基于多层弯沉盆法的沥青路面结构层模量反演

陈鲁川韩冰孙辉余四新韦金城

(1.齐鲁交通发展集团有限公司,山东 济南 250101；2.高速公路养护技术交通行业重点实验室(济南),山东 济南250031)

0 引言

路面结构层模量是确定路面结构损伤状态的重要指标,决定着道路养护决策的科学性,并直接影响养护资金分配的合理性。近年来,随着检测技术的发展,路面检测效率得到了较大地提高。然而,路面检测数据的分析评价工作相对滞后,海量的检测数据中包含着大量路面特征信息,若只利用其中一小部分,将无法准确反映路面结构的实际状况[1]。路面结构模量反演是路面结构性能评价中最关键的技术之一。目前,最常用的获取路面结构层回弹模量的方法,是利用落锤式弯沉仪FWD(Falling Weight Deflectometer)实测的路面结构弯沉盆数据反演路面结构层回弹模量。当前,欧美国家利用FWD弯沉盆参数指标进行路面结构层性能状态的评定研究,多以柔性基层沥青路面结构为主[2]。我国现行公路沥青路面设计规范中,对于路基顶面及路表验收弯沉、改建设计原路面结构顶面当量回弹模量,均采用了FWD法[3]。而常用的半刚性基层沥青路面各结构层模量的反演分析结果,缺少系统的校正分析方法,导致结构层模量反演分析结果难以客观地评价既有路基路面各结构层的性能状况,甚至与基本的工程经验不符,进而阻碍了FWD测试设备在半刚性基层沥青路面结构承载能力评价及加铺设计中的广泛应用[4]。

目前,已经有多种路面结构模量反演方法,包括搜索法、遗传算法、惰性点法、人工神经网络法等,但这些方法都是基于路表单一弯沉盆反演,其结果受初始值、迭代次数以及收敛精度的影响较大,没有从根本上解决路面多层结构层(＞2层)反演模量解的非唯一性问题[5]。而且,反演结果在很大程度上取决于反演者的经验,随意性较大,导致反演的路面结构层模量与实际不符,严重影响路面结构性能评价和养护设计的可靠性。

为了克服基于路表单一弯沉盆反演算法存在的缺陷,对实体工程路面结构进行逐层铣刨,在各结构层表面相同平面坐标点进行FWD弯沉盆检测,然后利用多层弯沉盆的模量反演方法,得到路面各结构层的弹性模量及不同应力状态下路基的弹性模量,为不同荷载条件下路面结构力学响应分析提供了力学参数。

1 工程概况

进行弯沉盆检测试验的路段为德商公路夏津至聊城段,位于德州夏津县和聊城临清市东昌府区,北起夏津县田庄乡,南至东昌府区的聊城西枢纽互通立交,全长为62 km,是双向四车道高速公路,其路基宽为28 m。该路段通车已达15年,水泥稳定碎石基层和水泥稳定改善土底基层等路面材料强度均已达到设计强度。原路面结构横向裂缝、坑槽等病害较严重。该路段的路面结构如图1所示。

为了明确旧路结构损伤状态,对研究路段全线进行检测,并根据病害类型将道路划分为若干结构段,选取代表性路段进行逐层铣刨,并进行FWD弯沉盆检测。为了提高各结构层弯沉盆检测结果的关联性,FWD检测点选择在结构层顶面同一平面坐标点,通过全站仪精确放点。路面结构及FWD测点布设如图1所示,从上到下依次布设A、B、C、D共4个检测点,分别位于沥青层表面、水泥稳定碎石上基层表面、水泥稳定碎石下基层表面和水泥改善土表面。现场逐层铣刨FWD检测如图2所示。

图1 路面结构及FWD测点布设示意图

图2 逐层铣刨检测现场图

2 多层弯沉盆法沥青路面结构层模量反演原理

多层弯沉盆法通过逐层检测路面结构层表面弯沉,自底向上逐层反演路面结构模量,除土基模量外,下层结构模量反演结果代入上一层模量反演中,直至所有路面结构层模量反演完成[6]。

路面结构层模量反演时,对于已知路面各结构厚度h1、h2、……、hn-1,用FWD在任一结构层顶面测得一组弯沉盆数据l0、l1、l2、……、l8(9个传感器的弯沉数据)。用布辛尼斯克公式法计算一组模量E0n-1和En-1,作为假定值,可计算出一组弯沉盆l′0、l′1、l′2,……、l′8。 显然,这 2 组弯沉盆一般不可能完全相等,需进一步修正原先的模量[7-8]。因此,需要建立模量变化与弯沉盆变化的关系,由式(1)表示为

式中:ΔEi为各层模量需要修正的增量,MPa。由式(1)计算各模量对弯沉盆各点的导数,同时计算各点计算弯沉值与目标弯沉值之差。通过每次对模量进行修正,最后得到一组模量,使得计算弯沉盆与实测弯沉盆接近,最小均方差满足收敛标准,则该模量即为反演的模量[9-11]。主要步骤为:

