路面彎沉盆測試技術(shù)分析

蘇鎮(zhèn)洪，李 達(dá)

（1.廣州市道路養(yǎng)護(hù)中心，廣東 廣州 510080；2.北京市道路工程質(zhì)量監(jiān)督站，北京 100076）

0 引言

彎沉這一名詞是道路工程中形容道路結(jié)構(gòu)層在荷載作用下發(fā)生變形的一種通俗說法，在路面力學(xué)中，它是指道路結(jié)構(gòu)層表面在荷載作用下的豎向位移值，通常用表示。由于彎沉這一指標(biāo)包含了一定的強(qiáng)度信息，從某種程度上能反映出道路結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度，所以在各國的道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中幾乎都能看到，其中我國《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2006）中就是以彎沉為設(shè)計(jì)指標(biāo)的。正是因?yàn)閺澇吝@一指標(biāo)具有舉足輕重的地位，所以自從1953年貝克曼發(fā)明梁式彎沉儀以來，彎沉檢測技術(shù)的研究一直受到國際社會(huì)的廣泛重視。至今，彎沉檢測設(shè)備已經(jīng)從靜力彎沉檢測發(fā)展到模擬行車荷載作用的動(dòng)力彎沉檢測階段，從單點(diǎn)彎沉檢測發(fā)展到彎沉盆的測試。

1 路面彎沉盆測試的提出

我國柔性路面設(shè)計(jì)則是以該彎沉值作為控制指標(biāo)。當(dāng)前，在利用貝克曼梁中心彎沉進(jìn)行道路結(jié)構(gòu)質(zhì)量的評(píng)價(jià)上，國內(nèi)外都積累了較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)用表面彎沉作為承載力評(píng)估的指標(biāo)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵谝巴馊菀诇y量，也不需要額外的計(jì)算分析。然而從目前的研究來看，這一傳統(tǒng)的彎沉評(píng)價(jià)方法存在明顯的缺陷。這是因?yàn)槁访孀鳛橐粋€(gè)多層粘彈性結(jié)構(gòu)體系，路面的破壞往往是由于過度的應(yīng)力和應(yīng)變引起的，而并不都是由于過大的彎沉造成的，因此僅用單點(diǎn)彎沉來評(píng)價(jià)路面承載力是不充分的。

路面結(jié)構(gòu)承載力的定義為：路面結(jié)構(gòu)在達(dá)到不能接受的結(jié)構(gòu)性破壞或功能性破壞之前，所能承受的一定類型車輛的通過次數(shù)。一般認(rèn)為，瀝青路面開裂造成的結(jié)構(gòu)性破壞主要與面層材料中的最大拉應(yīng)力或最大拉應(yīng)變有關(guān)，路面出現(xiàn)車轍或平整度降低造成的功能性破壞主要與基層或路基散粒體材料中的最大壓應(yīng)力或最大壓應(yīng)變有關(guān)。國際瀝青路面協(xié)會(huì)1989年頒發(fā)的《瀝青路面評(píng)價(jià)和罩面設(shè)計(jì)指南》推薦的瀝青路面承載能力計(jì)算公式為：

對(duì)瀝青面層：

對(duì)散粒體材料（基層及路基）：

式中：N——路面承載力，標(biāo)準(zhǔn)軸載下的容許累計(jì)當(dāng)量次數(shù)；

εt——瀝青面層的最大拉應(yīng)變，mm/mm×10-6；

Eac——瀝青面層的彈性模量，MPa；

σv——基層或路基的最大壓應(yīng)力，MPa；

Eu——相應(yīng)基層或路基的彈性模量，MPa。

其中，Eu＜160MPa時(shí)，b＝-1.16，其他b＝-1.0，N取各層中的最小值。

根據(jù)上述承載力計(jì)算公式，通過數(shù)值計(jì)算可以說明路面結(jié)構(gòu)層的承載能力與各結(jié)構(gòu)層的彈性模量及厚度等因素關(guān)系密切，而與路面整體彎沉并不存在簡單的關(guān)系，即不同的結(jié)構(gòu)層模量、厚度組合可以得到相同的最大彎沉，而其承載能力卻大相徑庭，致使BB檢測的彎沉值不能直接反映路面實(shí)際的承載能力。

