沥青路面-道路工程-裂缝-弯沉-弯沉值-落锤式弯沉仪-FWD

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基于等距测定的弯沉对沥青路面裂缝影响范围的研究

摘要

为了明确沥青路面裂缝的影响范围，采用落锤式弯沉仪(FWD)，对路面结构损坏状况和强度状况进行详细评估，并提出了一种半刚性基层沥青路面裂缝损伤状态及影响范围的确定方法，即对裂缝两侧一定范围进行弯沉检测，根据检测点距离裂缝的距离及其弯沉值所绘制的弯沉曲线准确判断裂缝影响范围及其损伤状态。对横向裂缝、单独裂缝等表面裂缝弯沉变化情况以及带不同病害程度下弯沉响应分析，发现裂缝对弯沉的影响范围为距离缝中间±1250px范围，且弯沉值随着荷载变大而变大；裂缝中间处被认为影响更为严重，超出该范围后裂缝对于弯沉的影响数值逐渐降低。对裂缝处的当量回弹模量进行分析，发现裂缝会明显影响沥青路面的当量模量使其处于较高的水平，但不同的裂缝位置所测得的当量回弹模量衰减程度大相径庭，从养护处置角度思考，进行道路改造时不能简单采用当量模量平均值，应该考虑薄弱环节的处理方法。该方法解决了目前沥青路面裂缝影响范围外观观测判定不准的问题，为道路路面养护维修决策制订提供准确、有效、经济的依据。

关键词

道路工程 | 弯沉值 | 无损检测 | 等距测定 | 裂缝

沥青路面在其服役过程中，会由于设计、建设、荷载耦合、温度等方面的因素，产生不同类型和程度的病害，如纵向裂缝、横向裂缝、车辙、拥包等[1]。这就需要对路面整体状况(路面损坏状况和强度状况)进行评估。对于表面层的病害，往往采用传统外观观测进行确定，其方法包括多功能道路检测车、人工现场观测等。而对于沥青路面内部的强度衰减情况，公路行业一般通过落锤式弯沉仪(FWD)获得路面施加动荷载下实测弯沉盆，结合路面各结构层的材料性能、厚度、模量范围等数值进行各结构层的模量反演，以实现对路面各结构层强度及路面整体承载能力的评估[2-3]。比如有些研究人员利用ANSYS，构建了动态弯沉值图谱，通过对各种影响因素的敏感性权重进行分析，明确了FWD动荷载下路面力学性能变化情况，提出了弯沉值与结构层强度的回归方程[4];有些则利用静力学模型，回归分析结构层模量与各个层位的应力应变关系，总体而言，目前只利用了FWD检测信息中的一小部分，有更多的数值分析有待于进一步发展[7-9]。

综上可知，目前有关FWD测定弯沉盆的研究主要集中在反演路面结构模量，从而评价路面结构性能，但对于在病害路段的测定位置并没有达成一致看法，并且我国现行养护规范中，也未对病害路段弯沉检测位置进行明确约定，仅要求间隔一定距离进行弯沉检测，常常出现路面裂缝病害严重，但弯沉评定指标优良的情况，因此无法准确评价路面结构病害实际情况。关于裂缝周围测定距离的研究鲜有报道，其评价体系也尚不明确，需进一步深入探讨研究。

表面裂缝弯沉变化

利用FWD弯沉检测方法在表面裂缝处及距裂缝不同位置处进行弯沉测试，以便掌握不同类型裂缝对弯沉指标的影响。测试位置如图1所示，分别在裂缝顶面、距裂缝两侧各15，50，100，3750px处和5000px处进行无损弯沉检测。

得到各检测点的弯沉值，结果如图2～图7所示

(1)单独裂缝处弯沉响应

裂缝主要在路面横缝处，从路面铣刨情况看，造成横缝的主要原因是半刚性基层开裂导致的反射裂缝。从图中可以看出，在裂缝点4#的弯沉大，横缝对弯沉的影响范围为距离缝中间±1250px范围。

(2)带支缝裂缝和横向裂缝弯沉响应

带支缝裂缝处，由于横缝处产生了网裂，此裂缝影响范围在±1875px内。

对于横向裂缝，测得的完成基本情况与单独裂缝情况类似，但在测点4#处的弯沉比单独裂缝相同测点的弯沉值大，因此认定此时的半刚性基层开裂更为严重，同时明确对于横向裂缝而言，其影响范围在±1250px内。

(3)带不同病害程度下弯沉响应分析

裂缝的损伤程度不能仅靠观察，需要通过仪器检测，不同裂缝损伤程度不同。首先是病害较轻的情况，如图5横向裂缝，在裂缝位置处的弯沉，与未发生开裂位置弯沉基本相同。

损伤程度较大的裂缝，在裂缝处的弯沉与周边区域的弯沉差别较大，弯沉差别达到甚至达到3倍以上，如图6及图7所示。病害较重的横向裂缝弯沉的影响区域大约为1m左右。如图6所示，裂缝中间弯沉大，裂缝左右对称1250px之外弯沉下降趋于稳定，故对裂缝进行处理，需要至少1m宽左右的处理区域。发生了唧浆的裂缝，弯沉明显大于未发生唧浆的裂缝，如图7所示。由此可知，水进入路面结构内部对路面结构承载力的影响是非常明显的，因此应该避免水渗入裂缝中，并尽快排出进入裂缝内的水分。

