一種基于FWD 測試的道路結構損傷識別方法

楊展鵬，宋 琢，楊 軍

（1.廣州市廣園市政建設有限公司，廣東廣州 510040；2.廣州市一建建設集團有限公司，廣東廣州 510060；3.廣州市市政工程試驗檢測公司，廣東廣州 510520）

引言

落錘式彎沉儀檢測路面彎沉及彎沉盆（Falling Weight Deflectometer, FWD）是道路路面結構承載力的主要檢測方法，隨著設備國產化的實現，在我國道路工程界應用越來越廣泛[1]。其測量結果比較精確，且信息量大。與傳統的貝克曼梁測量彎沉相比，具有使用方便、快速、安全、節省人力、模擬實際情況施加動態荷載，適于長距離、連續測定的特點[2]。美國聯邦公路局經過分析對比，確認FWD 是較好的路面承載能力動載評定設備，并選定FWD 作為實施SHRP 計劃時路面強度評定的重要設備[3]。通過反分析可以確定路面各層的模量，從而對路面的各層強度有個清楚的了解。同時根據路面反分析結果，可以評估路面的結構損傷[4]。

隨著計算能力提升后，迭代法的研究成為主流[5]。迭代法的搜索能力超過數據庫方法，但是存在迭代不收斂而無法判斷解答的情況。因路面結構的復雜性，模量反分析仍舊常常得出不合理的結果，據美國的LTPP 計劃的使用經驗只有約70%的反算結果是符合道路狀況的。

在使用過程中，路面反分析的目的有多種，例如結構設計、道路內部隱伏病害排查、結構承載能力判斷等。考慮到結構的復雜性，多數情況下路面反分析對路面參數的絕對數值不敏感，更加關注路面參數的相對變化。本文以應用于道路內部損傷的路面參數反分析為目標，在路面模型、參數確定等方面進行研究，提出路面參數反分析的改進思路，為道路路面參數相對差異的反分析提供參考。

1 FWD 測試與反算原理

FWD 主要由荷載施加錘、彎沉測量裝置兩個部分構成。荷載錘通過控制高度、重量對路面施加不同的錘擊荷載。落錘式彎沉儀測試路面時一般在離荷載點0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 m 處布置了傳感器。安置于路面表面的彎沉測量裝置實時測量出道路變形曲線，路面反分析通常選取各測試點的位移峰值作為彎沉盆數值。

采用迭代法進行路面參數反演一般的流程見圖1所示。

圖1 路面反分析框架圖

在路面反分析中，有幾個環節較為關鍵，首先路面求解的模型可以采取層狀彈性體系模型、考慮動態荷載效應的路面有限元模型、考慮瀝青粘彈性的路面有限元模型。彎沉盆偏差的評價標準也會對反分析產生影響，如對于不同的傳感器位置數據給與權重差異，優先擬合靠近彎沉盆中心位置的數據擬合效果。模量更新策略也會對結果產生影響，研究者采用遺傳算法、神經網絡的主要目的就是借助智能算法實現模量更新的隨機化與最優化，避免陷入局部最優解。

反分析對參數數量極度敏感，增加一個反算參數將解空間增加一個自由度。如何將路基路面實體抽象成路面模型將直接影響反分析的參數量。此外，反分析中某些參數作為已知量輸入模型，無需進行迭代更新。但已知參數的準確度對反分析結果有明顯影響，特別是結構層厚度。

2 改進的FWD 測試反分析方法

為提升路面結構反分析的有效性，擬在如下方面改進FWD 測試反分析方法。

2.1 探地雷達法檢測路面厚度

高頻探地雷達能夠穿透道路路面表層在結構內部各層間產生反射波，高等級道路的路面各層反射波分界線在探地雷達圖上接近于水平線。高頻探地雷達法探測路面各層厚度的方法如下：

