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(1.湖南省高速公路投資集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410003；2.滬昆高速公路潭市互通工程建設(shè)項(xiàng)目部,湖南 湘潭 411100；3.湖南理大交通科技發(fā)展有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 前言

彎沉是道路檢測(cè)中的重要指標(biāo)之一，其目的在于測(cè)出荷載作用下結(jié)構(gòu)層的垂直位移量，以此反映路面結(jié)構(gòu)層及土基的整體剛度。對(duì)瀝青路面而言，各結(jié)構(gòu)層的施工質(zhì)量好壞是保證其路面性能的基礎(chǔ)。但路面施工的各個(gè)環(huán)節(jié)都不可避免地存在變異性，從而導(dǎo)致瀝青路面質(zhì)量和性能的變異，若不加以控制干預(yù)，則易引起質(zhì)量隱患。因此，對(duì)在建高速公路路面進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)收是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前通用指標(biāo)是檢測(cè)彎沉。

靜載貝克曼梁法(BB)和動(dòng)載落錘式彎沉儀(FWD)是現(xiàn)行兩種主要的路面彎沉檢測(cè)方法。相較于貝克曼梁，F(xiàn)WD能較好模擬出行車荷載，且測(cè)速快、精度高、穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于我國(guó)高等級(jí)公路路面檢測(cè)[1]。FWD是通過(guò)分析路面施工中的變異性系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)施工質(zhì)量，并依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)不良的施工路段提出建議，再對(duì)處理后的路段再次評(píng)價(jià)，從而達(dá)到指導(dǎo)施工、提升質(zhì)量的目的。

1 FWD與BB在彎沉檢測(cè)中的關(guān)聯(lián)性分析

FWD是將一定質(zhì)量的落錘從一定高度自由落下，導(dǎo)致路面表面產(chǎn)生瞬時(shí)變形，分布于距測(cè)點(diǎn)不同距離的傳感器檢測(cè)到結(jié)構(gòu)層表面的變形，通過(guò)記錄系統(tǒng)將信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，即測(cè)定在動(dòng)態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)彎沉及彎沉盆，路面結(jié)構(gòu)不同，彎沉值及彎沉盆的半徑亦不同[2]。測(cè)試數(shù)據(jù)可用于反算路面結(jié)構(gòu)層模量，從而比較科學(xué)地評(píng)價(jià)路面的承載能力。雖然我國(guó)的相關(guān)規(guī)范[3,4]已經(jīng)將落錘式彎沉儀作為彎沉的檢測(cè)設(shè)備，但最終測(cè)評(píng)時(shí)均轉(zhuǎn)換為BB所測(cè)試的靜態(tài)彎沉指標(biāo)。

BB是利用杠桿原理制成的杠桿式彎沉儀，其利用載重汽車對(duì)路面加載，通過(guò)百分表觀測(cè)路面彎沉，分為5.4 m和3.6 m兩種規(guī)格，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)檢測(cè)人員需按路基、路面的不同類型合理選擇彎沉儀。但由于其測(cè)試精度較低，且受人為因素影響較大，其使用面已逐漸縮小。

相反，F(xiàn)WD應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)明顯：能較好地模擬道路使用時(shí)的動(dòng)態(tài)荷載，較準(zhǔn)確地測(cè)出彎沉值，還能測(cè)出彎沉盆形狀，為路面各結(jié)構(gòu)層的研究提供依據(jù)；FWD檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)交通封閉的時(shí)間和區(qū)域也相對(duì)較小，可有效減小檢測(cè)過(guò)程中對(duì)交通的阻礙；此外，傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)直接經(jīng)由電腦處理計(jì)算，使用時(shí)速度更快，精度更高，減少了人為的干擾[5]。在具體的工程應(yīng)用中兩者的對(duì)比也是十分明顯的，使用貝克曼梁測(cè)試耗時(shí)耗力且結(jié)果有時(shí)波動(dòng)較大，而落錘式彎沉儀使用簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確。

FWD應(yīng)用于路面施工質(zhì)量控制中，先進(jìn)行BB與FWD的對(duì)比試驗(yàn)研究其相關(guān)性，合格后才能用FWD檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)路面情況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

本文以某高速公路K11+870～K12+870路段為測(cè)試路段進(jìn)行試驗(yàn)。該路段水穩(wěn)底基層設(shè)計(jì)彎沉為92.9(0.01 mm)、水穩(wěn)上基層為24.2(0.01 mm)。試驗(yàn)對(duì)比方案為：先用FWD測(cè)試每個(gè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)彎沉值，并記錄彎沉盆數(shù)據(jù)；再用貝克曼梁在相應(yīng)測(cè)點(diǎn)上測(cè)試靜態(tài)彎沉值；最后依據(jù)2組方法測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行相關(guān)性回歸分析。測(cè)試中荷載統(tǒng)一采用50 kN標(biāo)準(zhǔn)荷載，作用3次，另外對(duì)比試驗(yàn)檢測(cè)測(cè)點(diǎn)按照40 m/點(diǎn)進(jìn)行。

