吳文亮，趙為天，熊春龍

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 5106401；2.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司)

落錘式彎沉儀(FWD)是20世紀(jì)70年代末開發(fā)的道路無損檢測(cè)設(shè)備，對(duì)于機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面，通常使用FWD測(cè)量彎沉。FWD通過作用在承載板上的落錘向路面施加脈沖荷載，根據(jù)測(cè)得的彎沉及彎沉盆對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。受機(jī)場(chǎng)測(cè)試條件和測(cè)試手段限制，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在溫度對(duì)水泥混凝土道面彎沉值影響方面的研究并不多，且現(xiàn)行規(guī)范也沒有明確FWD彎沉測(cè)試的準(zhǔn)確位置以及測(cè)試時(shí)的溫度對(duì)彎沉值的影響，不同溫度時(shí)水泥混凝土脫空判定變化規(guī)律的研究也相對(duì)較少。華南地區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，晝夜溫差變化較大，受溫度影響，道面彎沉值會(huì)隨之發(fā)生變化。為探究道面彎沉值受溫度影響的具體變化規(guī)律，該文分析華南地區(qū)某機(jī)場(chǎng)西跑道道面在不同溫度下的實(shí)測(cè)彎沉盆數(shù)據(jù)，探究在溫度變化影響下水泥混凝土道面實(shí)測(cè)彎沉值的變化規(guī)律以及伴生的脫空判定變化規(guī)律，為水泥混凝土道面彎沉的合理測(cè)試及脫空判定提供參考。

1 方法和設(shè)備說明

FWD彎沉測(cè)量方法是基于由落錘引起的道面響應(yīng)的測(cè)量和確定，落錘可模擬由飛機(jī)對(duì)道面施加的瞬時(shí)沖擊作用。荷載通過一定重量的落錘從給定的高度落下引起，并可以通過橡膠減震器調(diào)節(jié)脈沖持續(xù)時(shí)間。荷載由承載板傳遞給道面結(jié)構(gòu)，這樣測(cè)量得到道面因荷載作用產(chǎn)生的豎向變形，即彎沉。

在華南某機(jī)場(chǎng)西跑道選取1段水泥混凝土道面，長(zhǎng)約20 m，機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)見圖1，在不同時(shí)間段即不同溫度下分別對(duì)板中、板邊、板角進(jìn)行彎沉測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)彎沉測(cè)試采用的設(shè)備為PRI 2100 FWD，承載板直徑為30 cm，測(cè)試荷載級(jí)位為140 kN，共布設(shè)9個(gè)傳感器，傳感器具體布置如圖2所示。

圖1 機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)圖

圖2中D1為荷載中心彎沉值；D7為距承載板中心1 500 mm處的傳感器彎沉值，表征路基狀況；D1-D5為距承載板中心900 mm處的彎沉值和中心彎沉值之差，表征底基層狀況。

圖2 傳感器布置圖(單位：mm)

2 彎沉盆的溫度影響分析

2.1 測(cè)試溫度影響

為獲得機(jī)場(chǎng)道面彎沉在溫度影響下的變化規(guī)律，通常需要得知道面實(shí)測(cè)彎沉盆所處的道面板具體溫度梯度情況，但受機(jī)場(chǎng)道面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件限制，無法在水泥混凝土道面內(nèi)部埋設(shè)溫度傳感器獲取道面板內(nèi)部溫度情況，因此通過道面彎沉隨道面板表面溫度變化情況來判斷道面板所處溫度梯度。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出：

(a)板中彎沉值

(1)在檢測(cè)時(shí)間段內(nèi)，道面板表面溫度處于25 ℃時(shí)，道面板溫度梯度接近于零，道面板表面溫度為17～25 ℃時(shí)，道面板處于負(fù)溫度梯度，道面板表面溫度為25～38 ℃時(shí)，道面板處于正溫度梯度。其中17 ℃時(shí)負(fù)溫度梯度最大，38 ℃時(shí)正溫度梯度最大。

(2)道面板處于負(fù)溫度梯度時(shí)，板中彎沉值較小，且板中彎沉值變化幅度幾乎為零，穩(wěn)定在一個(gè)固定的彎沉值水平。但從道面板表面溫度上升至25 ℃即道面板處于零或正溫度梯度開始，板中彎沉值隨溫度升高逐漸增大。

