基于激光式高速彎沉測定儀的路面結構強度快速檢測評價

孫海艷,臧國帥,王兆鑫,朱 奇

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

1 引 言

近年來隨著我國高速公路建設迅速發展,運營期內高速公路的管理與養護問題越來越嚴重。如何快速精準地對路面性能進行檢測是高速公路管理與養護的基礎,其中彎沉值可以反映路面的結構強度,在路面檢測中屬于重要的檢測指標之一?，F行彎沉檢測設備屬于隨機抽樣測試,不能檢測道路全線結構承載性能,并且傳統的彎沉檢測向路面施加的靜荷載或者動荷載與實際的行車荷載具有較大的差異,不能完全復現行車荷載對路面結構的影響,也就不能完全檢測出真實行車荷載下路面的結構承載能力。目前在高速公路的檢測工作中,在不對交通情況造成干擾、不破壞路面結構的前提下,為了客觀地評估高速公路的建設質量和運營服務水平,需要通過新型、先進的測試技術對路面開展檢測[1]。

隨著科學技術的飛速發展,道路檢測領域的檢測技術也在逐步更新換代,檢測技術向著智能化、無損化和快速化的方向發展。檢測技術的更新換代為檢測工作帶來了革新發展,主要體現為降低人工參與程度,提高計算機和自動化設備的參與程度。技術的革新一方面提高了檢測效率,降低了勞動強度,另一方面也減輕了人為主觀因素對檢測準確性的影響,提高了精確度,實現了智能測試[2]。

激光式動態彎沉儀一直以來都是路面結構承載性能檢測設備研究的熱點方向,從上世紀80年代開始,國外就開始研發更新一代的快速彎沉檢測設備,具有代表性的有美國聯邦高速公路管理局FHWA的RWD設備、丹麥GreenWood公司的TSD設備,此外澳大利亞公路研究所ARRB近年開發了iPAVe數據采集系統。我國自主研發的激光動態彎沉儀,為高速公路路面結構承載性能檢測實現快速化、無損化、智能化奠定了基礎。

利用激光式高速彎沉測定儀對試驗段進行檢測,通過對激光動態彎沉數據的分析方法、整體性評價指標、分層評價指標等方面研究分析,建立結構強度快速檢測與評價方法,實現路面結構強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下,通過事先設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,反演出在動態荷載下路面彎沉盆的一種路面結構承載能力檢測設備。

與傳統檢測設備相比,激光式高速動態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際行車荷載一致。重載車輛試過路面,引起路面變形,路面結構強度直接影響路面變形速度。設備安裝有4～7個多普勒激光傳感器,1個設置在彎沉盆外部作為參考值,其余傳感器設置在彎沉盆內部,采用角速度傳感器測量路面變形速度,根據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行檢測時,復雜的路面環境及設備操作對檢測結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 檢測重復性影響

測量重復性是對高速激光彎沉儀保持測值計量特性變化能力的評定。重復性試驗是指針對同一路段反復多次開展彎沉值檢測,根據重復測量的結果計算檢測路段代表彎沉值的標準差是,應滿足要求s≤3(0.01 mm)[4]。

(1)

選取寧陽高速三段試驗段進行測試,試驗結果如表1所示。

表1 彎沉測量重復性試驗段試驗結果

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

圖1 LDD彎沉重復測量試驗結果(試驗段)

2.2 檢測速度對激光動態彎沉檢測的影響

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的,系統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。

(3)上述兩項都影響[5]。

為了探索測量速度對彎沉測值的影響,因此進行速度影響試驗,確定最佳檢測速度。

激光高速彎沉儀設計檢測速度為40～120 km/h,保證了設備能夠在正常行駛狀態下完成彎沉檢測,減小對交通的影響。格林伍德公司在大量試驗數據的基礎上[6],得到如下結論:測量速度小于40 km/h時,路面的響應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,使得采集的數據不能真實地反映路面結構強度。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保持在40～80 km/h 范圍內,以此來保證數據的準確性。在試驗路段選取3 km試驗段,在同一路段以50 km/h和80 km/h的速度開展彎沉檢測,計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,應滿足規范要求≤5%。

(2)

式中:Lspd為彎沉速度變異系數;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:在寧揚高速3個試驗段上,LDD彎沉重復測量試驗結果的標準差分別為0.50、0.15、0.56(0.01 mm),均滿足規范要求s≤3(0.01 mm)。在進行彎沉測量時,高速激光彎沉儀測量速度應保持在40～80 km/h 范圍內,此時檢測結果誤差在規范允許范圍內。

圖2 不同行駛速度下的LDD彎沉值(寧揚高速)

表2 彎沉測量速度變異性常規路段試驗結果

2.3 溫度對激光動態彎沉檢測的影響

路面模量在一天之內受到溫度影響會不斷發生變化,彎沉檢測結果也隨之發生變化,需要對彎沉檢測結果按照溫度進行修正,修正后的結果可以反映路面實際結構強度狀態。

根據規范要求[7],當瀝青面層厚度大于50 mm時,激光動態彎沉應根據瀝青面層平均溫度進行溫度修正,按下列步驟進行。

(1)根據下式計算測定時的瀝青面層平均溫度。

(3)