設(shè)有11種不同的三層柔性路面結(jié)構(gòu)，其中基本結(jié)構(gòu)為：H1＝12cm，E1=3000MPa，H2＝30cm，E2＝500MPa，E3=60MPa，μ3＝0.35，其余10種路面依次改變這6個(gè)參數(shù)中的一個(gè)。路面的彎沉、應(yīng)力、應(yīng)變用自編程序計(jì)算，荷載為BZZ－100，相應(yīng)的輪胎壓強(qiáng)707kPa，雙圓均布荷載的半徑a＝106mm。對(duì)于每個(gè)路面結(jié)構(gòu)，計(jì)算出相應(yīng)于貝克曼梁情況下的彎沉，同時(shí)計(jì)算出瀝青混凝土面層的最大拉應(yīng)變和基層、路基中的最大壓應(yīng)力，然后應(yīng)用上述國際瀝青路面協(xié)會(huì)建議的公式計(jì)算路面承載能力，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 承載力計(jì)算表

表1（續(xù)表）

圖1 貝克曼梁單點(diǎn)彎沉與承載力關(guān)系圖

從圖1可以看出，路面承載能力并不與貝克曼梁彎沉存在簡單的關(guān)系[3]，相近的路表中心彎沉承載力卻相差很大，幾倍甚至幾十倍；同樣，承載力相近的中心彎沉卻相差很大。可見貝克曼梁所測得的路表單點(diǎn)彎沉并不能較好地反映路面結(jié)構(gòu)實(shí)際的承載能力，用它來進(jìn)行路面補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)或養(yǎng)護(hù)決策具有明顯的不合理性。由此，為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)的承載能力，就需要利用路面彎沉數(shù)據(jù)，確定路面各結(jié)構(gòu)層的模量，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，從而評(píng)價(jià)其承載能力的全新思路被提出，多年來，關(guān)于這個(gè)領(lǐng)域的科研工作一直很受關(guān)注，也取得了很多成果。由于路面結(jié)構(gòu)層為多層彈性體系，從數(shù)學(xué)角度講，求解回彈模量的層數(shù)應(yīng)與實(shí)測彎沉點(diǎn)數(shù)相當(dāng)，因此路面彎沉盆測試需求被提出。隨著科技進(jìn)步，路面彎沉盆測試技術(shù)已取得長足發(fā)展。

2 落錘式彎沉儀（FWD）彎沉盆測試技術(shù)

路面結(jié)構(gòu)承載能力的評(píng)價(jià)一直受到彎沉檢測手段的限制，即無法得到彎沉盆信息，或者說彎沉盆測試效率極低。而落錘式彎沉儀的出現(xiàn)，不僅提高了彎沉測試效率，減小了測試過程的人為影響，還為彎沉盆采集提供可能。其安裝在縱向上不同位置的豎向位移傳感器，可以同時(shí)測量出脈沖荷載作用下路面的變形過程，從而描繪出路面結(jié)構(gòu)層的彎沉盆，這與彈性層狀體系所定義的彎沉盆是完全一致的。落錘式彎沉儀（FWD）通過計(jì)算機(jī)控制，將液壓升降架放下，測架隨之落到路面，操縱按鈕，使液壓架上的電磁鐵，與測架脫鉤，升起液壓架，此時(shí)彎沉傳感器處于待測狀態(tài)，通過重錘從一定高度自由落下，作用于經(jīng)彈簧和橡膠墊緩沖的承載板上，對(duì)路表施加一沖擊荷載，并利用沿荷載軸線間隔布置的傳感器量測路表的彎沉曲線（如圖2所示）。它可分成單重錘式和雙重錘式兩類，其中單重錘式FWD通過一個(gè)重錘自由下落而直接作用于載荷板上產(chǎn)生沖擊荷載；雙重錘式FWD通過一個(gè)自由下落的重錘和一個(gè)牽引重錘的共同下落而在載荷板上產(chǎn)生沖擊荷載[1]。

