基于彎沉盆參數的瀝青路面損傷狀況評價

王其峰 馬士杰 薛志超 吳文娟 王崢 張曉萌

摘要：為評定路面結構的損傷狀態，以安徽省某高速公路養護段為試驗段，設計瀝青路面損傷狀況快速檢測方法，通過落錘式彎沉儀（falling weight deflectometer，FWD）測定彎沉盆幾何特征參數，分析不同病害處的彎沉情況，提出基于彎沉盆參數的瀝青路面結構損傷狀況評價方法，推薦評價路面整體和各結構層狀況良好的標準。結果表明：高速公路損傷路面的橫向裂縫、縱向裂縫和沉陷處損傷的影響區域范圍分別為1.5、2.0、1.5～3.5 m；根據路面病害段和無病害段FWD彎沉盆幾何特征參數的分布，將荷載中心最大彎沉小于100.1μm、鄰近荷載區域彎沉差小于42.4μm、20～60 cm區域彎沉差小于31.3μm及彎沉盆末端彎沉小于24.5μm作為判斷路面整體、面層、基層和路基狀況良好的評價標準。該方法可為高速公路養護維修前路面損傷狀況的判定提供參考和借鑒。

關鍵詞：FWD；彎沉盆；瀝青路面；損傷狀況評價

中圖分類號：U416.217文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2023）01-0045-07

引用格式：王其峰，馬士杰，薛志超，等.基于彎沉盆參數的瀝青路面損傷狀況評價［J］.山東交通學院學報，2023，31（1）：45-51.

WANG Qifeng， MA Shijie，XUE Zhichao，et al. Evaluation of asphalt pavement damage condition based on deflection basin parameters［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2023，31（1）：45-51.

0 引言

近年來，我國公路建設飛速發展，瀝青路面結構被廣泛應用于各等級道路，其中多以半剛性基層路面結構為主。受交通荷載、氣候環境等影響，運營公路長期服役后，路面結構易出現開裂、沉陷等不同程度的損傷。彎沉是表征路基路面承載力狀況的重要參數，在路面狀況評價中起重要作用^[1-3]。通常采用落錘式彎沉儀（falling weight deflectometer，FWD）進行道路無損檢測^[4-5]。FWD檢測結果包含大量的路面特征信息，但在實際工程應用中通常僅采用彎沉盆中荷載中心最大彎沉表征結構層的表面彎沉，對檢測結果的信息利用率較低^[6-7]。基于實測彎沉數據進行路面結構層模量反算的方法廣受研究學者青睞，但模量反算的假設條件與實際狀況差異較大，且模量反算存在計算復雜、不完全收斂等問題，利用彎沉盆幾何特征參數進行路面結構狀況評價具有明顯優勢^[8-10]。

20世紀40年代以來，許多學者嘗試將路面彎沉指標與路面結構承載力建立相關關系^[11-13]，并提出一系列的彎沉盆參數，如彎沉盆曲率半徑和彎沉盆面積參數等，彎沉盆曲率半徑可在一定程度上反映路面結構強度和結構層應力應變的關系，彎沉盆面積參數可反映路面整體強度^[14-19]。近年來，關于彎沉盆參數與路面各結構層強度（模量）的相關性研究取得一些進展，學者們提出了表征各結構層強度的彎沉盆斜率^[20-22]，但采用彎沉盆幾何特征參數評定路面結構的損傷狀態的研究相對較少^[23-24]。

本文對安徽省某高速公路養護段不同病害段進行FWD彎沉檢測，設計瀝青路面損傷狀況快速檢測方法，分析不同病害處的彎沉情況，提出基于彎沉盆參數的瀝青路面結構損傷狀況評價方法，為判定養護維修前的路面損傷狀況提供參考和借鑒。

1 FWD檢測方案

選取安徽省某高速公路收費站附近養護路段進行FWD檢測，承載板直徑為30 cm，重錘質量為（200±10）kg，施加沖擊荷載為（50±2.5）kN，設置7個位移傳感器，各傳感器距荷載中心的距離分別為0、20、30、45、60、90、120 cm，各傳感器所得數據分別用D₀～D₆表示。

全面檢測該路段裂縫等病害狀況，在典型橫向裂縫附近采用FWD檢測方案，如圖1所示，可獲得多個位置的彎沉盆數據，每條裂縫附近布置10個測點。采用相同方式布點檢測路面縱向裂縫，根據路面寬度確定測點數，參照圖1確定測點間距。參照圖1方法，從沉陷處的縱向、橫向及斜向布點檢測路面沉陷處。

