徐衍亮 ,盧勇 ,李亞麗 ,劉愛華 ,曹榮吉 ,劉林林

(1.南京市公路事業(yè)發(fā)展中心,南京 210014;2.蘇交科集團股份有限公司,南京 210019)

路面彎沉值是表征道路路基和路面整體強度的重要參數,反映了路面各結構層及土基的整體強度和剛度,也直接反映了路面的使用性能,是路面設計、驗收及養(yǎng)護工作中的一個重要參考指標。路面彎沉測量技術主要有貝克曼梁法、連續(xù)激光彎沉法和FWD 法,隨著檢測技術的發(fā)展以及彎沉測量對測量效率、安全等方面的要求,基于路面變形速度的高速激光彎沉測試方法開始在國內外快速發(fā)展[1-3]。近年來,國內外彎沉快速檢測技術日趨成熟,國內武大卓越科技有限責任公司研制的激光動態(tài)彎沉儀(laser dynamic deflectometer,LDD)和部分公路院使用的丹麥格林伍德工程公司研制的高速彎沉儀(traffic speed deflectometer,TSD)都采用基于路面變形速度的測量原理,已經在一定范圍內得到了工程應用,能滿足在20～90 km/h 范圍內的連續(xù)彎沉測量[4]。

為驗證高速彎沉測量方法在工程中的適用性,本文對FWD 法和基于路面變形速度的高速激光彎沉測試方法進行對比和相關性分析,初步研究基于路面變形速度的高速激光彎沉測試方法的可行性和適用條件,并初步提出高速激光彎沉的半剛性基層瀝青路面結構狀況評價參數及參數界限值。

1 測試原理

高速激光彎沉儀的工作原理基于多普勒效應[5-7]。多普勒效應理論是由奧地利物理學家克里斯琴·約翰·多普勒于1842 年提出的,公式為

式中,V為波源和接收者的相對速度;C為波傳播速度;Fd為接收端頻率變化;Fs為發(fā)射頻率。

在高速激光彎沉儀的應用中,C即為多普勒激光傳感器的激光速度(光速3.0 ×108m/s),F為時間的倒數,可以通過激光傳感器發(fā)射、接受的時間差計算得到,由此根據式(1)可以得到相對速度V,即彎沉速度。

高速激光彎沉儀利用激光多普勒測振儀測量在標準荷載作用下的路面變形速度的方法和路面變形速度提取算法,結合彈性地基上的歐拉-伯努利梁理論,推導彎沉盆曲線的兩參數方程,采用牛頓迭代法利用路面變形速度反演路面彎沉。

2 試驗方案和研究方法

2.1 試驗方案

為評價RWD(LDD 和TSD)彎沉檢測數據的可靠性,本文選取滬寧高速公路半剛性基層路段、柔性基層路段以及省道S237 淮安段,采用武大卓越激光彎沉檢測設備LDD 進行重復性和速度變異性試驗,對比試驗路段樁號及路面結構如表1 所示。同時進一步將RWD 檢測結果與FWD 檢測結果進行對比,分析RWD 彎沉檢測方法與目前常規(guī)采用檢測方法測試結果的相關性。

表1 對比試驗路段樁號及路面結構

2.2 研究方法

1) 與FWD 彎沉值之間的相關性

高速激光彎沉測試值是以間隔10 m 獲得的一系列彎沉值,覆蓋范圍廣?？紤]到路面的復雜變異性和FWD 測試值是以間隔50 m 獲得的一系列彎沉值,將高速激光彎沉間隔10 m 獲得的彎沉值換算成以間隔50 m 獲得的彎沉值來分析與FWD 測試的彎沉值的關系。從以往經驗來看,換算后的彎沉值一般采用的是代表值或平均值,因此本文采用高速激光彎沉間隔50 m 的代表值和平均值與FWD數據進行對比分析。

2) 路面結構狀況評價參數

以代表路段瀝青路面基于RWD 彎沉盆數據為研究對象,初步提出以彎沉盆參數來分別表征面層和基層模量的方法,然后分別通過層狀彈性體系軟件計算理論彎沉盆和現場RWD 實測彎沉盆來檢驗這些參數的敏感性、有效性以及其是否能夠合理地反映各層強度狀況,并最終確定評價路面結構強度狀況的彎沉盆參數。

