郭 磊

（山西交控集團(tuán)大同北高速公路分公司，山西 大同 037000）

0 引言

目前對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)主要以整體強(qiáng)度評(píng)價(jià)為主，隨著人們對(duì)道路結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)手段的廣泛重視，道路結(jié)構(gòu)使用性能評(píng)價(jià)的手段已經(jīng)從整體強(qiáng)度性能評(píng)價(jià)向結(jié)構(gòu)層模量定量反演發(fā)展[1]，傳統(tǒng)的分析方法只利用了各時(shí)程曲線的峰值，不能充分利用實(shí)測(cè)彎沉?xí)r程曲線的全部信息，導(dǎo)致分析結(jié)果不能更客觀地反映路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，無(wú)法得知荷載頻率對(duì)瀝青混合料的力學(xué)參數(shù)的影響，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)定環(huán)節(jié)和性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不銜接。

瀝青混合料作為典型的黏彈性材料[2]，力學(xué)參數(shù)隨荷載頻率有顯著變化，F(xiàn)WD 對(duì)路面施加的是沖擊荷載，尤其是對(duì)半剛性基層瀝青路面，F(xiàn)WD 試驗(yàn)中荷載和各點(diǎn)彎沉都是隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線。本論文選取典型的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)，分別在不同的季節(jié)進(jìn)行FWD 檢測(cè)，采用譜單元[3]對(duì)彎沉?xí)r程曲線進(jìn)行動(dòng)態(tài)反演，得到瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線及其他結(jié)構(gòu)層模量，分析不同結(jié)構(gòu)層模量隨季節(jié)變化規(guī)律，對(duì)正確認(rèn)識(shí)半剛性基層瀝青路面使用狀況有著重要的指導(dǎo)意義。

1 動(dòng)態(tài)反演方法介紹

路面力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)反演采用譜單元法（SEM,Spectral Element Method）。譜單元法有機(jī)地結(jié)合了譜分析法的精度和效率以及有限元法中剛度矩陣的優(yōu)點(diǎn)[4]，分析過程中瀝青混合料作為黏彈性材料，其他結(jié)構(gòu)層作為彈性材料。譜單元法利用傅里葉變換，將結(jié)構(gòu)控制方程轉(zhuǎn)換到頻率- 波數(shù)域內(nèi)進(jìn)行求解。在頻率- 波數(shù)域內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)層的質(zhì)量、慣性力等特性可以得到很好的表征，采用一個(gè)譜單元即可充分描述整個(gè)結(jié)構(gòu)層的力學(xué)特性，這一特性為譜單元法在路面力學(xué)參數(shù)反演中的應(yīng)用提供了便利。

與靜態(tài)彈性分析方法相同，譜單元法根據(jù)路面結(jié)構(gòu)和荷載的對(duì)稱性，采用軸對(duì)稱模型模擬路面結(jié)構(gòu)受力行為，如圖1 所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

類似于有限元法，譜單元法分析中形成單元?jiǎng)偠染仃嚽蠼?，譜單元法采用兩種單元類型模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)[5]，兩種譜單元如圖2 所示。與傳統(tǒng)靜態(tài)彈性方法相似，譜單元在水平方向（徑向）上為無(wú)限大。兩節(jié)點(diǎn)譜單元由兩個(gè)平行面構(gòu)成，上下表面距離為h，可以用來(lái)模擬有限厚度的路面結(jié)構(gòu)層。單節(jié)點(diǎn)譜單元僅有一個(gè)水平面構(gòu)成，能夠模擬厚度無(wú)限大的土基或者硬巖層。

