瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值的溫度修正方法研究

宋小金，曾夢(mèng)瀾，王　林

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.山東省交通科學(xué)研究所，山東 濟(jì)南 250031；3.湖南中大建設(shè)工程檢測(cè)技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

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瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值的溫度修正方法研究

宋小金1,3，曾夢(mèng)瀾1，王林2

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.山東省交通科學(xué)研究所，山東 濟(jì)南 250031；3.湖南中大建設(shè)工程檢測(cè)技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

通過現(xiàn)場(chǎng)落錘式彎沉儀(FWD)試驗(yàn)，探討了瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值溫度修正方法。試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)果分析顯示：JTG D50—2006規(guī)范與JTG E60—2008規(guī)程針對(duì)瀝青路面靜態(tài)回彈彎沉給出的溫度修正系數(shù)K值確定方法預(yù)測(cè)結(jié)果并不相同，尤其是溫度較低時(shí)。應(yīng)用于瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值的溫度修正時(shí)，JTG D50—2006方法精度低，JTG E60—2008方法缺乏解析公式且層厚有限，均不能滿足要求?；贔WD試驗(yàn)結(jié)果，提出了瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值溫度修正系數(shù)K值的數(shù)學(xué)表達(dá)式。表達(dá)式預(yù)測(cè)的K與實(shí)測(cè)值一致性良好，且表達(dá)式中各參數(shù)意義明確。

道路工程；瀝青路面；動(dòng)態(tài)彎沉；落錘式彎沉儀；溫度修正

0　引言

瀝青路面的彎沉是在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，路面給定點(diǎn)的垂直變形。彎沉值反映了路面承受荷載的能力，彎沉值越小路面承受荷載的能力愈強(qiáng)，是現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2006)[1]路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要指標(biāo)。瀝青路面實(shí)際彎沉值的測(cè)量分靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種方法。目前，路面彎沉值主要采用杠桿式彎沉儀和具有標(biāo)準(zhǔn)軸載汽車按前進(jìn)卸荷法測(cè)定路面的回彈變形，即《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60—2008)[2]中“T0951—2008貝克曼梁測(cè)定路基路面回彈彎沉試驗(yàn)方法”，屬靜態(tài)方法。另一種常用路面彎沉值采用落錘式彎沉儀(Falling Weight Deflectometer,FWD)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量重錘下落一定高度產(chǎn)生的沖擊荷載作用測(cè)定路面的瞬時(shí)變形，屬動(dòng)態(tài)方法。FWD方法測(cè)定路面彎沉具有無破損、測(cè)速快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并很好地模擬了行車荷載作用，在國(guó)際上的應(yīng)用日益廣泛[3-4]。

由于瀝青是感溫性材料，瀝青路面整體剛度會(huì)隨溫度變化而變化，溫度越低路面整體剛度越大。瀝青路面的彎沉測(cè)定以瀝青面層平均溫度20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)與面層厚大于5 cm的瀝青路面，彎沉值應(yīng)予溫度修正[1-2]。對(duì)于靜態(tài)方法，JTG D50—2006規(guī)范與JTG E60—2008規(guī)程分別給出了不同的瀝青路面彎沉值溫度修正方法。但是，對(duì)于動(dòng)態(tài)方法，瀝青路面彎沉值溫度修正還沒有一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。由于路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)力傳遞是通過材料相鄰的顆粒來完成的，動(dòng)力荷載應(yīng)力因出現(xiàn)時(shí)間短而來不及傳遞分布，導(dǎo)致路面變形量減小、路面結(jié)構(gòu)剛度提高，瀝青路面在動(dòng)力與靜力荷載作用下的這種行為差異對(duì)彎沉值的溫度修正有何影響還不清楚。本文擬通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的FWD試驗(yàn)，檢驗(yàn)JTG D50—2006規(guī)范及JTG E60—2008規(guī)程方法的適用性，探討瀝青路面實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)彎沉值溫度修正方法。

1　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在山東省濱大(濱州至大高)高速公路試驗(yàn)路實(shí)施，試驗(yàn)路共4種瀝青路面結(jié)構(gòu)，包括2種全厚式瀝青路面(結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2)，1種山東省高速公路推薦的永久性瀝青路面(結(jié)構(gòu)3)，1種國(guó)內(nèi)較為常用的半剛性瀝青路面(結(jié)構(gòu)4)[5]。瀝青面層厚度在15～33.5 cm之間，分別為結(jié)構(gòu)1的 33.5 cm、結(jié)構(gòu)2的21.5 cm、結(jié)構(gòu)3的18 cm、結(jié)構(gòu)4的15 cm。表1為FWD試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)，其中LSPM(Large Stone Porous Asphalt Mixture)為大粒徑透水性瀝青混合料。