圖2 FWD示意圖

FWD單次測試即可同時(shí)將沖擊荷載變化情況，以及縱向距離的不同位置的變形情況準(zhǔn)確記錄下來，包含著豐富的路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度信息。其測試數(shù)據(jù)如圖3所示。其中，曲線1為沖擊荷載隨時(shí)間變化曲線，其他曲線為距離荷載中心不同位置處傳感器記錄的變形曲線（即彎沉），此圖可以看出荷載位移的相位差（變形延遲）、路面結(jié)構(gòu)的殘余變形等眾多反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的信息。

圖3 沖擊荷載變化圖

3 自動(dòng)彎沉儀彎沉盆測試技術(shù)

自動(dòng)彎沉儀的工作原理與貝克曼梁的工作原理是相同的，即都是利用杠桿原理，通過杠桿的位移來測量路面的變形。在實(shí)際測試過程中，測試架放置在路面上，測試架前三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)面，測量臂杠桿的支點(diǎn)在這個(gè)基準(zhǔn)面上。激光傳感器也安裝在這個(gè)基準(zhǔn)面上。當(dāng)檢測車后輪向前行駛測試車后輪逐漸接近測試點(diǎn)時(shí)，測試點(diǎn)所在的路面承受的垂直荷載逐漸增大，當(dāng)測點(diǎn)受荷載時(shí)地面下沉，通過杠桿支點(diǎn)10∶1的關(guān)系，位移傳感器可以讀出測點(diǎn)處相應(yīng)的下沉量。自動(dòng)彎沉儀是利用測臂的杠桿作用，其測臂端頭的位移變化由高精度差動(dòng)位移傳感器（LVDT）檢測出來，這樣通過儀器的數(shù)據(jù)采集與處理不僅可以測出被測點(diǎn)的最大彎沉值，而且對(duì)被測點(diǎn)處從小到大的整個(gè)彎沉變化過程（簡稱“彎沉盆曲線”）全部記錄下來，供對(duì)路面的進(jìn)一步詳細(xì)研究分析使用。

從自動(dòng)彎沉儀的測試原理上看，其與落錘式彎沉儀有著明顯區(qū)別。主要表現(xiàn)在：

a）落錘式彎沉儀采用了脈沖荷載，較好地模擬了車輛高速行駛中對(duì)路面的沖擊作用，而自動(dòng)彎沉儀采用了低速行駛的輪載，即雙圓均布荷載，但它與我國柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)圖示一致；

b）落錘式彎沉儀采集了加載、卸載全過程的路面變形的情況，可以很容易得到路面回彈彎沉，而自動(dòng)彎沉儀只采集了加載（或卸載）過程的路面變形情況，即總彎沉；

c）落錘式彎沉儀采集彎沉盆數(shù)據(jù)的方式與我國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)模型一致，而自動(dòng)彎沉儀則不一樣（如圖4所示）。

圖4 落錘式彎沉儀彎沉盆分布圖

由圖4可以看出，在我國柔性路面設(shè)計(jì)理論-彈性層狀體系理論的假設(shè)條件下，不考慮殘余變形時(shí)，上圖所示兩種彎沉盆從力學(xué)角度上講是可以等效轉(zhuǎn)換的。而且，從應(yīng)用于模量反算的角度看，用不同于設(shè)計(jì)理論的測試原理（主要為荷載分布方式）得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反算，和在一定假設(shè)條件下，利用與理論模型相同測試原理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反算，同時(shí)都有不盡人意之處，但后者克服了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)理論模型的不符的矛盾[2]。因此，在利用靜態(tài)自動(dòng)彎沉檢測設(shè)備采集的路面彎沉盆信息，反演路面結(jié)構(gòu)層模量方面開展系統(tǒng)研究，從短期分析，是一條全新的思路，從長遠(yuǎn)分析，能夠彌補(bǔ)我國采用彎沉峰值評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)層承載能力的缺陷，同樣具有很廣闊的應(yīng)用前景。

4 高速（滾動(dòng)式）激光彎沉儀彎沉盆測試技術(shù)

