广西路网公路路面FWD弯沉分析

王 茜，张 兵，何金兰，谢沛蓉

(广西公路技工学校，广西 南宁 530023)



广西路网公路路面FWD弯沉分析

王 茜，张 兵，何金兰，谢沛蓉

(广西公路技工学校，广西 南宁 530023)

文章通过对广西路网公路调查中所选路段路面进行FWD弯沉检测，得出沥青路面结构和水泥混凝土路面结构的动态弯沉规律，并分析了弯沉值与路况、路面病害之间的关联性，为广西路网公路路面养护维修及改(扩)建提供参考。

路网公路；FWD；弯沉分析；路面病害

0 引言

随着广西经济的蓬勃发展，路网公路里程数量在不断增长，但不同路面结构的公路质量与使用状况存在差异性。因此，针对广西路网工程中各种路面结构类型使用状况的差异性，对广西不同路面结构类型使用状况进行大范围调查研究。路面结构的承载能力与路面的损坏状况存在着内在的联系，道路在使用过程中，路面的承载能力会逐渐下降，与此同时损坏就会逐步发展。路面结构承载能力的测定方法，可分为破损类和无破损类两种[1]。在这次大范围路网公路调查中，对各调查路段路面进行了无破损弯沉现场检测。FWD作为路面无破损弯沉检测的方法，已逐渐在国内外得到了广泛的应用。近几年来，用于路面的动态弯沉检测，较为普遍地采用了FWD，且其具有较多的优点：(1)可用于刚性路面和柔性路面检测；(2)可测出路面弯沉盆的形状；(3)通过所测弯沉盆，分析路面各结构层；(4)检测速度快，检测精度高；(5)检测弯沉值与实际的交通荷载作用下的结果较为吻合。因此，本项目对路面弯沉现场检测采用FWD进行。

1 弯沉检测方法

FWD是通过在计算机控制下的液压系统提升标准质量的重锤落下一定高度，对路面施加脉冲荷载，使路面表面产生瞬时变形，即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆[2]。本次路面弯沉值检测采用Dynatest 8000 FWD仪，其技术指标的先进性和可靠性代表了路面弯沉检测技术的发展水平。该仪器荷载范围为0.7～12 T，弯沉传感器分辨率为1 μm，系统误差≤±2%，承载板的直径为30 cm，应用9个位移传感器，每个传感器距离荷载中心的距离依次为0、210、305、420、610、910、1 210、1 510、1 810(mm)[2]。

图1 Dynatest 8000 FWD系统构成示例图

图2 落锤式弯沉仪(FWD)加荷原理图

弯沉是反映路面结构强度重要的力学指标，是路面各结构层厚度和刚度、温度和湿度、交通状况及龄期的综合反映。基于FWD多点测试弯沉的先进性，在本项目中FWD路面结构检测中的应用主要为：

(1)对于沥青类路面，每个测点采用50 kN的冲击荷载，在《公路路基路面现场测试规程》中规定：对于同一点重锤落下的次数为3次，除去第一个测定值，取后2次测定值的作为计算依据。并将所测弯沉值进行温度修正，得到20 ℃沥青路面动态弯沉值。

(2)对于水泥混凝土路面，整体完好板块，采用9点布置，病害板块，测点布置根据实际裂缝情况相应布点，如图3所示。对每个检测点，采取三级加载的方法，设定荷载大小分别为：50 kN、70 kN、80 kN。主要用于基层顶面回弹模量的分析；调查水泥路面接缝的传力效果；探测路面板下的空洞。

2 沥青类路面弯沉检测分析

在对广西各地区路网公路进行大范围路况调查时，沥青类路面共选择28条路线，典型路段为106段，包括：G322衡阳-友谊关、G323瑞金-临沧、G324福州-昆明、G325广州-南宁、G209呼和浩特-北海、S304苍梧-贵港等路线。

2.1 路面损坏与弯沉值的关系

通过统计本次调研所选路段弯沉值，并结合现场路况调查结果，绘制D1和D9的检测结果，即距离荷载中心的距离分别为0 mm和1 810 mm的弯沉值，与路面调查状况关系图见图4。

