陈婷婷，张晓萌，韩文扬

（山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）

引言

利用贝克曼梁法测出的回弹弯沉是静态弯沉，自动弯沉仪检测弯沉时，因为汽车行进速度很慢，所测得的弯沉也接近静态弯沉。为了模拟汽车快速行驶的实际情况，不少国家开发了动态弯沉的检测设备，落锤式弯沉仪（Falling Weight Deflectometer,简称FWD）可模拟行车作用的冲击荷载下的弯沉测量，并利用计算机自动采集数据，速度快，精度高。近年来，采用落锤式弯沉仪测定路面的动态弯沉，并用来反算路面的回弹模量[1-3]，已成为世界各国道路界的热门课题。这种设备特别适用于高等级公路路面和机场的弯沉量测定和承载力评定，落锤式弯沉仪是目前国际上最先进的路面强度无损检测设备之一。

1 落锤弯沉仪的水泥路面无损弯沉检测原理

FWD通过计算机控制下的液压系统提升并下落一重锤，对路面施加脉冲荷载，见图1。荷载的大小通过改变锤重和提升高度可在相当大的范围内调整，并通过刚性圆盘作用到路基上。路面的变形由9个传感器测定。FWD测速快（每测点约40 s），精度高（分辨率为1μm），并较好地模拟了行车荷载的动力作用，目前被认为是较为理想的道路无损检测设备。特别是FWD能够准确测定多点弯沉，从而为道路结构反算分析提供了基础。根据FWD多点弯沉检测结果反算道路结构各层模量见图2。该FWD传感器从加载中心向外的排列见表1。

表1 传感器距离加载中心距离

图1 FWD系统构成

图2 FWD多点弯沉检测结果反算道路结构各层模量

2 水泥道面弯沉检测评定方法

2.1 水泥道面模量演算方法

弯沉检测采用的落锤式弯沉仪—FWD，宜选择间距为0.30 m，距离荷载中心1.50 m范围内各个传感器的弯沉计算弯沉盆面积指数Aw：

式中：Aw—用于道面结构参数反演的弯沉盆面积指数；s—传感器之间的间距，取值0.3 m；d0—荷载中心处弯沉值,m；di—第i个传感器的弯沉值,m。

由弯沉盆面积指数Aw查图3确定道面结构的相对刚度半径1。如果Aw超出图3中的取值范围，可由Aw与1之间的多项式回归公式：

式中：l—道面结构的相对刚度半径，m；Aw—用于道面结构参数反演的弯沉盆面积指数，m；ai—回归系数，取值见表2。

表2 弯沉盆面积指数Aw与相对刚度半径1多项式回归系数

图3 弯沉盆面积指数Aw与道面结构相对刚度半径关系

计算基层顶面的反应模量K。式中的弯沉系数是与道面结构相对刚度半径l有关的单调递减函数，可查《民用机场道面评价管理技术规范》（MHT 5024-2009）。

式中： K—基层顶面的反应模量,MN/m；q—

FWD测试承载板接地应力,MPa；r —FWD测试承载板半径，取值为0.15 m；（l）—荷载中心位置处的弯沉系数,m;按照图4或者公式（4）计算；d0—荷载中心处弯沉值，m。

表3 相对刚度半径l与荷载中心位置处弯沉系数(l)的多项式回归系数

表3 相对刚度半径l与荷载中心位置处弯沉系数(l)的多项式回归系数

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8-0.2 2.0 -8.9 21.8 -31.1 26.1 -12.1 2.5

图4 道面结构相对刚度半径1与荷载中心处弯沉系数关系

按式（5）计算水泥混凝土板的弹性模量Er，如道面结构为水泥混凝土道面上加铺沥青混凝土或者加铺水泥混凝土等复合道面所计算的弹性模量应作为复合道面的综合弹性模量，用于道面结构承载能力的分析与评价[4-5]。

式中：Er—水泥混凝土板的弹性模量，GPa；μ—水泥混凝土材料的泊松比，取值为0.15；K—基层顶面的反应模量，MN/m3；l—道面结构的相对刚度半径，m；h—道面结构的有效厚度,m。

2.2 水泥板角脱空判断方法

脱空判断采用截距法，它是由NCHRP研究中心建立的方法，目前被认为是一种比较理想的脱空检测方法，利用FWD对水泥混凝土路面施加分级荷载，见表4，然后利用荷载板中心的弯沉与相应的分级荷载画出荷载弯沉图，见图5，利用回归分析做出荷载弯沉的线性回归曲线，通过回归直线的截距来判断脱空情况。如果线性回归曲线在弯沉轴的截距大于50 μm则认为板底存在脱空，否则认为板底不存在脱空。

图5 截距法计判定脱空

表4 分级加荷载及数据

3 应用实例

3.1 检测概况

某机场跑道水泥道面进行弯沉检测，检测采用丹麦Carbro公司的落锤式弯沉仪—FWD PRIMAX1500，通过逐级加载，检测道面水泥板块的脱空率及水泥板块的承载能力，为道路改造维护提供基础数据[6]。

3.2 数据采集及分析

3.2.1 水泥路面板模量演算结果

依据现场病害情况选取4块水泥板进行板中测试，病害及选点见图6，演算得到路面板模量，见表5。

图6 病害板及选点

表5 水泥路面板模量演算结果

依据表5，板5～6模量演算结果显示较好，板7～8模量演算结果显示状况较差。

3.2.2 水泥板角脱空判断

脱空判断采用截距法，施加的三级荷载分别为990 kPa、1 273 kPa、1 556 kPa，利用回归分析做出荷载-弯沉的线性回归曲线，通过回归直线的截距来判断脱空情况。水泥板选择4块进行检测，分析结果见表6，可见在板4处出现一处脱空现象。

表6 水泥板脱空检测结果

4 结语

（1）机场道面板板底脱空形成的原因：两层水泥道面板间存在因为降雨等因素存留的水，在飞机起降过程中板体承受较大的压力，同时也使得板间存留的水存在较强动水压力。飞机往复起降使板体间动水反复冲刷水泥板体底部，较强的动水压力破坏了水泥板底胶凝材料与集料间的结合，从而使得水泥板体底部失去强度，集料逐渐被剥离带出，从而形成了一定的脱空。（2） 机场道面板板角断裂成因：因为板体的脱空，使得道面水泥板底部的承载能力显著降低，进而飞机荷载作用下，板体受力不均出现应力集中现象。应力集中往往存在于板底脱空与非脱空位置之间的界面上，因此，脱空板体在飞机荷载作用下产生的板角应力集中造成了板角断裂。