沥青路面动态弯沉值的温度修正方法研究

宋小金，曾梦澜，王　林

(1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.山东省交通科学研究所，山东 济南 250031；3.湖南中大建设工程检测技术有限公司，湖南 长沙 410205)



沥青路面动态弯沉值的温度修正方法研究

宋小金1,3，曾梦澜1，王林2

(1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.山东省交通科学研究所，山东 济南 250031；3.湖南中大建设工程检测技术有限公司，湖南 长沙 410205)

通过现场落锤式弯沉仪(FWD)试验，探讨了沥青路面动态弯沉值温度修正方法。试验结果与结果分析显示：JTG D50—2006规范与JTG E60—2008规程针对沥青路面静态回弹弯沉给出的温度修正系数K值确定方法预测结果并不相同，尤其是温度较低时。应用于沥青路面动态弯沉值的温度修正时，JTG D50—2006方法精度低，JTG E60—2008方法缺乏解析公式且层厚有限，均不能满足要求。基于FWD试验结果，提出了沥青路面动态弯沉值温度修正系数K值的数学表达式。表达式预测的K与实测值一致性良好，且表达式中各参数意义明确。

道路工程；沥青路面；动态弯沉；落锤式弯沉仪；温度修正

0　引言

沥青路面的弯沉是在标准荷载作用下，路面给定点的垂直变形。弯沉值反映了路面承受荷载的能力，弯沉值越小路面承受荷载的能力愈强，是现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)[1]路面结构设计主要指标。沥青路面实际弯沉值的测量分静态与动态两种方法。目前，路面弯沉值主要采用杠杆式弯沉仪和具有标准轴载汽车按前进卸荷法测定路面的回弹变形，即《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60—2008)[2]中“T0951—2008贝克曼梁测定路基路面回弹弯沉试验方法”，属静态方法。另一种常用路面弯沉值采用落锤式弯沉仪(Falling Weight Deflectometer,FWD)标准质量重锤下落一定高度产生的冲击荷载作用测定路面的瞬时变形，属动态方法。FWD方法测定路面弯沉具有无破损、测速快、精度高等优点，并很好地模拟了行车荷载作用，在国际上的应用日益广泛[3-4]。

由于沥青是感温性材料，沥青路面整体刚度会随温度变化而变化，温度越低路面整体刚度越大。沥青路面的弯沉测定以沥青面层平均温度20 ℃为标准，对与面层厚大于5 cm的沥青路面，弯沉值应予温度修正[1-2]。对于静态方法，JTG D50—2006规范与JTG E60—2008规程分别给出了不同的沥青路面弯沉值温度修正方法。但是，对于动态方法，沥青路面弯沉值温度修正还没有一个公认的标准方法。由于路面结构中应力传递是通过材料相邻的颗粒来完成的，动力荷载应力因出现时间短而来不及传递分布，导致路面变形量减小、路面结构刚度提高，沥青路面在动力与静力荷载作用下的这种行为差异对弯沉值的温度修正有何影响还不清楚。本文拟通过现场对不同沥青路面结构的FWD试验，检验JTG D50—2006规范及JTG E60—2008规程方法的适用性，探讨沥青路面实测动态弯沉值温度修正方法。

1　现场试验

现场试验在山东省滨大(滨州至大高)高速公路试验路实施，试验路共4种沥青路面结构，包括2种全厚式沥青路面(结构1、结构2)，1种山东省高速公路推荐的永久性沥青路面(结构3)，1种国内较为常用的半刚性沥青路面(结构4)[5]。沥青面层厚度在15～33.5 cm之间，分别为结构1的 33.5 cm、结构2的21.5 cm、结构3的18 cm、结构4的15 cm。表1为FWD试验路面结构，其中LSPM(Large Stone Porous Asphalt Mixture)为大粒径透水性沥青混合料。

试验采用Dynatest 8000型FWD，承载板直径为30 cm，荷载的大小通过提升落锤高度进行调整。FWD试验按照JTG E60中“T0953—2008落锤式弯沉仪测定弯沉试验方法”进行，重锤质量(200 ±10) kg，可产生(50±2.5) kN的冲击荷载。 FWD测定的弯沉可以用来反算路基路面材料的模量作为设计参数，也可以经转换为回弹模量用于评定道路的承载能力，还可以用于调查水泥混凝土路面接缝的传力效果与板下的支撑情况。路面温度采用温度传感器测定，各结构内沿沥青层深度布设有4个温度传感器，随时可进行温度采集，各结构温度测点到路表面的距离见表2。由于无机结合料稳定基层对路面弯沉值的温度修正影响很小[6]，本文只对感温性沥青结构层温度变化对路面弯沉值的影响进行分析。温度是本文研究的主要变量，为使温度变化范围尽可能大，FWD试验在不同季节多次进行，同时记录了路面沥青层不同深度的温度值[7-9]。

