沥青路面高速激光弯沉快速测试方法研究

徐衍亮 ,卢勇 ,李亚丽 ,刘爱华 ,曹荣吉 ,刘林林

(1.南京市公路事业发展中心,南京 210014;2.苏交科集团股份有限公司,南京 210019)

路面弯沉值是表征道路路基和路面整体强度的重要参数,反映了路面各结构层及土基的整体强度和刚度,也直接反映了路面的使用性能,是路面设计、验收及养护工作中的一个重要参考指标。路面弯沉测量技术主要有贝克曼梁法、连续激光弯沉法和FWD 法,随着检测技术的发展以及弯沉测量对测量效率、安全等方面的要求,基于路面变形速度的高速激光弯沉测试方法开始在国内外快速发展[1-3]。近年来,国内外弯沉快速检测技术日趋成熟,国内武大卓越科技有限责任公司研制的激光动态弯沉仪(laser dynamic deflectometer,LDD)和部分公路院使用的丹麦格林伍德工程公司研制的高速弯沉仪(traffic speed deflectometer,TSD)都采用基于路面变形速度的测量原理,已经在一定范围内得到了工程应用,能满足在20～90 km/h 范围内的连续弯沉测量[4]。

为验证高速弯沉测量方法在工程中的适用性,本文对FWD 法和基于路面变形速度的高速激光弯沉测试方法进行对比和相关性分析,初步研究基于路面变形速度的高速激光弯沉测试方法的可行性和适用条件,并初步提出高速激光弯沉的半刚性基层沥青路面结构状况评价参数及参数界限值。

1 测试原理

高速激光弯沉仪的工作原理基于多普勒效应[5-7]。多普勒效应理论是由奥地利物理学家克里斯琴·约翰·多普勒于1842 年提出的,公式为

式中,V为波源和接收者的相对速度;C为波传播速度;Fd为接收端频率变化;Fs为发射频率。

在高速激光弯沉仪的应用中,C即为多普勒激光传感器的激光速度(光速3.0 ×108m/s),F为时间的倒数,可以通过激光传感器发射、接受的时间差计算得到,由此根据式(1)可以得到相对速度V,即弯沉速度。

高速激光弯沉仪利用激光多普勒测振仪测量在标准荷载作用下的路面变形速度的方法和路面变形速度提取算法,结合弹性地基上的欧拉-伯努利梁理论,推导弯沉盆曲线的两参数方程,采用牛顿迭代法利用路面变形速度反演路面弯沉。

2 试验方案和研究方法

2.1 试验方案

为评价RWD(LDD 和TSD)弯沉检测数据的可靠性,本文选取沪宁高速公路半刚性基层路段、柔性基层路段以及省道S237 淮安段,采用武大卓越激光弯沉检测设备LDD 进行重复性和速度变异性试验,对比试验路段桩号及路面结构如表1 所示。同时进一步将RWD 检测结果与FWD 检测结果进行对比,分析RWD 弯沉检测方法与目前常规采用检测方法测试结果的相关性。

表1 对比试验路段桩号及路面结构

2.2 研究方法

1) 与FWD 弯沉值之间的相关性

高速激光弯沉测试值是以间隔10 m 获得的一系列弯沉值,覆盖范围广。考虑到路面的复杂变异性和FWD 测试值是以间隔50 m 获得的一系列弯沉值,将高速激光弯沉间隔10 m 获得的弯沉值换算成以间隔50 m 获得的弯沉值来分析与FWD 测试的弯沉值的关系。从以往经验来看,换算后的弯沉值一般采用的是代表值或平均值,因此本文采用高速激光弯沉间隔50 m 的代表值和平均值与FWD数据进行对比分析。

2) 路面结构状况评价参数

以代表路段沥青路面基于RWD 弯沉盆数据为研究对象,初步提出以弯沉盆参数来分别表征面层和基层模量的方法,然后分别通过层状弹性体系软件计算理论弯沉盆和现场RWD 实测弯沉盆来检验这些参数的敏感性、有效性以及其是否能够合理地反映各层强度状况,并最终确定评价路面结构强度状况的弯沉盆参数。

