基于激光式高速弯沉测定仪的路面结构强度快速检测评价

孙海艳,臧国帅,王兆鑫,朱 奇

(1.江苏省交通工程建设局,江苏 南京 210000;2.江苏中路工程技术研究院有限公司,江苏 南京 210000)

1 引 言

近年来随着我国高速公路建设迅速发展,运营期内高速公路的管理与养护问题越来越严重。如何快速精准地对路面性能进行检测是高速公路管理与养护的基础,其中弯沉值可以反映路面的结构强度,在路面检测中属于重要的检测指标之一。现行弯沉检测设备属于随机抽样测试,不能检测道路全线结构承载性能,并且传统的弯沉检测向路面施加的静荷载或者动荷载与实际的行车荷载具有较大的差异,不能完全复现行车荷载对路面结构的影响,也就不能完全检测出真实行车荷载下路面的结构承载能力。目前在高速公路的检测工作中,在不对交通情况造成干扰、不破坏路面结构的前提下,为了客观地评估高速公路的建设质量和运营服务水平,需要通过新型、先进的测试技术对路面开展检测[1]。

随着科学技术的飞速发展,道路检测领域的检测技术也在逐步更新换代,检测技术向着智能化、无损化和快速化的方向发展。检测技术的更新换代为检测工作带来了革新发展,主要体现为降低人工参与程度,提高计算机和自动化设备的参与程度。技术的革新一方面提高了检测效率,降低了劳动强度,另一方面也减轻了人为主观因素对检测准确性的影响,提高了精确度,实现了智能测试[2]。

激光式动态弯沉仪一直以来都是路面结构承载性能检测设备研究的热点方向,从上世纪80年代开始,国外就开始研发更新一代的快速弯沉检测设备,具有代表性的有美国联邦高速公路管理局FHWA的RWD设备、丹麦GreenWood公司的TSD设备,此外澳大利亚公路研究所ARRB近年开发了iPAVe数据采集系统。我国自主研发的激光动态弯沉仪,为高速公路路面结构承载性能检测实现快速化、无损化、智能化奠定了基础。

利用激光式高速弯沉测定仪对试验段进行检测,通过对激光动态弯沉数据的分析方法、整体性评价指标、分层评价指标等方面研究分析,建立结构强度快速检测与评价方法,实现路面结构强度的快速自动化检测。

2 激光式高速弯沉检测影响因素研究

激光式高速弯沉测定仪(Testing System of Laser High Speed Deflectometer),是指在正常的行驶状态下,通过事先设置在不同位置处的多普勒激光传感器测量车辆行驶引起路面变形的速度,反演出在动态荷载下路面弯沉盆的一种路面结构承载能力检测设备。

与传统检测设备相比,激光式高速动态弯沉仪检测采用的是非接触检测方式工作,在重载车辆的作用下,可以高速行驶,利用激光传感器测得行驶瞬间路面的弯沉信息,记录的路面弯沉信息与实际行车荷载一致。重载车辆试过路面,引起路面变形,路面结构强度直接影响路面变形速度。设备安装有4～7个多普勒激光传感器,1个设置在弯沉盆外部作为参考值,其余传感器设置在弯沉盆内部,采用角速度传感器测量路面变形速度,根据不同传感器测得的变形速度即可反演得出弯沉值。

在利用高速激光弯沉仪对待定路面进行检测时,复杂的路面环境及设备操作对检测结果的精度有较大影响。为了修正这种检测误差,对此开展了激光式高速弯沉检测影响因素研究。

2.1 检测重复性影响

测量重复性是对高速激光弯沉仪保持测值计量特性变化能力的评定。重复性试验是指针对同一路段反复多次开展弯沉值检测,根据重复测量的结果计算检测路段代表弯沉值的标准差是,应满足要求s≤3(0.01 mm)[4]。

(1)

选取宁阳高速三段试验段进行测试,试验结果如表1所示。

表1 弯沉测量重复性试验段试验结果

由图1、表1可知:在宁扬高速3个试验段上,LDD分别为0.76、0.15、0.56(0.01 mm),均满足规范要求s≤3(0.01 mm)。因此高速激光弯沉仪具有良好的检测重复性,检测结果满足规范要求。

图1 LDD弯沉重复测量试验结果(试验段)