試驗(yàn)采用Dynatest 8000型FWD，承載板直徑為30 cm，荷載的大小通過提升落錘高度進(jìn)行調(diào)整。FWD試驗(yàn)按照J(rèn)TG E60中“T0953—2008落錘式彎沉儀測(cè)定彎沉試驗(yàn)方法”進(jìn)行，重錘質(zhì)量(200 ±10) kg，可產(chǎn)生(50±2.5) kN的沖擊荷載。 FWD測(cè)定的彎沉可以用來反算路基路面材料的模量作為設(shè)計(jì)參數(shù)，也可以經(jīng)轉(zhuǎn)換為回彈模量用于評(píng)定道路的承載能力，還可以用于調(diào)查水泥混凝土路面接縫的傳力效果與板下的支撐情況。路面溫度采用溫度傳感器測(cè)定，各結(jié)構(gòu)內(nèi)沿瀝青層深度布設(shè)有4個(gè)溫度傳感器，隨時(shí)可進(jìn)行溫度采集，各結(jié)構(gòu)溫度測(cè)點(diǎn)到路表面的距離見表2。由于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層對(duì)路面彎沉值的溫度修正影響很小[6]，本文只對(duì)感溫性瀝青結(jié)構(gòu)層溫度變化對(duì)路面彎沉值的影響進(jìn)行分析。溫度是本文研究的主要變量，為使溫度變化范圍盡可能大，F(xiàn)WD試驗(yàn)在不同季節(jié)多次進(jìn)行，同時(shí)記錄了路面瀝青層不同深度的溫度值[7-9]。

表1　FWD試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)

表2　溫度傳感器到路表距離(單位：cm)

我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以20 ℃為測(cè)定瀝青路面彎沉值的標(biāo)準(zhǔn)溫度，且當(dāng)瀝青面層厚度小于或等于5 cm或路面溫度在(20±2)℃范圍內(nèi)時(shí)不需對(duì)彎沉進(jìn)行溫度修正[1-2]。借用靜態(tài)的方法，用無量綱的溫度修正系數(shù)K表示溫度對(duì)瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉的影響，定義為式(1)。

(1)

式中，l20為換算為標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃時(shí)瀝青路面的動(dòng)態(tài)彎沉值；lT為瀝青面層內(nèi)平均溫度為T時(shí)的動(dòng)態(tài)彎沉值。隨溫度的升高，瀝青材料的勁度降低，路面彎沉值升高，因而溫度修正系數(shù)K降低，T=20 ℃時(shí)K=1。各結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)彎沉值l20根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合得到，平均溫度T的計(jì)算借用靜態(tài)的方法，采用式(2)。

(2)

式中，T25為路表下25 mm處的溫度;Tm為瀝青面層中間深度的溫度;Te為瀝青面層底面處的溫度。當(dāng)特定深度沒有溫度的直接測(cè)試值時(shí)，通過其他深度實(shí)測(cè)值內(nèi)插確定。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到各瀝青路面結(jié)構(gòu)FWD動(dòng)態(tài)彎沉修正系數(shù)K數(shù)據(jù)13～16點(diǎn)，平均溫度涵蓋-1.5～42.3 ℃。

2　JTG D50—2006規(guī)范方法檢驗(yàn)

JTG D50—2006規(guī)范針對(duì)貝克曼梁測(cè)定的瀝青路面靜態(tài)回彈彎沉，推薦了溫度修正系數(shù)K的計(jì)算公式，如式(3)、式(4)。

(3)

及

(4)

式中h為瀝青層厚度。

圖1　實(shí)測(cè)及JTG D50—2006規(guī)范方法溫度修正系數(shù)KFig.1　Measured K values and predicted K values using JTG D50—2006 method

