基于多層彎沉盆法的瀝青路面結(jié)構(gòu)層模量反演

陳魯川韓冰孫輝余四新韋金城

(1.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250101；2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(濟(jì)南),山東 濟(jì)南250031)

0 引言

路面結(jié)構(gòu)層模量是確定路面結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的重要指標(biāo),決定著道路養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)性,并直接影響?zhàn)B護(hù)資金分配的合理性。近年來,隨著檢測技術(shù)的發(fā)展,路面檢測效率得到了較大地提高。然而,路面檢測數(shù)據(jù)的分析評價(jià)工作相對滯后,海量的檢測數(shù)據(jù)中包含著大量路面特征信息,若只利用其中一小部分,將無法準(zhǔn)確反映路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況[1]。路面結(jié)構(gòu)模量反演是路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。目前,最常用的獲取路面結(jié)構(gòu)層回彈模量的方法,是利用落錘式彎沉儀FWD(Falling Weight Deflectometer)實(shí)測的路面結(jié)構(gòu)彎沉盆數(shù)據(jù)反演路面結(jié)構(gòu)層回彈模量。當(dāng)前,歐美國家利用FWD彎沉盆參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層性能狀態(tài)的評定研究,多以柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為主[2]。我國現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中,對于路基頂面及路表驗(yàn)收彎沉、改建設(shè)計(jì)原路面結(jié)構(gòu)頂面當(dāng)量回彈模量,均采用了FWD法[3]。而常用的半剛性基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)層模量的反演分析結(jié)果,缺少系統(tǒng)的校正分析方法,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層模量反演分析結(jié)果難以客觀地評價(jià)既有路基路面各結(jié)構(gòu)層的性能狀況,甚至與基本的工程經(jīng)驗(yàn)不符,進(jìn)而阻礙了FWD測試設(shè)備在半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)承載能力評價(jià)及加鋪設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用[4]。

目前,已經(jīng)有多種路面結(jié)構(gòu)模量反演方法,包括搜索法、遺傳算法、惰性點(diǎn)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等,但這些方法都是基于路表單一彎沉盆反演,其結(jié)果受初始值、迭代次數(shù)以及收斂精度的影響較大,沒有從根本上解決路面多層結(jié)構(gòu)層(＞2層)反演模量解的非唯一性問題[5]。而且,反演結(jié)果在很大程度上取決于反演者的經(jīng)驗(yàn),隨意性較大,導(dǎo)致反演的路面結(jié)構(gòu)層模量與實(shí)際不符,嚴(yán)重影響路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)和養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性。

為了克服基于路表單一彎沉盆反演算法存在的缺陷,對實(shí)體工程路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層銑刨,在各結(jié)構(gòu)層表面相同平面坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行FWD彎沉盆檢測,然后利用多層彎沉盆的模量反演方法,得到路面各結(jié)構(gòu)層的彈性模量及不同應(yīng)力狀態(tài)下路基的彈性模量,為不同荷載條件下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析提供了力學(xué)參數(shù)。

1 工程概況

進(jìn)行彎沉盆檢測試驗(yàn)的路段為德商公路夏津至聊城段,位于德州夏津縣和聊城臨清市東昌府區(qū),北起夏津縣田莊鄉(xiāng),南至東昌府區(qū)的聊城西樞紐互通立交,全長為62 km,是雙向四車道高速公路,其路基寬為28 m。該路段通車已達(dá)15年,水泥穩(wěn)定碎石基層和水泥穩(wěn)定改善土底基層等路面材料強(qiáng)度均已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。原路面結(jié)構(gòu)橫向裂縫、坑槽等病害較嚴(yán)重。該路段的路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了明確舊路結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài),對研究路段全線進(jìn)行檢測,并根據(jù)病害類型將道路劃分為若干結(jié)構(gòu)段,選取代表性路段進(jìn)行逐層銑刨,并進(jìn)行FWD彎沉盆檢測。為了提高各結(jié)構(gòu)層彎沉盆檢測結(jié)果的關(guān)聯(lián)性,FWD檢測點(diǎn)選擇在結(jié)構(gòu)層頂面同一平面坐標(biāo)點(diǎn),通過全站儀精確放點(diǎn)。路面結(jié)構(gòu)及FWD測點(diǎn)布設(shè)如圖1所示,從上到下依次布設(shè)A、B、C、D共4個(gè)檢測點(diǎn),分別位于瀝青層表面、水泥穩(wěn)定碎石上基層表面、水泥穩(wěn)定碎石下基層表面和水泥改善土表面。現(xiàn)場逐層銑刨FWD檢測如圖2所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)及FWD測點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖2 逐層銑刨檢測現(xiàn)場圖