(3)與板中彎沉值相反，板邊彎沉值在道面處于負(fù)溫度梯度時(shí)處于較高水平，隨著道面板表面溫度的上升，板邊彎沉值逐漸降低，到道面板表面溫度上升至25 ℃，道面板處于零或正溫度梯度時(shí)，板邊彎沉值最終穩(wěn)定在一固定水平上。

(4)板角彎沉值隨道面板表面溫度的變化規(guī)律與板邊彎沉值一致。在道面板處于正溫度梯度時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，隨著溫度下降至25 ℃，道面板處于負(fù)溫度梯度時(shí)，板角彎沉值開始驟降。不同的是，板角彎沉值較同期板邊彎沉值大30%～45%，且板角彎沉值隨溫度的變化規(guī)律更劇烈(表1、2)。

表1 道面板板中、板邊、板角彎沉值變異系數(shù)

從圖3及表1可以看出：板中、板邊、板角的彎沉值離散程度均與距承載板中心的距離呈正相關(guān)，距承載板中心越遠(yuǎn)，彎沉值的變異系數(shù)越小，即受溫度影響越小。離承載板中心越近，彎沉值越大，變異系數(shù)越大，可以看出其受溫度影響越明顯。同時(shí)，板中、板邊和板角彎沉值均在道面板表面溫度高于或低于25 ℃時(shí)發(fā)生劇烈變化，由此可看出，在檢測(cè)時(shí)間段內(nèi)，道面板表面溫度25 ℃是一個(gè)重要的溫度節(jié)點(diǎn)。

由表2可以發(fā)現(xiàn)：板中、板邊、板角彎沉值受溫度影響程度逐漸增加，板中彎沉值隨溫度升高而增大，增加幅度為11%～21%，板邊、板角彎沉值皆隨溫度升高而減小，幅度分別為15%～27%和14%～32%；同時(shí)，隨著距承載板中心距離的增加，各傳感器彎沉值隨溫度升高變化幅度大小總體呈遞減趨勢(shì)。

表2 道面板板中、板邊、板角彎沉值隨溫度升高(17～38 ℃)的變化幅度

板中、板邊、板角彎沉值之所以會(huì)隨著溫度的變化出現(xiàn)不同的變化規(guī)律，其影響機(jī)理主要是：白天日照強(qiáng)烈時(shí)，道面板表面溫度要高于道面板底溫度，道面板處于正溫度梯度，此時(shí)道面板會(huì)略微拱脹，道面板局部與基層不再接觸，從而在板底形成暫時(shí)性的脫空，測(cè)得的中心彎沉值也會(huì)因此增大，又由于道面板的拱脹，道面板接縫間隙減小，牽制了道面板的翹曲，所以此時(shí)測(cè)得的道面板邊、板角彎沉值較小。而在夜間時(shí)，道面板表面溫度要低于道面板底溫度，道面板處于負(fù)溫度梯度，因此道面板周邊發(fā)生翹曲，此時(shí)測(cè)得的板邊、板角彎沉就會(huì)偏大，而此時(shí)道面板板中處緊貼基層，所以測(cè)得的板中彎沉值不會(huì)有較為明顯的變化。

2.2 測(cè)試位置影響

由上可知，隨著溫度的變化，即道面板處于正或負(fù)溫度梯度時(shí)，道面板會(huì)發(fā)生變形，由此對(duì)道面板實(shí)測(cè)彎沉值產(chǎn)生影響。因此，F(xiàn)WD在道面板上的測(cè)量位置也尤為重要，通常來說，F(xiàn)WD承載板不應(yīng)該放在混凝土板的幾何中心，而應(yīng)該是將FWD整體放置在被測(cè)板塊的中心區(qū)域，這樣承載板和最后一個(gè)傳感器都距離接縫至少0.5 m，避免了最邊緣傳感器彎沉值數(shù)據(jù)失真。需要注意的是，如果FWD彎沉測(cè)量結(jié)果被用于計(jì)算每個(gè)結(jié)構(gòu)層的彈性模量，承載板和測(cè)試梁需放在沒有任何裂縫和接縫的道面板上。承載板放置位置的影響見圖4～6。

