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        基于落錘式彎沉儀的水泥混凝土機(jī)場道面彎沉檢測

        2020-08-05 12:19:08陳婷婷張曉萌韓文揚(yáng)
        山東交通科技 2020年3期
        關(guān)鍵詞:水泥板落錘道面

        陳婷婷,張曉萌,韓文揚(yáng)

        (山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250031)

        引言

        利用貝克曼梁法測出的回彈彎沉是靜態(tài)彎沉,自動彎沉儀檢測彎沉?xí)r,因?yàn)槠囆羞M(jìn)速度很慢,所測得的彎沉也接近靜態(tài)彎沉。為了模擬汽車快速行駛的實(shí)際情況,不少國家開發(fā)了動態(tài)彎沉的檢測設(shè)備,落錘式彎沉儀(Falling Weight Deflectometer,簡稱FWD)可模擬行車作用的沖擊荷載下的彎沉測量,并利用計(jì)算機(jī)自動采集數(shù)據(jù),速度快,精度高。近年來,采用落錘式彎沉儀測定路面的動態(tài)彎沉,并用來反算路面的回彈模量[1-3],已成為世界各國道路界的熱門課題。這種設(shè)備特別適用于高等級公路路面和機(jī)場的彎沉量測定和承載力評定,落錘式彎沉儀是目前國際上最先進(jìn)的路面強(qiáng)度無損檢測設(shè)備之一。

        1 落錘彎沉儀的水泥路面無損彎沉檢測原理

        FWD通過計(jì)算機(jī)控制下的液壓系統(tǒng)提升并下落一重錘,對路面施加脈沖荷載,見圖1。荷載的大小通過改變錘重和提升高度可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)調(diào)整,并通過剛性圓盤作用到路基上。路面的變形由9個(gè)傳感器測定。FWD測速快(每測點(diǎn)約40 s),精度高(分辨率為1μm),并較好地模擬了行車荷載的動力作用,目前被認(rèn)為是較為理想的道路無損檢測設(shè)備。特別是FWD能夠準(zhǔn)確測定多點(diǎn)彎沉,從而為道路結(jié)構(gòu)反算分析提供了基礎(chǔ)。根據(jù)FWD多點(diǎn)彎沉檢測結(jié)果反算道路結(jié)構(gòu)各層模量見圖2。該FWD傳感器從加載中心向外的排列見表1。

        表1 傳感器距離加載中心距離

        圖1 FWD系統(tǒng)構(gòu)成

        圖2 FWD多點(diǎn)彎沉檢測結(jié)果反算道路結(jié)構(gòu)各層模量

        2 水泥道面彎沉檢測評定方法

        2.1 水泥道面模量演算方法

        彎沉檢測采用的落錘式彎沉儀—FWD,宜選擇間距為0.30 m,距離荷載中心1.50 m范圍內(nèi)各個(gè)傳感器的彎沉計(jì)算彎沉盆面積指數(shù)Aw:

        式中:Aw—用于道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演的彎沉盆面積指數(shù);s—傳感器之間的間距,取值0.3 m;d0—荷載中心處彎沉值,m;di—第i個(gè)傳感器的彎沉值,m。

        由彎沉盆面積指數(shù)Aw查圖3確定道面結(jié)構(gòu)的相對剛度半徑1。如果Aw超出圖3中的取值范圍,可由Aw與1之間的多項(xiàng)式回歸公式:

        式中:l—道面結(jié)構(gòu)的相對剛度半徑,m;Aw—用于道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演的彎沉盆面積指數(shù),m;ai—回歸系數(shù),取值見表2。

        表2 彎沉盆面積指數(shù)Aw與相對剛度半徑1多項(xiàng)式回歸系數(shù)

        圖3 彎沉盆面積指數(shù)Aw與道面結(jié)構(gòu)相對剛度半徑關(guān)系

        計(jì)算基層頂面的反應(yīng)模量K。式中的彎沉系數(shù)是與道面結(jié)構(gòu)相對剛度半徑l有關(guān)的單調(diào)遞減函數(shù),可查《民用機(jī)場道面評價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》(MHT 5024-2009)。

        式中: K—基層頂面的反應(yīng)模量,MN/m;q—

        FWD測試承載板接地應(yīng)力,MPa;r —FWD測試承載板半徑,取值為0.15 m;(l)—荷載中心位置處的彎沉系數(shù),m;按照圖4或者公式(4)計(jì)算;d0—荷載中心處彎沉值,m。

