FWD在道路施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用

谷 中

彎沉是反映路面結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo),因此,路面彎沉檢測(cè)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)一直在國(guó)際上得到廣泛重視。傳統(tǒng)的貝克曼梁已逐步被自動(dòng)彎沉儀、振動(dòng)式彎沉儀和落錘式彎沉儀(簡(jiǎn)稱(chēng)FWD)所取代[1]。特別是FWD具有無(wú)破損、測(cè)速快、精度高等優(yōu)點(diǎn),并很好地模擬了行車(chē)荷載作用,檢測(cè)結(jié)果為彎沉盆數(shù)據(jù),因此在國(guó)際上的應(yīng)用也日益廣泛。其應(yīng)用范圍主要是在路面養(yǎng)護(hù)管理方面,而在道路施工階段對(duì)彎沉指標(biāo)的檢測(cè),仍然采用傳統(tǒng)的設(shè)備——貝克曼梁[2]。由于路面結(jié)構(gòu)是多層體系,僅僅采用貝克曼梁所檢測(cè)的路面單點(diǎn)最大彎沉不能有效地反映路面各層的施工質(zhì)量,特別是在施工驗(yàn)收階段。

為此,我們可以通過(guò)應(yīng)用FWD檢測(cè)技術(shù)并結(jié)合相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)手段來(lái)研究路面及路基材料的動(dòng)態(tài)模量,為路面設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)參數(shù)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1 FWD簡(jiǎn)介

1.1 FWD基本原理

FWD的工作過(guò)程是通過(guò)落錘對(duì)路面施加沖擊荷載,荷載時(shí)程和路面的變形(動(dòng)態(tài)彎沉盆)均由相應(yīng)的傳感器測(cè)定,荷載大小由落錘質(zhì)量和起落高度控制。Dynatest FWD通常在距荷載中心1.8 m的范圍內(nèi)布置7個(gè)～9個(gè)速度傳感器,與承載板的距離分別為0 cm,20 cm,30 cm,45 cm,60 cm,90 cm,120 cm,150 cm,180 cm,故一次能測(cè)9個(gè)彎沉值。信息處理系統(tǒng)記錄荷載和路面變形的全部時(shí)程信息,整個(gè)操作過(guò)程均通過(guò)微機(jī)自動(dòng)控制。

1.2 FWD與貝克曼梁的對(duì)比

雖然FWD與貝克曼梁之間有諸多區(qū)別,但一般情況下,二者的檢測(cè)數(shù)據(jù)具有密切的線(xiàn)性相關(guān)性[3]:

其中,δBB,δFWD分別為貝克曼梁和FWD的檢測(cè)彎沉值;a,b均為線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)。

美國(guó)華盛頓州交通部材料試驗(yàn)室于1982年～1983年建立的相關(guān)關(guān)系為:

式(2)中對(duì)應(yīng)的荷載水平為40 kN,承載板直徑為30 cm,R2=0.86,n=713。

我國(guó)一些科研單位也曾對(duì)半剛性基層上的瀝青路面分別用FWD和BB彎沉儀進(jìn)行了彎沉測(cè)試,并進(jìn)行比較[4]。所得出的半剛性基層上瀝青路面FWD與BB的關(guān)系式與美國(guó)的關(guān)系式在形式上完全相同(線(xiàn)性關(guān)系),見(jiàn)表1。

表1 BB與FWD的線(xiàn)性相關(guān)分析結(jié)果

雖然不同路段、不同材料時(shí),二者的回歸公式、相關(guān)系數(shù)可能稍有區(qū)別,但二者密切相關(guān)這一性質(zhì)已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所普遍接受。但在使用上述的不同彎沉儀間相互換算關(guān)系時(shí),應(yīng)該注意的是建立這些換算關(guān)系的條件具有相對(duì)性,最好的方式應(yīng)該是針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)和所應(yīng)用的彎沉測(cè)定儀器獲得被測(cè)路面的相互換算關(guān)系。

