梁斌

(山西省交通科技研發(fā)有限公司， 山西 太原 030006)

1 路面結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定指標(biāo)及檢測

1.1 路面結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定指標(biāo)

路面結(jié)構(gòu)承載能力是路面抵抗荷載、水溫變化等作用的能力，取決于結(jié)構(gòu)層厚度、材料力學(xué)性能和路面損壞情況。在壽命周期內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)厚度變化基本可忽略不計(jì)，故路面結(jié)構(gòu)承載能力基本上可用結(jié)構(gòu)層材料彈性模量來評(píng)定。另外，根據(jù)材料彈性模量可預(yù)估疲勞強(qiáng)度，因而路面結(jié)構(gòu)承載能力還可用剩余疲勞壽命來評(píng)定，這對(duì)路面資產(chǎn)管理可能更實(shí)際。傳統(tǒng)上，現(xiàn)有路面材料力學(xué)性能的確定大多采用鉆孔取芯法，經(jīng)過芯樣力學(xué)試驗(yàn)確定其力學(xué)性能如彈性模量、抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度等。眾所周知，現(xiàn)場路面取芯不僅耗時(shí)耗力，如果沒有適當(dāng)?shù)慕煌刂?，還可能產(chǎn)生交通安全問題。因此，大規(guī)模進(jìn)行網(wǎng)級(jí)路面取芯檢測是不實(shí)際的。

迄今，落錘式彎沉儀(FWD)已被公路部門廣泛用于路面結(jié)構(gòu)承載能力檢測評(píng)價(jià)。該方法通過測定路表彎沉，根據(jù)彎沉反算各層材料模量。根據(jù)檢測目的，可進(jìn)一步從材料模量確定結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度和路面結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命。也就是說，借助FWD檢測，可確定運(yùn)營期路面的彎沉、彈性模量和剩余疲勞壽命3個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，其中任何一個(gè)指標(biāo)都可用于評(píng)定路面結(jié)構(gòu)的承載能力。通過大量分析比較，建議直接采用FWD荷載中心彎沉評(píng)定路面結(jié)構(gòu)承載能力，主要理由如下：1) 公路路面尤其是瀝青路面結(jié)構(gòu)均為多層結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)行的基于彎沉的模量反算方法不能提供各層模量的精確解，且對(duì)彎沉的誤差較敏感；2) 對(duì)于網(wǎng)級(jí)路面結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)價(jià)，用戶更關(guān)心的是路面整體結(jié)構(gòu)承載能力，而荷載中心彎沉不僅和各層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有關(guān)，還和路面損壞狀況有關(guān)，用其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)簡單明了。

1.2 網(wǎng)級(jí)路面FWD檢測

理論上，無論是瀝青路面多層體系，還是水泥砼路面彈性地基板理論，路表彎沉均取決于各層厚度、材料力學(xué)性能、荷載大小及其接觸和邊界條件。在現(xiàn)場FWD檢測時(shí)，瀝青材料性能和水泥砼板翹曲將受環(huán)境條件的影響。另外，現(xiàn)場路面損壞狀況將影響FWD彎沉大小。為此，建議現(xiàn)場網(wǎng)級(jí)路面FWD彎沉檢測位置取瀝青路面行車道中央或水泥砼板中心，檢測荷載和路面標(biāo)準(zhǔn)軸載一致；參照檢測溫度為20 ℃，其他溫度的彎沉換算成20 ℃彎沉。另外，沿行車方向的檢測間隔為0.5～1 km，每3年檢測一次。

2 路面結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2.1 現(xiàn)行FWD彎沉評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)JTG H20-2007《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度采用路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：a0、a1為模型參數(shù)，a0=15.71，a1=-5.19；SSI為路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)，SSI=檢測代表彎沉/路面設(shè)計(jì)彎沉。

現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)把一個(gè)客觀、可測定的參數(shù)即彎沉換算成一個(gè)虛擬的參數(shù)PSSI，實(shí)際意義不大。另外，PSSI的計(jì)算引入了一個(gè)和路面設(shè)計(jì)彎沉有關(guān)的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)SSI，這不符合水泥砼路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法。根據(jù)JTG D40-2011《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，板厚確定標(biāo)準(zhǔn)是在行車荷載和溫度梯度綜合作用下砼板不產(chǎn)生疲勞斷裂。這也進(jìn)一步說明直接采用荷載中心的FWD彎沉更符合實(shí)際。