2 多層彎沉盆法瀝青路面結(jié)構(gòu)層模量反演原理

多層彎沉盆法通過逐層檢測路面結(jié)構(gòu)層表面彎沉,自底向上逐層反演路面結(jié)構(gòu)模量,除土基模量外,下層結(jié)構(gòu)模量反演結(jié)果代入上一層模量反演中,直至所有路面結(jié)構(gòu)層模量反演完成[6]。

路面結(jié)構(gòu)層模量反演時(shí),對于已知路面各結(jié)構(gòu)厚度h1、h2、……、hn-1,用FWD在任一結(jié)構(gòu)層頂面測得一組彎沉盆數(shù)據(jù)l0、l1、l2、……、l8(9個(gè)傳感器的彎沉數(shù)據(jù))。用布辛尼斯克公式法計(jì)算一組模量E0n-1和En-1,作為假定值,可計(jì)算出一組彎沉盆l′0、l′1、l′2,……、l′8。 顯然,這 2 組彎沉盆一般不可能完全相等,需進(jìn)一步修正原先的模量[7-8]。因此,需要建立模量變化與彎沉盆變化的關(guān)系,由式(1)表示為

式中:ΔEi為各層模量需要修正的增量,MPa。由式(1)計(jì)算各模量對彎沉盆各點(diǎn)的導(dǎo)數(shù),同時(shí)計(jì)算各點(diǎn)計(jì)算彎沉值與目標(biāo)彎沉值之差。通過每次對模量進(jìn)行修正,最后得到一組模量,使得計(jì)算彎沉盆與實(shí)測彎沉盆接近,最小均方差滿足收斂標(biāo)準(zhǔn),則該模量即為反演的模量[9-11]。主要步驟為:

(1)逐層銑刨路面結(jié)構(gòu)層直至銑刨和檢測至路基的上一層表面,采用FWD逐層檢測路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各結(jié)構(gòu)層表面同一平面坐標(biāo)點(diǎn)的彎沉盆；

(2)按彎沉盆等效原則自底向上逐層反演路面結(jié)構(gòu)層模量,除路基模量外,下層結(jié)構(gòu)模量反演結(jié)果代入上一層模量反演中,直至路面表層所有路面結(jié)構(gòu)層模量反演完成。

利用多層彎沉盆法進(jìn)行反演時(shí),未知數(shù)僅有路基和彎沉盆測點(diǎn)2個(gè)結(jié)構(gòu)層模量,可解決多層路面結(jié)構(gòu)反演結(jié)果的非唯一性問題,反演的結(jié)構(gòu)層模量與實(shí)際狀態(tài)一致,可提高路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)和養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性。

3 路面結(jié)構(gòu)層模量反演結(jié)果與分析

3.1 多層彎沉盆檢測結(jié)果

彎沉盆檢測采用Dynatest8000自動(dòng)落錘式彎沉儀,有9個(gè)彎沉傳感器。為了便于比較各結(jié)構(gòu)層頂面的彎沉盆,荷載統(tǒng)一采用707 kPa,每個(gè)檢測點(diǎn)落錘3次,取后2次的平均值。傳感器布置及彎沉盆檢測數(shù)據(jù)和路面各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉盆檢測結(jié)果見表1。彎沉從路表到底基層頂面依次增大,路表荷載中心點(diǎn)彎沉值為87 μm,路面結(jié)構(gòu)整體承載力良好。上基層頂面荷載中心點(diǎn)彎沉值僅比下基層的值減小了10 μm,經(jīng)觀測上基層表面存在寬度較小的橫向裂縫,而下基層則完好無損。