動(dòng)態(tài)彎沉檢測(cè)設(shè)備采用JSTRI-2000型落錘式彎沉儀，該檢測(cè)設(shè)備共有9個(gè)傳感器，各傳感器距荷載中心的距離如表1所示；檢測(cè)采用一級(jí)荷載、2次加載，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)荷載為50 kN，與瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范采用的100 kN單軸雙輪組一側(cè)的荷載對(duì)應(yīng)。

表1 JSTRI-2000型FWD傳感器布置傳感器編號(hào)距荷載中心距離/mm傳感器編號(hào)距荷載中心距離/mmD10D6900D2200D71200D3300D81500D4450D92000D5600

進(jìn)行FWD動(dòng)態(tài)彎沉與BB靜態(tài)彎沉的換算方式有線性、二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式等多種方法。其中線性回歸對(duì)比公式更為簡(jiǎn)單明了、計(jì)算簡(jiǎn)便，且兩者差值較小。因此本文依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，剔除其中因隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的異常值，采用相關(guān)分析軟件對(duì)剩余的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到相關(guān)系數(shù)為0.952 3，具體回歸方程及相關(guān)圖1如下所示：

LBB=0.624 5LFWD+1.445 1

(相關(guān)系數(shù)R2=0.9523)

(1)

圖1 FWD與BB相關(guān)關(guān)系圖

由圖1可知，F(xiàn)WD與BB測(cè)試值之間呈較好的線性相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)0.952 3)，因此，在本項(xiàng)工程中可以用FWD所測(cè)的動(dòng)態(tài)彎沉值替代貝克曼梁所測(cè)的靜態(tài)彎沉值對(duì)路面彎沉及模量的大小進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)作為質(zhì)量評(píng)價(jià)的一項(xiàng)指標(biāo)。

2 基于FWD反算模量變異性分析

若對(duì)線路全程進(jìn)行施工控制需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集，而路面施工中長(zhǎng)達(dá)幾公里的施工情況是基本相同的，現(xiàn)僅以試驗(yàn)路段的部分檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析該路段的施工情況，并進(jìn)行變異性計(jì)算，進(jìn)而提出相對(duì)應(yīng)的處治辦法。如表2所示，采集試驗(yàn)段右幅K22+170～K22+370超車道路段的水穩(wěn)定基層FWD檢測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到相應(yīng)的模量，由模量值計(jì)算得出選定標(biāo)段的變異性系數(shù)。變異系數(shù)的計(jì)算公式為：

(2)

式中：Cv為變異性系數(shù)；SD為標(biāo)準(zhǔn)差；MN為平均值。

表2 各測(cè)點(diǎn)彎沉模量值測(cè)點(diǎn)樁號(hào)反算模量值MN/MPa基層模量均值MN/MPaSDCv/%K22+1701432 1K22+2101503 6K22+2501752 41464 8153 610 5K22+2901236 8K22+3301399 4K22+3701464 6

從表2中模量反算數(shù)據(jù)可知，檢測(cè)所得模量均值較低，該車道基層強(qiáng)度不足且基層模量變異系數(shù)較大，說(shuō)明該路基施工存在不足之處，若不加以處治恐將有安全隱患。根據(jù)此次測(cè)量的變異性系數(shù)情況并結(jié)合實(shí)際施工情況分析可能的原因有以下幾點(diǎn)。

造成該段基層反算模量較低的原因有：建筑材料質(zhì)量未達(dá)標(biāo)，造成水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度較低；水泥穩(wěn)定碎石混合料的級(jí)配不良；壓實(shí)設(shè)備選定不當(dāng)或壓實(shí)遍數(shù)不足，造成壓實(shí)度偏低，從而導(dǎo)致模量偏小；受養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)條件的影響，在未足齡期內(nèi)，受到較重交通荷載碾壓。

造成檢測(cè)結(jié)果變異性系數(shù)較大的原因有：檢測(cè)路段內(nèi)使用的填筑材料可能因供應(yīng)地區(qū)的差異造成基層形成特征不同，且選擇的點(diǎn)位數(shù)較少，可能在模量值上存在較大的差別，造成變異性系數(shù)較大；在水泥穩(wěn)定碎石混合料運(yùn)輸過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大程度的離析，易造成混合料的不均勻，在基層強(qiáng)度達(dá)到要求后，使模量值產(chǎn)生了較大的差別，從而引起了較大的變異性系數(shù)；在施工過(guò)程中，未嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)及規(guī)范要求等一系列影響因素，造成了基層施工的不均勻而導(dǎo)致變異性系數(shù)較大。

基于上述原因分析，根據(jù)變異性產(chǎn)生的幾個(gè)可能途徑，建議采取以下相應(yīng)措施來(lái)進(jìn)行質(zhì)量控制：在施工過(guò)程中，對(duì)原材料進(jìn)行定期或不定期檢測(cè)，保證材料的質(zhì)量；采用較為先進(jìn)的施工設(shè)備，不僅能減少工作的繁瑣性，同時(shí)能提高施工精度，便于施工控制；及時(shí)根據(jù)施工狀況調(diào)整施工設(shè)備參數(shù)，保證施工設(shè)備與施工工人的協(xié)調(diào)性；在特殊地質(zhì)路段要確保碾壓質(zhì)量，同時(shí)嚴(yán)格遵守施工規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

