基于激光式高速彎沉測定儀的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度快速檢測評價

孫海艷,臧國帥,王兆鑫,朱 奇

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局,江蘇 南京 210000;2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司,江蘇 南京 210000)

1 引 言

近年來隨著我國高速公路建設(shè)迅速發(fā)展,運(yùn)營期內(nèi)高速公路的管理與養(yǎng)護(hù)問題越來越嚴(yán)重。如何快速精準(zhǔn)地對路面性能進(jìn)行檢測是高速公路管理與養(yǎng)護(hù)的基礎(chǔ),其中彎沉值可以反映路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,在路面檢測中屬于重要的檢測指標(biāo)之一。現(xiàn)行彎沉檢測設(shè)備屬于隨機(jī)抽樣測試,不能檢測道路全線結(jié)構(gòu)承載性能,并且傳統(tǒng)的彎沉檢測向路面施加的靜荷載或者動荷載與實(shí)際的行車荷載具有較大的差異,不能完全復(fù)現(xiàn)行車荷載對路面結(jié)構(gòu)的影響,也就不能完全檢測出真實(shí)行車荷載下路面的結(jié)構(gòu)承載能力。目前在高速公路的檢測工作中,在不對交通情況造成干擾、不破壞路面結(jié)構(gòu)的前提下,為了客觀地評估高速公路的建設(shè)質(zhì)量和運(yùn)營服務(wù)水平,需要通過新型、先進(jìn)的測試技術(shù)對路面開展檢測[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,道路檢測領(lǐng)域的檢測技術(shù)也在逐步更新?lián)Q代,檢測技術(shù)向著智能化、無損化和快速化的方向發(fā)展。檢測技術(shù)的更新?lián)Q代為檢測工作帶來了革新發(fā)展,主要體現(xiàn)為降低人工參與程度,提高計(jì)算機(jī)和自動化設(shè)備的參與程度。技術(shù)的革新一方面提高了檢測效率,降低了勞動強(qiáng)度,另一方面也減輕了人為主觀因素對檢測準(zhǔn)確性的影響,提高了精確度,實(shí)現(xiàn)了智能測試[2]。

激光式動態(tài)彎沉儀一直以來都是路面結(jié)構(gòu)承載性能檢測設(shè)備研究的熱點(diǎn)方向,從上世紀(jì)80年代開始,國外就開始研發(fā)更新一代的快速彎沉檢測設(shè)備,具有代表性的有美國聯(lián)邦高速公路管理局FHWA的RWD設(shè)備、丹麥GreenWood公司的TSD設(shè)備,此外澳大利亞公路研究所ARRB近年開發(fā)了iPAVe數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。我國自主研發(fā)的激光動態(tài)彎沉儀,為高速公路路面結(jié)構(gòu)承載性能檢測實(shí)現(xiàn)快速化、無損化、智能化奠定了基礎(chǔ)。

利用激光式高速彎沉測定儀對試驗(yàn)段進(jìn)行檢測,通過對激光動態(tài)彎沉數(shù)據(jù)的分析方法、整體性評價指標(biāo)、分層評價指標(biāo)等方面研究分析,建立結(jié)構(gòu)強(qiáng)度快速檢測與評價方法,實(shí)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的快速自動化檢測。

2 激光式高速彎沉檢測影響因素研究

激光式高速彎沉測定儀(Testing System of Laser High Speed Deflectometer),是指在正常的行駛狀態(tài)下,通過事先設(shè)置在不同位置處的多普勒激光傳感器測量車輛行駛引起路面變形的速度,反演出在動態(tài)荷載下路面彎沉盆的一種路面結(jié)構(gòu)承載能力檢測設(shè)備。

與傳統(tǒng)檢測設(shè)備相比,激光式高速動態(tài)彎沉儀檢測采用的是非接觸檢測方式工作,在重載車輛的作用下,可以高速行駛,利用激光傳感器測得行駛瞬間路面的彎沉信息,記錄的路面彎沉信息與實(shí)際行車荷載一致。重載車輛試過路面,引起路面變形,路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響路面變形速度。設(shè)備安裝有4～7個多普勒激光傳感器,1個設(shè)置在彎沉盆外部作為參考值,其余傳感器設(shè)置在彎沉盆內(nèi)部,采用角速度傳感器測量路面變形速度,根據(jù)不同傳感器測得的變形速度即可反演得出彎沉值。

