用FWD分析路面結構

1、用FWD分析路面結構西澤辰男* 阿部長門*摘要：在路面結構分析中,準確評價路面結構是重要的，作為非破壞性的路面評價設備有落錘式 彎沉儀(FWD)。由FWD測定彎沉值和彎沉盆形狀評價路面結構安全性，需先判定FWD測定中的誤差，由 FWD測定的彎沉值反求各層彈性模量，使之在同一區(qū)間內(nèi)大體相近,不同區(qū)間路面使用壽命差異較大。關鍵詞：FWD 彎沉測定反算分層彈性模量變異系數(shù)路面壽命*:石川工業(yè)?？茖W校環(huán)境都市工程系教授，工學博士。* :東亞道路工程有限公司技術部工學博士。、夕刖 言判斷路面結構現(xiàn)在處于什么樣的狀態(tài)，預測今后的變化，在路面管理中是十分重要 的。為了預測包含面層的整個鋪裝層的狀態(tài)，有必要正

2、確評價現(xiàn)有的路面結構。評價路 面結構的安全性有不同的方法，但作為非破壞性評價最現(xiàn)實的方法是測定彎沉。路面彎 沉值，反映了路床、基層、面層整體的結構承載性能FWD(Falling Weight Deflectometer) 采用相當于交通荷載作用快速測定彎沉的設備被開發(fā)，成為測定路面彎沉的世界標準設 備。雖然通常的FWD采用與交通荷載大小相對應的荷載，但也利用荷載水平較低的手持 式小型FWD測定彎沉。用FWD評價路面結構的目的是：掌握某一區(qū)間內(nèi)路面結構的整體狀況；發(fā)現(xiàn)區(qū)間內(nèi)的異常路段；選擇破損路段的維修工藝；向設計方反饋現(xiàn)場實績。第，通過將長區(qū)間內(nèi)的實測彎沉值和設計標準值進行比較，判定區(qū)間整體的

3、安全 性和路面結構修復的必要性，采用道路網(wǎng)水平作為評價的基礎資料。為此需進行基于彎 沉偏差的統(tǒng)計分析，還應通過反算方法求分層彈性模量，根據(jù)疲勞破壞標準計算路面剩 余壽命，可進行未來的路面結構評價。第，確定較該路段平均彎沉異常大的路段，編制出依據(jù)彎沉水平制定的維修計劃。第，確定路面結構破壞直接的原因，得出采用何種維修規(guī)模的分析資料，確認維 修后路面結構的恢復程度。第，從路面狀況和反算求出各鋪裝層的彈性模量和路床承載力的關系，驗證設計 中采用的各種參數(shù)的合理性，作為調(diào)整路面設計的分析資料。所謂“反算”就是依據(jù)荷載和彎沉值推算路面結構各層的彈性模量。向設計方反饋FWD數(shù)據(jù)，不僅要作FWD彎沉 測定，

4、還要進行路面狀況調(diào)查，同時應收集路面斷面、交通量、路面病害等基礎數(shù)據(jù)。 為了確認使用過程中的變化，進行長期觀測調(diào)查是必要的。為了進行路面結構評價，有必要事先理解FWD測定彎沉值的數(shù)理統(tǒng)計性質。本文根 據(jù)瀝青路面和水泥路面的實測數(shù)據(jù)，介紹由FWD測得的彎沉數(shù)據(jù)的統(tǒng)計性質。1、瀝青路面的結構評價采用瀝青路面試驗路段的彎沉數(shù)據(jù)，根據(jù)彎沉水平或彈性模量考慮其中可靠度因素， 進行路面使用壽命評價的比較分析。這里的分析數(shù)據(jù)，是依據(jù)圖-1所示的設計交通量“C 級”，設計CBR12%的瀝青路面結構得到的。在試驗路1,140m路段測得的彎沉縱斷面如圖 -2所示。本路段雖然采用49kN荷載(錘重)進行測定，但因路

5、床和路基結構強度高，因此 距荷載點1,500mm、2,000mm位置的彎沉很小，受此影響，荷載點下體現(xiàn)路床和路面結構 整體強度評價指標的彎沉值，也較通常瀝青路面小得多。瀝青面層瀝青穩(wěn)定處理基層級配碎石底基層瀝青面層瀝青穩(wěn)定處理基層級配碎石底基層圖-1瀝青試驗路路面結構斷面圖C交通，設計CBR12%(單位：mm)圖-2試驗路面的彎沉縱斷圖m圖-2試驗路面的彎沉縱斷圖m值 沉 彎距離(mm)采用這些彎沉數(shù)據(jù)，使用反算程序(BALM99)求出路面各層的彈性模量，根據(jù)反算法 求得的每一測點的分層彈性模量如圖-3所示。圖-3反算求得各層彈性模量變動圖里模性彈-S8isffir律理言2i S=?一 is

