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落锤式弯沉仪模量反算精度影响因素分析与评价
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落锤式弯沉仪模量反算精度影响因素分析与评价
2021年12月21日    阅读量:21161    新闻来源:《公路交通技术》技应用技术版2019年4期  |  投稿

摘 要

为提高落锤式弯沉仪(FWD)的检测精度与模量反算精度,本研究依托G304国道丹东段半刚性基层沥青路面的检测结果,基于FWD检测与模量反算原理,定量地剖析了影响落锤式弯沉仪弯沉检测与模量的反算结果的因素,并采用3种不同方式计算土基回弹模量数,将MODULUS和SIDMOD的土基模量反算结果与便携式落锤弯沉仪器(PFWD)直接测试结果进行对比。研究发现MODULUS反算的模量结果小于SIDMOD,并与PFWD检测的结果更为接近,经过温度、荷载水平等因素校正后,模量反算的精度有所提高。对抬高模量反算的精度和FWD检测的精度有一定的影响,规范FWD的操作过程,引导该法的工程应用沥青网sinoasphalt.com


关键词 落锤式弯沉仪 | 精度校正 | 模量反算


本研究基于FWD的参数及特征,分析了温度和湿度对弯沉检测结果的影响,并研究了各因素对模量反算结果的影响程度,论述了目前国内外的模量反算方法,将SIDMOD和MODULUS的土基模量反算结论与直接测试得出的结论进行对比,评价其检测精度。


落锤式弯沉仪原理与参数


落锤式弯沉仪的工作原理是在对路面施加一定的冲击荷载的作用下,测定路面的弯沉盆值。由于FWD可以很好地模拟出运行车辆的荷载,公认FWD是较好的路面弯沉检测设备,并且其检测速度快,精准度高。较为典型的弯沉响应曲线和FWD落锤式弯沉仪荷载曲线其形状类似于半正弦波曲线,而相对应曲线的振幅就是测试出的变形值和荷载值。因此检测出的变形值是回弹变形值,也就是弯沉值。这一原理同样应用于路面设计研究中采用的变形概念。在本次实验中所使用的FWD型号是Dynat-est8000,具体信息如下,其承载板直径是300mm,荷载承受范围是7~120kN,本次试验总共使用安排了9个传感器来测量路面的变形值,其近似分辨率为1μm,见表1。

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Dynatest8000测出多点弯沉值,其精准度很高,特别是针对于传感器距离加载中心有些距离的地方,而这样测得的弯沉值大约可以占到总弯沉数值的60%~80%,而这样的做法可以更加精准的推算出路基模量。


按照中心点处的弯沉(d1)测出的数据,获得路面结构的强度系数(SSI),将其改为百分制,选用路面的结构强度指数(PSSI)当成评估的标准。路面的结构力能够通过在其施加荷载的情况下路面的表面弯沉数值反映出来。在进行承载力和结构强度检测时,为了能够更准确地评估路面的整体性能,还要在联系弯沉盆面积的前提下考虑多种情况以此来确定中心点处的弯沉值。弯沉盆指标作为一种评估道路路面构造承载力的标准是由美国道路路面协会研究中心建议得出的。在实测弯沉盆曲线中也能够得到许多路面结构的强度信息,可以通过运用这些相关参数来分析模量反推算的影响性因素和评估能力。


温度与湿度对弯沉检测结果的影响


弯沉盆检测在使用的过程中,受到许多影响,其中包括误差和不确定性因素,特别是和测试时环境的因素有关系。实测弯沉值和理论弯沉值之间存在不同的主要影响原因是湿润度和周围环境温度,为此就必须要采取与其相对应的方法来进行改正。


其中影响沥青路面的弯沉的关键原因之一,是环境温度的改变,其构造中的温度也将随着四周环境的温度改变而改变,而使路表表面体系的状态和性质也将随之产生改变。在沥青路面内层构造里,沥青层中的温度也会发生改变,但它是随深度的改变而变化,路表表面的极端温度和多种因素有相关性,其中包括当地的日平均气温、湿度、紫外线辐射等。图1、图2比较了弯沉盆参数在不同温度条件下的变化规律。

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图1为辽宁丹东七月某艳阳天,由图可知在一天内沿深度方向分布的不同时刻的分布曲线,根据室外试验路面层范围内温度的昼夜变化的观测结果得出。温度的变化与气温有一定的滞后,同时带有一定的周期性,表面处和底层处的温差在一天之内经历了由负到正、又由正到负的循环变化。一年四季面层内不由于沥青材料的温度灵敏性,试验时改变路表道面结构强度。沥青混合料的模量、强度在夏季高温时会下降,同时结构弯沉也将增大;反之,所测得的结构弯沉在温度低的冬天时将减小。由图2得出处于在远离荷载作用中心处的弯沉位,受路面温度状况影响其基本上保持在一定范围稳定不变且可以忽略不计,已有的大量理论分析和试验研究均可证明。

