机场水泥混凝土道面实测弯沉值的温度影响分析

吴文亮，赵为天，熊春龙

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 5106401；2.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司)

落锤式弯沉仪(FWD)是20世纪70年代末开发的道路无损检测设备，对于机场水泥混凝土道面，通常使用FWD测量弯沉。FWD通过作用在承载板上的落锤向路面施加脉冲荷载，根据测得的弯沉及弯沉盆对路面结构性能进行评价。受机场测试条件和测试手段限制，当前国内外在温度对水泥混凝土道面弯沉值影响方面的研究并不多，且现行规范也没有明确FWD弯沉测试的准确位置以及测试时的温度对弯沉值的影响，不同温度时水泥混凝土脱空判定变化规律的研究也相对较少。华南地区地处亚热带季风气候区，昼夜温差变化较大，受温度影响，道面弯沉值会随之发生变化。为探究道面弯沉值受温度影响的具体变化规律，该文分析华南地区某机场西跑道道面在不同温度下的实测弯沉盆数据，探究在温度变化影响下水泥混凝土道面实测弯沉值的变化规律以及伴生的脱空判定变化规律，为水泥混凝土道面弯沉的合理测试及脱空判定提供参考。

1 方法和设备说明

FWD弯沉测量方法是基于由落锤引起的道面响应的测量和确定，落锤可模拟由飞机对道面施加的瞬时冲击作用。荷载通过一定重量的落锤从给定的高度落下引起，并可以通过橡胶减震器调节脉冲持续时间。荷载由承载板传递给道面结构，这样测量得到道面因荷载作用产生的竖向变形，即弯沉。

在华南某机场西跑道选取1段水泥混凝土道面，长约20 m，机场道面结构见图1，在不同时间段即不同温度下分别对板中、板边、板角进行弯沉测试。现场弯沉测试采用的设备为PRI 2100 FWD，承载板直径为30 cm，测试荷载级位为140 kN，共布设9个传感器，传感器具体布置如图2所示。

图1 机场道面结构图

图2中D1为荷载中心弯沉值；D7为距承载板中心1 500 mm处的传感器弯沉值，表征路基状况；D1-D5为距承载板中心900 mm处的弯沉值和中心弯沉值之差，表征底基层状况。

图2 传感器布置图(单位：mm)

2 弯沉盆的温度影响分析

2.1 测试温度影响

为获得机场道面弯沉在温度影响下的变化规律，通常需要得知道面实测弯沉盆所处的道面板具体温度梯度情况，但受机场道面现场测试条件限制，无法在水泥混凝土道面内部埋设温度传感器获取道面板内部温度情况，因此通过道面弯沉随道面板表面温度变化情况来判断道面板所处温度梯度。测试结果如图3所示。

由图3可以看出：

(a)板中弯沉值

(1)在检测时间段内，道面板表面温度处于25 ℃时，道面板温度梯度接近于零，道面板表面温度为17～25 ℃时，道面板处于负温度梯度，道面板表面温度为25～38 ℃时，道面板处于正温度梯度。其中17 ℃时负温度梯度最大，38 ℃时正温度梯度最大。

(2)道面板处于负温度梯度时，板中弯沉值较小，且板中弯沉值变化幅度几乎为零，稳定在一个固定的弯沉值水平。但从道面板表面温度上升至25 ℃即道面板处于零或正温度梯度开始，板中弯沉值随温度升高逐渐增大。

(3)与板中弯沉值相反，板边弯沉值在道面处于负温度梯度时处于较高水平，随着道面板表面温度的上升，板边弯沉值逐渐降低，到道面板表面温度上升至25 ℃，道面板处于零或正温度梯度时，板边弯沉值最终稳定在一固定水平上。

(4)板角弯沉值随道面板表面温度的变化规律与板边弯沉值一致。在道面板处于正温度梯度时相对稳定，随着温度下降至25 ℃，道面板处于负温度梯度时，板角弯沉值开始骤降。不同的是，板角弯沉值较同期板边弯沉值大30%～45%，且板角弯沉值随温度的变化规律更剧烈(表1、2)。

表1 道面板板中、板边、板角弯沉值变异系数

从图3及表1可以看出：板中、板边、板角的弯沉值离散程度均与距承载板中心的距离呈正相关，距承载板中心越远，弯沉值的变异系数越小，即受温度影响越小。离承载板中心越近，弯沉值越大，变异系数越大，可以看出其受温度影响越明显。同时，板中、板边和板角弯沉值均在道面板表面温度高于或低于25 ℃时发生剧烈变化，由此可看出，在检测时间段内，道面板表面温度25 ℃是一个重要的温度节点。