2 不同病害處路面結構彎沉結果及分析

2.1 橫向裂縫

隨機選取路面的多條橫向裂縫（橫向裂縫與路面車輛的行駛方向垂直），采用FWD檢測方法檢測彎沉盆數據，如第1節所示布設測點，其中2條橫向裂縫彎沉的檢測結果如圖2所示，檢測數據的變化規律基本一致。

由圖2可知：不同裂縫處損傷程度不同，有的裂縫對彎沉的影響較小，如圖2a）所示橫向裂縫1的彎沉與未發生開裂位置的彎沉基本相同；損傷程度較大的裂縫，如圖2b）所示橫向裂縫2，裂縫處的彎沉與周邊區域的彎沉差別較大，離裂縫處距離較近的彎沉較大，開裂導致裂縫與加載中心范圍內的路表彎沉增大，離荷載中心距離較遠的路面結構受荷載影響減小，遠端彎沉與路面結構完好時的彎沉相當。橫向裂縫的彎沉影響區域寬約2.0 m，裂縫向左1.0 m、向右1.0 m外彎沉下降趨于穩定，因此，對橫向裂縫進行徹底處理的區域寬度至少約2.0 m。

2.2 縱向裂縫

隨機選取路面的多條縱向裂縫（縱向裂縫與路面車輛的行駛方向平行），采用FWD檢測方法監測彎沉盆數據，如第1節布設測點，其中3條縱向裂縫彎沉的檢測結果如圖3所示，檢測數據的變化規律基本一致。

由圖3可知：縱向裂縫處路面的損傷程度較大，裂縫處的彎沉與周邊區域的彎沉差別較大，彎沉差最大可達4倍以上；縱向裂縫彎沉的影響區域寬約2.0 m，裂縫中心處彎沉最大，裂縫左右對稱1.0 m外彎沉下降趨于穩定，因此，對縱向裂縫進行徹底處理的區域寬度至少約2.0 m。

2.3 沉陷處

隨機選取路面的多處沉陷處，采用FWD檢測方法，如第1節所示布設測點測量彎沉盆數據，其中3處沉陷處彎沉的檢測結果如圖4所示，檢測數據的變化規律基本一致。

由圖4可知：沉陷處路面的損傷程度較大，沉陷處的彎沉與周邊區域的彎沉差別較大，大部分彎沉差達到3倍以上；沉陷處彎沉的影響范圍比橫向、縱向裂縫處大，彎沉的影響區域寬約1.5～3.5 m，不僅在沉陷中心處有較大彎沉，不同方向的周邊區域也存在較大彎沉。處理沉陷區域時，需考慮對沉陷的不同方向進行綜合處治。

3 基于彎沉盆幾何特征的路面結構狀況評價

3.1 彎沉盆幾何特征參數

半剛性基層路面結構荷載中心的最大彎沉D₀′、鄰近荷載區域的彎沉差D_0-20、距荷載中心20～60 cm附近的彎沉差D_20-60、彎沉盆末端的彎沉D₁₂₀可作為瀝青路面整體強度、面層、基層和路基強度的評價指標^[20-21]，計算公式為：

D_0-20= D₀-D₂₀，

D_20-60= D₂₀-D₆₀，

式中：D₂₀、D₆₀分別為距荷載中心20、60 cm處的路表彎沉。

3.2 病害處彎沉盆幾何特征參數變化

不同路面損傷情況下的D₀′、D_0-20、D_20-60及D₁₂₀如圖5所示。

由圖5a）可知：與正常路面相比，路面損傷處的D₀′離散性明顯增大，其中沉陷處D₀′最大，縱向裂縫處次之，橫向裂縫處最小，表明沉陷處路面損傷程度最大，路面荷載擴散能力減弱，縱向裂縫處損傷程度次之，橫向裂縫處損傷程度最小。由圖5b）可知：按照D_0-20從大到小排序，依次為沉陷處、縱向裂縫處、橫向裂縫處、正常路面。由圖5c）可知：受路面損傷影響，沉陷處的彎沉差、彎沉坡度的離散性增大，按照D_20-60從大到小排序依次為沉陷處、縱向裂縫處、橫向裂縫處、正常路面，表明沉陷、縱向裂縫對路面基層造成的損傷程度較大，橫向裂縫對路面基層造成的損傷程度較小。由圖5d）可知：D₁₂₀離散性較大，按照D₁₂₀從大到小排序，依次為縱向裂縫處、沉陷處、橫向裂縫處、正常路面，表明縱向裂縫、沉陷對路基的損處程度較大。

3.3 彎沉盆參數上限

采用統計學的距離判別分析法^[25]，分析圖5高速公路不同路面狀況各彎沉盆參數的分布情況，確定路面整體結構及各結構層狀況良好的彎沉盆參數上限，用于評判公路路面整體結構及各結構層狀況，如表1所示。

