FWD设备在旧水泥路面检测中的应用

2019-04-25袁媛

浙江交通职业技术学院学报 2019年4期

袁媛

(浙江省交通规划设计研究院有限公司,杭州 310030)

0 引言

水泥路面具有稳定性好、强度大等优点，在公路工程上应用较广泛。浙江省是修筑水泥路面较早的省份之一[1]，20世纪70年代初就在干线公路上修建水泥路面，在全省路面结构中水泥路面占有一定的比重。随着交通量与使用年限的增加，越来越多的水泥路面出现不同程度病害，主要表现为裂缝、错台、唧泥、板角断裂、破损板等，随之而来的是养护费用逐年增加，当通行能力和服务水平无法满足时，将步入改造阶段。

路面结构强度是路面的主要指标之一，它是影响改造方案的重要因素。对于水泥路面，路面结构强度还包括基层顶面回弹模量、接缝传能力、板底脱空状况等[2]。传统的水泥路面结构强度检测以贝克曼梁等静态弯沉仪为主，但这类设备存在检测效率低、参照系不稳定等缺点[3]。FWD(Falling Weight Deflectomerter，落锤式弯沉仪，见图1)是国际上具有代表性的路面无损检测设备，与传统的贝克曼梁静态弯沉测量方法相比，测速快、精度高、能较好模拟行车荷载对路面的作用，所测的弯沉盆具有丰富的路面结构强度信息，可有效评价水泥路面强度。

1 FWD测试原理和设备

1.1 FWD测试原理

FWD通过计算机控制下的液压系统提升并释放一标准质量重锤，对路面施加脉冲荷载，路面表面产生瞬时变形。在距离荷载中心一定范围内设置7～9个传感器，采集不同位置测点在冲击荷载作用下瞬间的动态变形，得到动态弯沉峰值和弯沉盆数据，见图2。由此可反算路基路面各层材料的动态弹性模量，评定道路承载力，还可快速检测水泥路面接缝传荷、基层顶面回弹模量等参数。

图1 落锤式弯沉仪

图2 落锤式弯沉仪加荷原理

1.2 FWD测试设备

以丹麦(CarBro)PRI2100型落锤式弯沉仪为例，设备由荷载发生装置、弯沉检测装置、运算控制系统和车辆牵引系统等组成。荷载的大小可通过改变锤重和提升高度在相当大的范围内调整，通常重锤质量为200kg±10kg，可产生50kN±2.5kN的冲击荷载，荷载传感器精度0.1%，承载板直径为300mm。弯沉检测装置由一组高精度位移传感器组成，精度±2%，传感器位置可调，通常设置位置为板中零点、距板中20cm(前后)、30cm(前后)、50cm(后)、60cm(前)、90cm(前)、120cm(前)。运算控制系统能在冲击荷载作用的瞬间，记录冲击荷载和各个传感器所在位置测点的动态变形。

2 检测实例及分析

2.1 工程概况

浙江省某干线二级公路，是通往县城及连接高速公路的主要公路，有长约10.3km的水泥路面(双向两车道、部分路段为双向四车道)。路面结构为22cm水泥砼面层+40cm水泥稳定碎石基层。该路段毗邻经济开发区，运送铝锭等货物的重型车辆较多，交通流量较大。经过多年通行，水泥路面呈现裂缝、破碎板、板角断裂等损坏，道路服务水平受到严重影响。为缓解该区域的交通压力，完善区域内的交通网络，促进对工业区块的开发，管养单位拟对老路进行改建。

为客观反映路面现状，提供必要的设计参数，确定合理的改造方案，对老路进行改造前检测，检测内容主要分为路面损坏状况调查和路面结构强度检测两部分。

2.2 路况调查

采用加拿大ARAN4900路况检测车对老路各个车道进行损坏状况调查，调查内容包括规范[4]所定义11类20项水泥混凝土路面损坏类型：破碎板、裂缝、板角断裂、错台、唧泥、边角剥落、接缝料损坏、坑洞、拱起、露骨和修补。

通过调查，路段整体状况较差，病害分布在路段全范围内，主要病害类型为裂缝、错台、露骨和破碎板。各种病害类型面积占调查路段面积的比例见图3。

上行

下行

采用PCI指数评价路面损坏状况，它是反映路面损坏状况的综合指数，是路面服务水平最重要、最复杂的一个指数，也是管养部门判定何时、采用何种养护措施的主要指标。路面损坏状况指数(PCI)分优、良、中等五个等级，评定标准见表1。

表1 路面损坏状况指数评定标准

经统计，调查路段上、下行PCI指数分别为64.2%、67.7%，评价等级均为“次”。说明经过多年的通车，路面状况有较大程度的衰减，而对比上、下行数据，没有明显的差异，破损状况相差不大。