JTG D50—2006規(guī)范瀝青面層平均溫度采用較為粗略的方法估計(jì)，由于已有更為精確的傳感器實(shí)測(cè)溫度，本文采用實(shí)測(cè)溫度并通過式(2)計(jì)算，確定瀝青面層平均溫度[10-11]。圖1為實(shí)測(cè)及JTG D50—2006規(guī)范方法計(jì)算得到的路面溫度與彎沉修正系數(shù)K的關(guān)系。由圖可見，當(dāng)溫度T大于20 ℃時(shí)，式(4)預(yù)測(cè)的溫度修正系數(shù)K精度尚可；但當(dāng)溫度T小于20 ℃ 時(shí)，式(4)預(yù)測(cè)的溫度修正系數(shù)K逐漸偏離實(shí)測(cè)值且不合理地趨于無窮大。表3所示為實(shí)測(cè)與不同預(yù)測(cè)方法溫度系數(shù)K相關(guān)分析結(jié)果，其中各結(jié)構(gòu)JTG D50—2006規(guī)范方法的Pearson乘積矩相關(guān)系數(shù)的平方R2均不高，全部結(jié)構(gòu)僅0.672 1。

表3　實(shí)測(cè)與不同預(yù)測(cè)方法溫度系數(shù)K相關(guān)分析結(jié)果

3　JTG E60—2008規(guī)程方法檢驗(yàn)

JTG E60—2008規(guī)程同樣針對(duì)貝克曼梁測(cè)定的瀝青路面靜態(tài)回彈彎沉，以圖表的形式推薦了溫度修正系數(shù)K的確定方法。圖表分兩部分，一部分適用于粒料基層及瀝青穩(wěn)定基層，另一部分適用于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定半剛性基層，瀝青層厚度適用范圍5～30 cm。

同樣地，本文采用實(shí)測(cè)溫度并通過式(2)計(jì)算，確定瀝青面層平均溫度。圖2為實(shí)測(cè)及JTG E60—2008規(guī)程方法計(jì)算得到的路面溫度與彎沉修正系數(shù)K的關(guān)系。由圖可見，在實(shí)測(cè)溫度范圍內(nèi)，JTG E60—2008規(guī)程方法預(yù)測(cè)的溫度修正系數(shù)K與實(shí)測(cè)值一致性良好。表3中各結(jié)構(gòu)JTG E60—2008規(guī)程方法的相關(guān)系數(shù)的平方R2均較高，全部結(jié)構(gòu)為0.882 0，高于JTG D50—2006規(guī)范方法。

圖2　實(shí)測(cè)及JTG E60—2008規(guī)程方法溫度修正系數(shù)KFig.2　Measured K values and predicted K values using JTG E60—2008 method

4　動(dòng)態(tài)彎沉值的溫度修正

針對(duì)貝克曼梁測(cè)定的瀝青路面靜態(tài)回彈彎沉，JTG D50—2006規(guī)范與JTG E60—2008規(guī)程分別給出了不同的溫度修正系數(shù)K值確定方法。這兩個(gè)規(guī)范與規(guī)程分別說明可以采用任一方法，但結(jié)果并不相同，尤其是溫度較低時(shí)差別較大。JTG D50—2006規(guī)范方法的主要優(yōu)點(diǎn)是有公式表達(dá)，缺點(diǎn)是精度低，不能滿足瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值溫度修正的要求。JTG E60—2008規(guī)程方法的主要優(yōu)點(diǎn)是精度較高，可以滿足瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值溫度修正的要求；缺點(diǎn)是缺乏公式表達(dá)且瀝青層厚度最大30 cm，不能滿足實(shí)際檢測(cè)工作的要求，也不能適應(yīng)瀝青面層逐漸增厚的趨勢(shì)。鑒于JTG D50—2006規(guī)范與JTG E60—2008規(guī)程兩種方法均有重要缺點(diǎn)，有必要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)探討適用于瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值的溫度修正方法。

對(duì)圖2、圖3的觀察顯示，受多種因素影響，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到各瀝青路面結(jié)構(gòu)FWD動(dòng)態(tài)彎沉修正系數(shù)K數(shù)據(jù)有一定程度的離散，不能準(zhǔn)確分辨瀝青面層厚度與基層類型的影響。為此，動(dòng)態(tài)彎沉值溫度修正系數(shù)全部數(shù)據(jù)宜統(tǒng)一擬合，可表達(dá)為式(5)。

(5)

