落锤式弯沉仪在道路量测上的应用研究.doc

落锤式弯沉仪在道路量测上的应用研究 弯沉检测技术的发展大致经历了静态弯沉量测、稳态弯沉量测和脉冲动力弯沉量测3个阶段。静态弯沉量测主要有贝克曼梁式弯沉仪、加利福尼亚移动式弯沉仪及拉克鲁易克斯(La Croix)弯沉仪等。其中贝克曼梁式弯沉仪应用最广，但它存在难以得到一个固定不动的基准点，只能测得单点最大弯沉值，不能模拟汽车荷载实际情况，测速慢、精度低等缺陷。稳态弯沉量测主要有动力弯沉仪，道路分级仪(Road rater)等，它们存在自重静力预载，对应力敏感的材料有一定影响。脉冲动力弯沉量测设备的典型代表是落锤式弯沉仪(FWD)。从现代发展趋势看，FWD是较为理想的弯沉量测设备。其优点是：加载系统能较好地模拟行车荷载作用，且可进行多级加载；采用计算机自动采集数据，速度快、精度高，特别适合于大规模测试；弯沉盆由一组传感器测定，这使得无损评价多层路面结构成为可能。我国现已引进10多台FWD，已利用FWD作了大量的测定和研究1,2，推进了我国道路无损检测技术的发展。我们在广佛高速公路和107国道新乡段旧路改建和罩面课题中，应用了FWD检测技术，为课题的方案设计、模型建立、理论计算提供了宝贵的现场资料。本文在研究现有国内外技术成果的基础上，探讨FWD在道路工程中的应用技术。 1路面材料工作特性的评价 线弹性的路面体系问题已得到了较完善的解决。但这一理论体系是建立在物体是连续的、线弹性的、均匀的和各向同性的、变形微小的等假设之上，与路基路面体系的真实状况尚有一定的甚至很大的差距。在实际工作中，我们发现在某些状况下，路面结构在荷载作用下的力学性质可用弹性层状体系理论来描觯惺痹蛴谜车曰虻苄曰蛘车苄岳砺劾疵枋龇侥苁视谩虼耍瓒韵殖访嫣匦越衅兰郏杂檬屎系睦砺勰屠疵枋觥?用FWD来分析路面材料工作特性的方法如下：量测时将几种有代表性的荷载施加于试验路面的同一位置，据量测结果绘制路表最大弯沉值与施加荷载的关系图，如果弯沉一荷载成线性关系，表示路面材料工作特性是线弹性的，可用弹性层状体系理论来描述路面的应力、应变状态；否则，材料工作特性表现为非线性性，需要用材料非线性理论来描述路面受力状态。 在试验中，代表荷载的选择以模拟路面行驶的各种车辆荷载为原则，一般可选择30，40，50，60 kN；对于重交通路面，可增加70 kN、80 kN两种荷载。由轻荷载所测结果，必须通过外推方能获得适用于重荷载的结果。由于多数筑路材料的非线性和对应力的敏感性，外推可能导致很大误差。因此，我们强调推荐使用接近于行驶车辆的荷载进行路面检测。 FWD提供的弯沉盆可对路面结构性能进行评价。随着交通荷载的增加，导致路面结构损伤，弯沉盆的特性会出现异常，一般来说，随交通量增加，FWD读数也会增加。不论路面结构破坏与否，最大弯沉值(W1)不断增加，但当路面结构损伤时，W2、W3等值有异常情况出现。W2、W3值相对变小，造成这一现象的原因是路表车辙、裂缝破坏了路面结构整体性，减小了荷载的发散或传递能力。这些异常现象的出现，是路面材料工作特性表现为非线性的开始。 2路面受力状况的评估 在旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土罩面层，不仅简单方便，而且能有效地改善旧混凝土路面使用性能，延长使用寿命。但这种复合结构的一个主要病害就是产生反射裂缝。为有效防治反射裂缝，沥青混凝土罩面层受力状况是选择设计方案的重要因素。罩面受剪应力和弯拉应力的大小，是选择铺筑防治或缓减反射裂缝夹层的重要依据。防反射裂缝夹层按其功能可分为两类：一类是加强罩面层，如钢丝网、土工格网；一类是让罩面层性能不受其下卧层的影响，起一个隔离，消散能量的作用，如SAMI。当然有的夹层则兼顾这两大作用。试验表明3，当罩面层受剪应力较大时，用SAMI防治反射裂缝作用不明显，此时宜选用加强罩面层作用的材料。通过FWD，可以评估罩面层受力状况，步骤如下： 1) 修筑试验路或选择路面结构、交通量、气候条件相同或相近的路段，选出一条接缝或裂缝作为评价参考位置； 2) 选择在冬季将承载板放在裂缝一侧的不同位置，量测弯沉盆； 3) 将几个位置的弯沉盆绘于同一图上； 4) 分析各位置弯沉盆。