FWD检测的是动态弯沉，参考FWD弯沉检测经验，可根据D1和D9的检测结果进行横向分析比较路面的结构承载能力，其中，D1主要是反映路面的综合承载能力，当D1的检测结果偏大时，反应路面的承载能力存在问题；D9主要是反映路基的承载能力，当D9的检测结果偏大时，反应路基的承载能力存在问题。由图4可知，通过对比路况较好路段与病害路段的D1和D9的检测结果发现，路面弯沉值与路面状况相关性较大，即承载能力低的路段，其损坏程度较高。总体来看，病害路段D1和D9弯沉值均大于较好路段弯沉值，这说明病害路段的路面的综合承载能力和路基的承载能力相比较好路段承载能力较低，这是造成路面病害发生发展的重要因素。

图4 不同路况的弯沉值对比图

2.2 不同路面结构的弯沉分析

将所选路段按照不同的路面结构类型进行分类统计，统计类型分别为新建路段和大中修路段。新建路段可分为沥青混凝土和沥青碎石的路面结构，大中修路段可分为“黑+黑”“白+黑”和水泥混凝土碎石化的路面结构。

表1为本次调查沥青类路面不同路面结构的弯沉值汇总，对比相同路面结构类型，总的来看，较好路段弯沉值小于较差路段，即路面承载能力高的路段，路面状况相对较好。不同的路面结构具有不同的路表弯沉值，因此不能单从最大弯沉值的大小来判断路面结构的承载能力的依据，应采用强度系数SSI作为评价指标，并且根据规范评价标准，判断各路面结构的承载能力[1]。可通过实测整个弯沉盆，反算出路面各结构层的弹性模量，为路面养护维修或改(扩)建工程提供依据。

表1 不同路面结构弯沉均值汇总表

3 水泥路面弯沉检测分析

在对全区路网公路水泥混凝土路面调研时，共选取了19条路线，典型路段为35段，包括：G322衡阳-友谊关、G323瑞金-临沧、G209呼和浩特-北海、S216玉林至山口、G207锡林浩特-海安等路线。

3.1 接缝传荷能力

接缝传荷系数可按下式定义：

(1)

wu、wl分别为未受荷板和受荷板接缝边缘处的弯沉值。可将接缝的传荷能力按照传荷系数的大小划分为优良、中、次、差四个等级，作为选择加铺层结构形式和采取反射裂缝防治措施的参考依据[3]。

表2 接缝传荷系数等级分布表

不同结构类型不同路况板块接缝传荷系数等级分布如表2所示，结果表明：不同结构类型路况较好路段的接缝传荷能力均好于路况较差路段，较好路段接缝传荷系数等级中级及以上的达到70%以上，不同结构类型路况较差路段的传荷能力都有不同程度下降，其中“黑改白”所选较差路段的传荷能力下降较多，在中级及以上比例仅占到38%。

总体来看，本次所选路况较好路段，整体板间接缝状况良好，传荷能力较强，从现场观察，不论横向接缝，还是纵向接缝，无明显接缝缺陷，接缝宽度符合要求，无接缝张开现象。而本次所选路况较差路段，传荷能力相对较好路段下降，从现场观察，不同结构类型的路况为较差路段的部分板块间接缝存在不同程度的损坏，出现接缝处破碎和张开，填缝料缺失，接缝唧泥等病害，大多数采用沥青灌缝修补。

3.2 板底脱空调查与评定

水泥混凝土路面板底脱空测试采用的方法为AASHTO推荐的FWD多级加荷的方法，即将所测弯沉值与荷载的数据回归成线性关系，以求得对应荷载为0时的相应变形值，并且判断标准>0.02 mm时，表示板底脱空。

表3 板底脱空情况测定结果表

由板底脱空测试结果表3可知，对于不同的路面结构，路况较好的路段板底脱空数量较少，路况较差的路段板底脱空数量较多，在路况差的路段中，“水泥砼”和“黑改白”这两种路面结构，超过50%的面板均有脱空现象，该结果在一定程度上可反映出广西路网公路水泥混凝土板底脱空状况。另外，对于较好路段，在一些板块表面未发现任何病害，但是在板底已经存在脱空的现象，若不加处理，随着脱空面积增大，板块就会出现裂缝、断角、断板等病害。

3.3 基层回弹模量调查与评定

旧混凝土路面基层顶面的当量回弹模量标准值，宜采用FWD仪(标准荷载100 kN，承载板半径150 mm)量测板中荷载作用下的弯沉曲线[3]，可按式(2)和式(3)确定。

(2)

(3)

(4)