對(duì)經(jīng)過(guò)上述控制措施處治后的相關(guān)路段，再次使用FWD進(jìn)行了彎沉檢測(cè)，其中表3中所測(cè)路段為僅改善其所用材料的路段，而表4中所測(cè)路段為按照上述分析進(jìn)行過(guò)材料和施工機(jī)械改善后的施工路段，具體檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析如表3、表4所示。

由表2～表4所列計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，可得測(cè)試路段基層模量在處治前、部分措施處治及所有措施處治后連續(xù)3次所測(cè)的彎沉變化情況，見(jiàn)表5。

由表5及圖2、圖3所示，在對(duì)測(cè)試路段進(jìn)行了部分措施處治和全部措施處治后，該路段基層模量均值依次增大了23.3%、34.4%，變異系數(shù)依次降低了19.0%、78.1%，其路面基層模量有顯著提升，后期的路面施工中出現(xiàn)病害的幾率也會(huì)大大減小，提升了路面施工質(zhì)量。

表3 第2次檢測(cè)彎沉模量數(shù)值測(cè)點(diǎn)樁號(hào)反算模量值MN/MPa基層模量均值MN/MPaSDCv/%K22+3701464 6K22+4101868 3K22+4501832 51806 5154 48 5K22+4901900 7K22+5301880 1K22+5701892 7

表4 第3次彎沉檢測(cè)模量數(shù)值測(cè)點(diǎn)樁號(hào)反算模量值MN/MPa基層模量均值MN/MPaSDCv/%K22+5701892 7K22+6101956 3K22+6501952 61969 046 42 3K22+6902006 8K22+7302041 4K22+7701964 6

表5 測(cè)試路段路面基層模量檢測(cè)變化情況統(tǒng)計(jì)表檢測(cè)次數(shù)基層模量均值MN/MPaSDCv/%第1次1464 8153 610 5第2次1806 5154 48 5第3次1969 046 42 3

圖2 施工控制措施前后模量變化曲線圖

圖3 施工控制措施前后模量變異性系數(shù)變化曲線圖

3 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

對(duì)瀝青路面而言，基層強(qiáng)度和施工變異性系數(shù)

的大小是決定道路早期損害的嚴(yán)重程度及日后使用性能的重要因素，因此在施工期間，有必要對(duì)路面彎沉進(jìn)行檢測(cè)。本文根據(jù)對(duì)某高速公路右幅K22+170～K22+770超車道路段的水穩(wěn)定基層進(jìn)行FWD彎沉盆的數(shù)據(jù)反算并得到的基層模量值及其變異性系數(shù)，建立了與施工影響因素之間的定性關(guān)系。通過(guò)模量均值和變異性系數(shù)相對(duì)于施工要求數(shù)值的大小來(lái)判斷施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的影響因素?；谶@些影響因素并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，找出導(dǎo)致施工出現(xiàn)不足之處的原因，可分為材料和施工機(jī)械兩方面，針對(duì)性地提出處治措施。初次反算的基層模量均值為1464.8 MPa，低于規(guī)范所要求的1500 MPa，經(jīng)處治后，基層模量均值提高到了1969 MPa，強(qiáng)度有了顯著提高。此外變異性系數(shù)也由最初的10.5%降到了2.3%，表明施工質(zhì)量得到了有效控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某一段在建高速公路為研究對(duì)象，采用FWD對(duì)其進(jìn)行路面彎沉檢測(cè)，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，提出了相應(yīng)施工處治措施，并得到了以下結(jié)論：

1) 依據(jù)初次FWD彎沉檢測(cè)結(jié)果，反算模量值為1464.8 MPa，變異性系數(shù)為10.5%，均低于規(guī)范要求；針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，針對(duì)材料性能及施工過(guò)程提出了相應(yīng)的改善措施。

2) 對(duì)該路段依次進(jìn)行材料和施工機(jī)械改善后，再進(jìn)行FWD彎沉檢測(cè)，結(jié)果顯示基層模量均值提升了34.4%，變異性系數(shù)降低了78.1%，路面施工質(zhì)量達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求。

3) 由此次應(yīng)用取得的良好效果可知：快速、精準(zhǔn)的FWD可以適用于路面施工檢測(cè)，加強(qiáng)施工質(zhì)量的控制，并可為類似工程項(xiàng)目提供參考。

[1] 鄭元?jiǎng)?蔡迎春,張亞敏.FWD與BB工作性能對(duì)比及其測(cè)試數(shù)據(jù)相關(guān)性研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2010(6):39-42.

[2] 趙海霞.落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉儀的對(duì)比分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2012(10):79-81.

[3] JTJ E60-2008,公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程[S] .

[4] JTG F801-2004,公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] 徐明云.貝克曼梁與FWD在彎沉測(cè)定中的相關(guān)性研究[A].《建筑科技與管理》組委會(huì).2015年2月建筑科技與管理學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].2015.