由表2可以发现：板中、板边、板角弯沉值受温度影响程度逐渐增加，板中弯沉值随温度升高而增大，增加幅度为11%～21%，板边、板角弯沉值皆随温度升高而减小，幅度分别为15%～27%和14%～32%；同时，随着距承载板中心距离的增加，各传感器弯沉值随温度升高变化幅度大小总体呈递减趋势。

表2 道面板板中、板边、板角弯沉值随温度升高(17～38 ℃)的变化幅度

板中、板边、板角弯沉值之所以会随着温度的变化出现不同的变化规律，其影响机理主要是：白天日照强烈时，道面板表面温度要高于道面板底温度，道面板处于正温度梯度，此时道面板会略微拱胀，道面板局部与基层不再接触，从而在板底形成暂时性的脱空，测得的中心弯沉值也会因此增大，又由于道面板的拱胀，道面板接缝间隙减小，牵制了道面板的翘曲，所以此时测得的道面板边、板角弯沉值较小。而在夜间时，道面板表面温度要低于道面板底温度，道面板处于负温度梯度，因此道面板周边发生翘曲，此时测得的板边、板角弯沉就会偏大，而此时道面板板中处紧贴基层，所以测得的板中弯沉值不会有较为明显的变化。

2.2 测试位置影响

由上可知，随着温度的变化，即道面板处于正或负温度梯度时，道面板会发生变形，由此对道面板实测弯沉值产生影响。因此，FWD在道面板上的测量位置也尤为重要，通常来说，FWD承载板不应该放在混凝土板的几何中心，而应该是将FWD整体放置在被测板块的中心区域，这样承载板和最后一个传感器都距离接缝至少0.5 m，避免了最边缘传感器弯沉值数据失真。需要注意的是，如果FWD弯沉测量结果被用于计算每个结构层的弹性模量，承载板和测试梁需放在没有任何裂缝和接缝的道面板上。承载板放置位置的影响见图4～6。

图4 放置在道面板中心区域的FWD-负温度梯度

图5 承载板放置在道面板几何中心的FWD-负温度梯度

图6 放置在道面板中心区域的FWD-正温度梯度

从图4～6可见：道面板处于负温度梯度时，道面板边缘发生翘曲。此时进行板中弯沉测量应该将FWD放置在道面板中心区域，若将FWD承载板放置在道面板几何中心则会使边缘传感器处于道面板边缘翘曲部分，造成弯沉数据失真。同样地，在白天日照强烈温度较高，道面板整体处于正温度梯度发生拱胀时，进行板中弯沉值测量，测得的板中弯沉值会偏大。

由此可见，在进行道面板弯沉测量时，FWD放置的位置不同会造成弯沉值的变化，同时道面板处于正或负温度梯度也会造成板中、板边或板角弯沉值的失真，因此需结合FWD测量位置和道面板变形情况对道面板进行弯沉测量。同时建议在道面板处于零或小的负温度梯度下进行弯沉测量，此时获得的弯沉数据能更契合实际且保守地对道面性能做出评价。

3 实测弯沉值的温度修正

考虑到实际不能在固定某一时间段某一温度梯度下进行弯沉值测量，所以有必要对在不同时刻测量得到的弯沉值进行温度修正，以获得正确的弯沉值，从而对道面性能和结构强度、刚度作出更准确的评价。

从图3可以看出：板中、板边、板角弯沉值在道面板表面温度25 ℃左右都保持在较稳定的水平，即此时道面板温度梯度接近于零，因此以道面板表面温度25 ℃作为标准温度，将其他处于正、负温度梯度下的实测弯沉值换算为零温度梯度下的标准弯沉值。

根据实测得到的板中、板边、板角代表弯沉值，通过Origin建立起实测弯沉值与道面板表面温度的回归关系。需要注意的是，道面板表面温度25 ℃是一个临界点，板中、板边、板角弯沉值在道面表面温度小于25 ℃或大于25 ℃时，弯沉值变化幅度均极小，仅3%左右，所以对于板中弯沉，只对道面板表面温度25 ℃以上温度实测弯沉值进行温度修正，板边、板角弯沉只对道面板表面温度25 ℃以下实测弯沉值进行温度修正。此外，根据图1，考虑到1、5、7这3个传感器弯沉值所具有的代表性意义，所以主要对这3个传感器实测弯沉值进行温度修正。实测弯沉值与温度的回归结果见表3。

