基于FWD的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)破壞評價方法

吳志強(qiáng)

（上海浦江橋隧東海運(yùn)營管理有限公司，上海市 201308）

0 前言

在路面設(shè)計指南中，新的力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法中第一設(shè)計水平是通過實(shí)驗(yàn)室測試和無損檢測的方法來確定路面結(jié)構(gòu)參數(shù)。這表明通過無損檢測來評價道路的承載能力是具有可行性的[1-2]。從落錘式彎沉儀（FWD）實(shí)測動態(tài)彎沉盆入手，對路基路面各結(jié)構(gòu)層的模量進(jìn)行反算，可以為維修、養(yǎng)護(hù)提供設(shè)計參數(shù)[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對反算方法及反算軟件進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了大量研究成果[4-5]。但是原有的研究成果尚需改進(jìn)及深入研究，反算方法及反算軟件的選取對反算結(jié)果的準(zhǔn)確性與精度有較大影響，另外，舊路承重層的破壞使FWD彎沉測試及反算的各結(jié)構(gòu)層模量值變異性很大[6]。為此，本文結(jié)合東海大橋海堤段路面養(yǎng)護(hù)工程，以FWD測試和BAKFAA軟件為基礎(chǔ)，對瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)破壞情況進(jìn)行評價，并通過鉆芯取樣進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)概況

東海大橋海堤段工程樁號從K29+000至K30+800，總長1 800 m，于2005年10月正式通車。路基采用強(qiáng)夯加固，路面結(jié)構(gòu)由下至上為30 cm厚級配碎石、30 cm厚水泥穩(wěn)定碎石、一層玻纖格柵、8 cm厚AC-25瀝青混凝土和6 cm厚AC-16瀝青混凝土。隨著車流量的增多及所處特殊的地理位置，路面出現(xiàn)坑槽、車轍、沉陷，松散等病害，另外海堤段沉降造成很多裂縫。

該項(xiàng)研究采用的FWD彎沉車通過9個位移傳感器的測試結(jié)果得到彎沉盆數(shù)據(jù)，其中9個傳感器距荷載中心點(diǎn)的距離分別為0mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm、1 500 mm、1800mm、2 100 mm、2 400mm，編號為D0～D8。測試采用的荷載為50 kN，荷載板半徑為15cm。測點(diǎn)間的間距為50 m，道路右幅（A線，洋山港方向）和左幅（B線，浦東方向）各32測點(diǎn)，均位于第3車道。

2 動態(tài)模量值的計算及路面結(jié)構(gòu)破損評價

BAKFAA軟件是采用美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的彈性層狀分析軟件LEAF和下山單純形法反算模量，最小化函數(shù)是各傳感器位置理論彎沉與實(shí)測彎沉差值的平方和。在BAKFAA軟件中采用如表1所列的路面結(jié)構(gòu)，將D0、D1、D2、D3、D4、D5、D7傳感器測得的路面彎沉盆輸入軟件，收斂精度設(shè)置為0.000 1。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)表

應(yīng)該注意的是，由于BAKFAA在反算模量時，并沒有對各層動態(tài)回彈模量的取值進(jìn)行一定限制，在達(dá)到收斂精度的條件下，函數(shù)的極值可能并不唯一，瀝青路面層數(shù)較多，如果再出現(xiàn)破損，更易出現(xiàn)反算模量的解不唯一的情況。因此，在反算過程中應(yīng)對反算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。對于明顯超過材料模量限值的結(jié)果，改變初始值或收斂精度，通過調(diào)試程序，獲得合理的反算模量。計算得到的各測點(diǎn)動態(tài)模量如圖1、圖2所示。

圖1 A線各測點(diǎn)模量反算結(jié)果曲線圖

圖2 B線各測點(diǎn)模量反算結(jié)果曲線圖

以A線K29+080點(diǎn)為例，程序初次計算得到的各層模量為如表2所列。

表2 K29+080初次計算路面各層模量一覽表

雖然計算彎沉值與實(shí)測彎沉值有較好的擬合度，但面層動態(tài)模量達(dá)到41 978 MPa，路基模量達(dá)到987 MPa，明顯不符合材料本身性質(zhì)，因此，降低收斂精度到0.000 5，得到的各層模量如表3所列，因此，對軟件計算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)整是十分必要的。

表3 調(diào)整收斂精度后K29+080計算路面各層模量一覽表

取動、靜態(tài)回彈模量的均值比為3.14，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2006）中的材料靜態(tài)抗壓回彈模量取值范圍，在該項(xiàng)研究中將各結(jié)構(gòu)層的破損判別閾值分別定為：面層3 500 MPa，基層 4 000 MPa，底基層 600 MPa，路基150 MPa。當(dāng)反算得到的模量小于對應(yīng)的閾值，則認(rèn)為該層出現(xiàn)破損。

東海大橋海堤段A線和B線的路面結(jié)構(gòu)破損評價結(jié)果如表4和表5所列。

由表4和表5可以得出，A線面層破損率為12.5%，基層破損率為40.6%，底基層破損率為65.6%，路基基本完好。B線面層破損率為15.6%，基層破損率為31.2%，底基層破壞率為75%，路基破損率為6.3%。該路段基層和底基層破壞嚴(yán)重。

3 路面取芯實(shí)證（見圖3）

在A線K29+680、K30+330處，B線K30+360、K30+560、K30+410的第3車道分別鉆芯取樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A線K29+680處，面層和基層均完好；A線K30+330處，面層和基層均破碎；B線K30+360處，面層和基層均破碎；B線K30+410處，面層完好，基層破損；B線K30+610處，面層完好，基層破碎。對比鉆芯結(jié)果和基于FWD檢測的計算分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，五個取芯處只有B線K30+410處出現(xiàn)誤判。可以說明該項(xiàng)研究中使用的方法可有效地進(jìn)行瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)破損評價。

表4 A線路面結(jié)構(gòu)破損評價表

表5 B線路面結(jié)構(gòu)破損評價表

圖3 鉆取路面芯樣實(shí)景

4 結(jié)論

使用軟件反算模量時，在達(dá)到收斂精度的條件下，函數(shù)的極值可能并不唯一。因此，在反算過程中應(yīng)對反算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。對于明顯超過材料模量限值的結(jié)果，改變初始值或收斂精度，通過調(diào)試程序，獲得合理的反算模量。路面現(xiàn)場取芯結(jié)果證明了該項(xiàng)研究中采用BAKFAA反算路面結(jié)構(gòu)模量并對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行破損評價的方法行之有效。

[1]Project 1-37A,Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures[S].

[2]Prozzi JA,Hong F.Traffic characterization for a mechanistic empirical pavement design[R].Austin:Texas Department of Transportation,2007.

[3]謝國棟.基于FWD的瀝青路面反算模量修正系數(shù)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2011.

[4]Khazanovich.L.Structure Analysis of Multi-Layer Concrete Pavement Systems[D].University of Illinois,USA,1994.

[5]謝輝，郭忠印，叢林.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的瀝青路面模量評估[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007.35(8)：1044-1048.

[6]倪富健,鄧學(xué)鈞.柔性路面結(jié)構(gòu)層模量反演方法研究[J].中國公路學(xué)報,1994,（17）:24-25.