组合式基层沥青路面结构FWD 数据特性分析

■张 超

（1.福建省交通科学技术研究所，福州 350004；2.福建省公路水运工程重点实验室，福州 350004）

0 引言

随着路面结构的深入研究，我国高等级沥青路面逐渐由单一的半刚性基层结构形式发展出柔性基层路面结构、组合式基层路面结构（倒装路面结构）等多种形式，并在探索使用中获得了较为良好的效果。

福建省地处我国东南沿海，具有多山湿热的地理气候特征，自1997 年泉厦高速通车以来，至今建成通车高速公路里程超过4000 公里。在路面结构设计上，福建省前期主要采用我国常用的半刚性基层路面结构，2006 年后开始采用组合式基层沥青路面结构，其结构形式为：密集配沥青混凝土+沥青稳定碎石+级配碎石+水泥稳定碎石，通常称其中的“沥青稳定碎石+级配碎石+水泥稳定碎石半刚性基层”为组合式基层。

组合式基层沥青路面结构在理论上具有减少沥青路面反射裂缝、排出结构内部积水的优点，但与现行沥青路面设计、评价的标准规程相比，其在弯沉指标的设置和研判上具有明显的不一致。对组合式基层路面结构的弯沉指标进行研究，有助于该指标在路面设计、检测中的应用，为改进路面结构设计方法提供参考[1]。

1 弯沉指标概述

1.1 当前弯沉指标的不足之处

长期以来，我国公路工作者普遍认为，弯沉指标不仅能够反映路面各结构层及土基的整体强度和刚度，而且与路面的使用状态存在一定内在联系，是一个能够反映路面发生沉陷、网裂等的综合强度指标。因此，我国一直以来均采用路面弯沉作为路面结构设计、质量控制和承载能力评估的主要指标。

沥青路面在我国使用之初，由于历史原因，强基薄面的半刚性基层路面结构在很长时间里成为通行的结构形式，我国路面各项指标也基于此设置和使用。实际路面检测表明，依据现行《公路沥青路面设计规范》得到的路表计算弯沉，与组合式基层沥青路面结构的实测值有较大的差异，这些源自路面结构的差异成为路面设计与检测评价的障碍。

1.2 FWD 弯沉的选择

路面弯沉是反映路面结构承载力的重要指标。当前，我国关于路面弯沉的检测与分析主要基于贝克曼梁法，该方法测速慢、精度低，并且只检测路面的单点弯沉，无法分析评价路基路面各结构层的材料性能。

落锤弯沉仪（FWD）是测试一定高度的标准质量重锤落下时对路基或路面所产生的瞬时变形，所测得的路面在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆信息，为分析路面承载能力及结构特性提供了基础[2-3]。

FWD 法测速快、精度高、操作方便、数据信息丰富，逐渐成为路面承载能力检测与结构分析的重要手段。本文以FWD 实测数据为基础，分析组合式基层沥青路面结构的弯沉数据分布特性及路面结构特征。

2 路面结构形式

为对比研究半刚性基层沥青路面结构与组合式基层沥青路面结构的弯沉差异，本文选择某高速公路不同路面结构的路段进行了FWD 弯沉检测，本段高速公路为双向四车道，检测车道为双向的行车道轮迹带。两种路面结构形式如表1 所示。

表1 路面结构形式

表1 中两种路面结构路段通车时间基本相当，至今运营约8 年，检测路段分别长为30km、20km，路面保持建成时的结构形式，除了日常养护和局部微表处罩面外，没有进行过大中修。

3 数据分布特征

除去桥隧构造物不检，剔除弯沉不递减、与其他点弯沉有明显差距的两类数据，组合式基层路面段落测得行车道FWD 弯沉数据461 组，半刚性基层路面段落测得行车道FWD 弯沉数据297 组。对中心弯沉值按照10μm 分档，检测数据数值分布情况如下表2 所示。

表2 FWD 弯沉数据分布

图1 FWD 弯沉数据分布

图2 FWD 弯沉数据占比

根据表2 数据分布情况，绘制出两种路面结构FWD 数据分布与占比曲线，如图1 和2 所示。

（1）正态分布检验

对“组合式基层”和“半刚性基层”路面结构的FWD 弯沉数据分布进行统计检验，两种路面结构的概率P 值分别为0.29 和0.748，大于显著性水平（0.05），可以认为两者的总体分布与正态分布没有显著差异，即两者的总体分布均为正态分布。

