基于弯沉盆参数的沥青路面损伤状况评价

王其峰 马士杰 薛志超 吴文娟 王峥 张晓萌

摘要：为评定路面结构的损伤状态，以安徽省某高速公路养护段为试验段，设计沥青路面损伤状况快速检测方法，通过落锤式弯沉仪（falling weight deflectometer，FWD）测定弯沉盆几何特征参数，分析不同病害处的弯沉情况，提出基于弯沉盆参数的沥青路面结构损伤状况评价方法，推荐评价路面整体和各结构层状况良好的标准。结果表明：高速公路损伤路面的横向裂缝、纵向裂缝和沉陷处损伤的影响区域范围分别为1.5、2.0、1.5～3.5 m；根据路面病害段和无病害段FWD弯沉盆几何特征参数的分布，将荷载中心最大弯沉小于100.1μm、邻近荷载区域弯沉差小于42.4μm、20～60 cm区域弯沉差小于31.3μm及弯沉盆末端弯沉小于24.5μm作为判断路面整体、面层、基层和路基状况良好的评价标准。该方法可为高速公路养护维修前路面损伤状况的判定提供参考和借鉴。

关键词：FWD；弯沉盆；沥青路面；损伤状况评价

中图分类号：U416.217文献标志码：A文章编号：1672-0032（2023）01-0045-07

引用格式：王其峰，马士杰，薛志超，等.基于弯沉盆参数的沥青路面损伤状况评价［J］.山东交通学院学报，2023，31（1）：45-51.

WANG Qifeng， MA Shijie，XUE Zhichao，et al. Evaluation of asphalt pavement damage condition based on deflection basin parameters［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2023，31（1）：45-51.

0 引言

近年来，我国公路建设飞速发展，沥青路面结构被广泛应用于各等级道路，其中多以半刚性基层路面结构为主。受交通荷载、气候环境等影响，运营公路长期服役后，路面结构易出现开裂、沉陷等不同程度的损伤。弯沉是表征路基路面承载力状况的重要参数，在路面状况评价中起重要作用^[1-3]。通常采用落锤式弯沉仪（falling weight deflectometer，FWD）进行道路无损检测^[4-5]。FWD检测结果包含大量的路面特征信息，但在实际工程应用中通常仅采用弯沉盆中荷载中心最大弯沉表征结构层的表面弯沉，对检测结果的信息利用率较低^[6-7]。基于实测弯沉数据进行路面结构层模量反算的方法广受研究学者青睐，但模量反算的假设条件与实际状况差异较大，且模量反算存在计算复杂、不完全收敛等问题，利用弯沉盆几何特征参数进行路面結构状况评价具有明显优势^[8-10]。

20世纪40年代以来，许多学者尝试将路面弯沉指标与路面结构承载力建立相关关系^[11-13]，并提出一系列的弯沉盆参数，如弯沉盆曲率半径和弯沉盆面积参数等，弯沉盆曲率半径可在一定程度上反映路面结构强度和结构层应力应变的关系，弯沉盆面积参数可反映路面整体强度^[14-19]。近年来，关于弯沉盆参数与路面各结构层强度（模量）的相关性研究取得一些进展，学者们提出了表征各结构层强度的弯沉盆斜率^[20-22]，但采用弯沉盆几何特征参数评定路面结构的损伤状态的研究相对较少^[23-24]。

本文对安徽省某高速公路养护段不同病害段进行FWD弯沉检测，设计沥青路面损伤状况快速检测方法，分析不同病害处的弯沉情况，提出基于弯沉盆参数的沥青路面结构损伤状况评价方法，为判定养护维修前的路面损伤状况提供参考和借鉴。

1 FWD检测方案

选取安徽省某高速公路收费站附近养护路段进行FWD检测，承载板直径为30 cm，重锤质量为（200±10）kg，施加冲击荷载为（50±2.5）kN，设置7个位移传感器，各传感器距荷载中心的距离分别为0、20、30、45、60、90、120 cm，各传感器所得数据分别用D₀～D₆表示。

全面检测该路段裂缝等病害状况，在典型横向裂缝附近采用FWD检测方案，如图1所示，可获得多个位置的弯沉盆数据，每条裂缝附近布置10个测点。采用相同方式布点检测路面纵向裂缝，根据路面宽度确定测点数，参照图1确定测点间距。参照图1方法，从沉陷处的纵向、横向及斜向布点检测路面沉陷处。

2 不同病害处路面结构弯沉结果及分析

2.1 横向裂缝

随机选取路面的多条横向裂缝（横向裂缝与路面车辆的行驶方向垂直），采用FWD检测方法检测弯沉盆数据，如第1节所示布设测点，其中2条横向裂缝弯沉的检测结果如图2所示，检测数据的变化规律基本一致。