2 路面結(jié)構(gòu)層模量直接估算

很多研究者嘗試?yán)@開(kāi)初始值選擇和反算結(jié)果唯一性這兩個(gè)問(wèn)題,直接利用路表彎沉盆及其衍生的參數(shù)組合來(lái)反映結(jié)構(gòu)層狀況,這些嘗試已經(jīng)取得初步成果。例如,加利福尼亞州的路面技術(shù)顧問(wèn)Richard N.Stubstad利用AASHTO設(shè)計(jì)規(guī)范中提到的彎沉盆參數(shù) AREA對(duì)膠結(jié)料結(jié)構(gòu)層有效勁度ES進(jìn)行預(yù)測(cè),并對(duì)Hossain和Yang建議用于估算水泥混凝土面板彈性模量EPCC的估算公式進(jìn)行了調(diào)查研究:

其中,AF為AREA因子;k1=11.037(當(dāng)上下相鄰兩層勁度相同時(shí)的AREA值);k2=3.262(AREA最大值為36/11.037);E0為承載板下整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的復(fù)合模量,MPa;k3為膠結(jié)料結(jié)構(gòu)層厚度與承載板直徑的比值,k3=h1/(2a)。

2005年美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)研究人員Kasthurirangan Gopalakrishnan利用FWD對(duì)國(guó)家機(jī)場(chǎng)路面足尺試驗(yàn)路數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),進(jìn)行了反算機(jī)場(chǎng)路面結(jié)構(gòu)層模量的研究。

在對(duì)基于ANN的機(jī)構(gòu)層模量反算結(jié)果與反算程序的結(jié)果比較顯示,ANN能夠成功地用來(lái)預(yù)測(cè)瀝青面層模量和非線(xiàn)性的土基回彈模量,但不能較好地預(yù)測(cè)基層和底基層彈性模量,且精度有待提高。隨著訓(xùn)練樣本數(shù)量的增加及其代表性的增強(qiáng),結(jié)構(gòu)層模量反算的精度將會(huì)有所提高。

2006年,Richard N.Stubstad等人在對(duì)其前期研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)AASHTO路面設(shè)計(jì)規(guī)范中建議使用 AREA估算剛性路面和柔性路面彈性模量的方法,經(jīng)過(guò)利用LTPP數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析后,認(rèn)為利用表征具有高剛度、大曲率半徑的剛性路面是非常合適的,但對(duì)于剛度較小、曲率半徑不大的剛性路面和柔性路面來(lái)說(shuō),由AREA來(lái)估算其彈性模量并不合適。因此,他提出了類(lèi)似于AREA的彎沉盆參數(shù)AREA12,并將其用于估算剛度較小,曲率半徑不大的剛性路面和柔性路面的彈性模量:

其中,AFPCC為AREA因子;D8為距離荷載中心8in(為203mm)位置處的路表彎沉值,μ m;E0為承載板下整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的復(fù)合模量,MPa;k5為最上層結(jié)構(gòu)層厚度與承載板直徑的比值,k5=h1/(2a)。

3 應(yīng)用FWD的結(jié)構(gòu)層應(yīng)力(應(yīng)變)反算

傳統(tǒng)的由路表彎沉盆曲線(xiàn)反演獲取路面結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)的努力集中于路面各結(jié)構(gòu)層模量預(yù)估,而多數(shù)的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用整體性結(jié)構(gòu)層底面拉應(yīng)力(拉應(yīng)變)和路基頂面壓應(yīng)變作為控制指標(biāo)。應(yīng)用FWD測(cè)定結(jié)果反演獲取路面結(jié)構(gòu)層模量組成,再由正算方法計(jì)算整體性結(jié)構(gòu)層底面拉應(yīng)力(拉應(yīng)變)和路基頂面壓應(yīng)變,以此來(lái)進(jìn)行施工質(zhì)量對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的符合性檢驗(yàn),此時(shí)由于目標(biāo)值成為二次預(yù)測(cè)結(jié)果,可能產(chǎn)生更大的誤差。放棄反算模量,直接預(yù)測(cè)整體性結(jié)構(gòu)層底面拉應(yīng)力(拉應(yīng)變)和路基頂面壓應(yīng)變,這對(duì)于設(shè)計(jì)的符合性檢驗(yàn)可能更為有效。