圖2 譜單元示意圖

2 動(dòng)態(tài)反演結(jié)果分析

在朔州試驗(yàn)路選取典型病害路段進(jìn)行FWD 進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)路面平整、潔凈、無(wú)嚴(yán)重坑槽、松散等病害，路面結(jié)構(gòu)信息見表1，開始檢測(cè)前需預(yù)熱設(shè)備20～30 min，調(diào)整設(shè)備落錘高度，荷載峰值設(shè)置為0.7 MPa，傳感器距荷載中心的距離分別為0 m、0.33 m、0.5 m、0.8 m、1.1 m、1.4 m、1.7 m、2.0 m，同一位置至少測(cè)試4 次，每次連續(xù)4 次試驗(yàn)，分析每個(gè)測(cè)點(diǎn)彎沉盆檢測(cè)數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定，當(dāng)設(shè)備完全穩(wěn)定后方正常開展試驗(yàn)，分別在3月、6月、9月、11月對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)FWD 測(cè)試。

表1 路面結(jié)構(gòu)信息

圖3 給出了典型位置處的反演彎沉結(jié)果和實(shí)測(cè)值的對(duì)比，可見兩者吻合的很好，表明反演力學(xué)參數(shù)能夠真實(shí)地反映路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

圖3 彎沉?xí)r程曲線對(duì)比

圖4給出了同一位置處不同季節(jié)的動(dòng)態(tài)模量主曲線反演結(jié)果。

圖4 面層反演動(dòng)態(tài)模量主曲線

由圖4 可知，動(dòng)態(tài)模量在角頻率較大時(shí)隨季節(jié)變化具有明顯的變化，其中春、冬季測(cè)試期間氣溫較低，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的反演結(jié)果較大，夏、秋季節(jié)測(cè)試過程中氣溫較高，瀝青混合料較“軟”，動(dòng)態(tài)模量反演結(jié)果小于春、冬季反演結(jié)果。

根據(jù)動(dòng)態(tài)模量主曲線數(shù)學(xué)模型，利用不同位置處反演得到的力學(xué)參數(shù)，計(jì)算在10 Hz、45 Hz 頻率下的瀝青層的動(dòng)態(tài)模量。并對(duì)同一季節(jié)各測(cè)試點(diǎn)的反演結(jié)果求取平均值，作為路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，分析其隨季節(jié)的變化規(guī)律。表2 給出了不同季節(jié)反演力學(xué)參數(shù)的平均值，圖5 為其他結(jié)構(gòu)層模量季節(jié)變化圖。

表2 路面力學(xué)參數(shù)平均值 MPa

圖5 半剛性基層模量季節(jié)性變化規(guī)律

由表2 可知，面層的動(dòng)態(tài)模量值在3月和11月的結(jié)果較大，6月和9月的結(jié)果較小，其中6月結(jié)果中10 Hz 對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)模量?jī)H為3月份結(jié)果的50%左右，表明瀝青層作為黏彈性材料受到大氣溫度等因素的影響，其力學(xué)性能發(fā)生較大變化；半剛性基層路面結(jié)構(gòu)基層、底基層模量隨季節(jié)變化規(guī)律不強(qiáng)，基層最大差別為6.9%，底基層最大差別為18.8%，土基受氣溫、濕度等條件的影響，模量季節(jié)性變化較強(qiáng)，最大差別為49.5%。

3 結(jié)論

在不同季節(jié)用落錘式彎沉儀對(duì)半剛性基層路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，采用動(dòng)態(tài)反演方法得到瀝青層動(dòng)態(tài)模量主曲線及其他結(jié)構(gòu)層模量，分析不同結(jié)構(gòu)層模量季節(jié)變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

a）動(dòng)態(tài)反演方法可以有效利用FWD 時(shí)程曲線對(duì)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)反演分析，反演結(jié)果更能客觀反應(yīng)瀝青混合料的力學(xué)特性。

b）瀝青面層動(dòng)態(tài)模量值在3月和11月的結(jié)果較大，6月和9月的結(jié)果較小，其中6月結(jié)果中10 Hz對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)模量?jī)H為3月份結(jié)果的50%左右。

c）半剛性基層路面結(jié)構(gòu)基層、底基層模量隨季節(jié)變化規(guī)律不強(qiáng)。

d）土基受濕度等條件的影響，模量季節(jié)性變化較強(qiáng)，最大差別為49.5%。