在利用高速激光彎沉儀對待定路面進(jìn)行檢測時,復(fù)雜的路面環(huán)境及設(shè)備操作對檢測結(jié)果的精度有較大影響。為了修正這種檢測誤差,對此開展了激光式高速彎沉檢測影響因素研究。

2.1 檢測重復(fù)性影響

測量重復(fù)性是對高速激光彎沉儀保持測值計(jì)量特性變化能力的評定。重復(fù)性試驗(yàn)是指針對同一路段反復(fù)多次開展彎沉值檢測,根據(jù)重復(fù)測量的結(jié)果計(jì)算檢測路段代表彎沉值的標(biāo)準(zhǔn)差是,應(yīng)滿足要求s≤3(0.01 mm)[4]。

(1)

選取寧陽高速三段試驗(yàn)段進(jìn)行測試,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 彎沉測量重復(fù)性試驗(yàn)段試驗(yàn)結(jié)果

由圖1、表1可知:在寧揚(yáng)高速3個試驗(yàn)段上,LDD分別為0.76、0.15、0.56(0.01 mm),均滿足規(guī)范要求s≤3(0.01 mm)。因此高速激光彎沉儀具有良好的檢測重復(fù)性,檢測結(jié)果滿足規(guī)范要求。

圖1 LDD彎沉重復(fù)測量試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)段)

2.2 檢測速度對激光動態(tài)彎沉檢測的影響

在車輛行駛過程中,高速激光彎沉儀作用在路面的車輛載重是動態(tài)的,系統(tǒng)采集的是車輛作用于路面的瞬時變形速度。測試速度會從三個方面影響系統(tǒng)的測值。

(1)測試速度影響測量路面的特性。

(2)測試速度影響測試系統(tǒng)。

(3)上述兩項(xiàng)都影響[5]。

為了探索測量速度對彎沉測值的影響,因此進(jìn)行速度影響試驗(yàn),確定最佳檢測速度。

激光高速彎沉儀設(shè)計(jì)檢測速度為40～120 km/h,保證了設(shè)備能夠在正常行駛狀態(tài)下完成彎沉檢測,減小對交通的影響。格林伍德公司在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上[6],得到如下結(jié)論:測量速度小于40 km/h時,路面的響應(yīng)既有彈性形變又有塑性形變,得到的彎沉值不完全是回彈彎沉,使得采集的數(shù)據(jù)不能真實(shí)地反映路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。測量速度大于80 km/h時,高速激光彎沉儀的測值受路面平整度的影響很大。因此高速激光彎沉儀測量速度應(yīng)保持在40～80 km/h 范圍內(nèi),以此來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在試驗(yàn)路段選取3 km試驗(yàn)段,在同一路段以50 km/h和80 km/h的速度開展彎沉檢測,計(jì)算檢測路段的彎沉代表值,得到激光高速彎沉儀的速度變異系數(shù),應(yīng)滿足規(guī)范要求≤5%。

(2)

式中:Lspd為彎沉速度變異系數(shù);L50為速度為50 km/h時的代表彎沉值;L80為速度為80 km/h時的代表彎沉值。

通過圖2、表2分析可知:在寧揚(yáng)高速3個試驗(yàn)段上,LDD彎沉重復(fù)測量試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.50、0.15、0.56(0.01 mm),均滿足規(guī)范要求s≤3(0.01 mm)。在進(jìn)行彎沉測量時,高速激光彎沉儀測量速度應(yīng)保持在40～80 km/h 范圍內(nèi),此時檢測結(jié)果誤差在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

圖2 不同行駛速度下的LDD彎沉值(寧揚(yáng)高速)

表2 彎沉測量速度變異性常規(guī)路段試驗(yàn)結(jié)果

2.3 溫度對激光動態(tài)彎沉檢測的影響

路面模量在一天之內(nèi)受到溫度影響會不斷發(fā)生變化,彎沉檢測結(jié)果也隨之發(fā)生變化,需要對彎沉檢測結(jié)果按照溫度進(jìn)行修正,修正后的結(jié)果可以反映路面實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀態(tài)。