式中：Et——基层顶面当量回弹模量标准值(MPa)；

k——模量修正系数，可根据检测路段路面结构形式以及有关研究成果确定；

w0——荷载中心处的弯沉值(μm)；

SI——路面结构的荷载扩散系数；

w300、w600、w900——分别为距离荷载中心300 mm、600 mm、900 mm处的弯沉值(μm)。

若测试荷载为非设计荷载100 kN时，可使用荷载修正后的基层顶面当量回弹模量计算公式：

Et=100e3.60+24.03(1 386w0/p)-0.057-15.63SI0.222

(5)

式中：P——测试荷载(kPa)；

SI和w0与式(2)相同。

表4 基层顶面当量回弹模量检测结果表

基层顶面当量回弹模量检测结果如表4所示，不同的路面结构类型，路况较好路段的基层顶面当量回弹模量要高于路况较差路段，并且较好路段的变异系数(离散性)要小于较差路段。路况较差路段基层顶面当量回弹模量偏低，与脱空及基层软化、松散等有关。“白改白”路面结构测得基层顶面当量回弹模量要高于其它两类路面结构，但总体来看，本次调查的所有路段大多基层顶面当量回弹模量较高，符合相应公路等级的要求。

4 结语

弯沉是一项路面结构状况是否良好的重要指标，大中修前必须进行弯沉检测，并依据弯沉检测结果合理设计路面结构。在本次广西路网公路路面结构使用状况大范围调查中，采用FWD进行弯沉检测，得出全区路网公路沥青和水泥混凝土所选路段路面结构承载能力现状，为以后广西路网公路路面养护维修及改(扩)建提供参考依据，并给出以下建议和结论。

(1)通过本次对广西路网公路沥青类路面弯沉检测的结果表明：路面结构承载能力的大小与所调查的路况一致，即随着路面结构承载能力的降低，路面状况也随之变差，也就是说，路面结构承载能力的下降是造成路面病害发展的重要因素。本文汇总出广西路网路沥青类不同路面结构类型所选路段的弯沉值，以此可反映广西路网公路沥青类路面不同结构类型承载能力的现状，并建议可通过实测整个弯沉盆，反算得出路面各结构层的弹性模量，以此为以后路面养护维修或改(扩)建工程提供依据。

(2)在本次对广西路网公路水泥混凝土路面使用状况调查中，利用FWD实测弯沉盆，测得水泥混凝土不同类型路面结构的基层顶面回弹模量、接缝传荷能力及混凝土板底脱空的状况与其路况好坏相关性很大。可以此结果作为混凝土路面的选择反射裂缝防治措施和加铺层结构形式的参考依据。

(3)通过本次路面弯沉现场检测表明，FWD检测速度快、精度高，可进行多级加载测试，并能够方便地实测整个弯沉盆，反算出路面各结构层的动态模量，是现场、快速、无破损进行路面结构状况评定的理想设备。而在现阶段，广西路网公路弯沉检测仍大范围使用贝克曼梁，建议今后进行路网公路路面结构承载能力评定时，可选择FWD提高工作效率和精准度，减少劳动量。

[1]邓学钧.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2]JTG E60-2008，公路路基路面现场检测规程[S].

[3]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

FWD Deflection Analysis of Guangxi Road-network Highway Pavement

WANG Qian，ZHANG Bing，HE Jin-lan，XIE Pei-rong

(Guangxi Highway Technical School，Nanning，Guangxi，530023)

Through FWD deflection testing on the pavement of selected road segment in Guangxi road-network highway survey，this article obtained the dynamic deflection rules of asphalt pavement structure and cement concrete pavement structure，and analyzed the relevance between deflection value with road conditions and pavement disease，thereby providing the reference for Guangxi road-network highway pavement maintenance and reconstruction(expansion).

Road-network highway；FWD；Deflection analysis；Pavement disease

U418.4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.009

1673-4874(2016)09-0035-04

2016-08-20

王 茜(1982—)，硕士，工程师，主要从事公路结构与材料性能研究、公路建设、养护等工作；

张 兵(1967—)，高级工程师，主要从事公路结构与材料性能研究、公路建设、养护等工作；

何金兰(1986—)，硕士，讲师，主要从事公路结构与材料性能研究、养护等工作；

谢沛蓉(1988—)，助理工程师，主要从事公路结构与材料性能研究、养护等工作。

广西交通科技项目“广西路网公路路面结构适用性研究”(批准号：20122636)