基于无损检测的旧路路面结构模量反算及评价
李夕林
（山东省交通规划设计院，山东 济南 250031）
摘要：论述了基于FWD的路面结构模量反算理论和基于PSPA的地震波模量检测原理，并结合实际道路开展应用试验研究。将FWD反算模量、实测地震波模量与路面损坏状况指数PCI综合分析，对沥青路面旧路结构状况进行评价。
关键词：沥青路面；结构评价；FWD；PSPA；地震波模量
中图分类号：U416.03 文献标识码：A Back calculation and evaluation of old road pavement structural modulus bad on non-destructive
testing
LI Xi-lin
（Shandong Provincial Communications Planning and Design
Institute,Shandong Jinan 250031 China）
ome103Abstract: In this paper,the theory of back-calculation of pavement structural modulus bad on FWD and the principle of detection of ismic wave modulus bad on PSPA were discusd, and the practical road test was carried out.The FWD inver modulus, measured ismic wave modulus and pavement damage index PCI were synthetically analyzed to evaluate the old pavement structure of asphalt pavement.
Key words: asphalt pavement;structural evaluation;FWD; PSPA;ismic wave modulus
引言
旧路结构状况评价是道路改扩建项目的基础也是关键，只有对旧路结构状况作出客观准确的评价，才能制定出合理的养护维修方案。
目前，路面上应用最广泛的非破损类结构检测仪器主要是贝克曼弯沉仪和FWD（Falling Weight Deflect meter，落锤式弯沉仪）。贝克曼弯沉仪一次只能测得一点弯沉，而FWD一次可以测得多点弯沉，即可测得一个以荷载中心点为圆心，一定半径范围内的弯沉盆。理论上，路面弯沉盆的形状与路面的结构组成状况是一一对应的，故据此可以反算出路面各结构层的模量，用于分析各结构层的性能状况，这便是路面结构的逆分析方法—基于FWD实测弯沉盆的路面结构模量反算方法。
20世纪80年代以来，电学、热学和声学中的相关技术被引入到路面结构状况的检测与评估中，国内外相关理论和试验研究也层出不穷。主要包括超声波透射法、超声波回声法和表面波方法等，以及这些方法的结合应用。
1 基于FWD的路面结构模量反算理论FWD是目前国内外应用最广泛的评价路面结构承载能力的无损检测设备，分拖挂落锤式与内载落锤式两种[1]。其基本工作原理是由计算机液压系统落锤，由此产生的脉冲荷载通过一个直径30 cm的承载板传给路面，从而导致路面产生变形[2]。在距离荷载中心点不同距离处放置多个传感器测定该处路面的变形量，数据经计算机系统采集后换算得到各测点的弯沉值。FWD一般设置5～9个传感器，可以检测到荷载中心点以外约2 m范围内的多个弯沉值，所以FWD弯沉盆中蕴含着丰富的路面结构状况信息，它不仅可以反映路面整体结构承载能力，还隐藏着各结构层的强度状况。
目前国内外对FWD实测弯沉盆的应用主要是利用弯沉盆曲线反算路面各结构层模量。作用于路表面的动荷载，向路面结构内扩散，其应力扩散的范围是倒锥形，应力锥与各结构界面都有交点，在此交点以外的路表弯沉值仅受到此交点所在界面以下各结构层模量的影响。因此理论上一个弯沉盆唯一对应于一组路面结构，依据这个原理便可以根据弯沉盆的形状反算各结构层的模量。
近40年模量反算方法层出不穷，主要可概括为
收稿日期： 2019—01—18
作者简介：李夕林（1986—），男，山东诸城人，硕士
研究生，工程师，研究方向为道路与桥梁工程。ethernet
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李夕林：基于无损检测的旧路路面结构模量反复及评价