如果在裂缝处跳跃很明显，则说明罩面层中所受剪应力较大，比较平缓则说明罩面层受剪应力较小。 3接缝、裂缝传荷能力评定 接缝、裂缝传荷能力是反映刚性路面结构整体性能的重要参数。接、裂缝是水泥混凝土路面结构的最薄弱环节，绝大多数破坏都发生在接、裂缝附近。因此，接、裂缝传荷的评定成为水泥混凝土路面结构状况评定的重点。利用FWD测得接裂缝两边的弯沉盆，容易获得弯沉比传荷系数，该方法测试速度快、精度高。如果以应力比作传荷指标，则需建立接、裂缝处受力状况与接、裂缝传荷系数之间的关系： /0=f(W1/W2,l)(1) 式中：/0为应力比传荷能力；W1/W2为接缝传荷系数；l为路面结构相对刚度半径。 有关接缝传荷能力的详细评价，可参阅文献4。 4路面结构刚度组成评定 在水泥混凝土路面的弹性地基板模型中，面板的模量基本稳定，地基弹性模量是评刚性路面承载力和进行加铺层设计的重要参数。通过有限元理论分析所建立的地基综合评定模型2为： lnEi=5.39-1.27lnH-1.42ln(2) lnKi=1.50-2.27lnH-1.72ln(3) 式中:Ei为板中荷载下地基回弹模量，105 Pa；H为面板厚度，cm；为50 kN FWD作用下荷载中心的弯沉，cm；Ki为板中荷载下地基反应模量，105 Pa。 利用式(2)、(3)可求出地基回弹模量和地基反应模量，无需破坏路面。 5水泥混凝土路面板底脱空状况的评定 水泥混凝土路面在车辆荷载的重复作用下，发生形体变形。这种变形会影响到水泥混凝土路面基层，在同样的荷载作用下，由于水泥混凝土路面的板角、板边和板中受力情况不一致，必然引起基层的不均匀变形，致使混凝土板的局部范围不再与基层保持连续接触，即混凝土板下局部出现了脱空，在荷载作用下将产生过量的弯沉和拉应力。在重复荷载作用下，最终将导致混凝土板的断裂、破碎。对使用中的水泥混凝土路面，以可靠的方法评定板底脱空的位置及范围，方能采取有效修复措施，恢复路面使用性能。FWD无损检测法，以其简便实用，具有现场、快速、无破损等特点，日益受到公路检测者的重视。具体操作步骤2如下： 1) 对于待评定的水泥混凝土路面，进行外观状况的调查，脱空检测的重点是缝边唧泥、角隅断裂、错台处； 2) 进行逯蠪WD弯沉检定，利用结构刚度组成评定法，评定板中荷载下地基反应模量Ki； 3) 按照接缝传荷能力评定办法，获取接缝传荷能力系数，进行缝边板角处的FWD弯沉测定，获取板角弯沉； 4) 根据板角弯沉、接缝传荷能力系数及面板厚度，查脱空评定诺谟图可得基础刚度参数Ec及接缝的传力杆系数，并计算出Ec/Ki，如果小于1，则说明路面板角下存在脱空； 5) 根据地基反应模量、接缝传力杆系数及Ec/Ki，再查脱空评定诺谟图可初估路面缝边板角处地基的脱空尺寸。 6路面寿命的评定 评定路面寿命是道路工程师关注的一个重要问题，也是一个比较困难的任务。首先，必须确定破坏准则。路面工程师们已经研究和采用了许多道路破坏准则，公路沥青路面的两大准则便是车辙和疲劳裂缝率。美国地沥青协会(AI)建议用车辙和疲劳裂缝模型来确定道路寿命。这两个模型是： Nf1.13510-3(ss)-3.291E-0.854ac(4) Nr1.36510-9-4.477zz(5) 式中：Nf为全路面20%25%或轮迹带上45%裂缝率时的容许重复荷载数(ESAL)；ss为沥青混凝土路面底部拉应变(10-6)；Eac为沥青混凝土面层模量，MPa；Nr为车辙13 mm时的容许重复荷载数(ESAL)；zz为土基顶面垂直压应变(10-6)。 为求出ss、zz，最重要的是确定路面的各层弹性模量，可以通过FWD的弯沉盆曲线反算求得。反算各层结构弹性模量之后，可利用弹性层状体系理论解或粘弹性理论或弹塑性理论模型求出ss、zz，从而求出路面寿命。 模量反算有弹性理论体系程序，有限元法程序和神经网络方法。 6.1层状体系程序 层状体系程序可以用来反算各层模量，如MOPCOMP3能反算15层以上的路面结构。弹性层状体系程序如对于同一试验路面，将路面结构分为不同的层次时，计算出的模量不会完全相同。至于以多少层为适合(最佳)，则应根据反算的模量，选择适当的求应力、应变的程序计算出ss、zz，然后将其与现场实测的ss、zz相比较，两者差别最小时，所对应的结构层划分是最为合适的。