2.2 检测速度对激光动态弯沉检测的影响

在车辆行驶过程中,高速激光弯沉仪作用在路面的车辆载重是动态的,系统采集的是车辆作用于路面的瞬时变形速度。测试速度会从三个方面影响系统的测值。

(1)测试速度影响测量路面的特性。

(2)测试速度影响测试系统。

(3)上述两项都影响[5]。

为了探索测量速度对弯沉测值的影响,因此进行速度影响试验,确定最佳检测速度。

激光高速弯沉仪设计检测速度为40～120 km/h,保证了设备能够在正常行驶状态下完成弯沉检测,减小对交通的影响。格林伍德公司在大量试验数据的基础上[6],得到如下结论:测量速度小于40 km/h时,路面的响应既有弹性形变又有塑性形变,得到的弯沉值不完全是回弹弯沉,使得采集的数据不能真实地反映路面结构强度。测量速度大于80 km/h时,高速激光弯沉仪的测值受路面平整度的影响很大。因此高速激光弯沉仪测量速度应保持在40～80 km/h 范围内,以此来保证数据的准确性。在试验路段选取3 km试验段,在同一路段以50 km/h和80 km/h的速度开展弯沉检测,计算检测路段的弯沉代表值,得到激光高速弯沉仪的速度变异系数,应满足规范要求≤5%。

(2)

式中:Lspd为弯沉速度变异系数;L50为速度为50 km/h时的代表弯沉值;L80为速度为80 km/h时的代表弯沉值。

通过图2、表2分析可知:在宁扬高速3个试验段上,LDD弯沉重复测量试验结果的标准差分别为0.50、0.15、0.56(0.01 mm),均满足规范要求s≤3(0.01 mm)。在进行弯沉测量时,高速激光弯沉仪测量速度应保持在40～80 km/h 范围内,此时检测结果误差在规范允许范围内。

图2 不同行驶速度下的LDD弯沉值(宁扬高速)

表2 弯沉测量速度变异性常规路段试验结果

2.3 温度对激光动态弯沉检测的影响

路面模量在一天之内受到温度影响会不断发生变化,弯沉检测结果也随之发生变化,需要对弯沉检测结果按照温度进行修正,修正后的结果可以反映路面实际结构强度状态。

根据规范要求[7],当沥青面层厚度大于50 mm时,激光动态弯沉应根据沥青面层平均温度进行温度修正,按下列步骤进行。

(1)根据下式计算测定时的沥青面层平均温度。

(3)

式中:t25为根据t0由表3决定的路表下25 mm处的温度,℃;tm为根据t0由下表决定的沥青面层中间深度的温度,℃;te为根据t0由下表决定的沥青面层底面处的温度,℃;t0为测定时路表温度与测定前5 d日平均气温的平均值之和,日平均气温为日最高气温与最低气温的平均值,℃。

表3 沥青面层平均温度确定

(2)当沥青面层平均温度在(20±2)℃时,温度修正系数K=1。当沥青面层平均温度为其他温度时,应根据沥青面层厚度,查阅相关资料可得到不同基层的沥青路面弯沉值的温度修正系数K。

(3)修正后的激光动态弯沉值如下。

l20=lt×K

(4)

式中:K为温度修正系数;l20为修正后的沥青路面回弹弯沉值,0.01 mm。

3 路面结构强度检测评价指标研究

3.1 结构强度整体评价指标

对高速公路沥青路面整体的承载能力进行评估时,可参考《公路技术状况评定标准》(JTG 5210-2018),采用路面结构强度指数(PSSI)进行评价,评价模型[8]如下

(5)

(6)

式中:SSR值为路面结构强度系数,为路面弯沉标准值与路面实测代表弯沉之比;l0为路面弯沉标准值,0.01 mm;l为路面实测代表弯沉,0.01 mm;a0、a1为模型参数,取值15.71和-5.19。

3.2 结构强度分层评价指标

路面结构强度指数(PSSI)是评价路面整体结构强度的指标,反映路面整体承载能力,根据PSSI指标无法深入了解结构强度薄弱的具体层位。因此根据弯沉检测结果计算不同层位的模量,根据各层位模量对各个层位的结构强度进行评估。选择的分层评价指标为土基模量和整体当量回弹模量,选择土基模量评价土基是否稳定,选择整体当量回弹模量则是根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017),在设计加铺层方案时,如需对原路面结构进行结构验算,将原路面结构与土基视为半无限空间体,直接验算整体当量回弹模量。

