廣西路網(wǎng)公路路面FWD彎沉分析

王 茜，張 兵，何金蘭，謝沛蓉

(廣西公路技工學(xué)校，廣西 南寧 530023)

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廣西路網(wǎng)公路路面FWD彎沉分析

王 茜，張 兵，何金蘭，謝沛蓉

(廣西公路技工學(xué)校，廣西 南寧 530023)

文章通過對廣西路網(wǎng)公路調(diào)查中所選路段路面進(jìn)行FWD彎沉檢測，得出瀝青路面結(jié)構(gòu)和水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的動態(tài)彎沉規(guī)律，并分析了彎沉值與路況、路面病害之間的關(guān)聯(lián)性，為廣西路網(wǎng)公路路面養(yǎng)護(hù)維修及改(擴(kuò))建提供參考。

路網(wǎng)公路；FWD；彎沉分析；路面病害

0 引言

隨著廣西經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，路網(wǎng)公路里程數(shù)量在不斷增長，但不同路面結(jié)構(gòu)的公路質(zhì)量與使用狀況存在差異性。因此，針對廣西路網(wǎng)工程中各種路面結(jié)構(gòu)類型使用狀況的差異性，對廣西不同路面結(jié)構(gòu)類型使用狀況進(jìn)行大范圍調(diào)查研究。路面結(jié)構(gòu)的承載能力與路面的損壞狀況存在著內(nèi)在的聯(lián)系，道路在使用過程中，路面的承載能力會逐漸下降，與此同時損壞就會逐步發(fā)展。路面結(jié)構(gòu)承載能力的測定方法，可分為破損類和無破損類兩種[1]。在這次大范圍路網(wǎng)公路調(diào)查中，對各調(diào)查路段路面進(jìn)行了無破損彎沉現(xiàn)場檢測。FWD作為路面無破損彎沉檢測的方法，已逐漸在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來，用于路面的動態(tài)彎沉檢測，較為普遍地采用了FWD，且其具有較多的優(yōu)點：(1)可用于剛性路面和柔性路面檢測；(2)可測出路面彎沉盆的形狀；(3)通過所測彎沉盆，分析路面各結(jié)構(gòu)層；(4)檢測速度快，檢測精度高；(5)檢測彎沉值與實際的交通荷載作用下的結(jié)果較為吻合。因此，本項目對路面彎沉現(xiàn)場檢測采用FWD進(jìn)行。

1 彎沉檢測方法

FWD是通過在計算機(jī)控制下的液壓系統(tǒng)提升標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的重錘落下一定高度，對路面施加脈沖荷載，使路面表面產(chǎn)生瞬時變形，即測定在動態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的動態(tài)彎沉及彎沉盆[2]。本次路面彎沉值檢測采用Dynatest 8000 FWD儀，其技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性和可靠性代表了路面彎沉檢測技術(shù)的發(fā)展水平。該儀器荷載范圍為0.7～12 T，彎沉傳感器分辨率為1 μm，系統(tǒng)誤差≤±2%，承載板的直徑為30 cm，應(yīng)用9個位移傳感器，每個傳感器距離荷載中心的距離依次為0、210、305、420、610、910、1 210、1 510、1 810(mm)[2]。

圖1 Dynatest 8000 FWD系統(tǒng)構(gòu)成示例圖

圖2 落錘式彎沉儀(FWD)加荷原理圖

彎沉是反映路面結(jié)構(gòu)強度重要的力學(xué)指標(biāo)，是路面各結(jié)構(gòu)層厚度和剛度、溫度和濕度、交通狀況及齡期的綜合反映。基于FWD多點測試彎沉的先進(jìn)性，在本項目中FWD路面結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用主要為：

(1)對于瀝青類路面，每個測點采用50 kN的沖擊荷載，在《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》中規(guī)定：對于同一點重錘落下的次數(shù)為3次，除去第一個測定值，取后2次測定值的作為計算依據(jù)。并將所測彎沉值進(jìn)行溫度修正，得到20 ℃瀝青路面動態(tài)彎沉值。

(2)對于水泥混凝土路面，整體完好板塊，采用9點布置，病害板塊，測點布置根據(jù)實際裂縫情況相應(yīng)布點，如圖3所示。對每個檢測點，采取三級加載的方法，設(shè)定荷載大小分別為：50 kN、70 kN、80 kN。主要用于基層頂面回彈模量的分析；調(diào)查水泥路面接縫的傳力效果；探測路面板下的空洞。