由表1可知：D₀′的上限為100.1μm，可將D₀′小于100.1μm作為判斷路面整體狀況良好的標準；D_0-20的上限為42.4μm，可將D_0-20小于42.4μm作為判斷路面面層狀況良好的標準；D_20-60的上限為31.3μm，可將D_20-60小于31.3μm作為判斷路面基層狀況良好的標準；D₁₂₀的上限為24.5μm，可將D₁₂₀小于24.5μm作為判斷路面路基狀況良好的標準。

3.4 路面結構狀況分析

根據3.3節的路面結構狀況判別標準和大量FWD檢測數據，判斷該高速公路路面結構損傷狀況。

從路面整體強度看，以100.1μm為標準，7.7%的無病害路段的D₀′、56.8%的病害路段的D₀′大于100.1μm，其中80.3%的沉陷段、66.7%的縱向裂縫段、23.3%的橫向裂縫段大于100.1μm。

從面層強度看，以42.4μm 為標準，15.4%的無病害路段的D_0-20、65.9%的病害路段的D_0-20大于42.4μm，其中75.9%的沉陷段、93.5%的縱向裂縫段、28.3%的橫向裂縫段大于42.4μm。

從基層強度看，以31.3μm為標準，2.0%的無病害路段的D_20-60、43.5%的病害路段的D_20-60大于31.3μm ，其中70.4%沉陷段、41.9%的縱向裂縫段、18.3%的橫向裂縫段大于31.3μm。

從路基強度看，以24.5μm為標準，38.4%的無病害路段的D₁₂₀、56.9%的病害路段的D₁₂₀大于24.5μm，其中40.7%的沉陷段、96.8%的縱向裂縫段、33.3%的橫向裂縫段大于24.5μm。

4 結語

1）分析安徽省某高速公路養護路段的彎沉變化，初步判斷高速公路損傷路面橫向裂縫損傷的影響區域寬約2.0 m，縱向裂縫損傷的影響區域寬約2.0 m，沉陷處損傷的影響區域寬約1.5～3.5 m，建議在加鋪設計時根據力學指標對路面損傷程度進行分類，考慮嚴重病害位置的處治范圍及結構力學參數。

2）根據路面病害段和無病害段FWD彎沉盆幾何特征參數的分布，將荷載中心最大彎沉小于100.1μm、鄰近加荷區域彎沉差小于42.4μm、20～60 cm區域彎沉差小于31.3μm及彎沉盆末端彎沉小于24.5μm作為判斷路面整體、面層、基層和路基狀況良好的評價標準。

本文雖提出了路面狀況良好的彎沉盆幾何參數的上限，但主要是基于安徽高速公路實測彎沉數據確定，對其他高速公路的適用性尚需進一步的數據驗證。下一步研究將著重驗證彎沉盆幾何參數界限值的適用性，并基于路基和路面各結構層評價參數構建路面整體結構強度的綜合評價模型。

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Evaluation of asphalt pavement damage condition based on

deflection basin parameters

WANG Qifeng¹， MA Shijie²， XUE Zhichao³，

WU Wenjuan²， WANG Zheng⁴， ZHANG Xiaomeng²

1.Shandong Hi-speed Group Co.， Ltd.， Jinan 250101， China；2.Shandong Transportation Institute， Jinan 250102， China；

3.Shandong Hi-speed Infrastructure Construction Co.， Ltd.， Jinan 250101， China;

4.Shandong Hi-speed Group Innovation Research Institute， Jinan 250102， China

Abstract：In order to evaluate the damage state of the pavement structure， while a maintenance section of an expressway in Anhui was used as the test section， a rapid detection method for the damage condition of the asphalt pavement is developed to analyze the deflection of different diseases through the geometric characteristic parameters of the falling weight deflectometer （FWD） deflection basin. A method for evaluating structural damage of asphalt pavement based on deflection basin is proposed， and the limit value of the overall condition of the pavement and each structural layer is recommended. The results show that， the influence areas of transverse cracks， longitudinal cracks and subsidence damage on the damaged pavement of expressway are 1.5 m， 2.0 m，?and 1.5-3.5 m， respectively. According to the distribution of geometric characteristic parameters of FWD deflection basin in diseased and non-diseased sections of pavement， the evaluation standard for judging the good condition of the overall pavement， surface layer， base layer and subgrade is built when the maximum deflection of the load center is less than 100.1μm， and the deflection difference in the adjacent loading area is less than 42.4μm， and the deflection difference in the 20-60 cm area is less than 31.3μm and the deflection at the end of the deflection basin is less than 24.5μm. This method can provide reference for the judgment of the damage condition of the pavement before maintenance of expressway.

Keywords：FWD; deflection basin; asphalt pavement; damage condition evaluation

（責任編輯：王惠）