式中，a=0.011，為調(diào)整參數(shù)，無量綱；b=-0.032 5，為幅度參數(shù)，1/℃；T1=-6.85 ℃，T2=54.77 ℃，為位置參數(shù)，R1=19.37 ℃，R2=3.48 ℃，為曲率參數(shù)。式(4)滿足K(T=20 ℃)=1，同時(shí)具有兩條水平漸近線：一條為K(T→+∞)=a，另一條為K(T→-∞)=a+b(T1-T2)，分別反映了瀝青混合料勁度模量在高溫與低溫下趨于常量的事實(shí)[12]。參數(shù)T1,T2分別表示溫度與修正系數(shù)關(guān)系曲線兩個(gè)拐點(diǎn)的位置，參數(shù)R1，R2分別表示兩個(gè)拐點(diǎn)的曲率。圖3為實(shí)測(cè)及本文式(5)建議的方法計(jì)算得到的路面溫度與彎沉修正系數(shù)K的關(guān)系。由圖可見，在實(shí)測(cè)溫度范圍內(nèi)，建議方法預(yù)測(cè)的溫度修正系數(shù)K與實(shí)測(cè)值一致性良好。表2中各結(jié)構(gòu)建議方法的相關(guān)系數(shù)的平方R2均較高，全部結(jié)構(gòu)達(dá)到0.917 5，高于JTG E60—2008規(guī)程方法。

圖3　實(shí)測(cè)及建議方法溫度修正系數(shù)KFig.3　Measured K values and K values using proposed method

應(yīng)當(dāng)說明的是，式(5)代表了本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的某種平均，僅僅是完整的瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值溫度修正方法構(gòu)建過程的一步。進(jìn)一步的研究需要考慮瀝青面層厚度的影響，還需考慮不同瀝青材料感溫特性差異的影響，再進(jìn)一步地研究需要考慮瀝青面層下結(jié)構(gòu)層頂面當(dāng)量模量的影響。(JTG E60—2008方法中基層的分類事實(shí)就是區(qū)分頂面當(dāng)量模量的大小，只是過于粗略和近似。)屆時(shí)，式(5)中6個(gè)獨(dú)立參數(shù)a，b，T1，T2，R1，R2中的幾個(gè)，將是瀝青面層厚度及頂面當(dāng)量模量的函數(shù)。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的局限性，預(yù)期后續(xù)的研究過程中理論分析將成為主要手段。

5　結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)FWD試驗(yàn)結(jié)果與分析顯示：

(1)針對(duì)貝克曼梁測(cè)定的瀝青路面靜態(tài)回彈彎沉，JTG D50—2006規(guī)范與JTG E60—2008規(guī)程分別給出了不同的溫度修正系數(shù)K值確定方法。這兩個(gè)規(guī)范與規(guī)程分別說明可以采用任一方法，但結(jié)果并不相同，尤其是溫度較低時(shí)差別較大。

(2)JTG D50—2006規(guī)范方法的主要優(yōu)點(diǎn)是有公式表達(dá)，缺點(diǎn)是精度低，不能滿足瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值溫度修正的要求。JTG E60—2008規(guī)程方法的主要優(yōu)點(diǎn)是精度較高，可以滿足瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值溫度修正的要求；缺點(diǎn)是缺乏解析公式且瀝青層厚度最大30 cm，不能滿足實(shí)際檢測(cè)工作的要求，也不能適應(yīng)瀝青面層逐漸增厚的趨勢(shì)。

(3)基于FWD試驗(yàn)結(jié)果，提出了瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉值溫度修正系數(shù)K值的數(shù)學(xué)表達(dá)，提出的方法優(yōu)于JTG D50—2006規(guī)范方法和JTG E60—2008規(guī)程方法，預(yù)測(cè)的K值與實(shí)測(cè)值一致性良好。表達(dá)式中各參數(shù)意義明確，為進(jìn)一步的研究預(yù)留了空間，奠定了基礎(chǔ)。

[1]JTG D50—2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

JTG D50—2006，Specifications for Design of Highway Asphalt Pavement[S].

[2]JTG E60—2008，公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程[S].

JTG E60—2008，F(xiàn)ield Test Methods of Subgrade and Pavement for Highway Engineering[S].

[3]鄭元?jiǎng)?，熊曉莉，黃靜卿.FWD作用下瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉數(shù)值分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2012，44(2)：120-124.

