法只適用于局部“點”檢測，檢測精度與效率偏低[1-3]；而結(jié)構(gòu)強度評價方法所采用的貝克曼梁或落錘式彎沉儀檢測效率低、交通影響大、檢測結(jié)果連續(xù)性差[4-6]。因此，如何在全面評價瀝青路面表面狀態(tài)的同時，對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)快速、高效地進行識別與評估，對于提升路面技術(shù)狀況評定的實用性，建立準(zhǔn)確高效的立體化評價指標(biāo)具有重要的現(xiàn)實意義，因此及時對路面結(jié)構(gòu)強度進行評價很有必要。

綜上，該文考慮路面結(jié)構(gòu)強度評價的需求，基于連續(xù)式激光彎沉儀，通過分析溧馬高速整體、不同標(biāo)段、不同病害類型路段的PSSI激光彎沉，明確各路段結(jié)構(gòu)強度，然后采用彎沉盆反演的方式，對面層模量進行評估。

1 檢測方法

1.1 檢測設(shè)備

目前，市場上主要銷售的較為成熟的產(chǎn)品有2種：TSD和LDD。其中，TSD由丹麥Greenwood公司研發(fā)，其在2000年研發(fā)出了第一臺TSD設(shè)備，具有2個多普勒激光檢測器，隨后在2010年多普勒激光檢測器個數(shù)增加至7個。LDD則由武漢大學(xué)卓越科技有限責(zé)任公司于2010年研發(fā)成功，已經(jīng)完成了近10萬km的實際工程測量（新疆4萬km、陜西2萬km、甘肅2萬km、其他約2萬km）。

高速彎沉儀在不封閉交通條件下能自動化快速檢測彎沉，檢測速度允許范圍0～120 km/h，因此其突出優(yōu)點是檢測效率高。據(jù)粗略測算，高速彎沉儀在12周可完成19 000 km的路網(wǎng)檢測，而要達到同樣的檢測量，F(xiàn)WD需要15年。

高速彎沉儀可實現(xiàn)彎沉的高精度檢測，測量精度為0.01 mm，可實現(xiàn)空間分辨率1 m的數(shù)值輸出，即將彎沉測試間隔縮小至1 m，實現(xiàn)彎沉檢測的連續(xù)性。表1為高速彎沉儀技術(shù)性能參數(shù)表。

表1 高速彎沉儀技術(shù)性能參數(shù)表

高速彎沉儀主要由距離測量裝置、多普勒激光傳感器、檢測梁慣性修正系統(tǒng)、溫度傳感器、承載平臺、中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、環(huán)境溫度控制裝置、牽引裝置等部分組成，裝備結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 高速彎沉儀結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 路面理論模型

路面在重載車輪的碾壓下會產(chǎn)生沉降，沉降速度的大小和路面的強度相關(guān)。激光動態(tài)彎沉測量系統(tǒng)采用多個激光測速傳感器測量路面變形速度，該傳感器通過測量反射的激光頻移測量路面的變形速度。

通過測量路面變形速度能夠反演彎沉，可以利用激光多普勒測振儀來測量路面在標(biāo)準(zhǔn)載荷作用下的路面變形速度和路面變形速度提取，結(jié)合彈性地基上的歐拉-伯努利梁理論，推導(dǎo)彎沉盆曲線的兩參數(shù)方程，采用牛頓迭代法利用路面變形速度反演路面彎沉。該方法一次測量只需要一次采樣，測量與路面曲率無關(guān)，相對于傳統(tǒng)測量方法，其適合于高速、無損測量。

激光動態(tài)彎沉測量基本原理是彎沉盆曲線（即位移）的一階導(dǎo)數(shù)就是彎沉斜率，通過假設(shè)路面結(jié)構(gòu)為線彈性梁，通過現(xiàn)有模型如Euler-Bernoulli梁和Winkler模型可以推導(dǎo)出多參數(shù)的彎沉盆曲線方程。而車輛行駛速度也比較容易測量，因此，可以通過測量路面變形速度換算路面彎沉。

1.3 彎沉及彎沉盆推算

高速彎沉儀的測試原理圖如圖2～3所示。路面在重載車輪碾壓下產(chǎn)生沉降，其中沉降速度反映了路面結(jié)構(gòu)的強度。高速彎沉儀采用4～7個傳感器測量路表的變形速度，其中3～6個傳感器位于彎沉盆內(nèi)部，1個傳感器在彎沉盆外部作為參考值。采用角速度傳感器測量運動狀態(tài)，然后通過不同位置變形速度即可反演得出測點彎沉值。

圖2 高速彎沉儀的測試原理圖

圖3 激光動態(tài)彎沉檢測示意圖

彎沉斜率（Dslope）是路表變形速度Vv（豎直方向）與行駛速度Vh（水平向）之比。而路表變形速度Vv可通過多普勒激光傳感器進行測量，因此解決了高速彎沉儀進行高速測量的難題。

