基于落錘式彎沉儀的水泥混凝土機(jī)場(chǎng)道面彎沉檢測(cè)

陳婷婷，張曉萌，韓文揚(yáng)

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

利用貝克曼梁法測(cè)出的回彈彎沉是靜態(tài)彎沉，自動(dòng)彎沉儀檢測(cè)彎沉?xí)r，因?yàn)槠囆羞M(jìn)速度很慢，所測(cè)得的彎沉也接近靜態(tài)彎沉。為了模擬汽車快速行駛的實(shí)際情況，不少國家開發(fā)了動(dòng)態(tài)彎沉的檢測(cè)設(shè)備，落錘式彎沉儀（Falling Weight Deflectometer,簡(jiǎn)稱FWD）可模擬行車作用的沖擊荷載下的彎沉測(cè)量，并利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，速度快，精度高。近年來，采用落錘式彎沉儀測(cè)定路面的動(dòng)態(tài)彎沉，并用來反算路面的回彈模量[1-3]，已成為世界各國道路界的熱門課題。這種設(shè)備特別適用于高等級(jí)公路路面和機(jī)場(chǎng)的彎沉量測(cè)定和承載力評(píng)定，落錘式彎沉儀是目前國際上最先進(jìn)的路面強(qiáng)度無損檢測(cè)設(shè)備之一。

1 落錘彎沉儀的水泥路面無損彎沉檢測(cè)原理

FWD通過計(jì)算機(jī)控制下的液壓系統(tǒng)提升并下落一重錘，對(duì)路面施加脈沖荷載，見圖1。荷載的大小通過改變錘重和提升高度可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)調(diào)整，并通過剛性圓盤作用到路基上。路面的變形由9個(gè)傳感器測(cè)定。FWD測(cè)速快（每測(cè)點(diǎn)約40 s），精度高（分辨率為1μm），并較好地模擬了行車荷載的動(dòng)力作用，目前被認(rèn)為是較為理想的道路無損檢測(cè)設(shè)備。特別是FWD能夠準(zhǔn)確測(cè)定多點(diǎn)彎沉，從而為道路結(jié)構(gòu)反算分析提供了基礎(chǔ)。根據(jù)FWD多點(diǎn)彎沉檢測(cè)結(jié)果反算道路結(jié)構(gòu)各層模量見圖2。該FWD傳感器從加載中心向外的排列見表1。

表1 傳感器距離加載中心距離

圖1 FWD系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 FWD多點(diǎn)彎沉檢測(cè)結(jié)果反算道路結(jié)構(gòu)各層模量

2 水泥道面彎沉檢測(cè)評(píng)定方法

2.1 水泥道面模量演算方法

彎沉檢測(cè)采用的落錘式彎沉儀—FWD，宜選擇間距為0.30 m，距離荷載中心1.50 m范圍內(nèi)各個(gè)傳感器的彎沉計(jì)算彎沉盆面積指數(shù)Aw：

式中：Aw—用于道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演的彎沉盆面積指數(shù)；s—傳感器之間的間距，取值0.3 m；d0—荷載中心處彎沉值,m；di—第i個(gè)傳感器的彎沉值,m。

由彎沉盆面積指數(shù)Aw查圖3確定道面結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度半徑1。如果Aw超出圖3中的取值范圍，可由Aw與1之間的多項(xiàng)式回歸公式：

式中：l—道面結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度半徑，m；Aw—用于道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演的彎沉盆面積指數(shù)，m；ai—回歸系數(shù)，取值見表2。

表2 彎沉盆面積指數(shù)Aw與相對(duì)剛度半徑1多項(xiàng)式回歸系數(shù)

圖3 彎沉盆面積指數(shù)Aw與道面結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度半徑關(guān)系

計(jì)算基層頂面的反應(yīng)模量K。式中的彎沉系數(shù)是與道面結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度半徑l有關(guān)的單調(diào)遞減函數(shù)，可查《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》（MHT 5024-2009）。

式中： K—基層頂面的反應(yīng)模量,MN/m；q—

FWD測(cè)試承載板接地應(yīng)力,MPa；r —FWD測(cè)試承載板半徑，取值為0.15 m；（l）—荷載中心位置處的彎沉系數(shù),m;按照?qǐng)D4或者公式（4）計(jì)算；d0—荷載中心處彎沉值，m。