式中:t25為根據t0由表3決定的路表下25 mm處的溫度,℃;tm為根據t0由下表決定的瀝青面層中間深度的溫度,℃;te為根據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)當瀝青面層平均溫度在(20±2)℃時,溫度修正系數K=1。當瀝青面層平均溫度為其他溫度時,應根據瀝青面層厚度,查閱相關資料可得到不同基層的瀝青路面彎沉值的溫度修正系數K。

(3)修正后的激光動態彎沉值如下。

l20=lt×K

(4)

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

3 路面結構強度檢測評價指標研究

3.1 結構強度整體評價指標

對高速公路瀝青路面整體的承載能力進行評估時,可參考《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210-2018),采用路面結構強度指數(PSSI)進行評價,評價模型[8]如下

(5)

(6)

式中:SSR值為路面結構強度系數,為路面彎沉標準值與路面實測代表彎沉之比;l0為路面彎沉標準值,0.01 mm;l為路面實測代表彎沉,0.01 mm;a0、a1為模型參數,取值15.71和-5.19。

3.2 結構強度分層評價指標

路面結構強度指數(PSSI)是評價路面整體結構強度的指標,反映路面整體承載能力,根據PSSI指標無法深入了解結構強度薄弱的具體層位。因此根據彎沉檢測結果計算不同層位的模量,根據各層位模量對各個層位的結構強度進行評估。選擇的分層評價指標為土基模量和整體當量回彈模量,選擇土基模量評價土基是否穩定,選擇整體當量回彈模量則是根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017),在設計加鋪層方案時,如需對原路面結構進行結構驗算,將原路面結構與土基視為半無限空間體,直接驗算整體當量回彈模量。

(1)土基模量反演方法。

路面結構在受到路表荷載作用后,應力會逐漸向下擴散。結構層強度越大,則應力擴散角越大。各個結構層在應力作用下發生變形,進而在路表形成彎沉盆。在應力擴散作用下,不同徑向距離處彎沉反映了不同結構層的變形情況。如圖3所示,最外側彎沉dB僅反映了土基的變形[9]。因此,彎沉盆中最外側彎沉僅受到土基強度的影響,可用于反演土基模量。

圖3 荷載應力擴散與路表彎沉盆

根據上述反演原理,建立有限元模型。其中,路面結構中土基模擬模量范圍為40～500 MPa。

模擬路面結構和行車荷載,得到土基模量與最外側彎沉dB的對應關系,如圖4所示。

圖4 土基模量與彎沉盆參數D120的相關性分析

由圖4可知,土基模量與最外側彎沉dB具有顯著相關性,相關系數R2≥0.95,表明了基于最外側彎沉dB反演土基模量的可靠性。

根據彎沉盆參數D120反演土基模量的計算方法如下

lgE4=-1.126lg(D120)+3.818

(7)

式中:E4為土基模量,MPa;D120為彎沉盆參數。

(2)整體當量回彈模量反演方法。

整體當量回彈模量是指包括土基、基層和面層在內的路面整體結構在垂直荷載作用下,抵抗豎向變形的能力。對瀝青路面整體當量回彈模量的反演計算可以參考《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)中對路面結構整體當量回彈反演模量進行計算的方法,計算公式[10]為

(8)

式中:Ed為路面結構頂面當量回彈模量;D0為激光高速彎沉中心點彎沉值,0.01 mm。

4 路面結構強度實例分析評價

4.1 路面結構強度指數評價研究

根據激光動態彎沉檢測數據,測得平廣高速所測路段結構強度狀況PSSI總平均值為79.52,第一車道、第二車道均處于較低評分,表明整體路面結構強度較差。如圖5所示。

圖5 各車道結構強度PSSI值分車道統計

對比平廣高速結構強度檢測結果與江蘇省內其他激光動態彎沉檢測的高速的結構強度檢測結果, 結果表明平廣高速的PSSI值在江蘇省內30條高速公路中排第29名,路面結構強度整體處于較差狀態,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果分析

對平廣高速土基模量和整體反演模量進行反演,反演結果如圖7、圖8所示。

圖7 平廣高速土基模量反演結果

圖8 平廣高速整體模量反演結果

對平廣高速進行土基模量反演,結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。通過整體模量反演結果,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 結構強度偏低成因

對平廣高速結構強度偏低的成因進行分析。路面病害結構內部狀態一般較差,對路面結構強度有較大影響,為驗證病害對路面結構強度影響的程度,對路面完好處的PSSI值與病害處的PSSI值進行對比分析,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,平廣高速結構強度評分PSSI值得到提高,相比病害處結構強度評分PSSI值提高約24.30。平廣高速結構強度偏低的主要原因有裂縫病害較多;內部隱性病害較多;材料性能衰減,模量降低。

5 結 語

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

(2)建立了路面結構強度的整體與模量評價指標,使用路面結構強度指數(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構整體當量回彈模量反演的結果評價不同層位結構強度。

(3)以平廣高速為例,對路面結構強度的整體與模量進行評價, 結果表明平廣高速路面結構強度指數為中,土基模量反演結果較為良好,但結構整體當量回彈模量反演結果較差。通過分析非病害處與整體的結構強度,平廣高速非病害處的結構強度評價為良,結合平廣高速土基模量反演結果較好,整體當量回彈模量反演結果較差,結構完整性較差的結論,可以推斷平廣高速結構強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。