6、圖-3反算求得各層彈性模量變動圖里模性彈-S8isffir律理言2i S=?一 is =-,4saRMJIK君 sIKEM=m_=_ 髯 smhs i笛一二sas-xlw _=|以=眼.三招 .siw.s分析各層彈性模量，可見不少路段路床彈性模量高于級配碎石的彈性模量，瀝青面 層和瀝青穩(wěn)定處理基層的彈性模量和路床、底基層級配碎石彈性模量相比變化較小，因 而試驗路段結構強度的變化可按路床和底基層考慮。為了研究模量變化的影響，采用以下四種彈性模量，依據(jù)瀝青混合料底部拉應變得 到的疲勞破壞關系式，進行49kN容許輪數(shù)的比較分析，四種彈性模量如下：采用全部測點彎沉的平均值反算的平均彈性模量。用彎沉平均

7、值+1.28。(o為彎沉標準差)的彎沉代表值反算“代表彎沉彈性模量”。用各點彎沉值反算每點的彈性模量平均值，得出“平均彈性模量”。由、得出的平均彈性模量-1.28。(。為彈性模量標準偏差)得出的“代表彈性 模量”，可看出由全部測點彎沉平均值反算的彈性模量和各測點反算得出的彈性模量有何 不同，此外從和的結果，可看出偏差的影響。用上述四種方法算出的彈性模量，按多層彈性體系設計程序(GAMES2.3)計算出瀝青 穩(wěn)定處理底面拉應變，由該拉應變按路面設計施工指南所述的疲勞破壞關系式，算 出49kN容許輪數(shù)(譯注：即10t軸載的容許累計軸載數(shù))如表-1所列：表-1 4種彈性模量和應變值計算的49kN容許

8、輪數(shù)表彈性模量類型彈性模量(MPa)平均彎沉彈性模量代表彎沉彈性模量平均彈性模代表彈性模量瀝青面層9,2006,5008,410彈性模量類型彈性模量(MPa)平均彎沉彈性模量代表彎沉彈性模量平均彈性模代表彈性模量瀝青面層9,2006,5008,410瀝青穩(wěn)定處理底基層+路床6,3007,7504,1505,3256,1107,2606,1884,228瀝青穩(wěn)定處理底面應變(X10-6)63.311258.25,208114容許輪數(shù)(X106)18.83.8224.83.62從計算結果可知，瀝青層平均彎沉彈性模量和的平均彈性模量幾乎相同，用該值算出的瀝青穩(wěn)定處理層底面拉應變也大體相同。此外考慮了

9、區(qū)間變化因素計算出的 代表彎沉彈性模量和的代表彈性模量算出的變形水平也顯示了相同的傾向。由此可知， 由全部彎沉平均值反算得到的彈性模量平均值及其代表值，與按各測點每個彎沉反算得 到的彈性模量的平均值及其代表值間沒有看出大的差異。因而作為評價全路段時的彈性 模量計算方法，無論采用全部彎沉平均值或每個測點彎沉值均可。但從表-1可知，在各種方法中，容許49kN輪數(shù)的計算值采用和的彈性模量的平 均值和采用考慮全路段變異因素的代表值時存在大的差異，可見兩者49kN容許輪數(shù)的比 值，采用的平均彎沉彈性模量計算結果是用代表彎沉彈性模量算出的結果5倍以上; 用平均彈性模量算出的結果，是用(4)的代表彈性模量算

10、出結果7倍以上。因此若對全 路段的變化不作正確的評價，算出的路面使用壽命就出現(xiàn)很大的差誤，因而當路段由FWD 測定值變化大時，因為采用彈性模量平均值評價偏于很不安全。因此在使用壽命計算中， 應充分考慮彈性模量的變化。2、水泥混凝土路面的結構評價對水泥混凝土路面，探討新鋪路段FWD測定值的變化。新鋪路段FWD的變化是以水泥 混凝土路面結構的變化和路面類型變化為基礎的，本次進行FWD測定的現(xiàn)場，是櫪木縣 黑磯市一般國道4#黑磯繞越十道改建工程，該現(xiàn)場有已使用25年的老水泥混凝土路面， 也有道路改建中新鋪的路面，對兩類路面進行FWD檢測，詳細資料請參閱參考文獻。其 中新鋪水泥混凝土面板厚30cm，瀝

11、青中間層4cm，粒料基層15cm，橫縫間距10cm，接縫 處設置傳力桿。圖-4為所測彎沉值變化圖，在荷載作用下，D。點彎沉最大，距荷載點越 遠彎沉值越小，彎沉值在檢測路段內(nèi)變化，其變化在檢測路段中一定的長度范圍內(nèi)有一 定的規(guī)律。A-1 A-2 A-31 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73測定點圖-4 A1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73測定點圖-4 A區(qū)間內(nèi)FWD彎沉變化圖o O 5