算出的模量最接近实际的。 计算ss、zz时，根据路面结构层次的特性，用不同的理论进行计算。对于线弹性层状路面体系，可用BISAR或CIRCLY程序计算；对于粘弹性路面体系，可用VESYS程序计算；假定路面为弹塑性性质时，用ML弹塑性程序计算。 6.2有限元法反算程序 有限元法认为连续的结构可看成有限个单元的组合，这些单元由有限个结点连接起来。有限元还假定，除非特殊单元应变允许不连续外，应变是协调的。为了分析单元的变形、力和刚度，必须建立1个整个结构的平衡方程矩阵，以求出结构的应力和应变。有限元法也适应于非线性材料问题求解。应用实例参阅文献5。 6.3神网经网络法 利用程序计算应力、应变时，反算的各层模量是非常重要的。为了避免反算模量值的不可靠性，神经网络方法是一种行之有效的方法。在这种方法中，测量的弯沉盆和各层厚度作为计算应力的输入向量，这种模型有同时建立函数形式和模型参数的能力。图1是改进后的BP网络联结图，该网络的学习建模包括网络状态的前向计算和误差的反向传播两个阶段。 6.3.1网络状态前向计算过程 计算netji,netjk,Okj,yk 隐层点输入netji=Wjixi(6) 隐层节点输出Oki=f(netji)(7) 输出层节点输入netjk=WkjOkj(8) 输出层节点输出yk=f(netjk+Wkixi)(9) 其中：Wji、Wkj分别为输入到隐层、隐层到输出层间的连接权重；f为激活函数，取为f(x)=1/(1+e-x)；xi、Okj、yk分别为输入层、隐层和输出层节点输出。netji、netjk分别为隐层、输出层的输入；Wki为输入与输出层间的直接连接权数。 6.3.2误差的反向传播过程 对于给定的输入，输出样本(x1,x2，xm)；(O1，O2，Om)网络按(6)(9)计算输出yk=(y1,y2,yn)，定义误差E=(Oi-yk)2)/2，如果误差E大于给定值，按误差反向传播原则调整权值。 对于输出层与隐层之间的权值Wkj有： Wkj(k+1)=Wkj(k)+kOj+Wkj(k)-Wkj(k-1)(10) k=f(netjk)(Oi-yk) 对于隐层与输入层之间的权值Wji，有： Wji(k+1)=Wji(k)+jxi+Wji(k)-Wji(k-1)(11) k=f(netji)kWkj 对于输入层与输出层之间的直接连接权值Wki，有： Wki(k+1)=Wki(k)+kyk+Wki(k)-Wki(k-1)(12) k=f(netjk)(Oi-yk) 式(10)、(11)、(12)中，k为迭代次数，为学习效率，为惯性系数。 网络的学习样本是已知的输入和输出值。训练网络的输入量有路面厚度、弯沉盆、施加荷载、当量压强、路表温度，输出量是应变值。这些应变值是对应于可能组成的路面结构层状及其典型的模量值，通过BISAR或CIRCLY线弹性、ML(Mechano-Lattic)弹塑性、VESYS粘弹性等模型程序计算得到，或为实验测量值。利用神经网络模型的优势在于它避免了求反算路面各层模量这一难点。这样，网络输出的应变值直接来预估路面寿命。限于篇幅，本方法的应用实例将另文论述。 7路基路面工程质量评价 在修筑高等级公路、城市道路及机场等重大交通基础设施中，应用快速、准确、无破损检测技术进行施工质量实时控制，具有重要的意义。在施工过程中通过FWD检测和分析评价，能够及时发现质量隐患，从而有效地控制工程质量，从根本上防止路面过早破坏。图2为郑州工业大学在安(阳)新(乡)高速公路上检测和分析的一个例子。 从图2可以看出： 下层石灰土压实度，原材料质量，配比等方面存在问题； 两层石灰土中间存在明显的分层； 上层石灰土质量较好。 8结语 本文对FWD在公路工程中的应用技术进行了初步研究。FWD可应用于路面结构工作特性，路面受力状况，接、裂缝传荷能力，路面结构刚度组成，水泥混凝土路面板底脱空状况，路面寿命的预估及路基工程质量等7个方面的评价。实践结果表明，FWD与其它量测仪器相比，具有快速、精度高、无破损、功能多等特点，可在现场应用。FWD的应用技术研究对于发挥FWD的潜能，促进我国道路无损检测工作具有重大意义。