國(guó)外已有若干利用路表彎沉值和衍生的彎沉盆參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)路基路面體系結(jié)構(gòu)層應(yīng)力應(yīng)變分布的研究成果。1988年Jung建議使用FWD荷載板邊緣處的彎沉斜率來(lái)預(yù)測(cè)瀝青面層層底拉應(yīng)變。彎沉斜率是預(yù)先將彎沉取倒數(shù),然后將其代入多項(xiàng)式方程求得。瀝青面層層底拉應(yīng)變?chǔ)臿c可由曲率半徑R獲得。1989年,Thompson針對(duì)全厚式瀝青和粒料基層路面提出了一個(gè)表征瀝青面層層底拉應(yīng)變?chǔ)臿c的彎沉盆參數(shù)AUPP,并給出了其定義以及與εac之間的回歸關(guān)系:

全厚式瀝青路面:

粒料基層瀝青路面:

2000年,北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的Bing XU在其博士畢業(yè)論文中針對(duì)不同的路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型,利用有限元程序構(gòu)建了彎沉值與路面響應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù),經(jīng)過(guò)彎沉盆參數(shù)的敏感性分析后,分別建立了彎沉盆參數(shù)與結(jié)構(gòu)層彈性模量以及路面響應(yīng)之間的回歸方程:

對(duì)于全厚式瀝青路面:

logEac=-1.083 1×log(SCI)-2.621×logHac+0.048 2×logHabc+5.296 1;

logεac=0.998×log(BDI)+1.714 2;

logεsg=0.98×log(BDI)+2.146。

對(duì)于基層瀝青路面:

logEac=-1.143 5×log(SCI)-2.543 5×logHac+0.049 8×logHabc+5.200 5;

logεac=1.023×log(BDI)+1.722 7;

logεabc=0.995 8×log(BDI)+2.195 5;

logεsg=0.281 1×log(BDI)+0.678 8×log(BCI)-0.013 5×logHac-0.013 2×log Habc+2.208 3。

其中,Habc為基層厚度;εabc為基層層底拉應(yīng)變;εsg為土基頂面壓應(yīng)變。

4 結(jié)語(yǔ)

FWD與貝克曼梁相比具有很大的優(yōu)越性,同時(shí)二者又存在著良好的線(xiàn)性相關(guān)性。FWD彎沉檢測(cè)可以作為一種控制道路施工質(zhì)量的有效手段。利用FWD檢測(cè)彎沉盆數(shù)據(jù)來(lái)直接預(yù)測(cè)整體性結(jié)構(gòu)層底面拉應(yīng)力(拉應(yīng)變)和路基頂面壓應(yīng)變,這對(duì)于設(shè)計(jì)的符合性檢驗(yàn)可能更為有效。此外,FWD彎沉檢測(cè)具有無(wú)破損的特點(diǎn),不會(huì)破壞原有路面結(jié)構(gòu)而影響道路施工進(jìn)度;同時(shí),FWD測(cè)試速度快,可實(shí)現(xiàn)道路施工期間實(shí)時(shí)全線(xiàn)各層位跟蹤檢測(cè)。

[1] 武志芬.淺談瀝青路面檢測(cè)新技術(shù)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2006,9(18):147-148.

[2] JTG F80/1-2004,公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] THOLEM.O,THOMPSON.M.R.Comparison of Falling Weight Deflectometer with other Deflectometer Testing Devices[J].Transportation Research Record,1986(1007):78-91.

[4] 宋煥宇,何榮裕,馮建亞.路面彎沉檢測(cè)方法相關(guān)性的試驗(yàn)研究[J].鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,21(4):51-54.

[5] 張肖寧.瀝青路面施工質(zhì)量控制與保證[M].北京:人民交通出版社,2009.