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(tuán)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(qiáng)度的重要參數(shù),反映了路面各結(jié)構(gòu)層及土基的整體強(qiáng)度和剛度,也直接反映了路面的使用性能,是路面設(shè)計(jì)、驗(yàn)收及養(yǎng)護(hù)工作中的一個(gè)重要參考指標(biāo)。路面彎沉測(cè)量技術(shù)主要有貝克曼梁法、連續(xù)激光彎沉法和FWD 法,隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及彎沉測(cè)量對(duì)測(cè)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(cè)試方法開始在國(guó)內(nèi)外快速發(fā)展[1-3]。近年來,國(guó)內(nèi)外彎沉快速檢測(cè)技術(shù)日趨成熟,國(guó)內(nèi)武大卓越科技有限責(zé)任公司研制的激光動(dòng)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?gòu)澇羶x(traffic speed deflectometer,TSD)都采用基于路面變形速度的測(cè)量原理,已經(jīng)在一定范圍內(nèi)得到了工程應(yīng)用,能滿足在20～90 km/h 范圍內(nèi)的連續(xù)彎沉測(cè)量[4]。

為驗(yàn)證高速?gòu)澇翜y(cè)量方法在工程中的適用性,本文對(duì)FWD 法和基于路面變形速度的高速激光彎沉測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比和相關(guān)性分析,初步研究基于路面變形速度的高速激光彎沉測(cè)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(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)參數(shù)及參數(shù)界限值。

1 測(cè)試原理

高速激光彎沉儀的工作原理基于多普勒效應(yīng)[5-7]。多普勒效應(yīng)理論是由奧地利物理學(xué)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(duì)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(yīng)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(shí)間的倒數(shù),可以通過激光傳感器發(fā)射、接受的時(shí)間差計(jì)算得到,由此根據(jù)式(1)可以得到相對(duì)速度V,即彎沉速度。

高速激光彎沉儀利用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量在標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合彈性地基上的歐拉-伯努利梁理論,推導(dǎo)彎沉盆曲線的兩參數(shù)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(yàn)方案和研究方法

2.1 試驗(yàn)方案

為評(píng)價(jià)RWD(LDD 和TSD)彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)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(cè)設(shè)備LDD 進(jìn)行重復(fù)性和速度變異性試驗(yàn),對(duì)比試驗(yàn)路段樁號(hào)及路面結(jié)構(gòu)如表1 所示。同時(shí)進(jìn)一步將RWD 檢測(cè)結(jié)果與FWD 檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析RWD 彎沉檢測(cè)方法與目前常規(guī)采用檢測(cè)方法測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性。

表1 對(duì)比試驗(yàn)路段樁號(hào)及路面結(jié)構(gòu)

2.2 研究方法

1) 與FWD 彎沉值之間的相關(guān)性

高速激光彎沉測(cè)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(fù)雜變異性和FWD 測(cè)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(cè)試的彎沉值的關(guān)系。從以往經(jīng)驗(yàn)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(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2) 路面結(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)參數(shù)

以代表路段瀝青路面基于RWD 彎沉盆數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,初步提出以彎沉盆參數(shù)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(jì)算理論彎沉盆和現(xiàn)場(chǎng)RWD 實(shí)測(cè)彎沉盆來檢驗(yàn)這些參數(shù)的敏感性、有效性以及其是否能夠合理地反映各層強(qiáng)度狀況,并最終確定評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀況的彎沉盆參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 重復(fù)性及變異性試驗(yàn)分析

采用LDD,以70 km/h 的速度重復(fù)測(cè)試選擇路段,進(jìn)行共計(jì)3 次重復(fù)性測(cè)試,以分析同一測(cè)試速度下的重復(fù)性和速度變異性[8],其計(jì)算公式為

式中,Px為重復(fù)性;Cx為速度變異性系數(shù);Xj為L(zhǎng)DD彎沉值;為L(zhǎng)DD彎沉平均值。

根據(jù)LDD 激光動(dòng)態(tài)彎沉系統(tǒng)測(cè)試彎沉數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)出3 條路段不同測(cè)試速度下的重復(fù)性和速度變異性系數(shù),重復(fù)性和速度變異性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 重復(fù)性和速度變異性試驗(yàn)結(jié)果(單位:%)

根據(jù)表2 可知,高速激光彎沉的檢測(cè)重復(fù)性基本達(dá)到93%以上;同時(shí),速度變異性系數(shù)小于7%,可見測(cè)量速度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小。