结构层当量回弹模量

路面结构层的当量回弹模量是旧路加铺设计重要的参数之一，表征路面结构的整体承载能力。裂缝等病害处是路面结构的薄弱环节，如果不进行病害处理就进行加铺补强，应该考虑病害处的实际当量模量，保证设计期内加铺的结构或材料不在病害处发生早期损坏。表1为路表裂缝处当量回弹模量与周边区域未发生裂缝处的当量回弹模量比较。

从表中可知，由于损伤程度的不同，裂缝处的当量回弹模量有的下降比较小，有的则衰减程度很大，因此进行加铺设计不能简单采用当量模量平均值，应该考虑薄弱环节的处理方法。

分别测定路面铣刨前后的不同层位弯沉值，如表2、图8所示，FWD测点分别位于面层、上基层顶面、下基层顶面等不同层位。

从图8中可看出，面层部分路面弯沉不仅数值较小，且变化幅度也小;随着结构层深度变大，弯沉值也变大，并且出现较大的波动。因此在进行道路不同铣刨深度的加铺设计时，应该进行不同层位当量模量的检测。另外，从基层和底基层的当量模量水平看，铣刨面层或上基层后，除了裂缝位置外，半刚性基层沥青路面的当量模量处于较高的水平，适合进行合理的加铺补强设计，避免大的路面结构深层铣刨量和较高代价的结构重建。

结论

针对弯沉测定技术的特点，以FWD作为检测手段，在裂缝处开展基于等距的弯沉值测量对比分析，并绘制弯沉曲线，根据弯沉曲线线形及更大弯沉值综合确定裂缝损伤状态，通过等距方法解决了沥青路面裂缝影响范围外观观测判定不准的问题，主要结论有：

(1)利用不同荷载FWD对表层裂缝及两端的弯沉进行测试发现，裂缝处的弯沉值随荷载变大增加。加载值较大，裂缝较浅时更易在裂缝位置处产生奇角峰值。

(2)外观观测无法确定裂缝的损伤程度，而通过等距弯沉测试发现横向裂缝弯沉的影响区域大约为距离1m左右;裂缝中间处弯沉值更大，并呈现中间向边缘发散下降的趋势，即裂缝左右对称1250px之外弯沉下降趋于稳定，故养护过程中需要在宽度1m覆盖范围内对裂缝进行处理。

(3)存在唧浆的裂缝，其弯沉值明显大于未发生唧浆的，表明水损害对路面路面结构承载力的影响巨大，因此应该避免水渗入裂缝中，并尽快排出进入裂缝内的水分。

(4)通过对上下基层的深层裂缝弯沉测试发现，纵向裂缝处的弯沉值比横向裂缝处的弯沉值大，横向裂缝处的弯沉均大于非裂缝处的弯沉。

全文完发布于《公路交通技术》2021年7月

落锤式弯沉仪（FallingWeightDeflectormeter，简称FWD）通过计算机系统控制下的液压系统启动落锤装置，使一定质量的落锤从一定高度自主落下，冲击力作用于承载板上并传递到路面，从而对路面施加脉冲荷载，导致路面表面产生瞬时变形，分布于距测点不同距离的传感器检测结构层表面的变形，记录系统将信号传输至计算机，即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆。测试数据可用于反算路面结构层模量，从而比较科学地评价路面的承载能力。

与传统的贝克曼梁测量弯沉相比，落锤式弯沉具有使用方便、快速、节省人力、模拟实际情况施加动态荷载，适于长距离、连续测定的特点。美国联邦公路局经过分析对比，确认FWD是较好的路面承载能力动载评定设备，并选定 FWD作为实施SHRP计划时路面强度评定的重要设备。液压控制的机械锁定装置。

产品特点

▍易于设置测试参数：可以在测试之前对弯沉落锤次数、提锤高度和冲击荷载进行设定，这是由内置的荷载高度关系而进行转换的

▍显示弯沉曲线和载荷曲线：数据采集软件可以实时显示当前每次落锤的弯沉和荷载曲线；后期可以采用数据处理软件查看有效落锤的荷载和弯沉时程曲线

拖车底盘

▍拖车式落锤弯沉仪的承载拖车采用德国进口底盘，结构坚固稳定

▍采用惯性机械制动系统和橡胶扭杆单独悬挂系统，制动灵敏可靠、行驶平稳

▍单轴设计，减小转弯半径，掉头转弯更便捷

▍采用球形挂钩与牵引车相连，简捷可靠

弯沉传感器及测试梁

▍TP-FWD全自动落锤式弯沉仪可为客户提供测试梁多点式（标准9点）和单点式测量选择

▍弯沉传感器采用进口高精度地震检波器(Geophone)，与其它进口弯沉仪一致