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3 应用试验
3.1 试验路基本信息
选取道路A 和道路B 进行沥青路面旧路结构状况评价方法的应用试验研究。其中道路A 为一级公路，路面结构为6 cmAC-16C+6 cm 厂拌沥青碎石+30 cm 二灰稳定砂砾+15 cm 石灰土；道路B 为二级公路，路面结构为5 cmAC-16C+5 cmAC-20C +36 cm 二灰碎石+20 cm 石灰土。
在道路A 和道路B 上共选取79个测点，进行点对点的FWD 弯沉检测和PSPA 地震波模量检测。为便于将FWD 反算模量和PSPA 地震波模量与路面损坏状况指数PCI 进行对比分析，将道路A 和道路B 进行分段，并将所有测点检测数据按照路段进行分段统计。其中道路A 包含路段编号1～10的10个路段，道路B 包含路段编号11～15的5个路段。3.2 旧路结构状况评价
基于FWD 实测弯沉盆进行模量反算，第一步需要将原始路面结构信息和现场检测数据进行收集、整理以及预处理，形成程序可识别的标准数据库。数据库的基本信息包括结构层数、面层层数、DEF 测点数、荷载大小及荷载半径等。15个路段基于FWD 实测弯沉盆的各层结构模量反算值、PSPA 地震波模量实测值以及路面损坏状况指数PCI 值汇总见表1。可以看出，PSPA 地震波模量大致是FWD 反算
得到的面层模量的1～1.5倍，二者点对点的对比、FWD 反算面层模量与PCI 的对比（PCI 仅有10个路段数据）及FWD 反算基层模量与PCI 对比见图2。
表1 15个路段检测数据
路段编号FWD 反算模量（MPa）PSPA 模
herb
哈尔滨培训班量（GPa）
culture可数吗PSPA 模量星期一英语
/FWD 面层
模量PCI 值面层基层土基1 1 854 1 43189 3.54 1.37592 2 503 1 22494 3.84 1.13773 2 622 1 672102 3.500.95714 1 794 1 35993 3.25 1.25645 1 622 1 415104 3.48 1.53366 1 874 1 469101 3.45 1.31697 1 728 1 52192 3.38 1.38638 1 512 1 02694 1.87 1.24249 1 682 1 72185 3.40 1.433010 1 833 1 24989 3.16 1.186811 2 318 1 32997 3.78 1.20-12 2 179 1 272103 4.08 1.41-13
1 720 1 318106 1.91 1.11-14 1 78
2 1 21992 3.16 1.21-15
1 691
1 422
96
1.78
1.05
-
回归公式法或图表法、数据库搜索法、数学规划法、各种优化算法和弯沉盆规律法五大类。前四种方法均属于弯沉盆匹配方法，即寻找实际弯沉盆与理论弯沉盆最为接近的一组路面结构模量；而弯沉盆规律法的基本原理则是从弯沉盆受路面结构参数影响的规律出发，通过寻找一些有特殊意义或规律性较强的点来反演路面各层结构模量。弯沉盆规律法反算精度较高，计算效率高，适用于大量模量反算；更重要的一点是它从弯沉盆自身规律出发，具有较明确的物理意义，能够从理论上解释解唯一且收敛的问题。
2 PSPA 检测原理
地震波路面分析技术是20世纪90年代，美国德克萨斯州大学依托战略公路研究计划（Strategic Highway Rearch Program, SHRP）开发出的一套路面无损检测技术[3]。
地震波检测设备的基本原理是通过测量2个及以上检波器之间传播的Rayleigh 波（简称R 波）波速，获得检波器下方路面表层的平均地震波模量[4]。美国德克萨斯州大学开发出了地震波地质分析仪（Seismic Property Analyzer, SPA）和便携式地震波地质分析仪（Portable Seismic Property Analyzer, PSPA）两种设备。研究所采用的测试设备为美国德州大学开发的PSPA，设备结构见图1。PSPA 检测时，发射源在路表面进行竖向激振，同时产生P 波、S 波和R 波。Sebastino 研究发现P 波和S 波的振幅反比于波的传播距离，它们的能量衰减与1/r（r 为传播距离，下同）成正比；而R 波的能量衰减与1/r 1/2 成正比，故R 波的衰减相比P 波和S 波要慢很多[6]。P 波、S 波和R 波的能量分别占激振源总能量的7%、26%和67%[7]，即R 波集中了激振过程中产生的全部能量的2/3，故传播一定距离以后，在表面上只剩下R 波，因此PSPA 的两个检波器主要接收的是R 波。通过测量发射源和接收器之间传播的弹性波中R 波的波速，分析R 波在弹性半空间体介质中的频散特性，再结合路面材料的泊松比即可获得路面沿深度的模量分布以及路面各层结构的厚度，继而得到接收器下方路面表层的平均地震波模量。