3.2 相關(guān)性試驗(yàn)分析

采用RWD 間隔50 m 的代表值和平均值與FWD 數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,滬寧高速(K153 +500～K140 +000)RWD 彎沉值與FWD 彎沉值的關(guān)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(shù)據(jù)的相關(guān)性均略高于代表值與FWD 數(shù)據(jù)的相關(guān)性,但相關(guān)性系數(shù)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(shì)與RWD 的測(cè)試值分散趨勢(shì)有更好的匹配性。因此對(duì)于RWD 法,綜合對(duì)比分析提出以間隔50 m 的代表值來反映其測(cè)試數(shù)據(jù)。

將基于路面變形速度的RWD 彎沉值與FWD彎沉值進(jìn)一步比較,S237 高速激光彎沉LDD(60 km/h)與FWD 彎沉值對(duì)比如圖2 所示,滬寧高速RWD(70 km/h)與FWD 彎沉值對(duì)比如圖3 所示。從圖2 和圖3 中可以看出,兩種測(cè)試方法的路面彎沉值表現(xiàn)出較好的匹配性,不同路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度路段處基本能夠體現(xiàn)出變化趨勢(shì);而RWD 的彎沉值敏感性更高,變化幅度更大,更能反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shù)據(jù),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(shí)狀態(tài),表征一種動(dòng)荷載條件下的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng),而FWD 為一種靜態(tài)荷載條件下的沖擊荷載,比較而言,動(dòng)態(tài)激光彎沉的荷載強(qiáng)度更大,因此一般反映出的彎沉值更大。

對(duì)比LDD 和TSD 的測(cè)試結(jié)果,從彎沉值的范圍和變化情況可知,進(jìn)口TSD 設(shè)備的彎沉值相對(duì)較大,對(duì)變化相對(duì)更為敏感。因此進(jìn)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(jí)公路半剛性基層路段(0.5 km)三條路段的LDD 重復(fù)性測(cè)試結(jié)果與FWD 結(jié)果進(jìn)行比較,計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù),滬寧半剛性基層FWD 與LDD 相關(guān)性如圖4 所示,滬寧柔性基層FWD 與LDD 相關(guān)性如圖5 所示,S237 半剛性基層FWD 與LDD 相關(guān)性如圖6 所示。不同路段TSD 與FWD 相關(guān)性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 不同路段TSD 與FWD 相關(guān)性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由圖4～圖6 可知,LDD 彎沉值與FWD 彎沉值數(shù)據(jù)之間呈線性相關(guān),對(duì)于原路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀況較好的半剛性基層滬寧高速公路,其相關(guān)性低于原路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀況一般的S237 路段。同時(shí)發(fā)現(xiàn),柔性基層路段LDD 彎沉值與FWD 彎沉值之間相關(guān)性關(guān)系相反。根據(jù)初步結(jié)果分析可知,LDD 彎沉能夠較好地適用于路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shù)據(jù)之間的相關(guān)性在40%以上,其中部分?jǐn)?shù)據(jù)相關(guān)性較低的原因是人為因素造成的測(cè)試速度不均勻。根據(jù)初步結(jié)果分析可知,TSD 彎沉檢測(cè)方法能夠較好地適用于路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(biāo)判斷標(biāo)準(zhǔn)

3.3.1 提出參數(shù)

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(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)參數(shù)的檢測(cè)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(qiáng)度(模量)的彎沉盆參數(shù),TSD 表征各結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度(模量)的彎沉盆參數(shù)如表4 所示。

表4 TSD 表征各結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度(模量)的彎沉盆參數(shù)

3.3.2 理論彎沉盆檢驗(yàn)分析

構(gòu)建一系列路面結(jié)構(gòu)層(面層和基層)模量組合,路面面層和基層參數(shù)設(shè)置如表5 所示。利用彈性層狀體系軟件計(jì)算理論彎沉盆,計(jì)算表4 中各彎沉盆參數(shù),然后分析各層模量和彎沉盆參數(shù)的關(guān)系,隨路基路面各層模量變化的彎沉盆參數(shù)如圖7所示。

