用FWD分析路面结构

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1、用FWD分析路面结构西泽辰男* 阿部长门*摘要：在路面结构分析中,准确评价路面结构是重要的,作为非破坏性的路面评价设备有落锤式弯沉仪(FWD)。由FWD测定弯沉值和弯沉盆形状评价路面结构安全性,需先判定FWD测定中的误差,由FWD测定的弯沉值反求各层弹性模量,使之在同一区间内大体相近,不同区间路面使用寿命差异较大。关键词：FWD 弯沉测定 反算 分层弹性模量 变异系数 路面寿命*：石川工业专科学校环境都市工程系教授，工学博士。*：东亚道路工程有限公司技术部工学博士。前 言判断路面结构现在处于什么样的状态，预测今后的变化，在路面管理中是十分重要的。为了预测包含面层的整个铺装层的状态，有必要正确评

2、价现有的路面结构。评价路面结构的安全性有不同的方法，但作为非破坏性评价最现实的方法是测定弯沉。路面弯沉值，反映了路床、基层、面层整体的结构承载性能。FWD(Falling Weight Deflectometer)采用相当于交通荷载作用快速测定弯沉的设备被开发，成为测定路面弯沉的世界标准设备。虽然通常的FWD采用与交通荷载大小相对应的荷载，但也利用荷载水平较低的手持式小型FWD测定弯沉。用FWD评价路面结构的目的是：掌握某一区间内路面结构的整体状况；发现区间内的异常路段；选择破损路段的维修工艺；向设计方反馈现场实绩。第，通过将长区间内的实测弯沉值和设计标准值进行比较，判定区间整体的安全性和路面

3、结构修复的必要性，采用道路网水平作为评价的基础资料。为此需进行基于弯沉偏差的统计分析，还应通过反算方法求分层弹性模量，根据疲劳破坏标准计算路面剩余寿命，可进行未来的路面结构评价。第，确定较该路段平均弯沉异常大的路段，编制出依据弯沉水平制定的维修计划。第，确定路面结构破坏直接的原因，得出采用何种维修规模的分析资料，确认维修后路面结构的恢复程度。第，从路面状况和反算求出各铺装层的弹性模量和路床承载力的关系，验证设计中采用的各种参数的合理性，作为调整路面设计的分析资料。所谓“反算”，就是依据荷载和弯沉值推算路面结构各层的弹性模量。向设计方反馈FWD数据，不仅要作FWD弯沉测定，还要进行路面状况调查，

4、同时应收集路面断面、交通量、路面病害等基础数据。为了确认使用过程中的变化，进行长期观测调查是必要的。为了进行路面结构评价，有必要事先理解FWD测定弯沉值的数理统计性质。本文根据沥青路面和水泥路面的实测数据，介绍由FWD测得的弯沉数据的统计性质。1、沥青路面的结构评价采用沥青路面试验路段的弯沉数据，根据弯沉水平或弹性模量考虑其中可靠度因素，进行路面使用寿命评价的比较分析。这里的分析数据，是依据图-1所示的设计交通量“C级”，设计CBR12%的沥青路面结构得到的。在试验路1,140m路段测得的弯沉纵断面如图-2所示。本路段虽然采用49kN荷载(锤重)进行测定，但因路床和路基结构强度高，因此距荷载点

5、1,500mm、2,000mm位置的弯沉很小，受此影响，荷载点下体现路床和路面结构整体强度评价指标的弯沉值，也较通常沥青路面小得多。沥青面层沥青稳定处理基层级配碎石底基层路 床100100170图-1 沥青试验路路面结构断面图C交通,设计CBR12%(单位：mm)(修正)弯沉值(mm)距离(mm)图-2 试验路面的弯沉纵断图采用这些弯沉数据，使用反算程序(BALM99)求出路面各层的弹性模量，根据反算法求得的每一测点的分层弹性模量如图-3所示。弹性模量(MPa)距离(m)沥青面层沥青稳定处理级配碎石路床 图-3 反算求得各层弹性模量变动图分析各层弹性模量，可见不少路段路床弹性模量高于级配碎石的