3 结果与分析

3.1 重复性及变异性试验分析

采用LDD,以70 km/h 的速度重复测试选择路段,进行共计3 次重复性测试,以分析同一测试速度下的重复性和速度变异性[8],其计算公式为

式中,Px为重复性;Cx为速度变异性系数;Xj为LDD弯沉值;为LDD弯沉平均值。

根据LDD 激光动态弯沉系统测试弯沉数据,统计出3 条路段不同测试速度下的重复性和速度变异性系数,重复性和速度变异性试验结果如表2所示。

表2 重复性和速度变异性试验结果(单位:%)

根据表2 可知,高速激光弯沉的检测重复性基本达到93%以上;同时,速度变异性系数小于7%,可见测量速度对测量结果影响较小。

3.2 相关性试验分析

采用RWD 间隔50 m 的代表值和平均值与FWD 数据进行对比分析,沪宁高速(K153 +500～K140 +000)RWD 弯沉值与FWD 弯沉值的关系如图1 所示。从图1 的图(a)和图(c)中可以看出,RWD 的平均值与FWD 数据的相关性均略高于代表值与FWD 数据的相关性,但相关性系数差距不大。从图1 的图(b)和图(d)中可以看出RWD 间隔50 m 的代表值分散趋势与RWD 的测试值分散趋势有更好的匹配性。因此对于RWD 法,综合对比分析提出以间隔50 m 的代表值来反映其测试数据。

将基于路面变形速度的RWD 弯沉值与FWD弯沉值进一步比较,S237 高速激光弯沉LDD(60 km/h)与FWD 弯沉值对比如图2 所示,沪宁高速RWD(70 km/h)与FWD 弯沉值对比如图3 所示。从图2 和图3 中可以看出,两种测试方法的路面弯沉值表现出较好的匹配性,不同路面结构强度路段处基本能够体现出变化趋势;而RWD 的弯沉值敏感性更高,变化幅度更大,更能反映结构强度的变化情况。这可能是由于一方面RWD 反映的是间隔10 m 的线性上的弯沉值,相较于间隔50 m 的FWD 数据,反映的信息更加丰富;另一方面RWD加载荷载模拟的是路面车辆行驶的真实状态,表征一种动荷载条件下的路面结构响应,而FWD 为一种静态荷载条件下的冲击荷载,比较而言,动态激光弯沉的荷载强度更大,因此一般反映出的弯沉值更大。

对比LDD 和TSD 的测试结果,从弯沉值的范围和变化情况可知,进口TSD 设备的弯沉值相对较大,对变化相对更为敏感。因此进一步将沪宁半刚性基层路段(0.5km)、柔性基层路段(0.5km)和淮安S237 一级公路半刚性基层路段(0.5 km)三条路段的LDD 重复性测试结果与FWD 结果进行比较,计算其标准差和变异系数,沪宁半刚性基层FWD 与LDD 相关性如图4 所示,沪宁柔性基层FWD 与LDD 相关性如图5 所示,S237 半刚性基层FWD 与LDD 相关性如图6 所示。不同路段TSD 与FWD 相关性试验测试结果如表3 所示。

表3 不同路段TSD 与FWD 相关性试验测试结果

由图4～图6 可知,LDD 弯沉值与FWD 弯沉值数据之间呈线性相关,对于原路面结构强度状况较好的半刚性基层沪宁高速公路,其相关性低于原路面结构强度状况一般的S237 路段。同时发现,柔性基层路段LDD 弯沉值与FWD 弯沉值之间相关性关系相反。根据初步结果分析可知,LDD 弯沉能够较好地适用于路面结构强度一般的半刚性基层路段。

由表3 可知,TSD 弯沉值与FWD 弯沉值数据之间的相关性在40%以上,其中部分数据相关性较低的原因是人为因素造成的测试速度不均匀。根据初步结果分析可知,TSD 弯沉检测方法能够较好地适用于路面结构强度一般的半刚性基层路段和柔性基层路段。

3.3 弯沉盆指标判断标准

3.3.1 提出参数

借鉴丁俊峰[9]提出的基于FWD 弯沉盆的半刚性基层沥青路面结构状况评价参数的检测方法,以沪宁K153 +500 为例,提出基于TSD 的一系列表征半刚性基层沥青路面面层和基层强度(模量)的弯沉盆参数,TSD 表征各结构层强度(模量)的弯沉盆参数如表4 所示。