表5 路面面層和基層參數(shù)設(shè)置

基于TSD 動(dòng)態(tài)彎沉測(cè)試系統(tǒng)和FWD 檢測(cè)方法實(shí)測(cè)路面變形量的點(diǎn)位相同,提出的一系列參數(shù)是相同的,故得到的理論彎沉盆檢驗(yàn)結(jié)果是相同的,采用丁俊峰[9]的研究結(jié)果,即表征面層模量的參數(shù)D0-D20、D0-D30的變化幅度較大,分別達(dá)到了91.5%、83.5%;表征基層模量的參數(shù)D60的變化幅度較大,分別達(dá)到了29.0%、33.5%。

3.3.3 實(shí)測(cè)彎沉盆檢驗(yàn)分析

以滬寧K153 +500 的彎沉數(shù)據(jù)進(jìn)行模量反算,通過各結(jié)構(gòu)層反算模量和表5 中各彎沉盆參數(shù)之間相關(guān)性的大小來對(duì)比分析各彎沉盆參數(shù)是否能有效反映各層模量,并回歸各層模量計(jì)算公式。結(jié)合理論彎沉盆檢驗(yàn)的結(jié)果,確定表征路基路面各層模量的彎沉盆參數(shù)。

1) 面層模量與彎沉盆參數(shù)

分別對(duì)各實(shí)測(cè)彎沉盆參數(shù)D0-D20、D0-D30、與面層模量的關(guān)系進(jìn)行整理分析,實(shí)測(cè)彎沉盆參數(shù)與面層模量如圖8所示。

由圖8 可知,隨著各彎沉盆參數(shù)的增加,面層模量逐漸減少。比較與面層模量的關(guān)系可知,實(shí)測(cè)彎沉盆參數(shù)D0-D20與面層模量的相關(guān)性最大。

2) 基層模量與彎沉盆參數(shù)

由圖9 可知,隨著各彎沉盆參數(shù)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(guān)系可知,實(shí)測(cè)彎沉盆參數(shù)D20-D60與基層模量的相關(guān)性最好。

綜合理論彎沉盆和實(shí)測(cè)彎沉盆的檢驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)過對(duì)比分析,確定面層模量、基層模量的TSD 彎沉盆參數(shù),路面結(jié)構(gòu)層彎沉盆參數(shù)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(jí)公路半剛性基層路段(K038 +000～K038 +500)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,證明D0-分別與面層、基層模量的相關(guān)性最好。

表6 路面結(jié)構(gòu)層彎沉盆參數(shù)

3.3.4 評(píng)價(jià)參數(shù)界限值的確定

基于FWD 彎沉盆的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)參數(shù)界限值,結(jié)合FWD 彎沉盆與RWD 彎沉盆的數(shù)值關(guān)系,計(jì)算基于RWD 彎沉盆的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)參數(shù)界限值,計(jì)算公式為

式中,Xi為L(zhǎng)DD 或TSD 的i值;i為面層或基層的參數(shù)界限值;j為面層或基層的參數(shù)平均值。

計(jì)算可知基于RWD 彎沉盆的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)參數(shù)界限值:D0-D20>95.252 8 μm、>127.819 5 μm。

4 結(jié)論

(1) 基于路面變形速度的RWD 設(shè)備能夠在行駛狀態(tài)下獲取路面的真實(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài),重復(fù)率和速度變異性分別為93%以上和7%以下。從測(cè)試原理、設(shè)備性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和相關(guān)性等方面考慮,如要對(duì)全省高速公路路網(wǎng)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行狀況普查,建議考慮采用高速激光彎沉設(shè)備。

(2) 對(duì)于高速激光彎沉方法,通過與FWD 綜合對(duì)比分析提出以間隔50 m 的代表值來反映其測(cè)試數(shù)據(jù)。由于受力荷載狀態(tài)、測(cè)點(diǎn)密度和測(cè)試位置等因素的影響,RWD 設(shè)備和FWD 所獲取的彎沉值相關(guān)性相對(duì)不高,為0.3～0.4,且RWD 的測(cè)試結(jié)果略大,因此針對(duì)項(xiàng)目級(jí)高速公路瀝青路面的養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)建議仍采用貝克曼梁或FWD 方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀況判斷?？傮w來說,高速激光彎沉設(shè)備可用于高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況普查,但仍需要對(duì)測(cè)試結(jié)果的判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

(3) 基于FWD 彎沉盆的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)方法,初步提出TSD 高速激光彎沉的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)參數(shù)及參數(shù)界限值,確定D0-D20>95.252 8 μm 作為面層狀況好壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、D20-D60>127.819 5 μm 作為基層狀況好壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。