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落錘式彎沉儀在道路量測上的應用研究 　　彎沉檢測技術的發(fā)展大致經歷了靜態(tài)彎沉量測、穩(wěn)態(tài)彎沉量測和脈沖動力彎沉量測3個階段。靜態(tài)彎沉量測主要有貝克曼梁式彎沉儀、加利福尼亞移動式彎沉儀及拉克魯易克斯(La Croix)彎沉儀等。其中貝克曼梁式彎沉儀應用最廣，但它存在難以得到一個固定不動的基準點，只能測得單點最大彎沉值，不能模擬汽車荷載實際情況，測速慢、精度低等缺陷。穩(wěn)態(tài)彎沉量測主要有動力彎沉儀，道路分級儀(Road rater)等，它們存在自重靜力預載，對應力敏感的材料有一定影響。脈沖動力彎沉量測設備的典型代表是落錘式彎沉儀(FWD)。從現(xiàn)代發(fā)展趨勢看，F(xiàn)WD是較為理想的彎沉量測設備。其優(yōu)點是：加載系統(tǒng)能較好地模擬行車荷載作用，且可進行多級加載；采用計算機自動采集數(shù)據，速度快、精度高，特別適合于大規(guī)模測試；彎沉盆由一組傳感器測定，這使得無損評價多層路面結構成為可能。我國現(xiàn)已引進10多臺FWD，已利用FWD作了大量的測定和研究［1,2］，推進了我國道路無損檢測技術的發(fā)展。我們在廣佛高速公路和107國道新鄉(xiāng)段舊路改建和罩面課題中，應用了FWD檢測技術，為課題的方案設計、模型建立、理論計算提供了寶貴的現(xiàn)場資料。本文在研究現(xiàn)有國內外技術成果的基礎上，探討FWD在道路工程中的應用技術。 1　路面材料工作特性的評價 　　線彈性的路面體系問題已得到了較完善的解決。但這一理論體系是建立在物體是連續(xù)的、線彈性的、均勻的和各向同性的、變形微小的等假設之上，與路基路面體系的真實狀況尚有一定的甚至很大的差距。在實際工作中，我們發(fā)現(xiàn)在某些狀況下，路面結構在荷載作用下的力學性質可用彈性層狀體系理論來描觶惺痹蠐謎車曰虻芐曰蛘車芐岳礪劾疵枋齜僥蓯視謾Ｒ虼?，协戫嵵吃L嫣匭越釁蘭郟雜檬屎系睦礪勰Ｐ屠疵枋觥? 　　用FWD來分析路面材料工作特性的方法如下：量測時將幾種有代表性的荷載施加于試驗路面的同一位置，據量測結果繪制路表最大彎沉值與施加荷載的關系圖，如果彎沉一荷載成線性關系，表示路面材料工作特性是線彈性的，可用彈性層狀體系理論來描述路面的應力、應變狀態(tài)；否則，材料工作特性表現(xiàn)為非線性性，需要用材料非線性理論來描述路面受力狀態(tài)。 　　在試驗中，代表荷載的選擇以模擬路面行駛的各種車輛荷載為原則，一般可選擇30，40，50，60 kN；對于重交通路面，可增加70 kN、80 kN兩種荷載。由輕荷載所測結果，必須通過外推方能獲得適用于重荷載的結果。由于多數(shù)筑路材料的非線性和對應力的敏感性，外推可能導致很大誤差。因此，我們強調推薦使用接近于行駛車輛的荷載進行路面檢測。 　　FWD提供的彎沉盆可對路面結構性能進行評價。隨著交通荷載的增加，導致路面結構損傷，彎沉盆的特性會出現(xiàn)異常，一般來說，隨交通量增加，F(xiàn)WD讀數(shù)也會增加。不論路面結構破壞與否，最大彎沉值(W1)不斷增加，但當路面結構損傷時，W2、W3…等值有異常情況出現(xiàn)。W2、W3值相對變小，造成這一現(xiàn)象的原因是路表車轍、裂縫破壞了路面結構整體性，減小了荷載的發(fā)散或傳遞能力。這些異?，F(xiàn)象的出現(xiàn)，是路面材料工作特性表現(xiàn)為非線性的開始。 