一種基于FWD 測(cè)試的道路結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法

楊展鵬，宋 琢，楊 軍

（1.廣州市廣園市政建設(shè)有限公司，廣東廣州 510040；2.廣州市一建建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510060；3.廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)公司，廣東廣州 510520）

引言

落錘式彎沉儀檢測(cè)路面彎沉及彎沉盆（Falling Weight Deflectometer, FWD）是道路路面結(jié)構(gòu)承載力的主要檢測(cè)方法，隨著設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的實(shí)現(xiàn)，在我國(guó)道路工程界應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。其測(cè)量結(jié)果比較精確，且信息量大。與傳統(tǒng)的貝克曼梁測(cè)量彎沉相比，具有使用方便、快速、安全、節(jié)省人力、模擬實(shí)際情況施加動(dòng)態(tài)荷載，適于長(zhǎng)距離、連續(xù)測(cè)定的特點(diǎn)[2]。美國(guó)聯(lián)邦公路局經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，確認(rèn)FWD 是較好的路面承載能力動(dòng)載評(píng)定設(shè)備，并選定FWD 作為實(shí)施SHRP 計(jì)劃時(shí)路面強(qiáng)度評(píng)定的重要設(shè)備[3]。通過(guò)反分析可以確定路面各層的模量，從而對(duì)路面的各層強(qiáng)度有個(gè)清楚的了解。同時(shí)根據(jù)路面反分析結(jié)果，可以評(píng)估路面的結(jié)構(gòu)損傷[4]。

隨著計(jì)算能力提升后，迭代法的研究成為主流[5]。迭代法的搜索能力超過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)方法，但是存在迭代不收斂而無(wú)法判斷解答的情況。因路面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，模量反分析仍舊常常得出不合理的結(jié)果，據(jù)美國(guó)的LTPP 計(jì)劃的使用經(jīng)驗(yàn)只有約70%的反算結(jié)果是符合道路狀況的。

在使用過(guò)程中，路面反分析的目的有多種，例如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、道路內(nèi)部隱伏病害排查、結(jié)構(gòu)承載能力判斷等?？紤]到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，多數(shù)情況下路面反分析對(duì)路面參數(shù)的絕對(duì)數(shù)值不敏感，更加關(guān)注路面參數(shù)的相對(duì)變化。本文以應(yīng)用于道路內(nèi)部損傷的路面參數(shù)反分析為目標(biāo)，在路面模型、參數(shù)確定等方面進(jìn)行研究，提出路面參數(shù)反分析的改進(jìn)思路，為道路路面參數(shù)相對(duì)差異的反分析提供參考。

1 FWD 測(cè)試與反算原理

FWD 主要由荷載施加錘、彎沉測(cè)量裝置兩個(gè)部分構(gòu)成。荷載錘通過(guò)控制高度、重量對(duì)路面施加不同的錘擊荷載。落錘式彎沉儀測(cè)試路面時(shí)一般在離荷載點(diǎn)0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 m 處布置了傳感器。安置于路面表面的彎沉測(cè)量裝置實(shí)時(shí)測(cè)量出道路變形曲線，路面反分析通常選取各測(cè)試點(diǎn)的位移峰值作為彎沉盆數(shù)值。

采用迭代法進(jìn)行路面參數(shù)反演一般的流程見圖1所示。

圖1 路面反分析框架圖

在路面反分析中，有幾個(gè)環(huán)節(jié)較為關(guān)鍵，首先路面求解的模型可以采取層狀彈性體系模型、考慮動(dòng)態(tài)荷載效應(yīng)的路面有限元模型、考慮瀝青粘彈性的路面有限元模型。彎沉盆偏差的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)對(duì)反分析產(chǎn)生影響，如對(duì)于不同的傳感器位置數(shù)據(jù)給與權(quán)重差異，優(yōu)先擬合靠近彎沉盆中心位置的數(shù)據(jù)擬合效果。模量更新策略也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，研究者采用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要目的就是借助智能算法實(shí)現(xiàn)模量更新的隨機(jī)化與最優(yōu)化，避免陷入局部最優(yōu)解。

反分析對(duì)參數(shù)數(shù)量極度敏感，增加一個(gè)反算參數(shù)將解空間增加一個(gè)自由度。如何將路基路面實(shí)體抽象成路面模型將直接影響反分析的參數(shù)量。此外，反分析中某些參數(shù)作為已知量輸入模型，無(wú)需進(jìn)行迭代更新。但已知參數(shù)的準(zhǔn)確度對(duì)反分析結(jié)果有明顯影響，特別是結(jié)構(gòu)層厚度。

2 改進(jìn)的FWD 測(cè)試反分析方法

為提升路面結(jié)構(gòu)反分析的有效性，擬在如下方面改進(jìn)FWD 測(cè)試反分析方法。

2.1 探地雷達(dá)法檢測(cè)路面厚度

高頻探地雷達(dá)能夠穿透道路路面表層在結(jié)構(gòu)內(nèi)部各層間產(chǎn)生反射波，高等級(jí)道路的路面各層反射波分界線在探地雷達(dá)圖上接近于水平線。高頻探地雷達(dá)法探測(cè)路面各層厚度的方法如下：

（1） 在雷達(dá)圖上識(shí)別出空氣層。通過(guò)時(shí)間截?cái)嗷蛘呷斯ぷx取連續(xù)截?cái)鄷r(shí)間去除掉空氣耦合雷達(dá)測(cè)試時(shí)路面表面反算波前的信號(hào)。