無論是自動(dòng)彎沉儀，還是落錘式彎沉儀，其彎沉盆采集效率均較為低下，一般在6km/h以下。落錘式彎沉每次測試還需要停留2～4min，不僅嚴(yán)重威脅交通安全，也不適應(yīng)大范圍的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度普查。為此，丹麥公路局與格林伍德工程A/S公司開發(fā)了一套適合于測量路面的承載能力原型裝置。該項(xiàng)目的總體目標(biāo)是開發(fā)一套測試裝置，它利用先進(jìn)的激光技術(shù)能夠監(jiān)測路面承載力而不影響正常的高速交通[4]。目前，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，這就是高速彎沉測試儀（HSD），這是目前世界上最先進(jìn)、最高效的彎沉盆測試技術(shù)。

高速彎沉測量原理主要以高級(jí)的激光技術(shù)和Greenwood Engineering A/S為基礎(chǔ)。用兩個(gè)特殊的激光器應(yīng)用多普勒原理來測量，載重汽車高速行駛所致的路面變形運(yùn)動(dòng)速度。有載荷部位傳感器與無載荷部位的傳感器的測量結(jié)果的差別就反映了路面的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。利用激光多普勒傳感器發(fā)出并且接受激光，測量出在某個(gè)行駛速度下反射激光的頻率變化，從而記錄下路面的彎沉速度，再通過一定的數(shù)學(xué)變換，推演出路面彎沉量[5，6]。高速彎沉儀是以測量彎沉速度為基礎(chǔ)的，而不是測量絕對(duì)的彎沉量。這種方法很好地適用于高速行駛時(shí)的彎沉測量，一般可達(dá)80km/h，這大大提高了彎沉測試的效率。

由于每個(gè)多普勒激光傳感器只能提供一個(gè)給定位置的彎沉信息，所以要實(shí)現(xiàn)彎沉盆測量，需要在每個(gè)需要的測量點(diǎn)安裝一個(gè)傳感器。如系統(tǒng)共安裝了4個(gè)多普勒傳感器，其中有3個(gè)分別安裝在距車輪中心100mm、200mm和300mm處，分別測彎沉盆中三個(gè)采集點(diǎn)的彎沉速度。然后通過采集到的三個(gè)彎沉速度反演出彎沉盆。

5 結(jié)論

科學(xué)、準(zhǔn)確、高效的彎沉盆測試技術(shù)是路面承載能力評(píng)價(jià)的前提和基礎(chǔ)。通過本文的論述，可以得出以下結(jié)論。

5.1 隨著社會(huì)質(zhì)量意識(shí)的提高，人們對(duì)路面技術(shù)狀況的掌握提出了新需求。利用單點(diǎn)彎沉評(píng)價(jià)路面承載能力，固然有其簡單、方便的優(yōu)點(diǎn)，但由于其存在明顯缺陷，勢必會(huì)背基于彎沉盆的路面承載能力評(píng)價(jià)所逐漸取代。

5.2 基于落錘式彎沉儀（FWD）彎沉盆數(shù)據(jù)的模量反算研究成果較多，但在我國應(yīng)用情況十分有限。主要原因一是它與我國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論存在差異，二是其彎沉盆測試效率較低，仍不能適應(yīng)我國對(duì)路面承載力評(píng)價(jià)的需求。

5.3 自動(dòng)彎沉儀的彎沉盆數(shù)據(jù)雖與力學(xué)理論的定義有所區(qū)別，但是其荷載模型卻是一致的。在利用靜態(tài)自動(dòng)彎沉檢測設(shè)備采集的路面彎沉盆信息，反演路面結(jié)構(gòu)層模量方面開展研究，是很有意義的探索，而且從長遠(yuǎn)來看，能夠彌補(bǔ)我國采用彎沉峰值評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)層承載能力的缺陷，同樣具有很廣闊的應(yīng)用前景。

5.4 路面彎沉盆測試技術(shù)由低速接觸方式，向高速非接觸方式發(fā)展，固然可以帶來彎沉檢測革命性的進(jìn)步。但無論其技術(shù)本身，還是在我國大范圍應(yīng)用，仍需要解決很多問題。尤其是變形速度與變形量的關(guān)系如何與我國柔性路面結(jié)構(gòu)匹配，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

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