FWD在開(kāi)陽(yáng)擴(kuò)建公路檢修中的應(yīng)用

洪 旋

(廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510000)

目前新時(shí)期改革開(kāi)放和國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要載體是粵港澳大灣區(qū)，環(huán)灣城市群的協(xié)同發(fā)展成為國(guó)際一流灣區(qū)的關(guān)鍵因素，其中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是促進(jìn)灣區(qū)協(xié)同發(fā)展的實(shí)施機(jī)制。截至2020年底，廣東省高速公路通車(chē)?yán)锍桃殉^(guò)9 000 Km，高速公路改擴(kuò)建處于快速發(fā)展時(shí)期。路面使用壽命一直以來(lái)都是公路質(zhì)量控制的重要標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)FWD技術(shù)對(duì)舊路病害進(jìn)行評(píng)價(jià)，快速準(zhǔn)確探測(cè)出原路表?yè)p壞狀況，科學(xué)選擇處治方案，可實(shí)現(xiàn)路面使用壽命的延長(zhǎng)。楊娥等通過(guò)分析相應(yīng)數(shù)學(xué)模型擬合條件Sigmoid函數(shù)曲線(xiàn)擬合路面彎沉盆，得出函數(shù)隨著路面性能狀況PCI的值變大而遞增，曲線(xiàn)的形態(tài)隨PCI差值變化增大而陡增的特點(diǎn)。李穎等通過(guò)分析三種不同結(jié)構(gòu)層落錘式彎沉儀與貝克曼梁兩種彎沉測(cè)試方法的對(duì)比，得出落錘式彎沉儀有較高的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。朱亞輝通過(guò)分析FWD彎沉盆特征，路面材料參數(shù)、路面結(jié)構(gòu)層層間接觸狀態(tài)等影響因素進(jìn)行分析，建立反演模型，對(duì)比驗(yàn)證出結(jié)構(gòu)層剛度系數(shù)反演精度要優(yōu)于結(jié)構(gòu)層模量的反演。高哲通過(guò)分析荷載、路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)層厚度、結(jié)構(gòu)層組合等狀態(tài)對(duì)反算模量的影響，得到影響彎沉值與反算模量的各種因素，定量分析出各因素的影響程度。楊慶振等通過(guò)分析最大彎沉值、彎沉盆面積、面層模量與土基模量的關(guān)系分析研究，得到彎沉盆曲率半徑與整體承載力、d0/d1的比值與面層模量相關(guān)性較好。李志海等通過(guò)分析了貝克曼梁與落錘式彎沉儀(FWD)在檢測(cè)瀝青混凝土路面彎沉?xí)r的相關(guān)性，得到FWD與貝克曼梁檢測(cè)數(shù)據(jù)的線(xiàn)性回歸公式。

1 工程概況

沈陽(yáng)至?？趪?guó)家高速公路開(kāi)平至陽(yáng)江段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“開(kāi)陽(yáng)高速公路”)是國(guó)高網(wǎng)G15沈(陽(yáng))至海(口)高速公路的一段，也是廣東省“十縱五橫兩環(huán)”高速公路主骨架中第五條橫線(xiàn)的一段?，F(xiàn)狀開(kāi)陽(yáng)高速公路按速度120 km/h，雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，于2002年8月動(dòng)工，2004年11月建成通車(chē)。自項(xiàng)目通車(chē)以來(lái)，開(kāi)陽(yáng)高速公路交通量增長(zhǎng)迅速，現(xiàn)狀交通量全線(xiàn)平均已達(dá)6.9萬(wàn)輛/日(折算小客車(chē))，交通擁堵現(xiàn)象日趨常態(tài)化，節(jié)假日期間尤為突出。

另外，佛開(kāi)高速謝邊至三堡段八車(chē)道改擴(kuò)建工程已于2012年12月通車(chē)，三堡至水口段八車(chē)道改擴(kuò)建工程也于2017年5月開(kāi)工建設(shè)，于2019年11月擴(kuò)建完成并通車(chē)。與之相接的開(kāi)陽(yáng)高速公路，已出現(xiàn)車(chē)流瓶頸效應(yīng)；規(guī)劃中還有高恩高速、中開(kāi)高速西延線(xiàn)、珠海至恩平高速公路西延線(xiàn)將新接入開(kāi)陽(yáng)高速。在此背景下，開(kāi)展開(kāi)陽(yáng)速的改擴(kuò)建工作非常必要，且十分迫切。改擴(kuò)建工程首要任務(wù)便是對(duì)舊路病害進(jìn)行評(píng)價(jià)，以延緩路面使用壽命的減少。

1.1 檢測(cè)路段

選取開(kāi)陽(yáng)高速公路K3252+020～K3258+360段作為對(duì)象，通過(guò)徒步觀察和測(cè)量的方式，獲得了路表?yè)p壞狀況數(shù)據(jù)。見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 路表狀況指數(shù)分布