表3 FWD实测弯沉值与温度的回归关系

由表3可知：板中、板边实测弯沉值与道面板表面温度有较好的线性关系，且相关性较好，相关系数值均在0.95以上，可通过线性回归对板中、板边实测弯沉值进行温度修正；板角实测弯沉值与温度具有极强的二项相关性，相关系数为0.98左右，因此对于板角弯沉值，可以通过二项回归进行温度修正；对于板中、板边、板角弯沉，修正弯沉值均等于实测弯沉值乘以温度修正系数，温度修正系数如图7所示。

需要注意的是，由于该次测试无法获取道面板的具体温度梯度，所以只能基于道面板表面温度进行弯沉的温度修正，上述修正关系只适用于所测试的机场道面，对于其他水泥混凝土道面，由于其材料性质、道面结构设计、气候以及水泥混凝土比热容均存在差异，这些因素综合后，最终都将造成水泥混凝土道面板温度梯度的差异。为使弯沉的温度修正相关性更好，应用性更强，表3弯沉温度修正关系中道面板表面温度变量应为道面板温度梯度变量，即基于道面板温度梯度这一单一变量建立温度修正关系，以获得最准确的道面弯沉。

4 道面板温度特性对脱空判定的影响

根据MH/T 5024-2009《民用机场道面评价管理技术规范》，对于水泥混凝土道面，当“板边中点弯沉/板中弯沉>2.0”或“板角弯沉/板中弯沉>3.0”即可判定为脱空。图8为板边、板角的脱空判定值随道面板表面温度的变化情况。

从图8可知：17～25 ℃(负温度梯度)时，脱空判定值均较大，25～38 ℃(正温度梯度)时，脱空判定值较小。整体看，随着道面板表面温度的升高，脱空判定值呈递减趋势，并且脱空判定值变化范围较大，不同温度条件下测试得到的判定结果可能完全相反，图8(a)中，“板边/板中”值从超出脱空判定值15%变化到低于脱空判定值25%，图8(b)中，“板角/板中”值从超出脱空判定值18%变化到低于脱空判定值32%，脱空判定由脱空变化到未脱空，由此也可看出温度变化对于脱空判定值的影响较大。

(a)板边弯沉/板中弯沉

为避免温度对脱空判定的影响，对脱空判定值进行温度修正，经修正后的脱空判定值见图9。由图9可以看出：经过温度修正后，“板边弯沉值/板中弯沉值”为1.7左右，“板边弯沉值/板中弯沉值”为2.3左右，脱空判定值均稳定在一固定水平上，两者脱空判定结果也保持一致。可以看出经温度修正后脱空判定结果更为准确真实。该结果也进一步证明了弯沉值温度修正的必要性、准确性和有效性。

(a)板边弯沉/板中弯沉

5 结论

通过对水泥混凝土道面FWD实测弯沉盆数据的分析，可以得出以下结论：

(1)板中弯沉值随着温度升高而增大，板边、板角弯沉值随着温度升高而减小，同期板角弯沉值较板边弯沉值大，板中、板边、板角弯沉值受温度影响程度逐渐增加；在文中测试环境下，25 ℃为板中、板边、板角弯沉值变化节点，即温度梯度变化节点。

(2)板中、板边、板角的弯沉值离散程度均与距承载板中心的距离呈正相关，距承载板中心越远，弯沉值的变异系数越小，即受温度影响越小。

(3)由于道面板温度变化引起道面板变形，需结合FWD测量位置和道面板变形情况对道面板进行弯沉测量。

(4)测试道面板板中、板边弯沉可通过线性回归进行温度修正，板角弯沉可通过二项回归进行温度修正。为获得相关性更好、应用性更强的弯沉温度修正关系，应基于道面板温度梯度进行弯沉温度修正。

(5)在现有的机场道面评价规范下，脱空判定值随温度的升高逐渐降低，且变化幅度较大，不同温度下可能得到截然不同的判定结果。因此在进行脱空判定时有必要对脱空判定值进行温度修正，尤其是夏季昼夜温差较大时。

(6)对于常年高温地区，考虑到弯沉受温度的影响较大，周期较长。弯沉的温度影响分析及温度修正具有重大意义。