落錘式彎沉儀在道路量測上的應(yīng)用研究.doc

落錘式彎沉儀在道路量測上的應(yīng)用研究 彎沉檢測技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)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(yīng)用最廣，但它存在難以得到一個固定不動的基準(zhǔn)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(yù)載，對應(yīng)力敏感的材料有一定影響。脈沖動力彎沉量測設(shè)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(shè)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(jù)，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(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)用了FWD檢測技術(shù)，為課題的方案設(shè)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(nèi)外技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，探討FWD在道路工程中的應(yīng)用技術(shù)。 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(shè)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(jié)構(gòu)在荷載作用下的力學(xué)性質(zhì)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虼耍瓚韻殖訪嫣匭越釁蘭郟雜檬屎系睦礪勰屠疵枋觥?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(jù)量測結(jié)果繪制路表最大彎沉值與施加荷載的關(guān)系圖，如果彎沉一荷載成線性關(guān)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(yīng)力、應(yīng)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(jié)果，必須通過外推方能獲得適用于重荷載的結(jié)果。由于多數(shù)筑路材料的非線性和對應(yīng)力的敏感性，外推可能導(dǎo)致很大誤差。因此，我們強調(diào)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(jié)構(gòu)性能進行評價。隨著交通荷載的增加，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)破壞與否，最大彎沉值(W1)不斷增加，但當(dāng)路面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)合結(jié)構(gòu)的一個主要病害就是產(chǎn)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(shè)計方案的重要因素。罩面受剪應(yīng)力和彎拉應(yīng)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(jù)。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(wǎng)、土工格網(wǎng)；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(dāng)然有的夾層則兼顧這兩大作用。試驗表明3，當(dāng)罩面層受剪應(yīng)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(jié)構(gòu)、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(cè)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(yīng)力較大，比較平緩則說明罩面層受剪應(yīng)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(jié)構(gòu)整體性能的重要參數(shù)。接、裂縫是水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)力比作傳荷指標(biāo)，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(guān)系： /0=f(W1/W2,l)(1) 式中：/0為應(yīng)力比傳荷能力；W1/W2為接縫傳荷系數(shù)；l為路面結(jié)構(gòu)相對剛度半徑。 有關(guān)接縫傳荷能力的詳細(xì)評價，可參閱文獻4。 4路面結(jié)構(gòu)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(shè)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-1.42ln(2) lnKi=1.50-2.27lnH-1.72ln(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；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(yīng)模量，105 Pa。 利用式(2)、(3)可求出地基回彈模量和地基反應(yīng)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(fù)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(chǎn)生過量的彎沉和拉應(yīng)力。在重復(fù)荷載作用下，最終將導(dǎo)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(fù)措施，恢復(fù)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(diào)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(jié)構(gòu)剛度組成評定法，評定板中荷載下地基反應(yīng)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(jù)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(chǔ)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(jù)地基反應(yīng)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(guān)注的一個重要問題，也是一個比較困難的任務(wù)。首先，必須確定破壞準(zhǔn)則。路面工程師們已經(jīng)研究和采用了許多道路破壞準(zhǔn)則，公路瀝青路面的兩大準(zhǔn)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： Nf1.13510-3(ss)-3.291E-0.854ac(4) Nr1.36510-9-4.477zz(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(fù)荷載數(shù)(ESAL)；ss為瀝青混凝土路面底部拉應(yīng)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(fù)荷載數(shù)(ESAL)；zz為土基頂面垂直壓應(yīng)變(10-6)。 為求出ss、zz，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(jié)構(gòu)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ss、zz，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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)。彈性層狀體系程序如對于同一試驗路面，將路面結(jié)構(gòu)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(yīng)根據(jù)反算的模量，選擇適當(dāng)?shù)那髴?yīng)力、應(yīng)變的程序計算出ss、zz，然后將其與現(xiàn)場實測的ss、zz相比較，兩者差別最小時，所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)層劃分是最為合適的。算出的模量最接近實際的。 計算ss、zz時，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)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(zhì)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(rèn)為連續(xù)的結(jié)構(gòu)可看成有限個單元的組合，這些單元由有限個結(jié)點連接起來。有限元還假定，除非特殊單元應(yīng)變允許不連續(xù)外，應(yīng)變是協(xié)調(diào)的。為了分析單元的變形、力和剛度，必須建立1個整個結(jié)構(gòu)的平衡方程矩陣，以求出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變。有限元法也適應(yīng)于非線性材料問題求解。應(yīng)用實例參閱文獻5。 6.3神網(wǎng)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 利用程序計算應(yīng)力、應(yīng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)圖，該網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)建模包括網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的前向計算和誤差的反向傳播兩個階段。 6.3.1網(wǎng)絡(luò)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(quán)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(quán)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(wǎng)絡(luò)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(diào)整權(quán)值。 對于輸出層與隱層之間的權(quán)值Wkj有： Wkj(k+1)=Wkj(k)+kOj+Wkj(k)-Wkj(k-1)(10) k=f(netjk)(Oi-yk) 對于隱層與輸入層之間的權(quán)值Wji，有： Wji(k+1)=Wji(k)+jxi+Wji(k)-Wji(k-1)(11) k=f(netji)kWkj 對于輸入層與輸出層之間的直接連接權(quán)值Wki，有： Wki(k+1)=Wki(k)+kyk+Wki(k)-Wki(k-1)(12) k=f(netjk)(Oi-yk) 式(10)、(11)、(12)中，k為迭代次數(shù)，為學(xué)習(xí)效率，為慣性系數(shù)。 網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本是已知的輸入和輸出值。訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的輸入量有路面厚度、彎沉盆、施加荷載、當(dāng)量壓強、路表溫度，輸出量是應(yīng)變值。這些應(yīng)變值是對應(yīng)于可能組成的路面結(jié)構(gòu)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)輸出的應(yīng)變值直接來預(yù)估路面壽命。限于篇幅，本方法的應(yīng)用實例將另文論述。 7路基路面工程質(zhì)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(chǔ)設(shè)施中，應(yīng)用快速、準(zhǔn)確、無破損檢測技術(shù)進行施工質(zhì)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(zhì)量隱患，從而有效地控制工程質(zhì)量，從根本上防止路面過早破壞。圖2為鄭州工業(yè)大學(xué)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： 下層石灰土壓實度，原材料質(zhì)量，配比等方面存在問題； 兩層石灰土中間存在明顯的分層； 上層石灰土質(zhì)量較好。 8結(jié)語 本文對FWD在公路工程中的應(yīng)用技術(shù)進行了初步研究。FWD可應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)工作特性，路面受力狀況，接、裂縫傳荷能力，路面結(jié)構(gòu)剛度組成，水泥混凝土路面板底脫空狀況，路面壽命的預(yù)估及路基工程質(zhì)量等7個方面的評價。實踐結(jié)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(yīng)用。FWD的應(yīng)用技術(shù)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。