表1　FWD试验路面结构

表2　温度传感器到路表距离(单位：cm)

我国行业标准规定以20 ℃为测定沥青路面弯沉值的标准温度，且当沥青面层厚度小于或等于5 cm或路面温度在(20±2)℃范围内时不需对弯沉进行温度修正[1-2]。借用静态的方法，用无量纲的温度修正系数K表示温度对沥青路面动态弯沉的影响，定义为式(1)。

(1)

式中，l20为换算为标准温度20 ℃时沥青路面的动态弯沉值；lT为沥青面层内平均温度为T时的动态弯沉值。随温度的升高，沥青材料的劲度降低，路面弯沉值升高，因而温度修正系数K降低，T=20 ℃时K=1。各结构标准弯沉值l20根据测试数据拟合得到，平均温度T的计算借用静态的方法，采用式(2)。

(2)

式中，T25为路表下25 mm处的温度;Tm为沥青面层中间深度的温度;Te为沥青面层底面处的温度。当特定深度没有温度的直接测试值时，通过其他深度实测值内插确定。现场试验得到各沥青路面结构FWD动态弯沉修正系数K数据13～16点，平均温度涵盖-1.5～42.3 ℃。

2　JTG D50—2006规范方法检验

JTG D50—2006规范针对贝克曼梁测定的沥青路面静态回弹弯沉，推荐了温度修正系数K的计算公式，如式(3)、式(4)。

(3)

及

(4)

式中h为沥青层厚度。

图1　实测及JTG D50—2006规范方法温度修正系数KFig.1　Measured K values and predicted K values using JTG D50—2006 method

JTG D50—2006规范沥青面层平均温度采用较为粗略的方法估计，由于已有更为精确的传感器实测温度，本文采用实测温度并通过式(2)计算，确定沥青面层平均温度[10-11]。图1为实测及JTG D50—2006规范方法计算得到的路面温度与弯沉修正系数K的关系。由图可见，当温度T大于20 ℃时，式(4)预测的温度修正系数K精度尚可；但当温度T小于20 ℃ 时，式(4)预测的温度修正系数K逐渐偏离实测值且不合理地趋于无穷大。表3所示为实测与不同预测方法温度系数K相关分析结果，其中各结构JTG D50—2006规范方法的Pearson乘积矩相关系数的平方R2均不高，全部结构仅0.672 1。

表3　实测与不同预测方法温度系数K相关分析结果

3　JTG E60—2008规程方法检验

JTG E60—2008规程同样针对贝克曼梁测定的沥青路面静态回弹弯沉，以图表的形式推荐了温度修正系数K的确定方法。图表分两部分，一部分适用于粒料基层及沥青稳定基层，另一部分适用于无机结合料稳定半刚性基层，沥青层厚度适用范围5～30 cm。

同样地，本文采用实测温度并通过式(2)计算，确定沥青面层平均温度。图2为实测及JTG E60—2008规程方法计算得到的路面温度与弯沉修正系数K的关系。由图可见，在实测温度范围内，JTG E60—2008规程方法预测的温度修正系数K与实测值一致性良好。表3中各结构JTG E60—2008规程方法的相关系数的平方R2均较高，全部结构为0.882 0，高于JTG D50—2006规范方法。

图2　实测及JTG E60—2008规程方法温度修正系数KFig.2　Measured K values and predicted K values using JTG E60—2008 method

4　动态弯沉值的温度修正

针对贝克曼梁测定的沥青路面静态回弹弯沉，JTG D50—2006规范与JTG E60—2008规程分别给出了不同的温度修正系数K值确定方法。这两个规范与规程分别说明可以采用任一方法，但结果并不相同，尤其是温度较低时差别较大。JTG D50—2006规范方法的主要优点是有公式表达，缺点是精度低，不能满足沥青路面动态弯沉值温度修正的要求。JTG E60—2008规程方法的主要优点是精度较高，可以满足沥青路面动态弯沉值温度修正的要求；缺点是缺乏公式表达且沥青层厚度最大30 cm，不能满足实际检测工作的要求，也不能适应沥青面层逐渐增厚的趋势。鉴于JTG D50—2006规范与JTG E60—2008规程两种方法均有重要缺点，有必要根据试验数据探讨适用于沥青路面动态弯沉值的温度修正方法。