由图2可知：不同裂缝处损伤程度不同，有的裂缝对弯沉的影响较小，如图2a）所示横向裂缝1的弯沉与未发生开裂位置的弯沉基本相同；损伤程度较大的裂缝，如图2b）所示横向裂缝2，裂缝处的弯沉与周边区域的弯沉差别较大，离裂缝处距离较近的弯沉较大，开裂导致裂缝与加载中心范围内的路表弯沉增大，离荷载中心距离较远的路面结构受荷载影响减小，远端弯沉与路面结构完好时的弯沉相当。横向裂缝的弯沉影响区域宽约2.0 m，裂缝向左1.0 m、向右1.0 m外弯沉下降趋于稳定，因此，对横向裂缝进行彻底处理的区域宽度至少约2.0 m。

2.2 纵向裂缝

随机选取路面的多条纵向裂缝（纵向裂缝与路面车辆的行驶方向平行），采用FWD检测方法监测弯沉盆数据，如第1节布设测点，其中3条纵向裂缝弯沉的检测结果如图3所示，检测数据的变化规律基本一致。

由图3可知：纵向裂缝处路面的损伤程度较大，裂缝处的弯沉与周边区域的弯沉差别较大，弯沉差最大可达4倍以上；纵向裂缝弯沉的影响区域宽约2.0 m，裂缝中心处弯沉最大，裂缝左右对称1.0 m外弯沉下降趋于稳定，因此，对纵向裂缝进行彻底处理的区域宽度至少约2.0 m。

2.3 沉陷处

随机选取路面的多处沉陷处，采用FWD检测方法，如第1节所示布设测点测量弯沉盆数据，其中3处沉陷处弯沉的检测结果如图4所示，检测数据的变化规律基本一致。

由图4可知：沉陷处路面的损伤程度较大，沉陷处的弯沉与周边区域的弯沉差别较大，大部分弯沉差达到3倍以上；沉陷处弯沉的影响范围比横向、纵向裂缝处大，弯沉的影响区域宽约1.5～3.5 m，不仅在沉陷中心处有较大弯沉，不同方向的周边区域也存在较大弯沉。处理沉陷区域时，需考虑对沉陷的不同方向进行综合处治。

3 基于弯沉盆几何特征的路面结构状况评价

3.1 弯沉盆几何特征参数

半刚性基层路面结构荷载中心的最大弯沉D₀′、邻近荷载区域的弯沉差D_0-20、距荷载中心20～60 cm附近的弯沉差D_20-60、弯沉盆末端的弯沉D₁₂₀可作为沥青路面整体强度、面层、基层和路基强度的评价指标^[20-21]，计算公式为：

D_0-20= D₀-D₂₀，

D_20-60= D₂₀-D₆₀，

式中：D₂₀、D₆₀分别为距荷载中心20、60 cm处的路表弯沉。

3.2 病害处弯沉盆几何特征参数变化

不同路面损伤情况下的D₀′、D_0-20、D_20-60及D₁₂₀如图5所示。

由图5a）可知：与正常路面相比，路面损伤处的D₀′离散性明显增大，其中沉陷处D₀′最大，纵向裂缝处次之，横向裂缝处最小，表明沉陷处路面损伤程度最大，路面荷载扩散能力减弱，纵向裂缝处损伤程度次之，横向裂缝处损伤程度最小。由图5b）可知：按照D_0-20从大到小排序，依次为沉陷处、纵向裂缝处、横向裂缝处、正常路面。由图5c）可知：受路面损伤影响，沉陷处的弯沉差、弯沉坡度的离散性增大，按照D_20-60从大到小排序依次为沉陷处、纵向裂缝处、横向裂缝处、正常路面，表明沉陷、纵向裂缝对路面基层造成的损伤程度较大，横向裂缝对路面基层造成的损伤程度较小。由图5d）可知：D₁₂₀离散性较大，按照D₁₂₀從大到小排序，依次为纵向裂缝处、沉陷处、横向裂缝处、正常路面，表明纵向裂缝、沉陷对路基的损处程度较大。

3.3 弯沉盆参数上限

采用统计学的距离判别分析法^[25]，分析图5高速公路不同路面状况各弯沉盆参数的分布情况，确定路面整体结构及各结构层状况良好的弯沉盆参数上限，用于评判公路路面整体结构及各结构层状况，如表1所示。