表4 TSD 表征各结构层强度(模量)的弯沉盆参数

3.3.2 理论弯沉盆检验分析

构建一系列路面结构层(面层和基层)模量组合,路面面层和基层参数设置如表5 所示。利用弹性层状体系软件计算理论弯沉盆,计算表4 中各弯沉盆参数,然后分析各层模量和弯沉盆参数的关系,随路基路面各层模量变化的弯沉盆参数如图7所示。

表5 路面面层和基层参数设置

基于TSD 动态弯沉测试系统和FWD 检测方法实测路面变形量的点位相同,提出的一系列参数是相同的,故得到的理论弯沉盆检验结果是相同的,采用丁俊峰[9]的研究结果,即表征面层模量的参数D0-D20、D0-D30的变化幅度较大,分别达到了91.5%、83.5%;表征基层模量的参数D60的变化幅度较大,分别达到了29.0%、33.5%。

3.3.3 实测弯沉盆检验分析

以沪宁K153 +500 的弯沉数据进行模量反算,通过各结构层反算模量和表5 中各弯沉盆参数之间相关性的大小来对比分析各弯沉盆参数是否能有效反映各层模量,并回归各层模量计算公式。结合理论弯沉盆检验的结果,确定表征路基路面各层模量的弯沉盆参数。

1) 面层模量与弯沉盆参数

分别对各实测弯沉盆参数D0-D20、D0-D30、与面层模量的关系进行整理分析,实测弯沉盆参数与面层模量如图8所示。

由图8 可知,随着各弯沉盆参数的增加,面层模量逐渐减少。比较与面层模量的关系可知,实测弯沉盆参数D0-D20与面层模量的相关性最大。

2) 基层模量与弯沉盆参数

由图9 可知,随着各弯沉盆参数的增加,面层模量逐渐减少。比较D20-D60、D30-D60、D30-D90、与基层模量的关系可知,实测弯沉盆参数D20-D60与基层模量的相关性最好。

综合理论弯沉盆和实测弯沉盆的检验结果,经过对比分析,确定面层模量、基层模量的TSD 弯沉盆参数,路面结构层弯沉盆参数如表6 所示。最后并以沪宁柔性基层路段(K1100 +000～ K1100 +500) 和淮安S237 一级公路半刚性基层路段(K038 +000～K038 +500)数据进行验证,证明D0-分别与面层、基层模量的相关性最好。

表6 路面结构层弯沉盆参数

3.3.4 评价参数界限值的确定

基于FWD 弯沉盆的半刚性基层沥青路面结构状况评价参数界限值,结合FWD 弯沉盆与RWD 弯沉盆的数值关系,计算基于RWD 弯沉盆的半刚性基层沥青路面结构状况评价参数界限值,计算公式为

式中,Xi为LDD 或TSD 的i值;i为面层或基层的参数界限值;j为面层或基层的参数平均值。

计算可知基于RWD 弯沉盆的半刚性基层沥青路面结构状况评价参数界限值:D0-D20>95.252 8 μm、>127.819 5 μm。

4 结论

(1) 基于路面变形速度的RWD 设备能够在行驶状态下获取路面的真实结构状态,重复率和速度变异性分别为93%以上和7%以下。从测试原理、设备性能、结构稳定性和相关性等方面考虑,如要对全省高速公路路网路面结构进行状况普查,建议考虑采用高速激光弯沉设备。

(2) 对于高速激光弯沉方法,通过与FWD 综合对比分析提出以间隔50 m 的代表值来反映其测试数据。由于受力荷载状态、测点密度和测试位置等因素的影响,RWD 设备和FWD 所获取的弯沉值相关性相对不高,为0.3～0.4,且RWD 的测试结果略大,因此针对项目级高速公路沥青路面的养护设计建议仍采用贝克曼梁或FWD 方式进行结构状况判断。总体来说,高速激光弯沉设备可用于高速公路沥青路面结构状况普查,但仍需要对测试结果的判断标准进行分析。

(3) 基于FWD 弯沉盆的半刚性基层沥青路面结构状况评价方法,初步提出TSD 高速激光弯沉的半刚性基层沥青路面结构状况评价参数及参数界限值,确定D0-D20>95.252 8 μm 作为面层状况好坏的评价标准、D20-D60>127.819 5 μm 作为基层状况好坏的评价标准。