2 瀝青類路面彎沉檢測分析

在對廣西各地區(qū)路網(wǎng)公路進(jìn)行大范圍路況調(diào)查時，瀝青類路面共選擇28條路線，典型路段為106段，包括：G322衡陽-友誼關(guān)、G323瑞金-臨滄、G324福州-昆明、G325廣州-南寧、G209呼和浩特-北海、S304蒼梧-貴港等路線。

2.1 路面損壞與彎沉值的關(guān)系

通過統(tǒng)計本次調(diào)研所選路段彎沉值，并結(jié)合現(xiàn)場路況調(diào)查結(jié)果，繪制D1和D9的檢測結(jié)果，即距離荷載中心的距離分別為0 mm和1 810 mm的彎沉值，與路面調(diào)查狀況關(guān)系圖見圖4。

FWD檢測的是動態(tài)彎沉，參考FWD彎沉檢測經(jīng)驗，可根據(jù)D1和D9的檢測結(jié)果進(jìn)行橫向分析比較路面的結(jié)構(gòu)承載能力，其中，D1主要是反映路面的綜合承載能力，當(dāng)D1的檢測結(jié)果偏大時，反應(yīng)路面的承載能力存在問題；D9主要是反映路基的承載能力，當(dāng)D9的檢測結(jié)果偏大時，反應(yīng)路基的承載能力存在問題。由圖4可知，通過對比路況較好路段與病害路段的D1和D9的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，路面彎沉值與路面狀況相關(guān)性較大，即承載能力低的路段，其損壞程度較高?？傮w來看，病害路段D1和D9彎沉值均大于較好路段彎沉值，這說明病害路段的路面的綜合承載能力和路基的承載能力相比較好路段承載能力較低，這是造成路面病害發(fā)生發(fā)展的重要因素。

圖4 不同路況的彎沉值對比圖

2.2 不同路面結(jié)構(gòu)的彎沉分析

將所選路段按照不同的路面結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行分類統(tǒng)計，統(tǒng)計類型分別為新建路段和大中修路段。新建路段可分為瀝青混凝土和瀝青碎石的路面結(jié)構(gòu)，大中修路段可分為“黑+黑”“白+黑”和水泥混凝土碎石化的路面結(jié)構(gòu)。

表1為本次調(diào)查瀝青類路面不同路面結(jié)構(gòu)的彎沉值匯總，對比相同路面結(jié)構(gòu)類型，總的來看，較好路段彎沉值小于較差路段，即路面承載能力高的路段，路面狀況相對較好。不同的路面結(jié)構(gòu)具有不同的路表彎沉值，因此不能單從最大彎沉值的大小來判斷路面結(jié)構(gòu)的承載能力的依據(jù)，應(yīng)采用強度系數(shù)SSI作為評價指標(biāo)，并且根據(jù)規(guī)范評價標(biāo)準(zhǔn)，判斷各路面結(jié)構(gòu)的承載能力[1]?？赏ㄟ^實測整個彎沉盆，反算出路面各結(jié)構(gòu)層的彈性模量，為路面養(yǎng)護(hù)維修或改(擴(kuò))建工程提供依據(jù)。

表1 不同路面結(jié)構(gòu)彎沉均值匯總表

3 水泥路面彎沉檢測分析

在對全區(qū)路網(wǎng)公路水泥混凝土路面調(diào)研時，共選取了19條路線，典型路段為35段，包括：G322衡陽-友誼關(guān)、G323瑞金-臨滄、G209呼和浩特-北海、S216玉林至山口、G207錫林浩特-海安等路線。

3.1 接縫傳荷能力

接縫傳荷系數(shù)可按下式定義：

(1)

wu、wl分別為未受荷板和受荷板接縫邊緣處的彎沉值。可將接縫的傳荷能力按照傳荷系數(shù)的大小劃分為優(yōu)良、中、次、差四個等級，作為選擇加鋪層結(jié)構(gòu)形式和采取反射裂縫防治措施的參考依據(jù)[3]。

