基于FWD的沥青路面弯沉及反算模量的温度修正

基于FWD的沥青路面弯沉及反算模量的温度修正

第27卷　第6期2007年12月

　文章编号:1671-2579(2007)06-0043-04

中　外　公　路　　　　

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基于FWD的沥青路面弯沉及反算模量的温度修正

康海贵1,郑元勋1,蔡迎春1,2,录慧丽1

(1.大连理工大学,辽宁大连　116023;2.郑州大学)

摘　要:利用落锤式弯沉仪(FWD)在中原地区沥青路面的实测弯沉盆,采用系统识别方法对沥青路面结构层模量进行反算,进而分析沥青路面弯沉及反算模量与沥青温度之间的关系,并建立了相应的温度修正公式。

关键词:沥青路面;温度修正;系统识别;弯沉盆;模量反算;FWD

利用落锤式弯沉仪(FWD)已在国内外得到了广泛的应用,种感温性材料,,的差异。因此,他代表温度下的弯沉值,同理,基于路面弯沉数据的路面反算模量也必须修正到标准温度或其他代表温度下的模量值。

目前用于弯沉及其反算模量的温度修正程序或公式,大部分都是建立在有限的数据之上,且这些数据都是由早期的试验设备测得的,如贝克曼梁。所以这些程序和公式并不适用于目前国内外广泛用于道路检测的设备FWD测得的弯沉数据,因此基于FWD的沥青路面弯沉及反算模量的温度修正是亟待研究的课题。美国战略性公路研究计划中的路面长期使用性能计划(SHRP—LTPP)对沥青路面温度与弯沉及模量的关系进行了相关研究,且积累了一定的温度与弯沉数据。国内部分科研院校也进行过该方面的研究,但大部分温度和弯沉数据主要来源于LTTP的数据库DATA2PAVE,其结果具有一定的局限性,并不能真实反映我国实际的路面性能状况。

,。试验路段所处位置具有良好的通风和光照条件,附近没有高大建筑和树木障蔽,全长105m,试验路段具体结构如表1所示。

表1　试验路段沥青路面结构

结构层

面层基层土基

材料类型ACCSBSS

材料名称沥青混凝土水稳基层粉质砂土

厚度/cm7.0018.00

1.1　温度数据观测与沥青层代表温度的确定

路面温度的研究方法大体上有两种:理论法和数理统计法。两种方法各具优缺点,理论方法是根据气象资料和路面材料的热特性参数,应用传热学原理及相关假设和边界条件求得路面温度解析表达式。该方法的缺点是温度场的解析表达式过于复杂,其数值计算过于烦琐,不利于实际工程应用,同时该方法需要大量的气象资料和路面材料热特性参数,这些都是限制其推广的制约因素,但理论方法具有较强的适应性,不受地域限制。统计方法是根据实测的路温,结合气象资料,通过回归分析建立路温推算公式。其特点是计算方法简单,推算精度高,虽其结论具有地域性,但对某个地区来讲,仍不失为一种有效可行的近似方法。本文采用数理统计方法对观测的温度数据进行处理。1.1.1　温度数据的观测

1　数据的来源与测量方法

丰富而精确的数据是进行沥青路面弯沉及反算模

量温度修正关系研究的关键,因此选定河南省郑州地

收稿日期:2007-04-25

为了获得大量的第一手温度数据,在试验路段布置了2个观测点,每个观测点设置了4个电阻式温度传感器(表2)对结构层温度进行每天24h观测。沥青

作者简介:康海贵,男,教授,博士生导师.E-mail:xunxun2083@

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表2　电阻式温度传感器的性能指标

测量范围

/℃

-3070

(JTJ014-86)用下式《公路沥青路面设计规范》

绝缘电阻

/MΩ50

测量精度

/℃0.3

零度电阻电阻温度

/Ω系数(℃/Ω)

