路面结构承载能力合理量化评定标准研究

梁斌

(山西省交通科技研发有限公司， 山西 太原 030006)

1 路面结构承载能力评定指标及检测

1.1 路面结构承载能力评定指标

路面结构承载能力是路面抵抗荷载、水温变化等作用的能力，取决于结构层厚度、材料力学性能和路面损坏情况。在寿命周期内，路面结构厚度变化基本可忽略不计，故路面结构承载能力基本上可用结构层材料弹性模量来评定。另外，根据材料弹性模量可预估疲劳强度，因而路面结构承载能力还可用剩余疲劳寿命来评定，这对路面资产管理可能更实际。传统上，现有路面材料力学性能的确定大多采用钻孔取芯法，经过芯样力学试验确定其力学性能如弹性模量、抗压强度或抗折强度等。众所周知，现场路面取芯不仅耗时耗力，如果没有适当的交通控制，还可能产生交通安全问题。因此，大规模进行网级路面取芯检测是不实际的。

迄今，落锤式弯沉仪(FWD)已被公路部门广泛用于路面结构承载能力检测评价。该方法通过测定路表弯沉，根据弯沉反算各层材料模量。根据检测目的，可进一步从材料模量确定结构层强度和路面结构剩余疲劳寿命。也就是说，借助FWD检测，可确定运营期路面的弯沉、弹性模量和剩余疲劳寿命3个强度指标，其中任何一个指标都可用于评定路面结构的承载能力。通过大量分析比较，建议直接采用FWD荷载中心弯沉评定路面结构承载能力，主要理由如下：1) 公路路面尤其是沥青路面结构均为多层结构，而现行的基于弯沉的模量反算方法不能提供各层模量的精确解，且对弯沉的误差较敏感；2) 对于网级路面结构承载能力评价，用户更关心的是路面整体结构承载能力，而荷载中心弯沉不仅和各层结构强度有关，还和路面损坏状况有关，用其作为评价指标简单明了。

1.2 网级路面FWD检测

理论上，无论是沥青路面多层体系，还是水泥砼路面弹性地基板理论，路表弯沉均取决于各层厚度、材料力学性能、荷载大小及其接触和边界条件。在现场FWD检测时，沥青材料性能和水泥砼板翘曲将受环境条件的影响。另外，现场路面损坏状况将影响FWD弯沉大小。为此，建议现场网级路面FWD弯沉检测位置取沥青路面行车道中央或水泥砼板中心，检测荷载和路面标准轴载一致；参照检测温度为20 ℃，其他温度的弯沉换算成20 ℃弯沉。另外，沿行车方向的检测间隔为0.5～1 km，每3年检测一次。

2 路面结构承载能力评定标准

2.1 现行FWD弯沉评定标准

根据JTG H20-2007《公路技术状况评定标准》，路面结构强度采用路面结构强度指数PSSI评价，计算公式如下：

(1)

式中：a0、a1为模型参数，a0=15.71，a1=-5.19；SSI为路面结构强度系数，SSI=检测代表弯沉/路面设计弯沉。

现行路面结构强度评价把一个客观、可测定的参数即弯沉换算成一个虚拟的参数PSSI，实际意义不大。另外，PSSI的计算引入了一个和路面设计弯沉有关的路面结构强度系数SSI，这不符合水泥砼路面结构设计理论和方法。根据JTG D40-2011《公路水泥混凝土路面设计规范》，板厚确定标准是在行车荷载和温度梯度综合作用下砼板不产生疲劳断裂。这也进一步说明直接采用荷载中心的FWD弯沉更符合实际。

2.2 FWD弯沉累计分布曲线

路面结构承载能力评定涉及因素多，如在重交通下结构承载能力评定“中”的路面，对于轻交通来说可能是“良”甚至“优”。根据山西灵石—南关二级公路、朔州高速公路及美国高速公路和普通公路的平均实测弯沉分布(见图1)，朔州和美国高速公路的弯沉分布曲线变化趋势相似，且近80%的弯沉值小于0.125 mm；灵石—南关二级公路和美国普通公路的弯沉分布趋势正好相反，前者60%以上的弯沉值大于0.25 mm，后者60%以上的弯沉小于0.120 mm。

图1 路表实测弯沉累计分布

仔细分析图1中曲线形状，朔州高速公路、美国高速公路及美国二级公路的弯沉分布曲线均呈上凸形状，而灵石—南关二级公路的弯沉分布曲线呈下凸形状。如表1所示，灵石—南关二级公路的平均弯沉值为0.414 mm，远大于其他3条公路的平均弯沉值。现场调查也表明，灵石—南关二级公路的路况很差，病害多，路面坑坑洼洼。根据以上观察和分析结果，可推断当路面结构承载能力较差时，弯沉累计分布曲线下凸；当路面结构承载能力较好时，弯沉累计分布曲线上凸。弯沉的累计分布曲线特征对路面养护维修具有一定的指导意义。

表1 路表实测弯沉统计特征值

2.3 推荐的路面结构承载能力评定量化标准

美国的有关研究人员通过大量FWD现场检测，提出了表2所示路面结构承载能力的FWD弯沉评定量化标准。其中弯沉位置为荷载中心，荷载大小为40 kN，参照温度为20 ℃。由于成本和检测要求，中国FWD检测主要用于项目级路面结构承载能力评价，网级路面FWD检测及其数据均非常有限。另外，中国的标准轴载为100 kN，相应的一侧轮载为50 kN；美国的标准轴载为80 kN，相应的一侧轮载为40 kN。为了对FWD弯沉标准进行荷载换算，近似地采用圆形刚性承载板作用下的弹性半空间模型：

(2)

式中：w0为荷载中心板底弯沉；a、p分别为圆形承载板半径及板底分布压力；E、μ分别为弹性半空间体材料的弹性模量和泊松比。

从式(2)来看，荷载中心板底弯沉和荷载大小成线性关系，将标准轮载40和50 kN分别代入式(2)，得w0,50 kN=1.25w0,40 kN，从而得到推荐的路面结构承载能力FWD弯沉评定标准(见表2)。

表2 路面结构承载能力的FWD弯沉评定量化标准

3 结论

(1) 现场网级路面FWD弯沉检测位置为沥青路面行车道中央或水泥砼板中心，检测荷载和路面标准轴载一致。

(2) 《公路技术状况评定标准》关于路面结构承载能力的评价采用虚拟的指数PSSI和SSI，而实际上这些指数是通过相对独立的客观参数即弯沉计算得到的，推荐直接采用FWD弯沉评价路面结构承载能力，并提出了路面结构承载能力的FWD弯沉评定量化标准。

(3)路面结构承载能力较差时，弯沉累计分布曲线下凸；路面结构承载能力较好时，弯沉累计分布曲线上凸。