(1)土基模量反演方法。

路面结构在受到路表荷载作用后,应力会逐渐向下扩散。结构层强度越大,则应力扩散角越大。各个结构层在应力作用下发生变形,进而在路表形成弯沉盆。在应力扩散作用下,不同径向距离处弯沉反映了不同结构层的变形情况。如图3所示,最外侧弯沉dB仅反映了土基的变形[9]。因此,弯沉盆中最外侧弯沉仅受到土基强度的影响,可用于反演土基模量。

图3 荷载应力扩散与路表弯沉盆

根据上述反演原理,建立有限元模型。其中,路面结构中土基模拟模量范围为40～500 MPa。

模拟路面结构和行车荷载,得到土基模量与最外侧弯沉dB的对应关系,如图4所示。

图4 土基模量与弯沉盆参数D120的相关性分析

由图4可知,土基模量与最外侧弯沉dB具有显著相关性,相关系数R2≥0.95,表明了基于最外侧弯沉dB反演土基模量的可靠性。

根据弯沉盆参数D120反演土基模量的计算方法如下

lgE4=-1.126lg(D120)+3.818

(7)

式中:E4为土基模量,MPa;D120为弯沉盆参数。

(2)整体当量回弹模量反演方法。

整体当量回弹模量是指包括土基、基层和面层在内的路面整体结构在垂直荷载作用下,抵抗竖向变形的能力。对沥青路面整体当量回弹模量的反演计算可以参考《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中对路面结构整体当量回弹反演模量进行计算的方法,计算公式[10]为

(8)

式中:Ed为路面结构顶面当量回弹模量;D0为激光高速弯沉中心点弯沉值,0.01 mm。

4 路面结构强度实例分析评价

4.1 路面结构强度指数评价研究

根据激光动态弯沉检测数据,测得平广高速所测路段结构强度状况PSSI总平均值为79.52,第一车道、第二车道均处于较低评分,表明整体路面结构强度较差。如图5所示。

图5 各车道结构强度PSSI值分车道统计

对比平广高速结构强度检测结果与江苏省内其他激光动态弯沉检测的高速的结构强度检测结果, 结果表明平广高速的PSSI值在江苏省内30条高速公路中排第29名,路面结构强度整体处于较差状态,如图6所示。

图6 不同高速PSSI评分平均值对比

4.2 平广高速分层模量反演结果分析

对平广高速土基模量和整体反演模量进行反演,反演结果如图7、图8所示。

图7 平广高速土基模量反演结果

图8 平广高速整体模量反演结果

对平广高速进行土基模量反演,结果表明平广高速土基状况总体较为良好,双向车道土基均处于较高范围内。通过整体模量反演结果,可以看出平广高速整体反演模量偏低。土基模量较为良好,但整体模量偏低,说明路面模量较低,拉低了整体模量的大小。

4.3 结构强度偏低成因

对平广高速结构强度偏低的成因进行分析。路面病害结构内部状态一般较差,对路面结构强度有较大影响,为验证病害对路面结构强度影响的程度,对路面完好处的PSSI值与病害处的PSSI值进行对比分析,如图9所示。

图9 平广高速完好处与病害处PSSI对比

在不考虑病害影响状况下,平广高速结构强度评分PSSI值得到提高,相比病害处结构强度评分PSSI值提高约24.30。平广高速结构强度偏低的主要原因有裂缝病害较多;内部隐性病害较多;材料性能衰减,模量降低。

5 结 语

(1)对激光动态弯沉检测的影响因素进行了分析,包括检测重复性、检测速度、检测温度,结果表明,检测速度为80 km/h时单点测值平均速度影响误差仍满足规范要求,温度对检测结果有一定影响,需要对检测结果进行修正。

(2)建立了路面结构强度的整体与模量评价指标,使用路面结构强度指数(PSSI)评价高速公路沥青路面整体承载能力,使用土基模量反演与结构整体当量回弹模量反演的结果评价不同层位结构强度。

(3)以平广高速为例,对路面结构强度的整体与模量进行评价, 结果表明平广高速路面结构强度指数为中,土基模量反演结果较为良好,但结构整体当量回弹模量反演结果较差。通过分析非病害处与整体的结构强度,平广高速非病害处的结构强度评价为良,结合平广高速土基模量反演结果较好,整体当量回弹模量反演结果较差,结构完整性较差的结论,可以推断平广高速结构强度偏低主要原因是裂缝病害和隐性病害较多、材料性能衰减。