2.2 FWD彎沉累計(jì)分布曲線

路面結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定涉及因素多，如在重交通下結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定“中”的路面，對(duì)于輕交通來說可能是“良”甚至“優(yōu)”。根據(jù)山西靈石—南關(guān)二級(jí)公路、朔州高速公路及美國高速公路和普通公路的平均實(shí)測彎沉分布(見圖1)，朔州和美國高速公路的彎沉分布曲線變化趨勢相似，且近80%的彎沉值小于0.125 mm；靈石—南關(guān)二級(jí)公路和美國普通公路的彎沉分布趨勢正好相反，前者60%以上的彎沉值大于0.25 mm，后者60%以上的彎沉小于0.120 mm。

圖1 路表實(shí)測彎沉累計(jì)分布

仔細(xì)分析圖1中曲線形狀，朔州高速公路、美國高速公路及美國二級(jí)公路的彎沉分布曲線均呈上凸形狀，而靈石—南關(guān)二級(jí)公路的彎沉分布曲線呈下凸形狀。如表1所示，靈石—南關(guān)二級(jí)公路的平均彎沉值為0.414 mm，遠(yuǎn)大于其他3條公路的平均彎沉值?，F(xiàn)場調(diào)查也表明，靈石—南關(guān)二級(jí)公路的路況很差，病害多，路面坑坑洼洼。根據(jù)以上觀察和分析結(jié)果，可推斷當(dāng)路面結(jié)構(gòu)承載能力較差時(shí)，彎沉累計(jì)分布曲線下凸；當(dāng)路面結(jié)構(gòu)承載能力較好時(shí)，彎沉累計(jì)分布曲線上凸。彎沉的累計(jì)分布曲線特征對(duì)路面養(yǎng)護(hù)維修具有一定的指導(dǎo)意義。

表1 路表實(shí)測彎沉統(tǒng)計(jì)特征值

2.3 推薦的路面結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定量化標(biāo)準(zhǔn)

美國的有關(guān)研究人員通過大量FWD現(xiàn)場檢測，提出了表2所示路面結(jié)構(gòu)承載能力的FWD彎沉評(píng)定量化標(biāo)準(zhǔn)。其中彎沉位置為荷載中心，荷載大小為40 kN，參照溫度為20 ℃。由于成本和檢測要求，中國FWD檢測主要用于項(xiàng)目級(jí)路面結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)價(jià)，網(wǎng)級(jí)路面FWD檢測及其數(shù)據(jù)均非常有限。另外，中國的標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN，相應(yīng)的一側(cè)輪載為50 kN；美國的標(biāo)準(zhǔn)軸載為80 kN，相應(yīng)的一側(cè)輪載為40 kN。為了對(duì)FWD彎沉標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行荷載換算，近似地采用圓形剛性承載板作用下的彈性半空間模型：

(2)

式中：w0為荷載中心板底彎沉；a、p分別為圓形承載板半徑及板底分布?jí)毫Γ籈、μ分別為彈性半空間體材料的彈性模量和泊松比。

從式(2)來看，荷載中心板底彎沉和荷載大小成線性關(guān)系，將標(biāo)準(zhǔn)輪載40和50 kN分別代入式(2)，得w0,50 kN=1.25w0,40 kN，從而得到推薦的路面結(jié)構(gòu)承載能力FWD彎沉評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。

表2 路面結(jié)構(gòu)承載能力的FWD彎沉評(píng)定量化標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)論

(1) 現(xiàn)場網(wǎng)級(jí)路面FWD彎沉檢測位置為瀝青路面行車道中央或水泥砼板中心，檢測荷載和路面標(biāo)準(zhǔn)軸載一致。

(2) 《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于路面結(jié)構(gòu)承載能力的評(píng)價(jià)采用虛擬的指數(shù)PSSI和SSI，而實(shí)際上這些指數(shù)是通過相對(duì)獨(dú)立的客觀參數(shù)即彎沉計(jì)算得到的，推薦直接采用FWD彎沉評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)承載能力，并提出了路面結(jié)構(gòu)承載能力的FWD彎沉評(píng)定量化標(biāo)準(zhǔn)。

(3)路面結(jié)構(gòu)承載能力較差時(shí)，彎沉累計(jì)分布曲線下凸；路面結(jié)構(gòu)承載能力較好時(shí)，彎沉累計(jì)分布曲線上凸。