路面结构受地下水、雨水和地表积水进入的影响,其中受含水量影响较为严重的是粒料下层原料和土基的回弹模量,当原料中(主要是土基)含水量发生变化时,将致使此原料模量也发生变化进而引起实测路表弯沉值的改变。关于湿度对路基回弹模量的影响,可采用湿度调整系数来反映,为路基处于最佳含水量时回弹模量除以实际使用状态下的回弹模量。


图3反映了不同湿度调整系数对弯沉值的影响,如今执行的路基路面质量的验收准则,根据土质的不同、地区的差异性和材料含水量的不一样而导致回弹模量的变化,修正季节影响系数在1.0~1.3之间。

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荷载水平对模量反算结果的影响


为了研究半刚性基层沥青路面模量的反算不同因素的影响特征,本研究应用FWD检测采集了G304公路丹东试验段数据,研究同一路面结构下不同荷载水平对于反算模量数的影响大小。采用三级不同荷载水平进行加载,分别在K17+100、K17+300、K17+500、K17+700处,将不同荷载水平得到的弯沉盆数值通过SIDMOD反算,得到不同荷载水平情况下的土基模量。


如图4所示,关于加载程度反算模量在同样一试验段的同样一测点不同的改变,其变异的系数及标准差都比较小,并且反推算结果受加载水平的改变影响很小。从不同结构中同一测点三级加载反算沥青混合料模量的结果来看,不同结构反算结果的变异系数均不超过10%。

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层间结合状态对反算模量的影响


以弹簧柔量ALK表示层间连接时的状态,弹簧柔量ALK和摩阻系数之间存在一定的函数关系。研究表明,通过试验测定得到沥青面层与不同基层材料之间的摩阻系数一般在0.4~0.8之间,因此本研究拟定层间接触参数弹簧柔量ALK的取值范围为0.07~0.42。由于沥青面层和半刚性基层层间接触状态会影响结果,结构层模量反算结果的研究是通过确定好的数值基础上研究的。计算的过程中,改变弹簧柔量ALK取值,但不改变弯沉盆值和路面各层厚度,得到反算出的各层模量的变化范围,图5给出了分析检查出的结果。

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土基模量反算方法及其精度评价


当前,国内外关于模量反算的方法大致可划分为数据库搜索法、迭代法、人工神经网络法和遗传算法。本节主要介绍了一些方法包括数据库搜索法、迭代法、和惰性点法。其中最重要的方法是:迭代方法和数据库搜索法,表2所示的代表程序是关于目前对路基、路面的结构层处进行的反推演性分析方法。

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MODULUS程序反推算结果的精度和稳定性是最好的方法之一,它是模量反推算的首要选择程序之一。SIDMOD路面的结构层模量反推算软件,建立了一种新型的方法来反演分析路基路面原料特性,这一方式成立的条件是建立在系统识别原理的基础上,其优势相比于一般迭代法在于成功地避免失误及一些缺点,得到的反演结果稳定。


检测G304丹东段K0+000~K0+250的弯沉值,采用Dynatest8000的落锤式弯沉仪,荷载采用707kPa的单级荷载。路面的变形由9个传感器测定,分辨率为1μm,检测间距为50m,可以看出中心点处弯沉及路面弯沉盆数据的变化情况,检测结果见表3。

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同时采用MODULUS6.0软件和SIDMOD3.0软件进行反算的土基回弹模量。然后,将道路面层与基层铣刨,采用ZFG-3000便携式落锤弯沉仪(PFWD)直接测得土基的回弹模量。最终将三组土基回弹模量结果做对比,详见表4。


据表4可知:MODULUS反算的模量结果小于SID-MOD,并与PFWD检测的结果更为接近,经过温度、荷载水平等因素校正后,模量反算的精度有所提高。

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结论

(1)引发弯沉盆变化的主要影响原因是气候的湿度参数和温度参数的变化。在实践中检测时要进行湿度和温度的修正运算,从而调整实际测得的弯沉值和理论弯沉值之间差别是十分必要的。检测时FWD中施加荷载的水平也会影响半刚性基层沥青路面的反推算结果,但该影响不显著。


(2)理论上的沥青路面层间接触状态与实际层间接触状态不同,但二者之间的差异大于接触状态为完全连续光滑时所引起的弯沉检测结果偏差,因此层间接触条件对实测弯沉差异的影响近似于不计。


(3)经过校正后,模量反算的精度有所提高,因此在检测前对FWD进行校正十分必要。在对半刚性基层沥青路面检测的应用中,FWD对其检测产生了巨大的社会效益和经济效益,利用FWD的实测弯沉盆参数对其进行结构性能评价,为路面的建设和养护提供了科学可靠的根据。

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标签:道路建设施工案例技术中心沥青混凝土
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