表1 傳感器布置及彎沉盆檢測數(shù)據(jù)表

3.2 多層彎沉盆法結(jié)構(gòu)層模量反演結(jié)果對比分析

根據(jù)上述多層彎沉盆法結(jié)構(gòu)層模量反演方法的原理,利用底基層頂面的彎沉盆數(shù)據(jù),反演得到底基層模量和路基模量E04；把下基層頂面彎沉盆數(shù)據(jù)帶入底基層模量,反演得到下基層模量、底基層模量以及路基模量E03；再將上基層頂面彎沉盆數(shù)據(jù)帶入下基層和底基層模量,反演得到上基層模量、下基層模量、底基層模量和路基模量E02；將瀝青層頂面彎沉盆數(shù)據(jù)并帶入上基層、下基層、底基層模量,反演得到瀝青層模量、上基層模量、下基層模量、底基層模量和路基模量E01。

多層彎沉盆法與常規(guī)路表彎沉盆迭代法結(jié)構(gòu)層模量反演結(jié)果見表2。對比兩種方法的反演結(jié)果可知,瀝青層、上基層、下基層、底基層、路基的模量反演結(jié)果分別相差 15.5%、55.9%、148.4%、33.4%、4.6%。其中,瀝青層和路基模量反演結(jié)果較為接近,而半剛性基層(上基層、下基層、底基層)結(jié)果差別較大。根據(jù)現(xiàn)場銑刨和探坑觀測結(jié)果,上基層存在橫向裂縫、網(wǎng)裂,而下基層完好。常規(guī)彎沉盆迭代法結(jié)構(gòu)層模量反演結(jié)果表明,上基層反演模量約為下基層的3倍,這明顯與現(xiàn)場銑刨和探坑觀測結(jié)果不符。

表2 結(jié)構(gòu)層模量反演結(jié)果表

3.3 路基回彈模量反演結(jié)果及修正系數(shù)

由于路基材料本身所固有的應(yīng)力依賴特性,在荷載作用下土基在路面結(jié)構(gòu)中所受應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)室三軸試驗(yàn)所受應(yīng)力狀態(tài)不同,故通過FWD反演路基回彈模量與實(shí)驗(yàn)室三軸試驗(yàn)得到的土體回彈模量不同[6,12]。經(jīng)驗(yàn)法AASHTO1993和力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法MEPDG的路面設(shè)計(jì)方法都是基于土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)回彈模量作為輸入?yún)?shù),故在路面結(jié)構(gòu)層上通過彎沉盆反演得到的路基回彈模量需要乘以修正系數(shù)C轉(zhuǎn)換成當(dāng)量的室內(nèi)三軸試驗(yàn)回彈模量值[13-16]。否則,采用未經(jīng)修正的FWD反演土基回彈模量,將導(dǎo)致按照原設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)厚度偏薄,使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生早期破壞。修正系數(shù)C計(jì)算如式(2)表示為

式中:MR(Lab)為室內(nèi)路基材料回彈模量,MPa；E(FWD)為路基FWD反演回彈模量,MPa。

路基材料回彈模量通過在現(xiàn)場進(jìn)行動(dòng)態(tài)貫入檢測,得到路基材料回彈模量平均值為127.4 MPa。根據(jù)式(2)計(jì)算得到相應(yīng)層位的土基回彈模量修正系數(shù)見表3,從路表到底基層頂面反演路基回彈模量修正系數(shù)依次增大,瀝青層頂面反演路基回彈模量修正系數(shù)為0.42。

表3 路基回彈模量反演結(jié)果及修正系數(shù)表

4 結(jié)論

對高速公路的路面進(jìn)行逐層銑刨,并在各結(jié)構(gòu)層表面相同平面坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行逐層FWD彎沉盆檢測,利用多層彎沉盆的模量反演方法,得到路面各結(jié)構(gòu)層的彈性模量及不同應(yīng)力狀態(tài)下路基的彈性模量。主要結(jié)論如下:

(1)多層彎沉盆法與路表彎沉盆迭代法模量反演結(jié)果相比較,瀝青層、上基層、下基層、底基層、路基分別相差15.5%、55.9%、148.4%、33.4%、4.6%,瀝青層和路基模量相差較小,而半剛性基層(上基層、下基層、底基層)差別較大。

(2)從底基層頂面到瀝青層頂面,路基反演回彈模量修正系數(shù)逐漸減小,即從0.73逐漸減小到0.42,而路基回彈性模量隨檢測層位升高即隨壓應(yīng)力的減小而增大,具有顯著的應(yīng)力依賴性。