表3 相對(duì)剛度半徑l與荷載中心位置處彎沉系數(shù)(l)的多項(xiàng)式回歸系數(shù)

表3 相對(duì)剛度半徑l與荷載中心位置處彎沉系數(shù)(l)的多項(xiàng)式回歸系數(shù)

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8-0.2 2.0 -8.9 21.8 -31.1 26.1 -12.1 2.5

圖4 道面結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度半徑1與荷載中心處彎沉系數(shù)關(guān)系

按式（5）計(jì)算水泥混凝土板的彈性模量Er，如道面結(jié)構(gòu)為水泥混凝土道面上加鋪瀝青混凝土或者加鋪水泥混凝土等復(fù)合道面所計(jì)算的彈性模量應(yīng)作為復(fù)合道面的綜合彈性模量，用于道面結(jié)構(gòu)承載能力的分析與評(píng)價(jià)[4-5]。

式中：Er—水泥混凝土板的彈性模量，GPa；μ—水泥混凝土材料的泊松比，取值為0.15；K—基層頂面的反應(yīng)模量，MN/m3；l—道面結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度半徑，m；h—道面結(jié)構(gòu)的有效厚度,m。

2.2 水泥板角脫空判斷方法

脫空判斷采用截距法，它是由NCHRP研究中心建立的方法，目前被認(rèn)為是一種比較理想的脫空檢測(cè)方法，利用FWD對(duì)水泥混凝土路面施加分級(jí)荷載，見表4，然后利用荷載板中心的彎沉與相應(yīng)的分級(jí)荷載畫出荷載彎沉圖，見圖5，利用回歸分析做出荷載彎沉的線性回歸曲線，通過回歸直線的截距來判斷脫空情況。如果線性回歸曲線在彎沉軸的截距大于50 μm則認(rèn)為板底存在脫空，否則認(rèn)為板底不存在脫空。

圖5 截距法計(jì)判定脫空

表4 分級(jí)加荷載及數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 檢測(cè)概況

某機(jī)場(chǎng)跑道水泥道面進(jìn)行彎沉檢測(cè)，檢測(cè)采用丹麥Carbro公司的落錘式彎沉儀—FWD PRIMAX1500，通過逐級(jí)加載，檢測(cè)道面水泥板塊的脫空率及水泥板塊的承載能力，為道路改造維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6]。

3.2 數(shù)據(jù)采集及分析

3.2.1 水泥路面板模量演算結(jié)果

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)病害情況選取4塊水泥板進(jìn)行板中測(cè)試，病害及選點(diǎn)見圖6，演算得到路面板模量，見表5。

圖6 病害板及選點(diǎn)

表5 水泥路面板模量演算結(jié)果

依據(jù)表5，板5～6模量演算結(jié)果顯示較好，板7～8模量演算結(jié)果顯示狀況較差。

3.2.2 水泥板角脫空判斷

脫空判斷采用截距法，施加的三級(jí)荷載分別為990 kPa、1 273 kPa、1 556 kPa，利用回歸分析做出荷載-彎沉的線性回歸曲線，通過回歸直線的截距來判斷脫空情況。水泥板選擇4塊進(jìn)行檢測(cè)，分析結(jié)果見表6，可見在板4處出現(xiàn)一處脫空現(xiàn)象。

表6 水泥板脫空檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

（1）機(jī)場(chǎng)道面板板底脫空形成的原因：兩層水泥道面板間存在因?yàn)榻涤甑纫蛩卮媪舻乃?，在飛機(jī)起降過程中板體承受較大的壓力，同時(shí)也使得板間存留的水存在較強(qiáng)動(dòng)水壓力。飛機(jī)往復(fù)起降使板體間動(dòng)水反復(fù)沖刷水泥板體底部，較強(qiáng)的動(dòng)水壓力破壞了水泥板底膠凝材料與集料間的結(jié)合，從而使得水泥板體底部失去強(qiáng)度，集料逐漸被剝離帶出，從而形成了一定的脫空。（2） 機(jī)場(chǎng)道面板板角斷裂成因：因?yàn)榘弩w的脫空，使得道面水泥板底部的承載能力顯著降低，進(jìn)而飛機(jī)荷載作用下，板體受力不均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中往往存在于板底脫空與非脫空位置之間的界面上，因此，脫空板體在飛機(jī)荷載作用下產(chǎn)生的板角應(yīng)力集中造成了板角斷裂。