12、O o O 5 O 020 0 2 3 4 6 9 1 DDDDDDD0.1000.0500.000按AASHTO提出的方法，將A路段分為NO.1 NO.43(A-1) ,NO.44NO.70(A-2),NO.71NO.74(A-3)三個區(qū)間，分別將該路段每個區(qū)間的總彎沉值、彎沉相近區(qū)間的平均彎沉值、標準差、變異系數(shù)等匯列于表-2中。該路段全段D0彎沉平均值為0.101mm，而A-1、A-2、 A-3區(qū)間分別為0.111mm、0.078mm、0.149mm，可看出其中差異。此外D0變異系數(shù)A區(qū)間 全段為 0.249, A-1、A-2、A-3 區(qū)間則較小，分別為 0.159、0.129、0.18

13、1。表-2全路段和彎沉相近路段平均彎沉值、標準偏差、變異系數(shù)匯總表DQD anD snD D D onD nn全路段平均(mm)0.1010.0960.0920.0870.0820.0710.062標準偏差(mm)0.0250.0260.0260.0260.0250.0240.022變異系數(shù)0.2490.2700.2840.2920.3050.3410.354A-1區(qū)間平均(mm)0.1110.1060.1020.0970.0920.0800.070標準偏差(mm)0.0180.0180.0180.0180.0180.0170.015變異系數(shù)0.1590.1730.1790.1870.1930

14、.2130.221A-2區(qū)間平均(mm)0.0780.0730.0680.0640.0590.0490.042標準偏差(mm)0.0100.0110.0110.0100.0090.0090.008變異系數(shù)0.1290.1480.1560.1520.1540.1790.186A-3區(qū)間平均(mm)0.1490.1480.1430.1360.1310.1180.103標準偏差(mm)0.0270.0270.0280.0300.0290.0280.026變異系數(shù)0.1810.1850.1940.2170.2220.2380.252圖-5為各接縫部位的荷載傳遞率圖，由于設置接縫，荷載側混凝土板的彎沉和

15、非荷 載板相比，荷載傳遞率高時，作用在荷載作用板上的荷載向其他板傳遞荷載能力強，發(fā) 生在混凝土中應力較小，從圖中可知，若荷載傳遞率達到7090%的高值，變異系數(shù)穩(wěn)定 在8%左右，由于該路段為新鋪路面，可認為全部接縫均是完好的，因此可以說正確設置 傳力桿的接縫荷載傳遞率平均約90%，變異系數(shù)為8%?；炷涟寰幪枅D-5各接縫荷載傳遞率圖采用路面彈性模量反算程序(BALM99)進行反算，得到混凝土板、瀝青混合料中間層、基層、路床的彈性模量值匯列于表-3。表-3全路段和彎沉相近路段平均回彈模量、標準偏差、變異系數(shù)匯總表水泥混凝土板| 瀝青層SM路床全區(qū)間平均(mm)5.30E+047.74E+031.

16、11E+034.00E+02標準偏差(mm)9.62E+031.37E+034.11E+021.56E+02變異系數(shù)1.82E-011.77E-013.69E-013.89E-01A-1區(qū)間平均(mm)5.58E+047.02E+038.82E+023.15E+02標準偏差(mm)1.01E+047.29E+022.08E+028.68E+01變異系數(shù)1.81E-011.04E-012.36E-012.75E-01A-2區(qū)間平均(mm)4.83E+049.20E+031.57E+035.73E+02標準偏差(mm)7.15E+031.03E+032.83E+028.46E+01變異系數(shù)1.48

17、E-011.12E-011.80E-011.48E-01A-3區(qū)間平均(mm)5.38E+046.37E+037.31E+022.26E+02標準偏差(mm)8.48E+033.36E+021.34E+029.37E+01變異系數(shù)1.58E-015.27E-021.83E-014.15E-01若從全路段分析，材質均勻的混凝土面板和瀝青混合料中間層模量的變異系數(shù)較小， 基層和路床則相當大，特別是路床模量越小的比例越大。變異系數(shù)中瀝青中間層最小， 路床最大，也就是說如果路床性能相同，則路面整體的變異系數(shù)就小。3、結語為了用FWD進行路面結構的評價，考慮測定值的變異性是重要的。這種變化對確定 路面使用壽命有很大影響，為了了解變化規(guī)律，需要有較多的檢測數(shù)據(jù).此外新鋪路面FWD 彎沉值的差異雖較小，但由于交通荷載對路面的影響，彎沉