根據(jù)規(guī)范要求[7],當(dāng)瀝青面層厚度大于50 mm時,激光動態(tài)彎沉應(yīng)根據(jù)瀝青面層平均溫度進(jìn)行溫度修正,按下列步驟進(jìn)行。

(1)根據(jù)下式計(jì)算測定時的瀝青面層平均溫度。

(3)

式中:t25為根據(jù)t0由表3決定的路表下25 mm處的溫度,℃;tm為根據(jù)t0由下表決定的瀝青面層中間深度的溫度,℃;te為根據(jù)t0由下表決定的瀝青面層底面處的溫度,℃;t0為測定時路表溫度與測定前5 d日平均氣溫的平均值之和,日平均氣溫為日最高氣溫與最低氣溫的平均值,℃。

表3 瀝青面層平均溫度確定

(2)當(dāng)瀝青面層平均溫度在(20±2)℃時,溫度修正系數(shù)K=1。當(dāng)瀝青面層平均溫度為其他溫度時,應(yīng)根據(jù)瀝青面層厚度,查閱相關(guān)資料可得到不同基層的瀝青路面彎沉值的溫度修正系數(shù)K。

(3)修正后的激光動態(tài)彎沉值如下。

l20=lt×K

(4)

式中:K為溫度修正系數(shù);l20為修正后的瀝青路面回彈彎沉值,0.01 mm。

3 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測評價指標(biāo)研究

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度整體評價指標(biāo)

對高速公路瀝青路面整體的承載能力進(jìn)行評估時,可參考《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210-2018),采用路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)(PSSI)進(jìn)行評價,評價模型[8]如下

(5)

(6)

式中:SSR值為路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù),為路面彎沉標(biāo)準(zhǔn)值與路面實(shí)測代表彎沉之比;l0為路面彎沉標(biāo)準(zhǔn)值,0.01 mm;l為路面實(shí)測代表彎沉,0.01 mm;a0、a1為模型參數(shù),取值15.71和-5.19。

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分層評價指標(biāo)

路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)(PSSI)是評價路面整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo),反映路面整體承載能力,根據(jù)PSSI指標(biāo)無法深入了解結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱的具體層位。因此根據(jù)彎沉檢測結(jié)果計(jì)算不同層位的模量,根據(jù)各層位模量對各個層位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評估。選擇的分層評價指標(biāo)為土基模量和整體當(dāng)量回彈模量,選擇土基模量評價土基是否穩(wěn)定,選擇整體當(dāng)量回彈模量則是根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017),在設(shè)計(jì)加鋪層方案時,如需對原路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算,將原路面結(jié)構(gòu)與土基視為半無限空間體,直接驗(yàn)算整體當(dāng)量回彈模量。

(1)土基模量反演方法。

路面結(jié)構(gòu)在受到路表荷載作用后,應(yīng)力會逐漸向下擴(kuò)散。結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度越大,則應(yīng)力擴(kuò)散角越大。各個結(jié)構(gòu)層在應(yīng)力作用下發(fā)生變形,進(jìn)而在路表形成彎沉盆。在應(yīng)力擴(kuò)散作用下,不同徑向距離處彎沉反映了不同結(jié)構(gòu)層的變形情況。如圖3所示,最外側(cè)彎沉dB僅反映了土基的變形[9]。因此,彎沉盆中最外側(cè)彎沉僅受到土基強(qiáng)度的影響,可用于反演土基模量。

圖3 荷載應(yīng)力擴(kuò)散與路表彎沉盆

根據(jù)上述反演原理,建立有限元模型。其中,路面結(jié)構(gòu)中土基模擬模量范圍為40～500 MPa。

模擬路面結(jié)構(gòu)和行車荷載,得到土基模量與最外側(cè)彎沉dB的對應(yīng)關(guān)系,如圖4所示。

圖4 土基模量與彎沉盆參數(shù)D120的相關(guān)性分析

由圖4可知,土基模量與最外側(cè)彎沉dB具有顯著相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R2≥0.95,表明了基于最外側(cè)彎沉dB反演土基模量的可靠性。