表2 接縫傳荷系數(shù)等級分布表

不同結(jié)構(gòu)類型不同路況板塊接縫傳荷系數(shù)等級分布如表2所示，結(jié)果表明：不同結(jié)構(gòu)類型路況較好路段的接縫傳荷能力均好于路況較差路段，較好路段接縫傳荷系數(shù)等級中級及以上的達(dá)到70%以上，不同結(jié)構(gòu)類型路況較差路段的傳荷能力都有不同程度下降，其中“黑改白”所選較差路段的傳荷能力下降較多，在中級及以上比例僅占到38%。

總體來看，本次所選路況較好路段，整體板間接縫狀況良好，傳荷能力較強，從現(xiàn)場觀察，不論橫向接縫，還是縱向接縫，無明顯接縫缺陷，接縫寬度符合要求，無接縫張開現(xiàn)象。而本次所選路況較差路段，傳荷能力相對較好路段下降，從現(xiàn)場觀察，不同結(jié)構(gòu)類型的路況為較差路段的部分板塊間接縫存在不同程度的損壞，出現(xiàn)接縫處破碎和張開，填縫料缺失，接縫唧泥等病害，大多數(shù)采用瀝青灌縫修補。

3.2 板底脫空調(diào)查與評定

水泥混凝土路面板底脫空測試采用的方法為AASHTO推薦的FWD多級加荷的方法，即將所測彎沉值與荷載的數(shù)據(jù)回歸成線性關(guān)系，以求得對應(yīng)荷載為0時的相應(yīng)變形值，并且判斷標(biāo)準(zhǔn)>0.02 mm時，表示板底脫空。

表3 板底脫空情況測定結(jié)果表

由板底脫空測試結(jié)果表3可知，對于不同的路面結(jié)構(gòu)，路況較好的路段板底脫空數(shù)量較少，路況較差的路段板底脫空數(shù)量較多，在路況差的路段中，“水泥砼”和“黑改白”這兩種路面結(jié)構(gòu)，超過50%的面板均有脫空現(xiàn)象，該結(jié)果在一定程度上可反映出廣西路網(wǎng)公路水泥混凝土板底脫空狀況。另外，對于較好路段，在一些板塊表面未發(fā)現(xiàn)任何病害，但是在板底已經(jīng)存在脫空的現(xiàn)象，若不加處理，隨著脫空面積增大，板塊就會出現(xiàn)裂縫、斷角、斷板等病害。

3.3 基層回彈模量調(diào)查與評定

舊混凝土路面基層頂面的當(dāng)量回彈模量標(biāo)準(zhǔn)值，宜采用FWD儀(標(biāo)準(zhǔn)荷載100 kN，承載板半徑150 mm)量測板中荷載作用下的彎沉曲線[3]，可按式(2)和式(3)確定。

(2)

(3)

(4)

式中：Et——基層頂面當(dāng)量回彈模量標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)；

k——模量修正系數(shù)，可根據(jù)檢測路段路面結(jié)構(gòu)形式以及有關(guān)研究成果確定；

w0——荷載中心處的彎沉值(μm)；

SI——路面結(jié)構(gòu)的荷載擴(kuò)散系數(shù)；

w300、w600、w900——分別為距離荷載中心300 mm、600 mm、900 mm處的彎沉值(μm)。

若測試荷載為非設(shè)計荷載100 kN時，可使用荷載修正后的基層頂面當(dāng)量回彈模量計算公式：

Et=100e3.60+24.03(1 386w0/p)-0.057-15.63SI0.222

(5)

式中：P——測試荷載(kPa)；

SI和w0與式(2)相同。

表4 基層頂面當(dāng)量回彈模量檢測結(jié)果表

基層頂面當(dāng)量回彈模量檢測結(jié)果如表4所示，不同的路面結(jié)構(gòu)類型，路況較好路段的基層頂面當(dāng)量回彈模量要高于路況較差路段，并且較好路段的變異系數(shù)(離散性)要小于較差路段。路況較差路段基層頂面當(dāng)量回彈模量偏低，與脫空及基層軟化、松散等有關(guān)。“白改白”路面結(jié)構(gòu)測得基層頂面當(dāng)量回彈模量要高于其它兩類路面結(jié)構(gòu)，但總體來看，本次調(diào)查的所有路段大多基層頂面當(dāng)量回彈模量較高，符合相應(yīng)公路等級的要求。