2　路面受力狀況的評估 　　在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土罩面層，不僅簡單方便，而且能有效地改善舊混凝土路面使用性能，延長使用壽命。但這種復合結構的一個主要病害就是產生反射裂縫。為有效防治反射裂縫，瀝青混凝土罩面層受力狀況是選擇設計方案的重要因素。罩面受剪應力和彎拉應力的大小，是選擇鋪筑防治或緩減反射裂縫夾層的重要依據。防反射裂縫夾層按其功能可分為兩類：一類是加強罩面層，如鋼絲網、土工格網；一類是讓罩面層性能不受其下臥層的影響，起一個隔離，消散能量的作用，如SAMI。當然有的夾層則兼顧這兩大作用。試驗表明［3］，當罩面層受剪應力較大時，用SAMI防治反射裂縫作用不明顯，此時宜選用加強罩面層作用的材料。通過FWD，可以評估罩面層受力狀況，步驟如下： 　　1) 修筑試驗路或選擇路面結構、交通量、氣候條件相同或相近的路段，選出一條接縫或裂縫作為評價參考位置； 　　2) 選擇在冬季將承載板放在裂縫一側的不同位置，量測彎沉盆； 　　3) 將幾個位置的彎沉盆繪于同一圖上； 　　4) 分析各位置彎沉盆。如果在裂縫處跳躍很明顯，則說明罩面層中所受剪應力較大，比較平緩則說明罩面層受剪應力較小。 3　接縫、裂縫傳荷能力評定 　　接縫、裂縫傳荷能力是反映剛性路面結構整體性能的重要參數(shù)。接、裂縫是水泥混凝土路面結構的最薄弱環(huán)節(jié)，絕大多數(shù)破壞都發(fā)生在接、裂縫附近。因此，接、裂縫傳荷的評定成為水泥混凝土路面結構狀況評定的重點。利用FWD測得接裂縫兩邊的彎沉盆，容易獲得彎沉比傳荷系數(shù)，該方法測試速度快、精度高。如果以應力比作傳荷指標，則需建立接、裂縫處受力狀況與接、裂縫傳荷系數(shù)之間的關系： σ/σ0=f(W1/W2,l)　　　　　　(1) 式中：σ/σ0為應力比傳荷能力；W1/W2為接縫傳荷系數(shù)；l為路面結構相對剛度半徑。 　　有關接縫傳荷能力的詳細評價，可參閱文獻［4］。 4　路面結構剛度組成評定 　　在水泥混凝土路面的彈性地基板模型中，面板的模量基本穩(wěn)定，地基彈性模量是評剛性路面承載力和進行加鋪層設計的重要參數(shù)。通過有限元理論分析所建立的地基綜合評定模型［2］為： lnEi=5.39-1.27lnH-1.42lnδ　　　　　　　(2) lnKi=1.50-2.27lnH-1.72lnδ　　　　　　　(3) 式中:Ei為板中荷載下地基回彈模量，105 Pa；H為面板厚度，cm；δ為50 kN FWD作用下荷載中心的彎沉，cm；Ki為板中荷載下地基反應模量，105 Pa。 　　利用式(2)、(3)可求出地基回彈模量和地基反應模量，無需破壞路面。 5　水泥混凝土路面板底脫空狀況的評定 　　水泥混凝土路面在車輛荷載的重復作用下，發(fā)生形體變形。這種變形會影響到水泥混凝土路面基層，在同樣的荷載作用下，由于水泥混凝土路面的板角、板邊和板中受力情況不一致，必然引起基層的不均勻變形，致使混凝土板的局部范圍不再與基層保持連續(xù)接觸，即混凝土板下局部出現(xiàn)了脫空，在荷載作用下將產生過量的彎沉和拉應力。在重復荷載作用下，最終將導致混凝土板的斷裂、破碎。對使用中的水泥混凝土路面，以可靠的方法評定板底脫空的位置及范圍，方能采取有效修復措施，恢復路面使用性能。FWD無損檢測法，以其簡便實用，具有現(xiàn)場、快速、無破損等特點，日益受到公路檢測者的重視。