46.60

5

路面结构层温度传感器的具体布置情况是:沥青混凝土面层按顶层、中间层和底层各布置1个,基层底部布

置1个(图1,图中Ti代表第i个传感器)。另外专门布置1个温度传感器来观测气温,该温度传感器距地面1.2m,通风良好,上设遮阳板以免其受阳光曝晒。以上温度传感器与数据采集箱相连,以每小时的平均温度自动保存在数据采集箱指定的数据库文件中,可以定期取出用以分析和研究。

另一个温度数据来源是由FWD自身配置的温度传感器测得的,在每次弯沉测量的同时,气温也同时被测得并被存储起来,以备科研使用。

来确定沥青层的平均温度:

TA=(-2.65+0.52h)+(0.62-0.008h)T(2)

);h为沥青层厚度式中:TA为沥青层的平均温度(℃

(cm);T为测定时沥青层的表面温度与前5h平均温

)。度的和(℃

美国战略性公路研究计划中的路面长期使用性能

计划(SHRP—LTPP)中采用沥青面层中间层的温度作为沥青层温度,本文亦采用该温度作为沥青面层温度,该温度也就是图1中T2和T6温度传感器所测温度,应用中可以取两个温度传感器的均值。1.2　弯沉数据

,,因此,对。美(NCHRP)10-27项目对15种常用的路面弯沉检测设备进行了系统分析和综

图1　沥青路面结构层温度传感器布置(单位:cm)

合评价,得出的结论是:动力弯沉检测设备优于静力弯

沉检测设备。其中FWD与其他弯沉检测设备相比又具有测速快、精度高(弯沉分辨率达1μm)、且能较好地模拟实际行车荷载对路面的动力作用等优点,尤其是FWD能够准确测定较完整的弯沉盆信息,为路面结构层模量反算提供了必要的基础。所以本文采用落锤式弯沉仪(FWD)中综合性能比最优的DynatestFWD进行弯沉盆数据采集。

DynatestFWD的系统构成如图2所示,其承载板半径为15cm,根据不同的研究需要配置有不同数量的位移传感器,该试验配置了9个位移传感器。本试验弯沉的测试周期是1年,频率是每月测量1次,1次24h,1h测1次,每次21个测点,每个测点测3次,这样最终得到的弯沉盆数量是18144个。

1.1.2　沥青层温度的确定

沥青路面弯沉及反算模量的温度修正首先要解决以下两个问题:一是鉴于沥青结构层内的温度随深度的变化而变化,那么什么温度才能代表沥青结构层的实际温度?这就牵涉到沥青路面结构层内温度代表值的确定以及推算问题;二是如何把实测沥青温度下弯沉及其反算模量换算为标准温度下的弯沉及反算模量,即弯沉及反算模量的温度修正问题。

对于第一个问题,国内外众多研究表明,以沥青层内的平均温度作为沥青温度比较接近沥青层内温度的实际情况,也就是说沥青温度由下式求得:

(1)TA=(TS+TM+TB)

3

);TS为沥青层的表式中:TA为沥青层的平均温度(℃

);TM为沥青层的中间温度(℃);TB为沥面温度(℃

)。青层的底部温度(℃

从式(1)不难看出TS可在弯沉测量时获得,而TM和TB必须依靠在相应结构层内埋设温度传感器才能得到,本试验鉴于科研目的在试验路段相应结构层埋设了温度传感器,但实际工程中不可能到处埋设传感器,因此必须根据系统的观测数据找出推算TA的方法,以供实际工程应用。

图2　DynatestFWD系统构成

2　模量反算

路面模量反算是一个相当复杂而且困难的问题,

不论是采用线性或非线性亦或考虑静载或动载等力学分析模型,计算路面结构的弯沉、模量反算最终都可以

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归结为非线性最优化问题,也就是如何采用有效的优化算法和数据处理方法寻求最优的路面结构层力学参数集合,使得FWD的实测弯沉盆与力学计算的理论弯沉盆达到最佳的拟合。