4 結(jié)語

彎沉是一項路面結(jié)構(gòu)狀況是否良好的重要指標(biāo)，大中修前必須進(jìn)行彎沉檢測，并依據(jù)彎沉檢測結(jié)果合理設(shè)計路面結(jié)構(gòu)。在本次廣西路網(wǎng)公路路面結(jié)構(gòu)使用狀況大范圍調(diào)查中，采用FWD進(jìn)行彎沉檢測，得出全區(qū)路網(wǎng)公路瀝青和水泥混凝土所選路段路面結(jié)構(gòu)承載能力現(xiàn)狀，為以后廣西路網(wǎng)公路路面養(yǎng)護(hù)維修及改(擴(kuò))建提供參考依據(jù)，并給出以下建議和結(jié)論。

(1)通過本次對廣西路網(wǎng)公路瀝青類路面彎沉檢測的結(jié)果表明：路面結(jié)構(gòu)承載能力的大小與所調(diào)查的路況一致，即隨著路面結(jié)構(gòu)承載能力的降低，路面狀況也隨之變差，也就是說，路面結(jié)構(gòu)承載能力的下降是造成路面病害發(fā)展的重要因素。本文匯總出廣西路網(wǎng)路瀝青類不同路面結(jié)構(gòu)類型所選路段的彎沉值，以此可反映廣西路網(wǎng)公路瀝青類路面不同結(jié)構(gòu)類型承載能力的現(xiàn)狀，并建議可通過實測整個彎沉盆，反算得出路面各結(jié)構(gòu)層的彈性模量，以此為以后路面養(yǎng)護(hù)維修或改(擴(kuò))建工程提供依據(jù)。

(2)在本次對廣西路網(wǎng)公路水泥混凝土路面使用狀況調(diào)查中，利用FWD實測彎沉盆，測得水泥混凝土不同類型路面結(jié)構(gòu)的基層頂面回彈模量、接縫傳荷能力及混凝土板底脫空的狀況與其路況好壞相關(guān)性很大。可以此結(jié)果作為混凝土路面的選擇反射裂縫防治措施和加鋪層結(jié)構(gòu)形式的參考依據(jù)。

(3)通過本次路面彎沉現(xiàn)場檢測表明，F(xiàn)WD檢測速度快、精度高，可進(jìn)行多級加載測試，并能夠方便地實測整個彎沉盆，反算出路面各結(jié)構(gòu)層的動態(tài)模量，是現(xiàn)場、快速、無破損進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)狀況評定的理想設(shè)備。而在現(xiàn)階段，廣西路網(wǎng)公路彎沉檢測仍大范圍使用貝克曼梁，建議今后進(jìn)行路網(wǎng)公路路面結(jié)構(gòu)承載能力評定時，可選擇FWD提高工作效率和精準(zhǔn)度，減少勞動量。

[1]鄧學(xué)鈞.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2]JTG E60-2008，公路路基路面現(xiàn)場檢測規(guī)程[S].

[3]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范[S].

FWD Deflection Analysis of Guangxi Road-network Highway Pavement

WANG Qian，ZHANG Bing，HE Jin-lan，XIE Pei-rong

(Guangxi Highway Technical School，Nanning，Guangxi，530023)

Through FWD deflection testing on the pavement of selected road segment in Guangxi road-network highway survey，this article obtained the dynamic deflection rules of asphalt pavement structure and cement concrete pavement structure，and analyzed the relevance between deflection value with road conditions and pavement disease，thereby providing the reference for Guangxi road-network highway pavement maintenance and reconstruction(expansion).

Road-network highway；FWD；Deflection analysis；Pavement disease

U418.4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.009

1673-4874(2016)09-0035-04

2016-08-20

王 茜(1982—)，碩士，工程師，主要從事公路結(jié)構(gòu)與材料性能研究、公路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)等工作；

張 兵(1967—)，高級工程師，主要從事公路結(jié)構(gòu)與材料性能研究、公路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)等工作；

何金蘭(1986—)，碩士，講師，主要從事公路結(jié)構(gòu)與材料性能研究、養(yǎng)護(hù)等工作；

謝沛蓉(1988—)，助理工程師，主要從事公路結(jié)構(gòu)與材料性能研究、養(yǎng)護(hù)等工作。

廣西交通科技項目“廣西路網(wǎng)公路路面結(jié)構(gòu)適用性研究”(批準(zhǔn)號：20122636)