由表1可知：D₀′的上限为100.1μm，可将D₀′小于100.1μm作为判断路面整体状况良好的标准；D_0-20的上限为42.4μm，可将D_0-20小于42.4μm作为判断路面面层状况良好的标准；D_20-60的上限为31.3μm，可将D_20-60小于31.3μm作为判断路面基层状况良好的标准；D₁₂₀的上限为24.5μm，可将D₁₂₀小于24.5μm作为判断路面路基状况良好的标准。

3.4 路面结构状况分析

根据3.3节的路面结构状况判别标准和大量FWD检测数据，判断该高速公路路面结构损伤状况。

从路面整体强度看，以100.1μm为标准，7.7%的无病害路段的D₀′、56.8%的病害路段的D₀′大于100.1μm，其中80.3%的沉陷段、66.7%的纵向裂缝段、23.3%的横向裂缝段大于100.1μm。

从面层强度看，以42.4μm 为标准，15.4%的无病害路段的D_0-20、65.9%的病害路段的D_0-20大于42.4μm，其中75.9%的沉陷段、93.5%的纵向裂缝段、28.3%的横向裂缝段大于42.4μm。

从基层强度看，以31.3μm为标准，2.0%的无病害路段的D_20-60、43.5%的病害路段的D_20-60大于31.3μm ，其中70.4%沉陷段、41.9%的纵向裂缝段、18.3%的横向裂缝段大于31.3μm。

从路基强度看，以24.5μm为标准，38.4%的无病害路段的D₁₂₀、56.9%的病害路段的D₁₂₀大于24.5μm，其中40.7%的沉陷段、96.8%的纵向裂缝段、33.3%的横向裂缝段大于24.5μm。

4 结语

1）分析安徽省某高速公路养护路段的弯沉变化，初步判断高速公路损伤路面横向裂缝损伤的影响区域宽约2.0 m，纵向裂缝损伤的影响区域宽约2.0 m，沉陷处损伤的影响区域宽约1.5～3.5 m，建议在加铺设计时根据力学指标对路面损伤程度进行分类，考虑严重病害位置的处治范围及结构力学参数。

2）根据路面病害段和无病害段FWD弯沉盆几何特征参数的分布，将荷载中心最大弯沉小于100.1μm、邻近加荷区域弯沉差小于42.4μm、20～60 cm区域弯沉差小于31.3μm及弯沉盆末端弯沉小于24.5μm作为判断路面整体、面层、基层和路基状况良好的评价标准。

本文虽提出了路面状况良好的弯沉盆几何参数的上限，但主要是基于安徽高速公路实测弯沉数据确定，对其他高速公路的适用性尚需进一步的数据验证。下一步研究将着重验证弯沉盆几何参数界限值的适用性，并基于路基和路面各结构层评价参数构建路面整体结构强度的综合评价模型。

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Evaluation of asphalt pavement damage condition based on

deflection basin parameters

WANG Qifeng¹， MA Shijie²， XUE Zhichao³，

WU Wenjuan²， WANG Zheng⁴， ZHANG Xiaomeng²

1.Shandong Hi-speed Group Co.， Ltd.， Jinan 250101， China；2.Shandong Transportation Institute， Jinan 250102， China；

3.Shandong Hi-speed Infrastructure Construction Co.， Ltd.， Jinan 250101， China;

4.Shandong Hi-speed Group Innovation Research Institute， Jinan 250102， China

Abstract：In order to evaluate the damage state of the pavement structure， while a maintenance section of an expressway in Anhui was used as the test section， a rapid detection method for the damage condition of the asphalt pavement is developed to analyze the deflection of different diseases through the geometric characteristic parameters of the falling weight deflectometer （FWD） deflection basin. A method for evaluating structural damage of asphalt pavement based on deflection basin is proposed， and the limit value of the overall condition of the pavement and each structural layer is recommended. The results show that， the influence areas of transverse cracks， longitudinal cracks and subsidence damage on the damaged pavement of expressway are 1.5 m， 2.0 m， and 1.5-3.5 m， respectively. According to the distribution of geometric characteristic parameters of FWD deflection basin in diseased and non-diseased sections of pavement， the evaluation standard for judging the good condition of the overall pavement， surface layer， base layer and subgrade is built when the maximum deflection of the load center is less than 100.1μm， and the deflection difference in the adjacent loading area is less than 42.4μm， and the deflection difference in the 20-60 cm area is less than 31.3μm and the deflection at the end of the deflection basin is less than 24.5μm. This method can provide reference for the judgment of the damage condition of the pavement before maintenance of expressway.

Keywords：FWD; deflection basin; asphalt pavement; damage condition evaluation

（責任编辑：王惠）