根據(jù)彎沉盆參數(shù)D120反演土基模量的計(jì)算方法如下

lgE4=-1.126lg(D120)+3.818

(7)

式中:E4為土基模量,MPa;D120為彎沉盆參數(shù)。

(2)整體當(dāng)量回彈模量反演方法。

整體當(dāng)量回彈模量是指包括土基、基層和面層在內(nèi)的路面整體結(jié)構(gòu)在垂直荷載作用下,抵抗豎向變形的能力。對瀝青路面整體當(dāng)量回彈模量的反演計(jì)算可以參考《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)中對路面結(jié)構(gòu)整體當(dāng)量回彈反演模量進(jìn)行計(jì)算的方法,計(jì)算公式[10]為

(8)

式中:Ed為路面結(jié)構(gòu)頂面當(dāng)量回彈模量;D0為激光高速彎沉中心點(diǎn)彎沉值,0.01 mm。

4 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)例分析評價

4.1 路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)評價研究

根據(jù)激光動態(tài)彎沉檢測數(shù)據(jù),測得平廣高速所測路段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀況PSSI總平均值為79.52,第一車道、第二車道均處于較低評分,表明整體路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差。如圖5所示。

圖5 各車道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度PSSI值分車道統(tǒng)計(jì)

對比平廣高速結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測結(jié)果與江蘇省內(nèi)其他激光動態(tài)彎沉檢測的高速的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測結(jié)果, 結(jié)果表明平廣高速的PSSI值在江蘇省內(nèi)30條高速公路中排第29名,路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度整體處于較差狀態(tài),如圖6所示。

圖6 不同高速PSSI評分平均值對比

4.2 平廣高速分層模量反演結(jié)果分析

對平廣高速土基模量和整體反演模量進(jìn)行反演,反演結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 平廣高速土基模量反演結(jié)果

圖8 平廣高速整體模量反演結(jié)果

對平廣高速進(jìn)行土基模量反演,結(jié)果表明平廣高速土基狀況總體較為良好,雙向車道土基均處于較高范圍內(nèi)。通過整體模量反演結(jié)果,可以看出平廣高速整體反演模量偏低。土基模量較為良好,但整體模量偏低,說明路面模量較低,拉低了整體模量的大小。

4.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低成因

對平廣高速結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低的成因進(jìn)行分析。路面病害結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)一般較差,對路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大影響,為驗(yàn)證病害對路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響的程度,對路面完好處的PSSI值與病害處的PSSI值進(jìn)行對比分析,如圖9所示。

圖9 平廣高速完好處與病害處PSSI對比

在不考慮病害影響狀況下,平廣高速結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評分PSSI值得到提高,相比病害處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評分PSSI值提高約24.30。平廣高速結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低的主要原因有裂縫病害較多;內(nèi)部隱性病害較多;材料性能衰減,模量降低。

5 結(jié) 語

(1)對激光動態(tài)彎沉檢測的影響因素進(jìn)行了分析,包括檢測重復(fù)性、檢測速度、檢測溫度,結(jié)果表明,檢測速度為80 km/h時單點(diǎn)測值平均速度影響誤差仍滿足規(guī)范要求,溫度對檢測結(jié)果有一定影響,需要對檢測結(jié)果進(jìn)行修正。

(2)建立了路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的整體與模量評價指標(biāo),使用路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)(PSSI)評價高速公路瀝青路面整體承載能力,使用土基模量反演與結(jié)構(gòu)整體當(dāng)量回彈模量反演的結(jié)果評價不同層位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(3)以平廣高速為例,對路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的整體與模量進(jìn)行評價, 結(jié)果表明平廣高速路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)為中,土基模量反演結(jié)果較為良好,但結(jié)構(gòu)整體當(dāng)量回彈模量反演結(jié)果較差。通過分析非病害處與整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,平廣高速非病害處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評價為良,結(jié)合平廣高速土基模量反演結(jié)果較好,整體當(dāng)量回彈模量反演結(jié)果較差,結(jié)構(gòu)完整性較差的結(jié)論,可以推斷平廣高速結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低主要原因是裂縫病害和隱性病害較多、材料性能衰減。