        表3 相對剛度半徑l與荷載中心位置處彎沉系數(shù)(l)的多項(xiàng)式回歸系數(shù)

        表3 相對剛度半徑l與荷載中心位置處彎沉系數(shù)(l)的多項(xiàng)式回歸系數(shù)

        b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8-0.2 2.0 -8.9 21.8 -31.1 26.1 -12.1 2.5

        圖4 道面結(jié)構(gòu)相對剛度半徑1與荷載中心處彎沉系數(shù)關(guān)系

        按式(5)計(jì)算水泥混凝土板的彈性模量Er,如道面結(jié)構(gòu)為水泥混凝土道面上加鋪瀝青混凝土或者加鋪水泥混凝土等復(fù)合道面所計(jì)算的彈性模量應(yīng)作為復(fù)合道面的綜合彈性模量,用于道面結(jié)構(gòu)承載能力的分析與評價(jià)[4-5]。

        式中:Er—水泥混凝土板的彈性模量,GPa;μ—水泥混凝土材料的泊松比,取值為0.15;K—基層頂面的反應(yīng)模量,MN/m3;l—道面結(jié)構(gòu)的相對剛度半徑,m;h—道面結(jié)構(gòu)的有效厚度,m。

        2.2 水泥板角脫空判斷方法

        脫空判斷采用截距法,它是由NCHRP研究中心建立的方法,目前被認(rèn)為是一種比較理想的脫空檢測方法,利用FWD對水泥混凝土路面施加分級荷載,見表4,然后利用荷載板中心的彎沉與相應(yīng)的分級荷載畫出荷載彎沉圖,見圖5,利用回歸分析做出荷載彎沉的線性回歸曲線,通過回歸直線的截距來判斷脫空情況。如果線性回歸曲線在彎沉軸的截距大于50 μm則認(rèn)為板底存在脫空,否則認(rèn)為板底不存在脫空。

        圖5 截距法計(jì)判定脫空

        表4 分級加荷載及數(shù)據(jù)

        3 應(yīng)用實(shí)例

        3.1 檢測概況

        某機(jī)場跑道水泥道面進(jìn)行彎沉檢測,檢測采用丹麥Carbro公司的落錘式彎沉儀—FWD PRIMAX1500,通過逐級加載,檢測道面水泥板塊的脫空率及水泥板塊的承載能力,為道路改造維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6]。

        3.2 數(shù)據(jù)采集及分析

        3.2.1 水泥路面板模量演算結(jié)果

        依據(jù)現(xiàn)場病害情況選取4塊水泥板進(jìn)行板中測試,病害及選點(diǎn)見圖6,演算得到路面板模量,見表5。

        圖6 病害板及選點(diǎn)

        表5 水泥路面板模量演算結(jié)果

        依據(jù)表5,板5~6模量演算結(jié)果顯示較好,板7~8模量演算結(jié)果顯示狀況較差。

        3.2.2 水泥板角脫空判斷

        脫空判斷采用截距法,施加的三級荷載分別為990 kPa、1 273 kPa、1 556 kPa,利用回歸分析做出荷載-彎沉的線性回歸曲線,通過回歸直線的截距來判斷脫空情況。水泥板選擇4塊進(jìn)行檢測,分析結(jié)果見表6,可見在板4處出現(xiàn)一處脫空現(xiàn)象。

        表6 水泥板脫空檢測結(jié)果

        4 結(jié)語

        (1)機(jī)場道面板板底脫空形成的原因:兩層水泥道面板間存在因?yàn)榻涤甑纫蛩卮媪舻乃?,在飛機(jī)起降過程中板體承受較大的壓力,同時(shí)也使得板間存留的水存在較強(qiáng)動水壓力。飛機(jī)往復(fù)起降使板體間動水反復(fù)沖刷水泥板體底部,較強(qiáng)的動水壓力破壞了水泥板底膠凝材料與集料間的結(jié)合,從而使得水泥板體底部失去強(qiáng)度,集料逐漸被剝離帶出,從而形成了一定的脫空。(2) 機(jī)場道面板板角斷裂成因:因?yàn)榘弩w的脫空,使得道面水泥板底部的承載能力顯著降低,進(jìn)而飛機(jī)荷載作用下,板體受力不均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中往往存在于板底脫空與非脫空位置之間的界面上,因此,脫空板體在飛機(jī)荷載作用下產(chǎn)生的板角應(yīng)力集中造成了板角斷裂。

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