激光式高速路面彎沉儀就是根據(jù)激光多普勒頻移原理，通過激光多普勒測振儀測量路面在荷載作用下的垂直下沉速度,通過加速度傳感器和陀螺儀傳感器記錄多普勒激光測振儀的振動情況和運動姿態(tài)，用于修正計算路面實際變化的速度。通過對沿彎沉盆分布各點速度變化的分析與計算，得到最大彎沉值以及彎沉盆。

式中 ，f′——觀察到的頻率；f——發(fā)射源于該介質(zhì)中的原始發(fā)射頻率；v——波在該介質(zhì)中的行進速度；v0——觀察者移動速度，若接近發(fā)射源則前方運算符號為正號，反之則為負號；vs——發(fā)射源移動速度，若接近觀察者則前方運算符號為負號，反之則為正號。

2 總體評價

根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG 5210—2018），高速公路瀝青路面承載能力采用路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)（PSSI）進行評價，檢測儀器為連續(xù)式激光彎沉儀。

病害處彎沉相較于完好處彎沉較大，是一個極值。激光動態(tài)彎沉檢測時會覆蓋病害位置，因此，統(tǒng)計溧馬高速病害類型及位置，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果剔除病害位置的彎沉值，計算完好處的彎沉評分結(jié)果，并與未剔除前的結(jié)果進行比較。具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 溧馬高速病害處與非病害處PSSI激光彎沉對比

通過對數(shù)據(jù)進行分析，可知：病害處與非病害處的PSSI激光彎沉評分有較大差異，馬鞍山方向病害處與非病害處的PSSI激光彎沉評分分別為86.25、65.44，溧水方向病害處與非病害處的PSSI激光彎沉評分分別為88.15、70.62，分別提升了20.81和17.53。可見病害對彎沉的影響較為顯著，強度衰減主要是由各種病害引起的。

3 分路段評價

根據(jù)路面病害調(diào)查結(jié)果，LM-21標(biāo)段和LM-22標(biāo)段的病害分布有一定的差異，分別統(tǒng)計LM-21標(biāo)段和LM-22標(biāo)段的PSSI激光彎沉，分析兩個標(biāo)段路面結(jié)構(gòu)強度的差異。不同標(biāo)段PSSI激光彎沉對比如圖5。

圖5 不同標(biāo)段PSSI激光彎沉對比

通過對圖5數(shù)據(jù)進行分析，可知：不同標(biāo)段PSSI激光彎沉評分有一定差異，LM-22標(biāo)段的PSSI激光彎沉評分相比LM-21標(biāo)段偏小，LM-22標(biāo)段馬鞍山方向和溧水方向PSSI激光彎沉評分分別為76.80、76.11，LM-21標(biāo)段馬鞍山方向和溧水方向PSSI激光彎沉評分分別為81.00、80.51，馬鞍山方向和溧水方向LM-22標(biāo)段的PSSI激光彎沉相比LM-21標(biāo)段分別低4.20和4.40。溧馬高速病害調(diào)查的結(jié)果表明LM-22標(biāo)段路面性能比LM-21標(biāo)段差，這和結(jié)構(gòu)強度數(shù)據(jù)分析出的結(jié)論一致。

不同病害對路面結(jié)構(gòu)強度影響程度不同。統(tǒng)計不同類型路段的PSSI激光彎沉，分析不同病害對路面結(jié)構(gòu)強度的影響程度，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同類型路段PSSI激光彎沉對比

通過對數(shù)據(jù)進行分析，可知：不同類型的路段PSSI激光彎沉評分有一定差異，水損路段的PSSI激光彎沉評分最小，僅為75.25，其次是縱縫路段，為77.31，正常路段PSSI激光彎沉最高，為81.96，比水損路段高了6.71。水損壞對路面強度衰減的影響最大，其次是縱縫，沉陷對路面強度衰減影響較小。

挖方和填方路段的基層狀態(tài)可能有所差異，導(dǎo)致填方段和挖方段的結(jié)構(gòu)強度也可能產(chǎn)生一定差異。統(tǒng)計溧馬高速的挖方段與填方段的樁號范圍，計算填方段和挖方段的PSSI激光彎沉，分析結(jié)構(gòu)強度差異。

通過對圖7數(shù)據(jù)分析可知：溧水方向挖方段和填方段的PSSI激光彎沉分別為79.71、79.34，相差0.37；馬鞍山方向挖方段和填方段的PSSI激光彎沉分別為79.59、79.77，相差0.18。挖方段和填方段的結(jié)構(gòu)強度并未出現(xiàn)明顯差別。

圖7 挖方段與填方段PSSI激光彎沉對比

4 結(jié)論

（1）馬鞍山方向非病害處與病害處的PSSI評分分別為86.25、65.44，溧水方向非病害處與病害處的PSSI評分分別為88.15、70.62，分別提升了20.81和17.53，強度衰減主要是由各種病害引起的。

（2）水損壞對路面強度衰減的影響最大，其次是縱縫，沉陷對路面強度衰減影響較小。

（3）挖方段和填方段的結(jié)構(gòu)強度并未出現(xiàn)明顯差別。