3 結果與分析

3.1 重復性及變異性試驗分析

采用LDD,以70 km/h 的速度重復測試選擇路段,進行共計3 次重復性測試,以分析同一測試速度下的重復性和速度變異性[8],其計算公式為

式中,Px為重復性;Cx為速度變異性系數;Xj為LDD彎沉值;為LDD彎沉平均值。

根據LDD 激光動態(tài)彎沉系統測試彎沉數據,統計出3 條路段不同測試速度下的重復性和速度變異性系數,重復性和速度變異性試驗結果如表2所示。

表2 重復性和速度變異性試驗結果(單位:%)

根據表2 可知,高速激光彎沉的檢測重復性基本達到93%以上;同時,速度變異性系數小于7%,可見測量速度對測量結果影響較小。

3.2 相關性試驗分析

采用RWD 間隔50 m 的代表值和平均值與FWD 數據進行對比分析,滬寧高速(K153 +500～K140 +000)RWD 彎沉值與FWD 彎沉值的關系如圖1 所示。從圖1 的圖(a)和圖(c)中可以看出,RWD 的平均值與FWD 數據的相關性均略高于代表值與FWD 數據的相關性,但相關性系數差距不大。從圖1 的圖(b)和圖(d)中可以看出RWD 間隔50 m 的代表值分散趨勢與RWD 的測試值分散趨勢有更好的匹配性。因此對于RWD 法,綜合對比分析提出以間隔50 m 的代表值來反映其測試數據。

將基于路面變形速度的RWD 彎沉值與FWD彎沉值進一步比較,S237 高速激光彎沉LDD(60 km/h)與FWD 彎沉值對比如圖2 所示,滬寧高速RWD(70 km/h)與FWD 彎沉值對比如圖3 所示。從圖2 和圖3 中可以看出,兩種測試方法的路面彎沉值表現出較好的匹配性,不同路面結構強度路段處基本能夠體現出變化趨勢;而RWD 的彎沉值敏感性更高,變化幅度更大,更能反映結構強度的變化情況。這可能是由于一方面RWD 反映的是間隔10 m 的線性上的彎沉值,相較于間隔50 m 的FWD 數據,反映的信息更加豐富;另一方面RWD加載荷載模擬的是路面車輛行駛的真實狀態(tài),表征一種動荷載條件下的路面結構響應,而FWD 為一種靜態(tài)荷載條件下的沖擊荷載,比較而言,動態(tài)激光彎沉的荷載強度更大,因此一般反映出的彎沉值更大。

對比LDD 和TSD 的測試結果,從彎沉值的范圍和變化情況可知,進口TSD 設備的彎沉值相對較大,對變化相對更為敏感。因此進一步將滬寧半剛性基層路段(0.5km)、柔性基層路段(0.5km)和淮安S237 一級公路半剛性基層路段(0.5 km)三條路段的LDD 重復性測試結果與FWD 結果進行比較,計算其標準差和變異系數,滬寧半剛性基層FWD 與LDD 相關性如圖4 所示,滬寧柔性基層FWD 與LDD 相關性如圖5 所示,S237 半剛性基層FWD 與LDD 相關性如圖6 所示。不同路段TSD 與FWD 相關性試驗測試結果如表3 所示。

表3 不同路段TSD 與FWD 相關性試驗測試結果

由圖4～圖6 可知,LDD 彎沉值與FWD 彎沉值數據之間呈線性相關,對于原路面結構強度狀況較好的半剛性基層滬寧高速公路,其相關性低于原路面結構強度狀況一般的S237 路段。同時發(fā)現,柔性基層路段LDD 彎沉值與FWD 彎沉值之間相關性關系相反。根據初步結果分析可知,LDD 彎沉能夠較好地適用于路面結構強度一般的半剛性基層路段。

由表3 可知,TSD 彎沉值與FWD 彎沉值數據之間的相關性在40%以上,其中部分數據相關性較低的原因是人為因素造成的測試速度不均勻。根據初步結果分析可知,TSD 彎沉檢測方法能夠較好地適用于路面結構強度一般的半剛性基層路段和柔性基層路段。

3.3 彎沉盆指標判斷標準

3.3.1 提出參數

借鑒丁俊峰[9]提出的基于FWD 彎沉盆的半剛性基層瀝青路面結構狀況評價參數的檢測方法,以滬寧K153 +500 為例,提出基于TSD 的一系列表征半剛性基層瀝青路面面層和基層強度(模量)的彎沉盆參數,TSD 表征各結構層強度(模量)的彎沉盆參數如表4 所示。