（a）
公正该如何是好基本配置图1 PSPA 设备结构
authority[5]
（b） 机身构造
2019年第2期
山东交通科技
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生并向路表蔓延，另外多次罩面、维修后的路表状况已不能代表面层结构的实际结构承载能力。（3）通过FWD 实测弯沉盆反算得到的基层模量与PCI 之间的对应关系不明显，这是由于PCI 仅反映了路面损坏状况，不能反映基层的损坏状况，这一点也进一步证明了模量反算的重要性。
4 结语
（1）采用落锤式弯沉仪FWD 和便携式地震波地质分析仪PSPA 都可对路面进行检测，根据检测后的数据反算面层模量，两者变化趋势一致。（2）通过FWD 实测弯沉盆反算得到的面层模量与PCI 之间大致具有较好的对应关系，但是并非所有测点都具有很好的相关性，这是由于许多损坏是由路面结构内部产生并向路表蔓延，另外多次罩面、维修后的路表状况已不能代表面层结构的实际结构承载能力。（3）通过FWD 实测弯沉盆反算得到的基层模量与PCI 之间并无明显一致性，因为PCI 无法准确反应基层的损坏状况，因此通过反算路面模量能够更好的了解路面内部的损坏状况。
参考文献：
approve名词
1 盛安连.路基路面检测技术［M ］.北京：人民交通出版社，1996.
2 姚祖康.路面管理系统［M ］.北京：人民交通出版社，1993.
3 S.Nazarian,M.R.Baker,K.Crain.Development and Testing of a Seismic Pavement Analyzer[R].Repo
rt SHRP -H -375,Strategic Highway Rearch Program,National Rearch Council,Washington, D.C.,1993.
4 M.R.Baker,K.Crain,S.Nazarian.Determination of Pavement Thickness with a New Ultrasonic Device ［R ］.Rep.1966-1,Center for Highway Materials Rearch,University of Texas at El Paso, 1995.
5 Manuel Celaya,Gary Young,Soheil Nazarian.Portable Seismic Property Analyzer Identification of Asphalt Pavement Layers ［R . FHWA -CFL/TD -09-002,2009.
6 SEBASTIANO FOTI.Multistation Method for Geotechnical Characterization Using Surface Waves ［D ］.Turin:Politecnico di Torino,2000.
7 宋维琪.工程地球物理［M ］.东营：中国石油大学出
版社，2008.
从图2中可以得到结论用于指导旧路评估工作：（1）通过FWD 实测弯沉盆反算得到的面层模量与PSPA 检测的地震波模量变化趋势很一致。这是由于PSPA 检测的即是沥青面层的地震波模量，虽然与FWD 检测原理不同，模量的定义不同，但都可以反映面层不同程度的损坏状况。PSPA 地震波模量
约是FWD 反算得到面层模量的1～1.5倍。（2）通过FWD 实测弯沉盆反算得到的面层模量与PCI 之间的关系可以概括为两点：一是大致具有较好的对应关系，这说明沥青面层表面损坏状况可以大致判断面层结构的损坏程度；二是并非所有测点都具有很好
八年级上册英语期末试卷
的相关性，这是由于许多损坏是由路面结构内部产
图2 FWD 模量反算值、PSPA 地震波模量
实测值与PCI
的对比
