基于FWD的沥青路面施工变异性分析

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(1.湖南省高速公路投资集团有限公司，湖南 长沙 410003；2.沪昆高速公路潭市互通工程建设项目部,湖南 湘潭 411100；3.湖南理大交通科技发展有限公司，湖南 长沙 410007)

0 前言

弯沉是道路检测中的重要指标之一，其目的在于测出荷载作用下结构层的垂直位移量，以此反映路面结构层及土基的整体刚度。对沥青路面而言，各结构层的施工质量好坏是保证其路面性能的基础。但路面施工的各个环节都不可避免地存在变异性，从而导致沥青路面质量和性能的变异，若不加以控制干预，则易引起质量隐患。因此，对在建高速公路路面进行检测验收是至关重要的一个环节，目前通用指标是检测弯沉。

静载贝克曼梁法(BB)和动载落锤式弯沉仪(FWD)是现行两种主要的路面弯沉检测方法。相较于贝克曼梁，FWD能较好模拟出行车荷载，且测速快、精度高、稳定性好，广泛应用于我国高等级公路路面检测[1]。FWD是通过分析路面施工中的变异性系数来评价施工质量，并依据评价结果，对不良的施工路段提出建议，再对处理后的路段再次评价，从而达到指导施工、提升质量的目的。

1 FWD与BB在弯沉检测中的关联性分析

FWD是将一定质量的落锤从一定高度自由落下，导致路面表面产生瞬时变形，分布于距测点不同距离的传感器检测到结构层表面的变形，通过记录系统将信号传输至计算机，即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆，路面结构不同，弯沉值及弯沉盆的半径亦不同[2]。测试数据可用于反算路面结构层模量，从而比较科学地评价路面的承载能力。虽然我国的相关规范[3,4]已经将落锤式弯沉仪作为弯沉的检测设备，但最终测评时均转换为BB所测试的静态弯沉指标。

BB是利用杠杆原理制成的杠杆式弯沉仪，其利用载重汽车对路面加载，通过百分表观测路面弯沉，分为5.4 m和3.6 m两种规格，现场检测时检测人员需按路基、路面的不同类型合理选择弯沉仪。但由于其测试精度较低，且受人为因素影响较大，其使用面已逐渐缩小。

相反，FWD应用于现场优势明显：能较好地模拟道路使用时的动态荷载，较准确地测出弯沉值，还能测出弯沉盆形状，为路面各结构层的研究提供依据；FWD检测过程中，对交通封闭的时间和区域也相对较小，可有效减小检测过程中对交通的阻碍；此外，传感器测得数据直接经由电脑处理计算，使用时速度更快，精度更高，减少了人为的干扰[5]。在具体的工程应用中两者的对比也是十分明显的，使用贝克曼梁测试耗时耗力且结果有时波动较大，而落锤式弯沉仪使用简单，结果准确。

FWD应用于路面施工质量控制中，先进行BB与FWD的对比试验研究其相关性，合格后才能用FWD检测数据对路面情况进行评价分析。

本文以某高速公路K11+870～K12+870路段为测试路段进行试验。该路段水稳底基层设计弯沉为92.9(0.01 mm)、水稳上基层为24.2(0.01 mm)。试验对比方案为：先用FWD测试每个测点的动态弯沉值，并记录弯沉盆数据；再用贝克曼梁在相应测点上测试静态弯沉值；最后依据2组方法测试结果，进行相关性回归分析。测试中荷载统一采用50 kN标准荷载，作用3次，另外对比试验检测测点按照40 m/点进行。

动态弯沉检测设备采用JSTRI-2000型落锤式弯沉仪，该检测设备共有9个传感器，各传感器距荷载中心的距离如表1所示；检测采用一级荷载、2次加载，设定标准荷载为50 kN，与沥青混凝土路面设计规范采用的100 kN单轴双轮组一侧的荷载对应。

表1 JSTRI-2000型FWD传感器布置传感器编号距荷载中心距离/mm传感器编号距荷载中心距离/mmD10D6900D2200D71200D3300D81500D4450D92000D5600

进行FWD动态弯沉与BB静态弯沉的换算方式有线性、二次多项式、三次多项式等多种方法。其中线性回归对比公式更为简单明了、计算简便，且两者差值较小。因此本文依据现场测点的测试结果，剔除其中因随机误差和系统误差产生的异常值，采用相关分析软件对剩余的数据进行回归分析，得到相关系数为0.952 3，具体回归方程及相关图1如下所示：

LBB=0.624 5LFWD+1.445 1

(相关系数R2=0.9523)

(1)

图1 FWD与BB相关关系图

由图1可知，FWD与BB测试值之间呈较好的线性相关关系(相关系数0.952 3)，因此，在本项工程中可以用FWD所测的动态弯沉值替代贝克曼梁所测的静态弯沉值对路面弯沉及模量的大小进行分析，并以此为依据作为质量评价的一项指标。

2 基于FWD反算模量变异性分析

若对线路全程进行施工控制需要进行大量的数据采集，而路面施工中长达几公里的施工情况是基本相同的，现仅以试验路段的部分检测数据来分析该路段的施工情况，并进行变异性计算，进而提出相对应的处治办法。如表2所示，采集试验段右幅K22+170～K22+370超车道路段的水稳定基层FWD检测数据，并通过数据处理计算得到相应的模量，由模量值计算得出选定标段的变异性系数。变异系数的计算公式为：

(2)

式中：Cv为变异性系数；SD为标准差；MN为平均值。

表2 各测点弯沉模量值测点桩号反算模量值MN/MPa基层模量均值MN/MPaSDCv/%K22+1701432 1K22+2101503 6K22+2501752 41464 8153 610 5K22+2901236 8K22+3301399 4K22+3701464 6

