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,隨著檢測技術(shù)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(nèi)外快速發(fā)展[1-3]。近年來,國內(nèi)外彎沉快速檢測技術(shù)日趨成熟,國內(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(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)彎沉測量[4]。

為驗(yàn)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(jìn)行對比和相關(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)狀況評價(jià)參數(shù)及參數(shù)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(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(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

為評價(jià)RWD(LDD 和TSD)彎沉檢測數(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設(shè)備LDD 進(jìn)行重復(fù)性和速度變異性試驗(yàn),對比試驗(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 檢測結(jié)果與FWD 檢測結(jié)果進(jìn)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(jié)果的相關(guān)性。

表1 對比試驗(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(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)行對比分析。

2) 路面結(jié)構(gòu)狀況評價(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RWD 實(shí)測彎沉盆來檢驗(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)測試選擇路段,進(jìn)行共計(jì)3 次重復(fù)性測試,以分析同一測試速度下的重復(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LDD彎沉值;為LDD彎沉平均值。

根據(jù)LDD 激光動(dòng)態(tài)彎沉系統(tǒng)測試彎沉數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)出3 條路段不同測試速度下的重復(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%,可見測量速度對測量結(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(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(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;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。

對比LDD 和TSD 的測試結(jié)果,從彎沉值的范圍和變化情況可知,進(jìn)口TSD 設(shè)備的彎沉值相對較大,對變化相對更為敏感。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試速度不均勻。根據(jù)初步結(jié)果分析可知,TSD 彎沉檢測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)狀況評價(jià)參數(shù)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(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)彎沉測試系統(tǒng)和FWD 檢測方法實(shí)測路面變形量的點(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)

分別對各實(shí)測彎沉盆參數(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)測彎沉盆的檢驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)過對比分析,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)狀況評價(jià)參數(shù)界限值,計(jì)算公式為

式中,Xi為LDD 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(shù)據(jù)。由于受力荷載狀態(tài)、測點(diǎn)密度和測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)性相對不高,為0.3～0.4,且RWD 的測試結(jié)果略大,因此針對項(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,但仍需要對測試結(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價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、D20-D60>127.819 5 μm 作為基層狀況好壞的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。