6、弹性模量，沥青面层和沥青稳定处理基层的弹性模量和路床、底基层级配碎石弹性模量相比变化较小，因而试验路段结构强度的变化可按路床和底基层考虑。为了研究模量变化的影响，采用以下四种弹性模量，依据沥青混合料底部拉应变得到的疲劳破坏关系式，进行49kN容许轮数的比较分析，四种弹性模量如下：采用全部测点弯沉的平均值反算的平均弹性模量。用弯沉平均值+1.28(为弯沉标准差)的弯沉代表值反算“代表弯沉弹性模量”。用各点弯沉值反算每点的弹性模量平均值，得出“平均弹性模量”。由、得出的平均弹性模量-1.28(为弹性模量标准偏差)得出的“代表弹性模量”，可看出由全部测点弯沉平均值反算的弹性模量和各测点反算得出的弹性

7、模量有何不同，此外从和的结果，可看出偏差的影响。用上述四种方法算出的弹性模量，按多层弹性体系设计程序(GAMES2.3)计算出沥青稳定处理底面拉应变，由该拉应变按路面设计施工指南所述的疲劳破坏关系式，算出49kN容许轮数(译注：即10t轴载的容许累计轴载数)如表-1所列：表-1 4种弹性模量和应变值计算的49kN容许轮数表弹性模量类型弹性模量(MPa)沥青稳定处理底面应变(10-6)容许轮数(106)沥青面层沥青稳定处理底基层+路床平均弯沉弹性模量9,2006,3007,75063.318.8代表弯沉弹性模量6,5004,1505,3251123.82平均弹性模量8,4106,1107,260

8、58.224.8代表弹性模量6,1884,2285,2081143.62从计算结果可知，沥青层平均弯沉弹性模量和的平均弹性模量几乎相同，用该值算出的沥青稳定处理层底面拉应变也大体相同。此外考虑了区间变化因素计算出的代表弯沉弹性模量和的代表弹性模量算出的变形水平也显示了相同的倾向。由此可知，由全部弯沉平均值反算得到的弹性模量平均值及其代表值，与按各测点每个弯沉反算得到的弹性模量的平均值及其代表值间没有看出大的差异。因而作为评价全路段时的弹性模量计算方法，无论采用全部弯沉平均值或每个测点弯沉值均可。但从表-1可知，在各种方法中，容许49kN轮数的计算值采用和的弹性模量的平均值和采用考虑全路段变异因

9、素的代表值时存在大的差异，可见两者49kN容许轮数的比值，采用的平均弯沉弹性模量计算结果是用代表弯沉弹性模量算出的结果5倍以上；用平均弹性模量算出的结果，是用(4)的代表弹性模量算出结果7倍以上。因此若对全路段的变化不作正确的评价，算出的路面使用寿命就出现很大的差误，因而当路段由FWD测定值变化大时，因为采用弹性模量平均值评价偏于很不安全。因此在使用寿命计算中，应充分考虑弹性模量的变化。2、水泥混凝土路面的结构评价 对水泥混凝土路面，探讨新铺路段FWD测定值的变化。新铺路段FWD的变化是以水泥混凝土路面结构的变化和路面类型变化为基础的，本次进行FWD测定的现场，是枥木县黑矶市一般国道4#黑矶绕

10、越干道改建工程，该现场有已使用25年的老水泥混凝土路面，也有道路改建中新铺的路面，对两类路面进行FWD检测，详细资料请参阅参考文献。其中新铺水泥混凝土面板厚30cm，沥青中间层4cm，粒料基层15cm，横缝间距10cm，接缝处设置传力杆。图-4为所测弯沉值变化图，在荷载作用下，D0点弯沉最大，距荷载点越远弯沉值越小，弯沉值在检测路段内变化，其变化在检测路段中一定的长度范围内有一定的规律。弯沉值(mm)测定点图-4 A区间内FWD弯沉变化图 按AASHTO提出的方法，将A路段分为NO.1NO.43(A-1)，NO.44NO.70(A-2),NO.71NO.74(A-3)三个区间，分别将该路段每个