（2）偏度和峰度

统计分析得出，两种路面结构FWD 数据的偏度分别为2.324 和-0.801，组合式基层路面结构为正偏斜，而半刚性基层路面结构为负偏斜；两种路面结构FWD数据的峰度分别为1.412 和0.512，均大于0，呈尖峰分布，组合式基层路面结构的峰度较大，正态分布较集中。

数据样本假设性检验表明，两种路面结构FWD 数据的样本均值存在显著性差异，组合式基层路面结构的总样本均值大于半刚性基层路面结构；由正态分布的特点，两种路面结构FWD 数据分布分别关于（220～230μm）和（160～170μm）对称，最大值分别为16.8%和12.4%。

按照路面FWD 数据占比，半刚性基层路面结构60%的数据（20%～80%）分布范围为140μm～210μm，而组合式基层路面结构60%的数据（20%～80%）分布范围为210μm～270μm，组合式基层路面结构FWD 数据在数值上大于“半刚性基层”路面结构，分布范围较窄。

4 弯沉盆特征

利用FWD 路表弯沉盆及其衍生参数对结构层状况进行评价是路面动力响应研究的重要途径之一[4]。

本文根据不同路面结构FWD 弯沉数据分布，对半刚性基 层 沥 青 路 面130μm ～180μm 和 组 合 式 基 层 路 面210μm～260μm 数据集中分布范围的弯沉盆进行分析。分析时，对中心弯沉按照每10μm 一个分段，对段内弯沉盆各测点数值进行平均，作为该点的弯沉测值，绘制弯沉盆形状如下图3 所示。

图3 两种路面结构弯沉盆形式

根据检测数据，分三段（d0/d1,d1/d5,d5/d8,d0为弯沉中心点，d1、d5、d8距中心点d0分别为200mm、900mm 和1800mm）计算图3 弯沉曲线不同测点比值如下表3 所示。

表3 弯沉盆分段斜率计算结果

由图3 和表3 计算结果可以看出，两种不同路面结构的弯沉盆形式有着明显的差别，对于组合式基层沥青路面结构，除了中心弯沉值较大外（组合式基层沥青路面结构的中心弯沉值分布峰值约为半刚性基层沥青路面结构的1.5 倍），其弯沉盆坡度也整体较大，半刚性基层路面结构的弯沉盆总体上“浅且大”，组合式基层路面结构的弯沉盆则“深且窄”。

5 路面结构分析

对于半刚性基层路面结构而言，有研究指出，弯沉盆参数可以归结为四个方面[5]：①承载板中心弯沉盆反映路面结构整体刚度；②加载中心附近弯沉盆坡度及差异反映路面上部结构的相对刚度；③300～900mm 附近的弯沉盆坡度及差异反映下部结构或路面基层的相对刚度；④弯沉盆末端弯沉反映路基刚度。

在组合式基层沥青路面结构中，倒装结构使该路面结构上部沥青层与级配碎石层、级配碎石层与下部水泥稳定碎石层的模量比出现顺序与比值的根本变化，并且级配碎石夹层的力学状态特性及其与相邻层位的接触条件也异于水泥稳定碎石半刚性基层，所以组合式基层沥青路面结构弯沉盆表现出来的性状特性及其表征的路面结构性能，有其自身不同的含义。

（1）承载板中心弯沉盆虽然总体上反映路面结构整体刚度，但更集中反映了级配碎石层的结构状态。

与半刚性基层路面结构相比，组合式基层路面结构沥青层（含ATB-25 层）厚度大，起到部分承重层作用，置于沥青混凝土与水泥稳定碎石层之间的级配碎石，其未处置粒料具有显著的非线性特点,模量参数与其在路面结构中所处的应力状态密切相关,即其模量参数受到上覆层厚度与模量、下承层模量及粒料层本身厚度等众多因素的影响。

半刚性基层路面结构与组合式基层路面结构的最大差异体现在“级配碎石”层的设置上，这个路面结构上的最大差异在FWD 弯沉盆中则体现在最为显著的中心弯沉盆上。由数据可以解读：FWD 中心弯沉越大，路面整体刚度越小，“级配碎石”层与沥青混凝土层模量比越大，其对路面强度影响越大，即其材料质量越不稳定，甚至在一定程度上产生卸载末期变形不恢复的情况。

