吳文亮，趙為天，熊春龍

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 5106401；2.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司)

落錘式彎沉儀(FWD)是20世紀70年代末開發(fā)的道路無損檢測設(shè)備，對于機場水泥混凝土道面，通常使用FWD測量彎沉。FWD通過作用在承載板上的落錘向路面施加脈沖荷載，根據(jù)測得的彎沉及彎沉盆對路面結(jié)構(gòu)性能進行評價。受機場測試條件和測試手段限制，當前國內(nèi)外在溫度對水泥混凝土道面彎沉值影響方面的研究并不多，且現(xiàn)行規(guī)范也沒有明確FWD彎沉測試的準確位置以及測試時的溫度對彎沉值的影響，不同溫度時水泥混凝土脫空判定變化規(guī)律的研究也相對較少。華南地區(qū)地處亞熱帶季風氣候區(qū)，晝夜溫差變化較大，受溫度影響，道面彎沉值會隨之發(fā)生變化。為探究道面彎沉值受溫度影響的具體變化規(guī)律，該文分析華南地區(qū)某機場西跑道道面在不同溫度下的實測彎沉盆數(shù)據(jù)，探究在溫度變化影響下水泥混凝土道面實測彎沉值的變化規(guī)律以及伴生的脫空判定變化規(guī)律，為水泥混凝土道面彎沉的合理測試及脫空判定提供參考。

1 方法和設(shè)備說明

FWD彎沉測量方法是基于由落錘引起的道面響應(yīng)的測量和確定，落錘可模擬由飛機對道面施加的瞬時沖擊作用。荷載通過一定重量的落錘從給定的高度落下引起，并可以通過橡膠減震器調(diào)節(jié)脈沖持續(xù)時間。荷載由承載板傳遞給道面結(jié)構(gòu)，這樣測量得到道面因荷載作用產(chǎn)生的豎向變形，即彎沉。

在華南某機場西跑道選取1段水泥混凝土道面，長約20 m，機場道面結(jié)構(gòu)見圖1，在不同時間段即不同溫度下分別對板中、板邊、板角進行彎沉測試?，F(xiàn)場彎沉測試采用的設(shè)備為PRI 2100 FWD，承載板直徑為30 cm，測試荷載級位為140 kN，共布設(shè)9個傳感器，傳感器具體布置如圖2所示。

圖1 機場道面結(jié)構(gòu)圖

圖2中D1為荷載中心彎沉值；D7為距承載板中心1 500 mm處的傳感器彎沉值，表征路基狀況；D1-D5為距承載板中心900 mm處的彎沉值和中心彎沉值之差，表征底基層狀況。

圖2 傳感器布置圖(單位：mm)

2 彎沉盆的溫度影響分析

2.1 測試溫度影響

為獲得機場道面彎沉在溫度影響下的變化規(guī)律，通常需要得知道面實測彎沉盆所處的道面板具體溫度梯度情況，但受機場道面現(xiàn)場測試條件限制，無法在水泥混凝土道面內(nèi)部埋設(shè)溫度傳感器獲取道面板內(nèi)部溫度情況，因此通過道面彎沉隨道面板表面溫度變化情況來判斷道面板所處溫度梯度。測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出：

(a)板中彎沉值

(1)在檢測時間段內(nèi)，道面板表面溫度處于25 ℃時，道面板溫度梯度接近于零，道面板表面溫度為17～25 ℃時，道面板處于負溫度梯度，道面板表面溫度為25～38 ℃時，道面板處于正溫度梯度。其中17 ℃時負溫度梯度最大，38 ℃時正溫度梯度最大。

(2)道面板處于負溫度梯度時，板中彎沉值較小，且板中彎沉值變化幅度幾乎為零，穩(wěn)定在一個固定的彎沉值水平。但從道面板表面溫度上升至25 ℃即道面板處于零或正溫度梯度開始，板中彎沉值隨溫度升高逐漸增大。

(3)與板中彎沉值相反，板邊彎沉值在道面處于負溫度梯度時處于較高水平，隨著道面板表面溫度的上升，板邊彎沉值逐漸降低，到道面板表面溫度上升至25 ℃，道面板處于零或正溫度梯度時，板邊彎沉值最終穩(wěn)定在一固定水平上。

(4)板角彎沉值隨道面板表面溫度的變化規(guī)律與板邊彎沉值一致。在道面板處于正溫度梯度時相對穩(wěn)定，隨著溫度下降至25 ℃，道面板處于負溫度梯度時，板角彎沉值開始驟降。不同的是，板角彎沉值較同期板邊彎沉值大30%～45%，且板角彎沉值隨溫度的變化規(guī)律更劇烈(表1、2)。

表1 道面板板中、板邊、板角彎沉值變異系數(shù)

