基于FWD的沥青混凝土路面结构破坏评价方法

吴志强

（上海浦江桥隧东海运营管理有限公司，上海市 201308）

0 前言

在路面设计指南中，新的力学-经验法中第一设计水平是通过实验室测试和无损检测的方法来确定路面结构参数。这表明通过无损检测来评价道路的承载能力是具有可行性的[1-2]。从落锤式弯沉仪（FWD）实测动态弯沉盆入手，对路基路面各结构层的模量进行反算，可以为维修、养护提供设计参数[3]。

目前，国内外学者对反算方法及反算软件进行了广泛的研究，并取得了大量研究成果[4-5]。但是原有的研究成果尚需改进及深入研究，反算方法及反算软件的选取对反算结果的准确性与精度有较大影响，另外，旧路承重层的破坏使FWD弯沉测试及反算的各结构层模量值变异性很大[6]。为此，本文结合东海大桥海堤段路面养护工程，以FWD测试和BAKFAA软件为基础，对沥青混凝土路面结构破坏情况进行评价，并通过钻芯取样进行验证。

1 试验概况

东海大桥海堤段工程桩号从K29+000至K30+800，总长1 800 m，于2005年10月正式通车。路基采用强夯加固，路面结构由下至上为30 cm厚级配碎石、30 cm厚水泥稳定碎石、一层玻纤格栅、8 cm厚AC-25沥青混凝土和6 cm厚AC-16沥青混凝土。随着车流量的增多及所处特殊的地理位置，路面出现坑槽、车辙、沉陷，松散等病害，另外海堤段沉降造成很多裂缝。

该项研究采用的FWD弯沉车通过9个位移传感器的测试结果得到弯沉盆数据，其中9个传感器距荷载中心点的距离分别为0mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm、1 500 mm、1800mm、2 100 mm、2 400mm，编号为D0～D8。测试采用的荷载为50 kN，荷载板半径为15cm。测点间的间距为50 m，道路右幅（A线，洋山港方向）和左幅（B线，浦东方向）各32测点，均位于第3车道。

2 动态模量值的计算及路面结构破损评价

BAKFAA软件是采用美国联邦航空管理局（FAA）的弹性层状分析软件LEAF和下山单纯形法反算模量，最小化函数是各传感器位置理论弯沉与实测弯沉差值的平方和。在BAKFAA软件中采用如表1所列的路面结构，将D0、D1、D2、D3、D4、D5、D7传感器测得的路面弯沉盆输入软件，收敛精度设置为0.000 1。

表1 路面结构参数表

应该注意的是，由于BAKFAA在反算模量时，并没有对各层动态回弹模量的取值进行一定限制，在达到收敛精度的条件下，函数的极值可能并不唯一，沥青路面层数较多，如果再出现破损，更易出现反算模量的解不唯一的情况。因此，在反算过程中应对反算结果进行检验。对于明显超过材料模量限值的结果，改变初始值或收敛精度，通过调试程序，获得合理的反算模量。计算得到的各测点动态模量如图1、图2所示。

图1 A线各测点模量反算结果曲线图

图2 B线各测点模量反算结果曲线图

以A线K29+080点为例，程序初次计算得到的各层模量为如表2所列。

表2 K29+080初次计算路面各层模量一览表

虽然计算弯沉值与实测弯沉值有较好的拟合度，但面层动态模量达到41 978 MPa，路基模量达到987 MPa，明显不符合材料本身性质，因此，降低收敛精度到0.000 5，得到的各层模量如表3所列，因此，对软件计算结果进行检验和调整是十分必要的。

表3 调整收敛精度后K29+080计算路面各层模量一览表

取动、静态回弹模量的均值比为3.14，根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）中的材料静态抗压回弹模量取值范围，在该项研究中将各结构层的破损判别阈值分别定为：面层3 500 MPa，基层 4 000 MPa，底基层 600 MPa，路基150 MPa。当反算得到的模量小于对应的阈值，则认为该层出现破损。

东海大桥海堤段A线和B线的路面结构破损评价结果如表4和表5所列。

由表4和表5可以得出，A线面层破损率为12.5%，基层破损率为40.6%，底基层破损率为65.6%，路基基本完好。B线面层破损率为15.6%，基层破损率为31.2%，底基层破坏率为75%，路基破损率为6.3%。该路段基层和底基层破坏严重。

3 路面取芯实证（见图3）

在A线K29+680、K30+330处，B线K30+360、K30+560、K30+410的第3车道分别钻芯取样，结果发现A线K29+680处，面层和基层均完好；A线K30+330处，面层和基层均破碎；B线K30+360处，面层和基层均破碎；B线K30+410处，面层完好，基层破损；B线K30+610处，面层完好，基层破碎。对比钻芯结果和基于FWD检测的计算分析结果可以发现，五个取芯处只有B线K30+410处出现误判。可以说明该项研究中使用的方法可有效地进行沥青混凝土路面结构破损评价。

表4 A线路面结构破损评价表

表5 B线路面结构破损评价表

图3 钻取路面芯样实景

4 结论

使用软件反算模量时，在达到收敛精度的条件下，函数的极值可能并不唯一。因此，在反算过程中应对反算结果进行检验。对于明显超过材料模量限值的结果，改变初始值或收敛精度，通过调试程序，获得合理的反算模量。路面现场取芯结果证明了该项研究中采用BAKFAA反算路面结构模量并对路面结构进行破损评价的方法行之有效。

[1]Project 1-37A,Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures[S].

[2]Prozzi JA,Hong F.Traffic characterization for a mechanistic empirical pavement design[R].Austin:Texas Department of Transportation,2007.

[3]谢国栋.基于FWD的沥青路面反算模量修正系数研究[D].重庆:重庆交通大学,2011.

[4]Khazanovich.L.Structure Analysis of Multi-Layer Concrete Pavement Systems[D].University of Illinois,USA,1994.

[5]谢辉，郭忠印，丛林.基于人工神经网络的沥青路面模量评估[J].同济大学学报(自然科学版)，2007.35(8)：1044-1048.

[6]倪富健,邓学钧.柔性路面结构层模量反演方法研究[J].中国公路学报,1994,（17）:24-25.