11、区间的总弯沉值、弯沉相近区间的平均弯沉值、标准差 、变异系数等汇列于表-2中。该路段全段D0弯沉平均值为0.101mm，而A-1、A-2、A-3区间分别为0.111mm、0.078mm、0.149mm，可看出其中差异。此外D0变异系数A区间全段为0.249，A-1、A-2、A-3区间则较小，分别为0.159、0.129、0.181。表-2 全路段和弯沉相近路段平均弯沉值、标准偏差、变异系数汇总表D0D20D30D45D60D90D120全 路 段平均(mm)0.1010.0960.0920.0870.0820.0710.062标准偏差(mm)0.0250.0260.0260.0260.0250

12、.0240.022变异系数0.2490.2700.2840.2920.3050.3410.354A-1 区 间平均(mm)0.1110.1060.1020.0970.0920.0800.070标准偏差(mm)0.0180.0180.0180.0180.0180.0170.015变异系数0.1590.1730.1790.1870.1930.2130.221A-2 区 间平均(mm)0.0780.0730.0680.0640.0590.0490.042标准偏差(mm)0.0100.0110.0110.0100.0090.0090.008变异系数0.1290.1480.1560.1520.1540.

13、1790.186A-3 区 间平均(mm)0.1490.1480.1430.1360.1310.1180.103标准偏差(mm)0.0270.0270.0280.0300.0290.0280.026变异系数0.1810.1850.1940.2170.2220.2380.252图-5为各接缝部位的荷载传递率图，由于设置接缝，荷载侧混凝土板的弯沉和非荷载板相比，荷载传递率高时，作用在荷载作用板上的荷载向其他板传递荷载能力强，发生在混凝土中应力较小，从图中可知，若荷载传递率达到7090%的高值，变异系数稳定在8%左右，由于该路段为新铺路面，可认为全部接缝均是完好的，因此可以说正确设置传力杆的接缝荷载

14、传递率平均约90%，变异系数为8%。荷载传递(%)混凝土板编号图-5 各接缝荷载传递率图采用路面弹性模量反算程序(BALM99)进行反算，得到混凝土板、沥青混合料中间层、基层、路床的弹性模量值汇列于表-3。 表-3 全路段和弯沉相近路段平均回弹模量、标准偏差、变异系数汇总表水泥混凝土板沥青层基 层路 床全 区 间平均(mm)5.30E+047.74E+031.11E+034.00E+02标准偏差(mm)9.62E+031.37E+034.11E+021.56E+02变异系数1.82E-011.77E-013.69E-013.89E-01A-1 区 间平均(mm)5.58E+047.02E+03

15、8.82E+023.15E+02标准偏差(mm)1.01E+047.29E+022.08E+028.68E+01变异系数1.81E-011.04E-012.36E-012.75E-01A-2 区 间平均(mm)4.83E+049.20E+031.57E+035.73E+02标准偏差(mm)7.15E+031.03E+032.83E+028.46E+01变异系数1.48E-011.12E-011.80E-011.48E-01A-3 区 间平均(mm)5.38E+046.37E+037.31E+022.26E+02标准偏差(mm)8.48E+033.36E+021.34E+029.37E+01变异

16、系数1.58E-015.27E-021.83E-014.15E-01若从全路段分析，材质均匀的混凝土面板和沥青混合料中间层模量的变异系数较小，基层和路床则相当大，特别是路床模量越小的比例越大。变异系数中沥青中间层最小，路床最大，也就是说如果路床性能相同，则路面整体的变异系数就小。3、结语为了用FWD进行路面结构的评价，考虑测定值的变异性是重要的。这种变化对确定路面使用寿命有很大影响,为了了解变化规律,需要有较多的检测数据.此外新铺路面FWD弯沉值的差异虽较小,但由于交通荷载对路面的影响,弯沉差异会变大,正确把握这种变化是必要的。今后需收集统计至今路面结构分析中所用的FWD数据，建立FWD相关数据库。FWD引入日本已经20余年，至今虽然积累了大量的数据，但这些数据未必得到了有效的应用。单独采用FWD数据，还不能充分掌握路面结构的状态，为了更好地将FWD数据用于路面结构分析，有必要积累路面施工数据、历年的使用效果、气象、交通量等相关资料作成数据库。当然无论如何技术人员对路面结构理解和知识是最重要的。在编写本文时，使用了FWD研究会的成果，谨在此表示谢意。联系方式及参考文献：略。虞文景译自日本铺装40-7(2005)- 7 -