具體操作步驟［2］如下： 　　1) 對于待評定的水泥混凝土路面，進行外觀狀況的調查，脫空檢測的重點是縫邊唧泥、角隅斷裂、錯臺處； 　　2) 進行逯蠪WD彎沉檢定，利用結構剛度組成評定法，評定板中荷載下地基反應模量Ki； 　　3) 按照接縫傳荷能力評定辦法，獲取接縫傳荷能力系數(shù)，進行縫邊板角處的FWD彎沉測定，獲取板角彎沉； 　　4) 根據板角彎沉、接縫傳荷能力系數(shù)及面板厚度，查脫空評定諾謨圖可得基礎剛度參數(shù)Ec及接縫的傳力桿系數(shù)，并計算出Ec/Ki，如果小于1，則說明路面板角下存在脫空； 　　5) 根據地基反應模量、接縫傳力桿系數(shù)及Ec/Ki，再查脫空評定諾謨圖可初估路面縫邊板角處地基的脫空尺寸。 6　路面壽命的評定 　　評定路面壽命是道路工程師關注的一個重要問題，也是一個比較困難的任務。首先，必須確定破壞準則。路面工程師們已經研究和采用了許多道路破壞準則，公路瀝青路面的兩大準則便是車轍和疲勞裂縫率。美國地瀝青協(xié)會(AI)建議用車轍和疲勞裂縫模型來確定道路壽命。這兩個模型是： Nf＝1.13510-3(εss)-3.291E-0.854ac　　　　　　(4) Nr＝1.36510-9ε-4.477zz　　　　　　　　　　　　(5) 式中：Nf為全路面20%～25%或輪跡帶上45%裂縫率時的容許重復荷載數(shù)(ESAL)；εss為瀝青混凝土路面底部拉應變(10-6)；Eac為瀝青混凝土面層模量，MPa；Nr為車轍13 mm時的容許重復荷載數(shù)(ESAL)；εzz為土基頂面垂直壓應變(10-6)。 　　為求出εss、εzz，最重要的是確定路面的各層彈性模量，可以通過FWD的彎沉盆曲線反算求得。反算各層結構彈性模量之后，可利用彈性層狀體系理論解或粘彈性理論或彈塑性理論模型求出εss、εzz，從而求出路面壽命。 　　模量反算有彈性理論體系程序，有限元法程序和神經網絡方法。 6.1　層狀體系程序 　　層狀體系程序可以用來反算各層模量，如MOPCOMP3能反算15層以上的路面結構。彈性層狀體系程序如對于同一試驗路面，將路面結構分為不同的層次時，計算出的模量不會完全相同。至于以多少層為適合(最佳)，則應根據反算的模量，選擇適當?shù)那髴Α兊某绦蛴嬎愠靓舠s、εzz，然后將其與現(xiàn)場實測的εss、εzz相比較，兩者差別最小時，所對應的結構層劃分是最為合適的。算出的模量最接近實際的。 　　計算εss、εzz時，根據路面結構層次的特性，用不同的理論進行計算。對于線彈性層狀路面體系，可用BISAR或CIRCLY程序計算；對于粘彈性路面體系，可用VESYS程序計算；假定路面為彈塑性性質時，用ML彈塑性程序計算。 6.2　有限元法反算程序 　　有限元法認為連續(xù)的結構可看成有限個單元的組合，這些單元由有限個結點連接起來。有限元還假定，除非特殊單元應變允許不連續(xù)外，應變是協(xié)調的。為了分析單元的變形、力和剛度，必須建立1個整個結構的平衡方程矩陣，以求出結構的應力和應變。有限元法也適應于非線性材料問題求解。應用實例參閱文獻［5］。 6.3　神網經網絡法 　　利用程序計算應力、應變時，反算的各層模量是非常重要的。為了避免反算模量值的不可靠性，神經網絡方法是一種行之有效的方法。在這種方法中，測量的彎沉盆和各層厚度作為計算應力的輸入向量，這種模型有同時建立函數(shù)形式和模型參數(shù)的能力。圖1是改進后的BP網絡聯(lián)結圖，該網絡的學習建模包括網絡狀態(tài)的前向計算和誤差的反向傳播兩個階段。 