從圖3及表1可以看出：板中、板邊、板角的彎沉值離散程度均與距承載板中心的距離呈正相關(guān)，距承載板中心越遠，彎沉值的變異系數(shù)越小，即受溫度影響越小。離承載板中心越近，彎沉值越大，變異系數(shù)越大，可以看出其受溫度影響越明顯。同時，板中、板邊和板角彎沉值均在道面板表面溫度高于或低于25 ℃時發(fā)生劇烈變化，由此可看出，在檢測時間段內(nèi)，道面板表面溫度25 ℃是一個重要的溫度節(jié)點。

由表2可以發(fā)現(xiàn)：板中、板邊、板角彎沉值受溫度影響程度逐漸增加，板中彎沉值隨溫度升高而增大，增加幅度為11%～21%，板邊、板角彎沉值皆隨溫度升高而減小，幅度分別為15%～27%和14%～32%；同時，隨著距承載板中心距離的增加，各傳感器彎沉值隨溫度升高變化幅度大小總體呈遞減趨勢。

表2 道面板板中、板邊、板角彎沉值隨溫度升高(17～38 ℃)的變化幅度

板中、板邊、板角彎沉值之所以會隨著溫度的變化出現(xiàn)不同的變化規(guī)律，其影響機理主要是：白天日照強烈時，道面板表面溫度要高于道面板底溫度，道面板處于正溫度梯度，此時道面板會略微拱脹，道面板局部與基層不再接觸，從而在板底形成暫時性的脫空，測得的中心彎沉值也會因此增大，又由于道面板的拱脹，道面板接縫間隙減小，牽制了道面板的翹曲，所以此時測得的道面板邊、板角彎沉值較小。而在夜間時，道面板表面溫度要低于道面板底溫度，道面板處于負溫度梯度，因此道面板周邊發(fā)生翹曲，此時測得的板邊、板角彎沉就會偏大，而此時道面板板中處緊貼基層，所以測得的板中彎沉值不會有較為明顯的變化。

2.2 測試位置影響

由上可知，隨著溫度的變化，即道面板處于正或負溫度梯度時，道面板會發(fā)生變形，由此對道面板實測彎沉值產(chǎn)生影響。因此，F(xiàn)WD在道面板上的測量位置也尤為重要，通常來說，F(xiàn)WD承載板不應(yīng)該放在混凝土板的幾何中心，而應(yīng)該是將FWD整體放置在被測板塊的中心區(qū)域，這樣承載板和最后一個傳感器都距離接縫至少0.5 m，避免了最邊緣傳感器彎沉值數(shù)據(jù)失真。需要注意的是，如果FWD彎沉測量結(jié)果被用于計算每個結(jié)構(gòu)層的彈性模量，承載板和測試梁需放在沒有任何裂縫和接縫的道面板上。承載板放置位置的影響見圖4～6。

圖4 放置在道面板中心區(qū)域的FWD-負溫度梯度

圖5 承載板放置在道面板幾何中心的FWD-負溫度梯度

圖6 放置在道面板中心區(qū)域的FWD-正溫度梯度

從圖4～6可見：道面板處于負溫度梯度時，道面板邊緣發(fā)生翹曲。此時進行板中彎沉測量應(yīng)該將FWD放置在道面板中心區(qū)域，若將FWD承載板放置在道面板幾何中心則會使邊緣傳感器處于道面板邊緣翹曲部分，造成彎沉數(shù)據(jù)失真。同樣地，在白天日照強烈溫度較高，道面板整體處于正溫度梯度發(fā)生拱脹時，進行板中彎沉值測量，測得的板中彎沉值會偏大。

由此可見，在進行道面板彎沉測量時，F(xiàn)WD放置的位置不同會造成彎沉值的變化，同時道面板處于正或負溫度梯度也會造成板中、板邊或板角彎沉值的失真，因此需結(jié)合FWD測量位置和道面板變形情況對道面板進行彎沉測量。同時建議在道面板處于零或小的負溫度梯度下進行彎沉測量，此時獲得的彎沉數(shù)據(jù)能更契合實際且保守地對道面性能做出評價。

3 實測彎沉值的溫度修正

考慮到實際不能在固定某一時間段某一溫度梯度下進行彎沉值測量，所以有必要對在不同時刻測量得到的彎沉值進行溫度修正，以獲得正確的彎沉值，從而對道面性能和結(jié)構(gòu)強度、剛度作出更準確的評價。

從圖3可以看出：板中、板邊、板角彎沉值在道面板表面溫度25 ℃左右都保持在較穩(wěn)定的水平，即此時道面板溫度梯度接近于零，因此以道面板表面溫度25 ℃作為標準溫度，將其他處于正、負溫度梯度下的實測彎沉值換算為零溫度梯度下的標準彎沉值。

根據(jù)實測得到的板中、板邊、板角代表彎沉值，通過Origin建立起實測彎沉值與道面板表面溫度的回歸關(guān)系。需要注意的是，道面板表面溫度25 ℃是一個臨界點，板中、板邊、板角彎沉值在道面表面溫度小于25 ℃或大于25 ℃時，彎沉值變化幅度均極小，僅3%左右，所以對于板中彎沉，只對道面板表面溫度25 ℃以上溫度實測彎沉值進行溫度修正，板邊、板角彎沉只對道面板表面溫度25 ℃以下實測彎沉值進行溫度修正。此外，根據(jù)圖1，考慮到1、5、7這3個傳感器彎沉值所具有的代表性意義，所以主要對這3個傳感器實測彎沉值進行溫度修正。實測彎沉值與溫度的回歸結(jié)果見表3。