2.3 FWD在水泥路面检测中应用

通过路况调查，对路段病害类型、分布有了直观的认识，在此基础上，采用落锤式弯沉仪对路面结构强度进行进一步检测，包括基层顶面回弹模量、接缝传荷能力、板底脱空检测。

2.3.1 基层顶面回弹模量检测

基层顶面回弹模量反映水泥混凝土板下基层的受力情况，水泥路面使用过程中，基层顶面回弹模量应满足一定的要求，以保证水泥混凝土板具有足够的强度和耐久性。在清除水泥面板后的基层顶面进行承载板法测定基层顶面回弹模量的方法费时费力，并且对原路面破坏性较大，而采用FWD实测路面弯沉，并按弹性地基理论反算基层顶面模量的无损检测方法可避免上述问题，也是规范中推荐的方法。

(1)检测方法

检测时，FWD的荷载设置为100kN，承载板直径为300mm。利用检测得到的动态弯沉盆数据，按《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40-2011中规定的公式(1)、公式(2)计算旧混凝土路面基层顶面的回弹模量标准值。

Et=100e(3.60+24.03ω0-0.057-15.63SI0.222)

(1)

(2)

式中：Et为基层顶面的回弹模量标准值，Mpa；SI为路面结构的荷载扩散系数；ω为荷载中心处的弯沉值，μm；ω300、ω600、ω900分别为距荷载中心300mm、600mm和900mm处的弯沉值，μm。

(2)检测结果

以200m一处的频率对各个车道进行基层顶面回弹模量检测，检测结果见表2，上、下行基层顶面回弹模量平均值分别为408MPa、389MPa，相差不大。路段范围内最小值为129MPa，最大值为763MPa，数值跨度范围较大，基层承载能力不均匀，这与各个段落施工质量、后期维护、病害发展情况不同有很大关系。

表2 基层顶面回弹模量检测结果

2.3.2 接缝传荷能力检测及评定

接缝传荷能力为水泥路面板接缝所具有的，是将车轮荷载由接缝一侧直接承受荷载的板块向接缝另一侧非直接承受荷载的板块进行传递的能力，是影响水泥路面使用寿命、行车平稳及舒适性的主要因素。传统的贝克曼梁检测接缝传荷时，需要两台贝克曼梁设备同时检测接缝相邻两个测点的变形量，耗时费力。此外，两台设备由于相隔距离较近，数据易受干扰。而利用FWD的不同传感器，可实现跨缝测定弯沉盆形状的连续性，检查接缝的荷载传递效果，检测速度快且无干扰。

(1)检测方法

以200m一处的频率对各个车道进行接缝传荷能力检测。检测时，利用FWD实测接缝两侧De及Du两处的弯沉值，De为受荷点，Du为未受荷点，两点相距30cm，加载示意图见图4、5。

图4 FWD接缝传荷能力检测布点示意图

图5 落锤式弯沉仪传感器布置图

(2)评定方法

采用接缝传荷系数评价旧水泥路面的接缝传荷能力。按《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40-2011中规定的公式(3)计算接缝传荷系数。

(3)

式中：kj为接缝传荷系数；ωu为未受荷板接缝边缘处(Du测点)弯沉值，0.01mm；ωe为受荷板接缝边缘处(De测点)弯沉值，0.01mm。

旧混凝土面层接缝传荷能力分为4个等级，评定标准见表3。

表3 接缝传荷能力分级标准

(3)检测结果

检测路段水泥混凝土路面接缝传荷能力整体较差，上行共检测58处接缝，传荷能力评价为“中”及以下的占50%；下行共检测59处接缝，传荷能力评价为“中”及以下的占40.6%。说明检测路段接缝传荷能力有较大程度的衰减。

2.3.3 板底脱空检测

水泥路面在使用过程中，由于车辆的反复作用，板下基础将产生一定的塑性变形和唧浆，致使混凝土板的局部范围不再与基础保持连续接触而失去支撑，形成脱空。脱空状态下的混凝土板受力极为不利，在荷载作用下，会因为产生过量的变形及应力，最终导致破碎。了解脱空情况，及时采取有效的修复措施，是阻止混凝土结构性破坏发展的重要措施。通过FWD来判定水泥路面板底脱空情况，是规范推荐的方法。

(1)检测方法

《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40-2011虽然指出板底脱空可根据面层板角隅处的FWD多级荷载弯沉测试结果，并综合考虑唧泥和错台发展程度以及接缝传荷能力进行判别，但没有明确表明检测方法和脱空判定标准。结合相关文献[5]并根据多年实际工程检测经验，细化该检测方法。

水泥路面板角和板边是最有可能存在脱空的部位，因此，在检测混凝土板脱空过程中，对混凝土面板的四角(D1、D2、D3、D4)进行检测(见图6)。检测时，落锤式弯沉仪的落锤点为每块板横向接缝板边距板角30～50cm处。实施过程中采用分级加载方式，一般分级荷载设定为3级，通常采用50kN、60kN、70kN，利用每一级荷载与相应的弯沉画出荷载-弯沉图，对该曲线进行线性回归，通过回归曲线的截距来判断混凝土板的脱空情况(见图7)，当截距b大于50μm时，认为板底存在脱空[6]，否则认为板底不存在脱空。