从表2中模量反算数据可知，检测所得模量均值较低，该车道基层强度不足且基层模量变异系数较大，说明该路基施工存在不足之处，若不加以处治恐将有安全隐患。根据此次测量的变异性系数情况并结合实际施工情况分析可能的原因有以下几点。

造成该段基层反算模量较低的原因有：建筑材料质量未达标，造成水泥稳定碎石基层的强度较低；水泥稳定碎石混合料的级配不良；压实设备选定不当或压实遍数不足，造成压实度偏低，从而导致模量偏小；受养护时间和养护条件的影响，在未足龄期内，受到较重交通荷载碾压。

造成检测结果变异性系数较大的原因有：检测路段内使用的填筑材料可能因供应地区的差异造成基层形成特征不同，且选择的点位数较少，可能在模量值上存在较大的差别，造成变异性系数较大；在水泥稳定碎石混合料运输过程中，会产生较大程度的离析，易造成混合料的不均匀，在基层强度达到要求后，使模量值产生了较大的差别，从而引起了较大的变异性系数；在施工过程中，未严格遵守设计及规范要求等一系列影响因素，造成了基层施工的不均匀而导致变异性系数较大。

基于上述原因分析，根据变异性产生的几个可能途径，建议采取以下相应措施来进行质量控制：在施工过程中，对原材料进行定期或不定期检测，保证材料的质量；采用较为先进的施工设备，不仅能减少工作的繁琐性，同时能提高施工精度，便于施工控制；及时根据施工状况调整施工设备参数，保证施工设备与施工工人的协调性；在特殊地质路段要确保碾压质量，同时严格遵守施工规范及设计要求。

对经过上述控制措施处治后的相关路段，再次使用FWD进行了弯沉检测，其中表3中所测路段为仅改善其所用材料的路段，而表4中所测路段为按照上述分析进行过材料和施工机械改善后的施工路段，具体检测数据及分析如表3、表4所示。

由表2～表4所列计算结果对比分析，可得测试路段基层模量在处治前、部分措施处治及所有措施处治后连续3次所测的弯沉变化情况，见表5。

由表5及图2、图3所示，在对测试路段进行了部分措施处治和全部措施处治后，该路段基层模量均值依次增大了23.3%、34.4%，变异系数依次降低了19.0%、78.1%，其路面基层模量有显著提升，后期的路面施工中出现病害的几率也会大大减小，提升了路面施工质量。

表3 第2次检测弯沉模量数值测点桩号反算模量值MN/MPa基层模量均值MN/MPaSDCv/%K22+3701464 6K22+4101868 3K22+4501832 51806 5154 48 5K22+4901900 7K22+5301880 1K22+5701892 7

表4 第3次弯沉检测模量数值测点桩号反算模量值MN/MPa基层模量均值MN/MPaSDCv/%K22+5701892 7K22+6101956 3K22+6501952 61969 046 42 3K22+6902006 8K22+7302041 4K22+7701964 6

表5 测试路段路面基层模量检测变化情况统计表检测次数基层模量均值MN/MPaSDCv/%第1次1464 8153 610 5第2次1806 5154 48 5第3次1969 046 42 3

图2 施工控制措施前后模量变化曲线图

图3 施工控制措施前后模量变异性系数变化曲线图

3 实施效果评价

对沥青路面而言，基层强度和施工变异性系数

的大小是决定道路早期损害的严重程度及日后使用性能的重要因素，因此在施工期间，有必要对路面弯沉进行检测。本文根据对某高速公路右幅K22+170～K22+770超车道路段的水稳定基层进行FWD弯沉盆的数据反算并得到的基层模量值及其变异性系数，建立了与施工影响因素之间的定性关系。通过模量均值和变异性系数相对于施工要求数值的大小来判断施工过程中可能出现的影响因素。基于这些影响因素并结合现场施工情况，找出导致施工出现不足之处的原因，可分为材料和施工机械两方面，针对性地提出处治措施。初次反算的基层模量均值为1464.8 MPa，低于规范所要求的1500 MPa，经处治后，基层模量均值提高到了1969 MPa，强度有了显著提高。此外变异性系数也由最初的10.5%降到了2.3%，表明施工质量得到了有效控制。

4 结语

本文以某一段在建高速公路为研究对象，采用FWD对其进行路面弯沉检测，并依据检测结果，提出了相应施工处治措施，并得到了以下结论：

1) 依据初次FWD弯沉检测结果，反算模量值为1464.8 MPa，变异性系数为10.5%，均低于规范要求；针对现场情况，针对材料性能及施工过程提出了相应的改善措施。

2) 对该路段依次进行材料和施工机械改善后，再进行FWD弯沉检测，结果显示基层模量均值提升了34.4%，变异性系数降低了78.1%，路面施工质量达到相关规范要求。

3) 由此次应用取得的良好效果可知：快速、精准的FWD可以适用于路面施工检测，加强施工质量的控制，并可为类似工程项目提供参考。

[1] 郑元勋,蔡迎春,张亚敏.FWD与BB工作性能对比及其测试数据相关性研究[J].郑州大学学报(工学版),2010(6):39-42.

[2] 赵海霞.落锤式弯沉仪与贝克曼梁弯沉仪的对比分析[J].交通标准化,2012(10):79-81.

[3] JTJ E60-2008,公路路基路面现场测试规程[S] .

[4] JTG F801-2004,公路工程质量检验评定标准[S].

[5] 徐明云.贝克曼梁与FWD在弯沉测定中的相关性研究[A].《建筑科技与管理》组委会.2015年2月建筑科技与管理学术交流会论文集[C].2015.