（1） 在雷達圖上識別出空氣層。通過時間截斷或者人工讀取連續截斷時間去除掉空氣耦合雷達測試時路面表面反算波前的信號。

（2） 基于圖像特征線、波速度估算，識別出各層界面的位置。在識別位置的特征線通過人工選點、自動相位識別方法標識出分界線，讀取分界線的聲時。通過聲時的相對變化計算出路面各層厚度的變化。各層厚度的絕對值需要通過取芯驗證來標定。

V=2h/ΔT（1）式中：V 為電磁波在瀝青混凝土中的傳播速度(m/ns)；h為瀝青混凝土厚度(m)；ΔT 為電磁波在標定厚度處的雙程歷時(ns)。

從圖2 可以看出路面內部分界線較為平緩，新建道路一般厚度的變異系數在0.1 以內，厚度的差異對路面反分析影響極其明顯，特別是路面表層受力較為集中時，對整體彎沉盆有明顯影響。

圖2 典型路面的高頻雷達測試結果

2.2 路基路面的建模抽象方法

路基的理論模型是半無限空間體采用彈性模量進行表征，路基彈性模量較小帶來的一個現象是在計算路表彎沉盆時，彎沉在遠離荷載作用點較遠時也仍舊會有相當的數值，這與設計的彎沉測試結果不吻合。貝克曼梁測試路面彎沉時，在貝克曼梁支撐點外地面的彎沉接近于零。造成理論彎沉盆歸零速度較慢的原因是路基假定較小模量與實際路基的復雜構造不吻合。

路基表面填土經過人工擾動，密實度小于原狀土，模量較小。路基原狀土因未擾動實際的模量較高。在承載板測試時主要是淺層的路基土體參與，見表1的兩個路面結構，彎沉盆見圖3。

圖3 “軟”“硬”路面結構彎沉盆對比

表1 路面結構參數

表1 中路基細分為2 層：路基表層和路基底層。在“軟”路面結構中路基底層的模量設定為200 MPa，“硬”路面結構中路基底面的模量設定為2 000 MPa。

圖3 中“軟”結構在彎沉盆的5 m 位置仍舊有較大的彎沉值，變形沒有收斂，而“硬”結構在2 m 之前就已經達到較小的沉降值。這也說明設定硬質下臥層可以實現理論彎沉盆與實測彎沉盆在距離荷載中心處的彎沉趨勢吻合。

3 項目案例概況

由于下穿地鐵隧道施工影響，廣州某快速路某區域出現嚴重不均勻沉降，需對該段道路進行道路結構狀況測試，以評估不均勻沉降發生的原因及對道路的影響。路面結構及參數見表2，典型的FWD 測試結果見表3。

表2 路面結構參數

表3 車道右一下行方向的FWD 測試結果

4 路基擾動區域識別

為識別道路結構的損傷，分析下穿地鐵與道路沉降之間的關系，開展對道路路面結構模量反算。首先對道路取芯，進行探地雷達測試，獲取路線范圍內道路各層厚度的情況，見圖4。

圖4 探地雷達測試厚度

建立道路簡化模型，設定道路各層模量的取值區間，基于彈性層狀體系理論編制程序，進行路面結構模量反算。典型的反算結果見表4。

從表4 可以看出序號4-6 的區域路基表層模量相對較小，較其余位置小一個數量級，反映出路基受到較為明顯的損傷。后期經過測量發現路基表層模量較小位置在地鐵施工區段的斜上方。

表4 車道右一下行方向的反算結果

5 結論

通過落錘式彎沉儀（FWD）測試路面結構彎沉盆機理，分析路面現有反分析方法，提出了改進的測試與分析方法，并通過工程實際案例驗證了該方法的可行性。主要結論如下：

（1） 路面建模時劃分的層次過多會導致彎沉盆反分析路面參數問題的不可解，出現未知量多余可聯立方程的情況。

（2） 將路基細分成為2 層，路基下層設置較大的模量可以避免理論彎沉盆在遠離荷載中心不收斂的反常現象。

（3） 采用探地雷達檢測路面各層厚度可以提高建模的準確度，通過取芯驗證標定確定各層厚度避免同一路段均采用設計厚度進行反分析引起的誤差。