（2）“加载中心附近弯沉盆”坡度及差异主要反映“密集配沥青混凝土+沥青稳定碎石+级配碎石”结构层的刚度，尤其反映了“级配碎石”层对其上部结构层刚度的影响。

“加载中心附近弯沉盆”半径通常是指承载板中心点至弯沉盆曲线凸点的距离，在半刚性基层路面结构中，弯沉盆曲线凸点距中心的距离通常为300mm，但从本文数据看，组合式基层路面结构中这个距离则为200mm。“加载中心附近弯沉盆”半径的大小主要反映了FWD 冲击荷载在沥青层的下承层中的影响范围，在半刚性基层路面结构中，沥青层的下承层为半刚性水泥稳定碎石材料，在组合式基层路面结构中，沥青层的下承层则为级配碎石层。

“加载中心附近弯沉盆”的数据解读主要分为两个部分：一是弯沉盆半径，主要受级配碎石层厚度影响较大，同厚度级配碎石的路面结构中，该半径变化较小；另外一个是弯沉盆坡度，主要反映级配碎石材料的压实质量，同等应力状态条件下，弯沉盆坡度越大，级配碎石材料的模量越小，压实质量则越差。

（3）“中段弯沉盆”坡度及差异反映组合式基层路面下部结构“水泥稳定碎石”层的相对刚度。

“中段弯沉盆”是指弯沉盆曲线凸点至曲线末端直线段起点的距离。组合式基层路面结构中，该范围内的弯沉盆曲线逐渐脱离级配碎石层的显著影响，级配碎石下承层——半刚性水泥稳定碎石层的影响增加，弯沉盆曲线特性体现了半刚性水泥稳定碎石自身厚度、强度对整个路面结构相对刚度的影响。

“中段弯沉盆”半径越大或者坡度越小，说明组合式基层中半刚性底基层的刚度越大，反之，则说明半刚性底基层的刚度相对较小。

（4）弯沉盆末端弯沉反映组合式基层路面上部结构“密集配沥青混凝土+沥青稳定碎石”层的相对刚度。

在半刚性基层路面结构中，弯沉盆末端弯沉反映路基刚度，但在组合式基层路面结构中，由于级配碎石夹层的存在，半刚性基层与级配碎石层之间、级配碎石层与沥青稳定碎石层之间存在显著的非连续接触状况，路基应变向上反映到弯沉盆末端的路径被消滞，所以末端弯沉受近中心点沥青面层应变的影响更大，即其更多反映的是上部沥青混凝土层的刚度。

6 结语

对比半刚性基层沥青路面，组合式基层沥青路面结构在FWD 弯沉指标上主要有以下特性：

（1）FWD 弯沉数据虽然同样为正态分布，但组合式基层路面结构的峰度较大，正态分布更集中。

（2）组合式基层路面结构的总样本均值大于半刚性基层路面结构；FWD 数据分布分别关于（220～230μm）和（160～170μm）对称。

（3）弯沉盆形状存在明显差异，相比而言，半刚性基层路面结构的弯沉盆“浅且大”，组合式基层路面结构的弯沉盆则“深且窄”。

（4）承载板中心弯沉盆更集中反映了级配碎石层的结构状态，FWD 中心弯沉越大，表明“级配碎石”层所处状态对路面影响越大，其材料质量越不稳定。

（5）“加载中心附近弯沉盆”主要反映“密集配沥青混凝土+沥青稳定碎石+级配碎石”结构层的刚度，弯沉盆坡度与级配碎石材料压实质量密切相关，坡度越大则压实质量越差。

（6）“中段弯沉盆”反映下部结构“水泥稳定碎石”层的相对刚度，“中段弯沉盆”半径越大或者坡度越小，表明组合式基层中半刚性底基层的刚度越大，反之亦然。

（7）弯沉盆末端弯沉反映上部结构“密集配沥青混凝土+沥青稳定碎石”层的相对刚度。

[1]王旭东.沥青路面弯沉指标的探讨[J].公路交通科技，2015,32（1）：1-11.

[2]唐昱.沥青路面结构层参数对路表弯沉盆影响分析[J].交通科学与工程，2015,31（1）：27-32.

[3]罗启添，邱欣，杨青.基于FWD 路表动态弯沉盆参数的路基模量评价研究［J］.公路工程，2011,36（2）：4-12.

[4]杨国良.基于落锤式弯沉仪评价路基路面结构层状况的研究［D］.广州：华南理工大学，2007.

[5]邱欣，杨青，游庆龙.沥青路面阻尼特征参数及路表动态弯沉盆分布特征研究[J].公路交通科技，2013,30（7）：1-6.