对图2、图3的观察显示，受多种因素影响，现场试验得到各沥青路面结构FWD动态弯沉修正系数K数据有一定程度的离散，不能准确分辨沥青面层厚度与基层类型的影响。为此，动态弯沉值温度修正系数全部数据宜统一拟合，可表达为式(5)。

(5)

式中，a=0.011，为调整参数，无量纲；b=-0.032 5，为幅度参数，1/℃；T1=-6.85 ℃，T2=54.77 ℃，为位置参数，R1=19.37 ℃，R2=3.48 ℃，为曲率参数。式(4)满足K(T=20 ℃)=1，同时具有两条水平渐近线：一条为K(T→+∞)=a，另一条为K(T→-∞)=a+b(T1-T2)，分别反映了沥青混合料劲度模量在高温与低温下趋于常量的事实[12]。参数T1,T2分别表示温度与修正系数关系曲线两个拐点的位置，参数R1，R2分别表示两个拐点的曲率。图3为实测及本文式(5)建议的方法计算得到的路面温度与弯沉修正系数K的关系。由图可见，在实测温度范围内，建议方法预测的温度修正系数K与实测值一致性良好。表2中各结构建议方法的相关系数的平方R2均较高，全部结构达到0.917 5，高于JTG E60—2008规程方法。

图3　实测及建议方法温度修正系数KFig.3　Measured K values and K values using proposed method

应当说明的是，式(5)代表了本文现场试验结果的某种平均，仅仅是完整的沥青路面动态弯沉值温度修正方法构建过程的一步。进一步的研究需要考虑沥青面层厚度的影响，还需考虑不同沥青材料感温特性差异的影响，再进一步地研究需要考虑沥青面层下结构层顶面当量模量的影响。(JTG E60—2008方法中基层的分类事实就是区分顶面当量模量的大小，只是过于粗略和近似。)届时，式(5)中6个独立参数a，b，T1，T2，R1，R2中的几个，将是沥青面层厚度及顶面当量模量的函数。由于现场试验的局限性，预期后续的研究过程中理论分析将成为主要手段。

5　结论

现场FWD试验结果与分析显示：

(1)针对贝克曼梁测定的沥青路面静态回弹弯沉，JTG D50—2006规范与JTG E60—2008规程分别给出了不同的温度修正系数K值确定方法。这两个规范与规程分别说明可以采用任一方法，但结果并不相同，尤其是温度较低时差别较大。

(2)JTG D50—2006规范方法的主要优点是有公式表达，缺点是精度低，不能满足沥青路面动态弯沉值温度修正的要求。JTG E60—2008规程方法的主要优点是精度较高，可以满足沥青路面动态弯沉值温度修正的要求；缺点是缺乏解析公式且沥青层厚度最大30 cm，不能满足实际检测工作的要求，也不能适应沥青面层逐渐增厚的趋势。

(3)基于FWD试验结果，提出了沥青路面动态弯沉值温度修正系数K值的数学表达，提出的方法优于JTG D50—2006规范方法和JTG E60—2008规程方法，预测的K值与实测值一致性良好。表达式中各参数意义明确，为进一步的研究预留了空间，奠定了基础。

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JTG D50—2006，Specifications for Design of Highway Asphalt Pavement[S].

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A Method of Temperature Correction for Asphalt Pavement Dynamic Deflection

SONG Xiao-jin1,3,ZENG Meng-lan1,WANG Lin2

(1.School of Civil Engineering,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China;2.Shandong Communications Science Research Institute,Jinan Shandong 250031,China;3.Hunan Zhongda Construction Engineering Testing Technology Co.,Ltd.,Changsha Hunan 410205,China)

The in-situ FWD tests are carried out to develop a method of temperature correction for asphalt pavement dynamic deflection.The test result and analysis indicates that (1) the methods of asphalt pavement static resilient deflection in JTG D50—2006 and JTG E60—2008 specifications give different predictions of temperature correction coefficientK,particularly at low temperatures;(2) in application to temperature correction of asphalt pavement dynamic deflection,the JTG D50—2006 method has low precision,and the JTG E60—2008 method has no analytical formulation and limited valid layer thickness.Based on the FWD test result,a mathematical expression for temperature correction coefficientKof asphalt pavement dynamic deflection is proposed.The predictedKvalue using the expression and the measuredKvalue are in good agreement.In addition,the parameters in the expression have clear meanings.

road engineering；asphalt pavement;dynamic deflection;falling weight deflectometer (FWD);temperature correction

2015-01-04

住房和城乡建设部科学技术计划项目(2014-k5-023)

宋小金(1980-)，男，山东荣成人，博士研究生，高级工程师.(sxjmail@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.01.004

U416.217

A

1002-0268(2016)01-0022-05