圖2 路表狀況指數(shù)和評(píng)級(jí)比例

根據(jù)該路段路表狀況指數(shù)的結(jié)果分析，路表狀況指數(shù)評(píng)級(jí)優(yōu)良率超過(guò)90%，評(píng)級(jí)為中的比例約占8.4%，路段表面狀況表現(xiàn)優(yōu)良。

2 FWD簡(jiǎn)介

2.1 檢測(cè)設(shè)備

采用的落錘式彎沉儀(FWD)型號(hào)為PRI2100型，其技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性和可靠性達(dá)到了目前國(guó)際上路面彎沉檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展水平。其主要技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 落錘式彎沉儀設(shè)備參數(shù)表

PRI2100型FWD測(cè)速快，所測(cè)彎沉絕對(duì)精度小于2%±2 μm，相對(duì)精度為1%±1 μm。設(shè)備的分辨率為1 μm(對(duì)彎沉值)。所測(cè)荷載精度為小于2%±0.3 kN。分辨率為(對(duì)荷載)0.03～0.2 kN，大小由荷載幅值確定。并較好地模擬了行車(chē)荷載的動(dòng)力作用，目前被認(rèn)為是較為理想的路面無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。

2.2 檢測(cè)原理

采用落錘式彎沉儀(FWD)測(cè)定路面動(dòng)態(tài)彎沉，其工作原理是FWD通過(guò)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。荷載的大小可通過(guò)改變錘重和高度在相當(dāng)大的范圍內(nèi)調(diào)整。路面的變形由9個(gè)傳感器測(cè)定。

2.3 檢測(cè)方法

落錘式彎沉儀檢測(cè)對(duì)單幅按車(chē)道依次采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，全部覆蓋兩個(gè)行車(chē)道，落錘式彎沉儀的檢測(cè)按5 m/點(diǎn)的頻率等距采集超車(chē)道及主車(chē)道彎沉數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果及分析

根據(jù)FWD實(shí)測(cè)的彎沉數(shù)據(jù)，通過(guò)廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司自主開(kāi)發(fā)的FWD彎沉模量反算程序“DeflectionBasinLiteUI”，直接反算得到不同路段路面結(jié)構(gòu)各個(gè)結(jié)構(gòu)層的回彈模量數(shù)據(jù)。依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)計(jì)算瀝青混凝土路面尚能承受的累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)，結(jié)合開(kāi)陽(yáng)高速公路交通量發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)估現(xiàn)瀝青混凝土路面剩余壽命。

3.1 轉(zhuǎn)換貝克曼梁

對(duì)開(kāi)陽(yáng)高速公路K3252+020～K3258+360段的彎沉檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總分析。

圖3 K3252+020～K3258+360段彎沉分布

圖4 K3252+020～K3258+360段彎沉分布

從開(kāi)陽(yáng)高速公路K3252+020～K3258+360段的彎沉檢測(cè)結(jié)果可知，該路段整體彎沉結(jié)果整體較好，換算貝克曼梁彎沉值小于27(0.01 mm)的比例占到97%以上，換算貝克曼梁彎沉值大于30(0.01 mm)的比例為0%。

3.2 反算結(jié)構(gòu)層模量

采取模量反算方法對(duì)路面結(jié)構(gòu)的模量進(jìn)行反算，模量反算方法采用肖寧道路自主研發(fā)的在線(xiàn)模量反算軟件。得到不同結(jié)構(gòu)層模量結(jié)果。

圖5 K3252+020～K3258+360段面層模量分布

整體上來(lái)看，各個(gè)結(jié)構(gòu)層的模量結(jié)果在行車(chē)方向上的均勻性較好，變異系數(shù)除瀝青面層受溫度的影響較大而稍微偏大(25%)以外，其他結(jié)構(gòu)層的模量結(jié)果變異性均小于20%，土基的變異性最小為12%。

圖6 K3252+020～K3258+360段基層模量分布

圖7 K3252+020～K3258+360段底基層模量分布

圖8 K3252+020～K3258+360段土基模量分布

各個(gè)結(jié)構(gòu)層的模量結(jié)果在行車(chē)方向上的均勻性較好，面層模量均值為3 508 MPa(測(cè)試路面溫度為60 ℃)，基層模量均值為8 756 MPa，底基層模量為2 971 MPa，土基模量為150 MPa，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50-2017的相關(guān)規(guī)定，路面尚可承受的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)約為6×106次。

4 結(jié) 論

(1)單純依靠中心彎沉結(jié)果對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行判定不能完全反映路面結(jié)構(gòu)的狀況，結(jié)合反算路面結(jié)構(gòu)層模量來(lái)綜合判斷路面缺陷結(jié)構(gòu)是有效的方法。

(2)各個(gè)結(jié)構(gòu)層的模量結(jié)果在行車(chē)方向上的均勻性較好，面層模量均值為3 508 MPa(測(cè)試路面溫度為60 ℃)，基層模量均值為8 756 MPa，底基層模量為2 971 MPa，土基模量為150 MPa。

(3)路面尚可承受的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)約為6×106次。