表4 TSD 表征各結構層強度(模量)的彎沉盆參數

3.3.2 理論彎沉盆檢驗分析

構建一系列路面結構層(面層和基層)模量組合,路面面層和基層參數設置如表5 所示。利用彈性層狀體系軟件計算理論彎沉盆,計算表4 中各彎沉盆參數,然后分析各層模量和彎沉盆參數的關系,隨路基路面各層模量變化的彎沉盆參數如圖7所示。

表5 路面面層和基層參數設置

基于TSD 動態(tài)彎沉測試系統和FWD 檢測方法實測路面變形量的點位相同,提出的一系列參數是相同的,故得到的理論彎沉盆檢驗結果是相同的,采用丁俊峰[9]的研究結果,即表征面層模量的參數D0-D20、D0-D30的變化幅度較大,分別達到了91.5%、83.5%;表征基層模量的參數D60的變化幅度較大,分別達到了29.0%、33.5%。

3.3.3 實測彎沉盆檢驗分析

以滬寧K153 +500 的彎沉數據進行模量反算,通過各結構層反算模量和表5 中各彎沉盆參數之間相關性的大小來對比分析各彎沉盆參數是否能有效反映各層模量,并回歸各層模量計算公式。結合理論彎沉盆檢驗的結果,確定表征路基路面各層模量的彎沉盆參數。

1) 面層模量與彎沉盆參數

分別對各實測彎沉盆參數D0-D20、D0-D30、與面層模量的關系進行整理分析,實測彎沉盆參數與面層模量如圖8所示。

由圖8 可知,隨著各彎沉盆參數的增加,面層模量逐漸減少。比較與面層模量的關系可知,實測彎沉盆參數D0-D20與面層模量的相關性最大。

2) 基層模量與彎沉盆參數

由圖9 可知,隨著各彎沉盆參數的增加,面層模量逐漸減少。比較D20-D60、D30-D60、D30-D90、與基層模量的關系可知,實測彎沉盆參數D20-D60與基層模量的相關性最好。

綜合理論彎沉盆和實測彎沉盆的檢驗結果,經過對比分析,確定面層模量、基層模量的TSD 彎沉盆參數,路面結構層彎沉盆參數如表6 所示。最后并以滬寧柔性基層路段(K1100 +000～ K1100 +500) 和淮安S237 一級公路半剛性基層路段(K038 +000～K038 +500)數據進行驗證,證明D0-分別與面層、基層模量的相關性最好。

表6 路面結構層彎沉盆參數

3.3.4 評價參數界限值的確定

基于FWD 彎沉盆的半剛性基層瀝青路面結構狀況評價參數界限值,結合FWD 彎沉盆與RWD 彎沉盆的數值關系,計算基于RWD 彎沉盆的半剛性基層瀝青路面結構狀況評價參數界限值,計算公式為

式中,Xi為LDD 或TSD 的i值;i為面層或基層的參數界限值;j為面層或基層的參數平均值。

計算可知基于RWD 彎沉盆的半剛性基層瀝青路面結構狀況評價參數界限值:D0-D20>95.252 8 μm、>127.819 5 μm。

4 結論

(1) 基于路面變形速度的RWD 設備能夠在行駛狀態(tài)下獲取路面的真實結構狀態(tài),重復率和速度變異性分別為93%以上和7%以下。從測試原理、設備性能、結構穩(wěn)定性和相關性等方面考慮,如要對全省高速公路路網路面結構進行狀況普查,建議考慮采用高速激光彎沉設備。

(2) 對于高速激光彎沉方法,通過與FWD 綜合對比分析提出以間隔50 m 的代表值來反映其測試數據。由于受力荷載狀態(tài)、測點密度和測試位置等因素的影響,RWD 設備和FWD 所獲取的彎沉值相關性相對不高,為0.3～0.4,且RWD 的測試結果略大,因此針對項目級高速公路瀝青路面的養(yǎng)護設計建議仍采用貝克曼梁或FWD 方式進行結構狀況判斷?？傮w來說,高速激光彎沉設備可用于高速公路瀝青路面結構狀況普查,但仍需要對測試結果的判斷標準進行分析。

(3) 基于FWD 彎沉盆的半剛性基層瀝青路面結構狀況評價方法,初步提出TSD 高速激光彎沉的半剛性基層瀝青路面結構狀況評價參數及參數界限值,確定D0-D20>95.252 8 μm 作為面層狀況好壞的評價標準、D20-D60>127.819 5 μm 作為基層狀況好壞的評價標準。