圖4 放置在道面板中心區(qū)域的FWD-負(fù)溫度梯度

圖5 承載板放置在道面板幾何中心的FWD-負(fù)溫度梯度

圖6 放置在道面板中心區(qū)域的FWD-正溫度梯度

從圖4～6可見：道面板處于負(fù)溫度梯度時(shí)，道面板邊緣發(fā)生翹曲。此時(shí)進(jìn)行板中彎沉測(cè)量應(yīng)該將FWD放置在道面板中心區(qū)域，若將FWD承載板放置在道面板幾何中心則會(huì)使邊緣傳感器處于道面板邊緣翹曲部分，造成彎沉數(shù)據(jù)失真。同樣地，在白天日照強(qiáng)烈溫度較高，道面板整體處于正溫度梯度發(fā)生拱脹時(shí)，進(jìn)行板中彎沉值測(cè)量，測(cè)得的板中彎沉值會(huì)偏大。

由此可見，在進(jìn)行道面板彎沉測(cè)量時(shí)，F(xiàn)WD放置的位置不同會(huì)造成彎沉值的變化，同時(shí)道面板處于正或負(fù)溫度梯度也會(huì)造成板中、板邊或板角彎沉值的失真，因此需結(jié)合FWD測(cè)量位置和道面板變形情況對(duì)道面板進(jìn)行彎沉測(cè)量。同時(shí)建議在道面板處于零或小的負(fù)溫度梯度下進(jìn)行彎沉測(cè)量，此時(shí)獲得的彎沉數(shù)據(jù)能更契合實(shí)際且保守地對(duì)道面性能做出評(píng)價(jià)。

3 實(shí)測(cè)彎沉值的溫度修正

考慮到實(shí)際不能在固定某一時(shí)間段某一溫度梯度下進(jìn)行彎沉值測(cè)量，所以有必要對(duì)在不同時(shí)刻測(cè)量得到的彎沉值進(jìn)行溫度修正，以獲得正確的彎沉值，從而對(duì)道面性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度作出更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

從圖3可以看出：板中、板邊、板角彎沉值在道面板表面溫度25 ℃左右都保持在較穩(wěn)定的水平，即此時(shí)道面板溫度梯度接近于零，因此以道面板表面溫度25 ℃作為標(biāo)準(zhǔn)溫度，將其他處于正、負(fù)溫度梯度下的實(shí)測(cè)彎沉值換算為零溫度梯度下的標(biāo)準(zhǔn)彎沉值。

根據(jù)實(shí)測(cè)得到的板中、板邊、板角代表彎沉值，通過Origin建立起實(shí)測(cè)彎沉值與道面板表面溫度的回歸關(guān)系。需要注意的是，道面板表面溫度25 ℃是一個(gè)臨界點(diǎn)，板中、板邊、板角彎沉值在道面表面溫度小于25 ℃或大于25 ℃時(shí)，彎沉值變化幅度均極小，僅3%左右，所以對(duì)于板中彎沉，只對(duì)道面板表面溫度25 ℃以上溫度實(shí)測(cè)彎沉值進(jìn)行溫度修正，板邊、板角彎沉只對(duì)道面板表面溫度25 ℃以下實(shí)測(cè)彎沉值進(jìn)行溫度修正。此外，根據(jù)圖1，考慮到1、5、7這3個(gè)傳感器彎沉值所具有的代表性意義，所以主要對(duì)這3個(gè)傳感器實(shí)測(cè)彎沉值進(jìn)行溫度修正。實(shí)測(cè)彎沉值與溫度的回歸結(jié)果見表3。

表3 FWD實(shí)測(cè)彎沉值與溫度的回歸關(guān)系

由表3可知：板中、板邊實(shí)測(cè)彎沉值與道面板表面溫度有較好的線性關(guān)系，且相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)值均在0.95以上，可通過線性回歸對(duì)板中、板邊實(shí)測(cè)彎沉值進(jìn)行溫度修正；板角實(shí)測(cè)彎沉值與溫度具有極強(qiáng)的二項(xiàng)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.98左右，因此對(duì)于板角彎沉值，可以通過二項(xiàng)回歸進(jìn)行溫度修正；對(duì)于板中、板邊、板角彎沉，修正彎沉值均等于實(shí)測(cè)彎沉值乘以溫度修正系數(shù)，溫度修正系數(shù)如圖7所示。