（2） 基于圖像特征線、波速度估算，識(shí)別出各層界面的位置。在識(shí)別位置的特征線通過(guò)人工選點(diǎn)、自動(dòng)相位識(shí)別方法標(biāo)識(shí)出分界線，讀取分界線的聲時(shí)。通過(guò)聲時(shí)的相對(duì)變化計(jì)算出路面各層厚度的變化。各層厚度的絕對(duì)值需要通過(guò)取芯驗(yàn)證來(lái)標(biāo)定。

V=2h/ΔT（1）式中：V 為電磁波在瀝青混凝土中的傳播速度(m/ns)；h為瀝青混凝土厚度(m)；ΔT 為電磁波在標(biāo)定厚度處的雙程歷時(shí)(ns)。

從圖2 可以看出路面內(nèi)部分界線較為平緩，新建道路一般厚度的變異系數(shù)在0.1 以內(nèi)，厚度的差異對(duì)路面反分析影響極其明顯，特別是路面表層受力較為集中時(shí)，對(duì)整體彎沉盆有明顯影響。

圖2 典型路面的高頻雷達(dá)測(cè)試結(jié)果

2.2 路基路面的建模抽象方法

路基的理論模型是半無(wú)限空間體采用彈性模量進(jìn)行表征，路基彈性模量較小帶來(lái)的一個(gè)現(xiàn)象是在計(jì)算路表彎沉盆時(shí)，彎沉在遠(yuǎn)離荷載作用點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)也仍舊會(huì)有相當(dāng)?shù)臄?shù)值，這與設(shè)計(jì)的彎沉測(cè)試結(jié)果不吻合。貝克曼梁測(cè)試路面彎沉?xí)r，在貝克曼梁支撐點(diǎn)外地面的彎沉接近于零。造成理論彎沉盆歸零速度較慢的原因是路基假定較小模量與實(shí)際路基的復(fù)雜構(gòu)造不吻合。

路基表面填土經(jīng)過(guò)人工擾動(dòng)，密實(shí)度小于原狀土，模量較小。路基原狀土因未擾動(dòng)實(shí)際的模量較高。在承載板測(cè)試時(shí)主要是淺層的路基土體參與，見表1的兩個(gè)路面結(jié)構(gòu)，彎沉盆見圖3。

圖3 “軟”“硬”路面結(jié)構(gòu)彎沉盆對(duì)比

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1 中路基細(xì)分為2 層：路基表層和路基底層。在“軟”路面結(jié)構(gòu)中路基底層的模量設(shè)定為200 MPa，“硬”路面結(jié)構(gòu)中路基底面的模量設(shè)定為2 000 MPa。

圖3 中“軟”結(jié)構(gòu)在彎沉盆的5 m 位置仍舊有較大的彎沉值，變形沒有收斂，而“硬”結(jié)構(gòu)在2 m 之前就已經(jīng)達(dá)到較小的沉降值。這也說(shuō)明設(shè)定硬質(zhì)下臥層可以實(shí)現(xiàn)理論彎沉盆與實(shí)測(cè)彎沉盆在距離荷載中心處的彎沉趨勢(shì)吻合。

3 項(xiàng)目案例概況

由于下穿地鐵隧道施工影響，廣州某快速路某區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重不均勻沉降，需對(duì)該段道路進(jìn)行道路結(jié)構(gòu)狀況測(cè)試，以評(píng)估不均勻沉降發(fā)生的原因及對(duì)道路的影響。路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)見表2，典型的FWD 測(cè)試結(jié)果見表3。

表2 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 車道右一下行方向的FWD 測(cè)試結(jié)果

4 路基擾動(dòng)區(qū)域識(shí)別

為識(shí)別道路結(jié)構(gòu)的損傷，分析下穿地鐵與道路沉降之間的關(guān)系，開展對(duì)道路路面結(jié)構(gòu)模量反算。首先對(duì)道路取芯，進(jìn)行探地雷達(dá)測(cè)試，獲取路線范圍內(nèi)道路各層厚度的情況，見圖4。

圖4 探地雷達(dá)測(cè)試厚度

建立道路簡(jiǎn)化模型，設(shè)定道路各層模量的取值區(qū)間，基于彈性層狀體系理論編制程序，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)模量反算。典型的反算結(jié)果見表4。

從表4 可以看出序號(hào)4-6 的區(qū)域路基表層模量相對(duì)較小，較其余位置小一個(gè)數(shù)量級(jí)，反映出路基受到較為明顯的損傷。后期經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)路基表層模量較小位置在地鐵施工區(qū)段的斜上方。

表4 車道右一下行方向的反算結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)落錘式彎沉儀（FWD）測(cè)試路面結(jié)構(gòu)彎沉盆機(jī)理，分析路面現(xiàn)有反分析方法，提出了改進(jìn)的測(cè)試與分析方法，并通過(guò)工程實(shí)際案例驗(yàn)證了該方法的可行性。主要結(jié)論如下：

（1） 路面建模時(shí)劃分的層次過(guò)多會(huì)導(dǎo)致彎沉盆反分析路面參數(shù)問(wèn)題的不可解，出現(xiàn)未知量多余可聯(lián)立方程的情況。

（2） 將路基細(xì)分成為2 層，路基下層設(shè)置較大的模量可以避免理論彎沉盆在遠(yuǎn)離荷載中心不收斂的反?，F(xiàn)象。

（3） 采用探地雷達(dá)檢測(cè)路面各層厚度可以提高建模的準(zhǔn)確度，通過(guò)取芯驗(yàn)證標(biāo)定確定各層厚度避免同一路段均采用設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行反分析引起的誤差。