表3 FWD實測彎沉值與溫度的回歸關(guān)系

由表3可知：板中、板邊實測彎沉值與道面板表面溫度有較好的線性關(guān)系，且相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)值均在0.95以上，可通過線性回歸對板中、板邊實測彎沉值進行溫度修正；板角實測彎沉值與溫度具有極強的二項相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.98左右，因此對于板角彎沉值，可以通過二項回歸進行溫度修正；對于板中、板邊、板角彎沉，修正彎沉值均等于實測彎沉值乘以溫度修正系數(shù)，溫度修正系數(shù)如圖7所示。

需要注意的是，由于該次測試無法獲取道面板的具體溫度梯度，所以只能基于道面板表面溫度進行彎沉的溫度修正，上述修正關(guān)系只適用于所測試的機場道面，對于其他水泥混凝土道面，由于其材料性質(zhì)、道面結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣候以及水泥混凝土比熱容均存在差異，這些因素綜合后，最終都將造成水泥混凝土道面板溫度梯度的差異。為使彎沉的溫度修正相關(guān)性更好，應(yīng)用性更強，表3彎沉溫度修正關(guān)系中道面板表面溫度變量應(yīng)為道面板溫度梯度變量，即基于道面板溫度梯度這一單一變量建立溫度修正關(guān)系，以獲得最準確的道面彎沉。

4 道面板溫度特性對脫空判定的影響

根據(jù)MH/T 5024-2009《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范》，對于水泥混凝土道面，當“板邊中點彎沉/板中彎沉>2.0”或“板角彎沉/板中彎沉>3.0”即可判定為脫空。圖8為板邊、板角的脫空判定值隨道面板表面溫度的變化情況。

從圖8可知：17～25 ℃(負溫度梯度)時，脫空判定值均較大，25～38 ℃(正溫度梯度)時，脫空判定值較小。整體看，隨著道面板表面溫度的升高，脫空判定值呈遞減趨勢，并且脫空判定值變化范圍較大，不同溫度條件下測試得到的判定結(jié)果可能完全相反，圖8(a)中，“板邊/板中”值從超出脫空判定值15%變化到低于脫空判定值25%，圖8(b)中，“板角/板中”值從超出脫空判定值18%變化到低于脫空判定值32%，脫空判定由脫空變化到未脫空，由此也可看出溫度變化對于脫空判定值的影響較大。

(a)板邊彎沉/板中彎沉

為避免溫度對脫空判定的影響，對脫空判定值進行溫度修正，經(jīng)修正后的脫空判定值見圖9。由圖9可以看出：經(jīng)過溫度修正后，“板邊彎沉值/板中彎沉值”為1.7左右，“板邊彎沉值/板中彎沉值”為2.3左右，脫空判定值均穩(wěn)定在一固定水平上，兩者脫空判定結(jié)果也保持一致?？梢钥闯鼋?jīng)溫度修正后脫空判定結(jié)果更為準確真實。該結(jié)果也進一步證明了彎沉值溫度修正的必要性、準確性和有效性。

(a)板邊彎沉/板中彎沉

5 結(jié)論

通過對水泥混凝土道面FWD實測彎沉盆數(shù)據(jù)的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)板中彎沉值隨著溫度升高而增大，板邊、板角彎沉值隨著溫度升高而減小，同期板角彎沉值較板邊彎沉值大，板中、板邊、板角彎沉值受溫度影響程度逐漸增加；在文中測試環(huán)境下，25 ℃為板中、板邊、板角彎沉值變化節(jié)點，即溫度梯度變化節(jié)點。

(2)板中、板邊、板角的彎沉值離散程度均與距承載板中心的距離呈正相關(guān)，距承載板中心越遠，彎沉值的變異系數(shù)越小，即受溫度影響越小。

(3)由于道面板溫度變化引起道面板變形，需結(jié)合FWD測量位置和道面板變形情況對道面板進行彎沉測量。

(4)測試道面板板中、板邊彎沉可通過線性回歸進行溫度修正，板角彎沉可通過二項回歸進行溫度修正。為獲得相關(guān)性更好、應(yīng)用性更強的彎沉溫度修正關(guān)系，應(yīng)基于道面板溫度梯度進行彎沉溫度修正。

(5)在現(xiàn)有的機場道面評價規(guī)范下，脫空判定值隨溫度的升高逐漸降低，且變化幅度較大，不同溫度下可能得到截然不同的判定結(jié)果。因此在進行脫空判定時有必要對脫空判定值進行溫度修正，尤其是夏季晝夜溫差較大時。

(6)對于常年高溫地區(qū)，考慮到彎沉受溫度的影響較大，周期較長。彎沉的溫度影響分析及溫度修正具有重大意義。