6.3.1　網絡狀態(tài)前向計算過程 　　計算netji,netjk,Okj,yk 　　隱層點輸入　　　netji=Wjixi　　　　　　(6) 　　隱層節(jié)點輸出　　Oki=f(netji)　　　　　(7) 　　輸出層節(jié)點輸入　netjk=WkjOkj　　　　　(8) 　　輸出層節(jié)點輸出　yk=f(netjk+Wkixi)　　(9) 　　其中：Wji、Wkj分別為輸入到隱層、隱層到輸出層間的連接權重；f為激活函數(shù)，取為f(x)=1/(1+e-x)；xi、Okj、yk分別為輸入層、隱層和輸出層節(jié)點輸出。netji、netjk分別為隱層、輸出層的輸入；Wki為輸入與輸出層間的直接連接權數(shù)。 6.3.2　誤差的反向傳播過程 　　對于給定的輸入，輸出樣本(x1,x2，…，xm)；(O1，O2，…，Om)網絡按(6)～(9)計算輸出yk=(y1,y2,…,yn)，定義誤差E=((Oi-yk)2)/2，如果誤差E大于給定值，按誤差反向傳播原則調整權值。 　　對于輸出層與隱層之間的權值Wkj有： Wkj(k+1)=Wkj(k)+ηδkOj+α〔Wkj(k)-Wkj(k-1)〕　　　(10) δk=f′(netjk)(Oi-yk)　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　對于隱層與輸入層之間的權值Wji，有： Wji(k+1)=Wji(k)+ηδjxi+α〔Wji(k)-Wji(k-1)〕　　　　(11) δk=f′(netji)δkWkj　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　對于輸入層與輸出層之間的直接連接權值Wki，有： Wki(k+1)=Wki(k)+ηδkyk+α〔Wki(k)-Wki(k-1)〕　　　　(12) δk=f′(netjk)(Oi-yk)　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式(10)、(11)、(12)中，k為迭代次數(shù)，η為學習效率，α為慣性系數(shù)。 　　網絡的學習樣本是已知的輸入和輸出值。訓練網絡的輸入量有路面厚度、彎沉盆、施加荷載、當量壓強、路表溫度，輸出量是應變值。這些應變值是對應于可能組成的路面結構層狀及其典型的模量值，通過BISAR或CIRCLY線彈性、ML(Mechano-Lattic)彈塑性、VESYS粘彈性等模型程序計算得到，或為實驗測量值。利用神經網絡模型的優(yōu)勢在于它避免了求反算路面各層模量這一難點。這樣，網絡輸出的應變值直接來預估路面壽命。限于篇幅，本方法的應用實例將另文論述。 7　路基路面工程質量評價 　　在修筑高等級公路、城市道路及機場等重大交通基礎設施中，應用快速、準確、無破損檢測技術進行施工質量實時控制，具有重要的意義。在施工過程中通過FWD檢測和分析評價，能夠及時發(fā)現(xiàn)質量隱患，從而有效地控制工程質量，從根本上防止路面過早破壞。圖2為鄭州工業(yè)大學在安(陽)—新(鄉(xiāng))高速公路上檢測和分析的一個例子。 　　從圖2可以看出：① 下層石灰土壓實度，原材料質量，配比等方面存在問題；② 兩層石灰土中間存在明顯的分層；③ 上層石灰土質量較好。 8　結　語 　　本文對FWD在公路工程中的應用技術進行了初步研究。FWD可應用于路面結構工作特性，路面受力狀況，接、裂縫傳荷能力，路面結構剛度組成，水泥混凝土路面板底脫空狀況，路面壽命的預估及路基工程質量等7個方面的評價。實踐結果表明，F(xiàn)WD與其它量測儀器相比，具有快速、精度高、無破損、功能多等特點，可在現(xiàn)場應用。FWD的應用技術研究對于發(fā)揮FWD的潛能，促進我國道路無損檢測工作具有重大意義。