ZHENG Yuan-xun,XIONG Xiao-li,HUANG Jing-qing.Numerical Study of Dynamic Deflection of Asphalt Pavement under FWD[J].Journal of Zhengzhou University：Natural Science Edition，2012，44(2)：120-124.

[4]康海貴，鄭元?jiǎng)?，蔡迎春，?基于FWD的瀝青路面彎沉及其反算模量的溫度修正[J].中外公路，2007，27(6)：43-46.

KANG Hai-gui，ZHENG Yuan-xun，CAI Ying-chun，et al.Temperature Correction of Deflection and Backcalculation Modulus of Asphalt Pavement Based on FWD[J].Journal of China &Foreign Highway，2007，27(6)：43-46.

[5]楊永順，王林，高雪池，等.永久性瀝青路面設(shè)計(jì)方法研究[R].濟(jì)南：山東省交通運(yùn)輸廳公路局，2008.

YANG Yong-shun，WANG Lin，GAO Xue-chi，et al.Research on Perpetual Pavement Design Method[R].Jinan：Highway Bureau of Shandong Provincial Transport Department，2008.

[6]徐發(fā)瓊，高軍會(huì).半剛性基層瀝青路面彎沉溫度修正系數(shù)K值研究[J].中外公路，2011，31(5)：63-67.XU Fa-qiong，GAO Jun-hui.Study on Temperature Correction Coefficient of Deflection of Semi-rigid Base Asphalt Pavement[J].Journal of China &Foreign Highway，2011，31(5)：63-67.

[7]韓子?xùn)|.道路結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2002.

HAN Zi-dong.Study on Temperature Field of Road Structure[D].Xi’an：Chang’an University，2002.

[8]LYTTON R L.An Integrated Model of the Climatic Effects on Pavements[R].Texas：Texas Transportation Institute，Texas A &M University，1990.

[9]TIMM D H，NEWCOMB D E.Perpetual Pavement Design for Flexible Pavements in the US[J].International Journal of Pavement Engineering，2006，7(2)：111-119.

[10]康海貴，鄭元?jiǎng)?，蔡迎春，?實(shí)測(cè)瀝青路面溫度場(chǎng)分布規(guī)律的回歸分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2007，20(6)：13-18.

KANG Hai-gui，ZHENG Yuan-xun，CAI Ying-chun，et al.Regression Analysis of Actual Measurement of Temperature Field Distribution Rules of Asphalt Pavement[J].China Journal of Highway and Transport，2007，20(6)：13-18.

[11]吳贛昌.層狀路面體系溫度場(chǎng)分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1992，5(4)：17-25.

WU Gan-chang.Analysis of Temperature Field of Multi-layer Pavement System[J].China Journal of Highway and Transport，1992，5(4)：17-25.

[12]ZENG M，HUANG S C.Characterizing the Asphalt-aggregate Mixtures using Rheological Properties of Asphalt Binders[J].Journal of Testing and Evaluation，2006，34(6)：471-476.

A Method of Temperature Correction for Asphalt Pavement Dynamic Deflection

SONG Xiao-jin1,3,ZENG Meng-lan1,WANG Lin2

(1.School of Civil Engineering,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China;2.Shandong Communications Science Research Institute,Jinan Shandong 250031,China;3.Hunan Zhongda Construction Engineering Testing Technology Co.,Ltd.,Changsha Hunan 410205,China)

The in-situ FWD tests are carried out to develop a method of temperature correction for asphalt pavement dynamic deflection.The test result and analysis indicates that (1) the methods of asphalt pavement static resilient deflection in JTG D50—2006 and JTG E60—2008 specifications give different predictions of temperature correction coefficientK,particularly at low temperatures;(2) in application to temperature correction of asphalt pavement dynamic deflection,the JTG D50—2006 method has low precision,and the JTG E60—2008 method has no analytical formulation and limited valid layer thickness.Based on the FWD test result,a mathematical expression for temperature correction coefficientKof asphalt pavement dynamic deflection is proposed.The predictedKvalue using the expression and the measuredKvalue are in good agreement.In addition,the parameters in the expression have clear meanings.

road engineering；asphalt pavement;dynamic deflection;falling weight deflectometer (FWD);temperature correction

2015-01-04

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2014-k5-023)

宋小金(1980-)，男，山東榮成人，博士研究生，高級(jí)工程師.(sxjmail@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.01.004

U416.217

A

1002-0268(2016)01-0022-05