需要注意的是，由于該次測(cè)試無法獲取道面板的具體溫度梯度，所以只能基于道面板表面溫度進(jìn)行彎沉的溫度修正，上述修正關(guān)系只適用于所測(cè)試的機(jī)場(chǎng)道面，對(duì)于其他水泥混凝土道面，由于其材料性質(zhì)、道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣候以及水泥混凝土比熱容均存在差異，這些因素綜合后，最終都將造成水泥混凝土道面板溫度梯度的差異。為使彎沉的溫度修正相關(guān)性更好，應(yīng)用性更強(qiáng)，表3彎沉溫度修正關(guān)系中道面板表面溫度變量應(yīng)為道面板溫度梯度變量，即基于道面板溫度梯度這一單一變量建立溫度修正關(guān)系，以獲得最準(zhǔn)確的道面彎沉。

4 道面板溫度特性對(duì)脫空判定的影響

根據(jù)MH/T 5024-2009《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》，對(duì)于水泥混凝土道面，當(dāng)“板邊中點(diǎn)彎沉/板中彎沉>2.0”或“板角彎沉/板中彎沉>3.0”即可判定為脫空。圖8為板邊、板角的脫空判定值隨道面板表面溫度的變化情況。

從圖8可知：17～25 ℃(負(fù)溫度梯度)時(shí)，脫空判定值均較大，25～38 ℃(正溫度梯度)時(shí)，脫空判定值較小。整體看，隨著道面板表面溫度的升高，脫空判定值呈遞減趨勢(shì)，并且脫空判定值變化范圍較大，不同溫度條件下測(cè)試得到的判定結(jié)果可能完全相反，圖8(a)中，“板邊/板中”值從超出脫空判定值15%變化到低于脫空判定值25%，圖8(b)中，“板角/板中”值從超出脫空判定值18%變化到低于脫空判定值32%，脫空判定由脫空變化到未脫空，由此也可看出溫度變化對(duì)于脫空判定值的影響較大。

(a)板邊彎沉/板中彎沉

為避免溫度對(duì)脫空判定的影響，對(duì)脫空判定值進(jìn)行溫度修正，經(jīng)修正后的脫空判定值見圖9。由圖9可以看出：經(jīng)過溫度修正后，“板邊彎沉值/板中彎沉值”為1.7左右，“板邊彎沉值/板中彎沉值”為2.3左右，脫空判定值均穩(wěn)定在一固定水平上，兩者脫空判定結(jié)果也保持一致?？梢钥闯鼋?jīng)溫度修正后脫空判定結(jié)果更為準(zhǔn)確真實(shí)。該結(jié)果也進(jìn)一步證明了彎沉值溫度修正的必要性、準(zhǔn)確性和有效性。

(a)板邊彎沉/板中彎沉

5 結(jié)論

通過對(duì)水泥混凝土道面FWD實(shí)測(cè)彎沉盆數(shù)據(jù)的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)板中彎沉值隨著溫度升高而增大，板邊、板角彎沉值隨著溫度升高而減小，同期板角彎沉值較板邊彎沉值大，板中、板邊、板角彎沉值受溫度影響程度逐漸增加；在文中測(cè)試環(huán)境下，25 ℃為板中、板邊、板角彎沉值變化節(jié)點(diǎn)，即溫度梯度變化節(jié)點(diǎn)。

(2)板中、板邊、板角的彎沉值離散程度均與距承載板中心的距離呈正相關(guān)，距承載板中心越遠(yuǎn)，彎沉值的變異系數(shù)越小，即受溫度影響越小。

(3)由于道面板溫度變化引起道面板變形，需結(jié)合FWD測(cè)量位置和道面板變形情況對(duì)道面板進(jìn)行彎沉測(cè)量。

(4)測(cè)試道面板板中、板邊彎沉可通過線性回歸進(jìn)行溫度修正，板角彎沉可通過二項(xiàng)回歸進(jìn)行溫度修正。為獲得相關(guān)性更好、應(yīng)用性更強(qiáng)的彎沉溫度修正關(guān)系，應(yīng)基于道面板溫度梯度進(jìn)行彎沉溫度修正。

(5)在現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)規(guī)范下，脫空判定值隨溫度的升高逐漸降低，且變化幅度較大，不同溫度下可能得到截然不同的判定結(jié)果。因此在進(jìn)行脫空判定時(shí)有必要對(duì)脫空判定值進(jìn)行溫度修正，尤其是夏季晝夜溫差較大時(shí)。

(6)對(duì)于常年高溫地區(qū)，考慮到彎沉受溫度的影響較大，周期較長(zhǎng)。彎沉的溫度影響分析及溫度修正具有重大意義。