(1)逐层铣刨路面结构层直至铣刨和检测至路基的上一层表面,采用FWD逐层检测路面结构内各结构层表面同一平面坐标点的弯沉盆；

(2)按弯沉盆等效原则自底向上逐层反演路面结构层模量,除路基模量外,下层结构模量反演结果代入上一层模量反演中,直至路面表层所有路面结构层模量反演完成。

利用多层弯沉盆法进行反演时,未知数仅有路基和弯沉盆测点2个结构层模量,可解决多层路面结构反演结果的非唯一性问题,反演的结构层模量与实际状态一致,可提高路面结构性能评价和养护设计的可靠性。

3 路面结构层模量反演结果与分析

3.1 多层弯沉盆检测结果

弯沉盆检测采用Dynatest8000自动落锤式弯沉仪,有9个弯沉传感器。为了便于比较各结构层顶面的弯沉盆,荷载统一采用707 kPa,每个检测点落锤3次,取后2次的平均值。传感器布置及弯沉盆检测数据和路面各结构层顶面弯沉盆检测结果见表1。弯沉从路表到底基层顶面依次增大,路表荷载中心点弯沉值为87 μm,路面结构整体承载力良好。上基层顶面荷载中心点弯沉值仅比下基层的值减小了10 μm,经观测上基层表面存在宽度较小的横向裂缝,而下基层则完好无损。

表1 传感器布置及弯沉盆检测数据表

3.2 多层弯沉盆法结构层模量反演结果对比分析

根据上述多层弯沉盆法结构层模量反演方法的原理,利用底基层顶面的弯沉盆数据,反演得到底基层模量和路基模量E04；把下基层顶面弯沉盆数据带入底基层模量,反演得到下基层模量、底基层模量以及路基模量E03；再将上基层顶面弯沉盆数据带入下基层和底基层模量,反演得到上基层模量、下基层模量、底基层模量和路基模量E02；将沥青层顶面弯沉盆数据并带入上基层、下基层、底基层模量,反演得到沥青层模量、上基层模量、下基层模量、底基层模量和路基模量E01。

多层弯沉盆法与常规路表弯沉盆迭代法结构层模量反演结果见表2。对比两种方法的反演结果可知,沥青层、上基层、下基层、底基层、路基的模量反演结果分别相差 15.5%、55.9%、148.4%、33.4%、4.6%。其中,沥青层和路基模量反演结果较为接近,而半刚性基层(上基层、下基层、底基层)结果差别较大。根据现场铣刨和探坑观测结果,上基层存在横向裂缝、网裂,而下基层完好。常规弯沉盆迭代法结构层模量反演结果表明,上基层反演模量约为下基层的3倍,这明显与现场铣刨和探坑观测结果不符。

表2 结构层模量反演结果表

3.3 路基回弹模量反演结果及修正系数

由于路基材料本身所固有的应力依赖特性,在荷载作用下土基在路面结构中所受应力状态与实验室三轴试验所受应力状态不同,故通过FWD反演路基回弹模量与实验室三轴试验得到的土体回弹模量不同[6,12]。经验法AASHTO1993和力学—经验法MEPDG的路面设计方法都是基于土的室内三轴试验回弹模量作为输入参数,故在路面结构层上通过弯沉盆反演得到的路基回弹模量需要乘以修正系数C转换成当量的室内三轴试验回弹模量值[13-16]。否则,采用未经修正的FWD反演土基回弹模量,将导致按照原设计指标设计的路面结构厚度偏薄,使路面结构产生早期破坏。修正系数C计算如式(2)表示为

式中:MR(Lab)为室内路基材料回弹模量,MPa；E(FWD)为路基FWD反演回弹模量,MPa。

路基材料回弹模量通过在现场进行动态贯入检测,得到路基材料回弹模量平均值为127.4 MPa。根据式(2)计算得到相应层位的土基回弹模量修正系数见表3,从路表到底基层顶面反演路基回弹模量修正系数依次增大,沥青层顶面反演路基回弹模量修正系数为0.42。

表3 路基回弹模量反演结果及修正系数表

4 结论

对高速公路的路面进行逐层铣刨,并在各结构层表面相同平面坐标点进行逐层FWD弯沉盆检测,利用多层弯沉盆的模量反演方法,得到路面各结构层的弹性模量及不同应力状态下路基的弹性模量。主要结论如下:

(1)多层弯沉盆法与路表弯沉盆迭代法模量反演结果相比较,沥青层、上基层、下基层、底基层、路基分别相差15.5%、55.9%、148.4%、33.4%、4.6%,沥青层和路基模量相差较小,而半刚性基层(上基层、下基层、底基层)差别较大。

(2)从底基层顶面到沥青层顶面,路基反演回弹模量修正系数逐渐减小,即从0.73逐渐减小到0.42,而路基回弹性模量随检测层位升高即随压应力的减小而增大,具有显著的应力依赖性。