目前国内外存在很多模量反算方法,如图表法和回归公式法、迭代法、数据库搜索法、遗传算法和人工神经网络法、同伦方法等,且不同的算法都有相应的软件与之相配置。

各种算法本身都具有一定的优点与局限性,本文应用的模量反算软件是SIDMOD,该软件在系统识别原理的基础上建立了路基路面材料特性反演分析的新型方法,成功地解决了路面结构反演方程的“病态”问题,考评表明,其反算精度及实用性较同类软件具有一定的优越性。

基本步骤为:①利用FWD现场非破坏性试验,;;③建立模型修改算法,逐步调整模型参数,使计算位移与实测位移之间的误差达到最小,其目标函数为:

minJ(E1,E2,…,EN,q,t)=

NS

NT

沉值。如采用自动弯沉仪测定时,应建立与贝克曼梁测定结果的对比关系。同时指出路面强度测定应在不利季节进行,在沥青层厚度大于5cm时要进行温度修正。规范给出的我国关于基于贝克曼梁的沥青路面弯沉修正公式为:

)](TA≥)(4)K=exp[h(-20℃

TA20

)(5)K=exp[0.002h(20-TA)](TA≤20℃

);h为沥青式中:K为弯沉测定值的温度修正系数(℃

),具体求法层厚度(cm);TA为沥青路面平均温度(℃

见式(2)。

文献[9]曾就贝克曼梁和的测定结果之间,:

.(6)BB=8D)

:;DFWD为FWD的该方法的思路是首先将FWD的测量弯沉值通过式(6)转化为相应的DBB弯沉值,然后再通过基于贝克曼梁弯沉仪器建立的温度修正公式进行修正,

虽然该法是可行的,但并不符合实际工程发展的趋势。因此,建立基于FWD的沥青路面弯沉及反算模量的温度修正势在必行。3.1　沥青路面弯沉的温度修正

本文利用第一手实测温度数据和基于FWD的实测弯沉数据,对沥青温度与路面弯沉的相关关系进行了分析,并给出了其修正系数如图3所示。

NT×NS

2

i=1j=1

∑cm

cWi,j

(3)

式中:NT为反演时程点个数;NS为传感器个数;Wci,j为j时刻i传感器的计算弯沉;W为j时刻i传感器的实测弯沉;q为荷载时程;Ei为第i层路面模量;N为层数。

(JTJ进行反算时,依据《公路沥青路面设计规范》

014—97)的相关规定,将路面结构以弹性层状体系来处理,各层厚度见表1,沥青面层的泊松系数取0.25,基层取0.35,土基取0.40。弯沉盆的计算参数依据FWD的设定选取,弯沉值及荷载按FWD以现场实测为准。然后采用SIMDOM反算软件对观测到的18144个弯沉盆进行反算,这样可以获取18144组反

σ原则”算模量。对于得到的反算模量,首先按照“3删除掉一些异常数据后,然后取每个测点3组模量的均

值作为要修正的模量。

mi,j

图3　弯沉与沥青温度的关系曲线

3　温度修正

规范规定,路面强度的调查指标为路面弯沉值。

调查设备可采用贝克曼梁或自动弯沉仪器测量回弹弯

如图3所示,沥青路面弯沉与沥青温度之间存在某种良好的对应关系,利用最小二乘法原理通过回归分析可得D-T之间的相关关系为:

2

D=-0.0133T+1.7001T+71.2950

(N=30,R=0.9694)(7)

式中:N为样本容量;R为相关系数。

式(

7)中的相关系数为0.9694,表明两者之间的相关性良好。定义温度修正系数KD为标准温度TS

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条件下的修正弯沉DS与T温度条件下沥青面层的反算弯沉D之比,这里TS取20℃,即:

2KD==

D-0.0133T2+1.7001T+71.2950

(8)

将TS=20℃代入式(8)得:

KD=

=2D0.0133T-1.7001T-71.2950

式中:K为反算模量温度修正系数;T为测量时温度。

4　结论

依托工程试验,通过对沥青路面弯沉及反算模量

与沥青温度之间关系的研究,建立了中原地区基于FWD的沥青路面弯沉及反算模量的温度修正公式。

取T=-10～40℃按1℃的步长代入上式,进行回归分析,得到路面弯沉修正系数为:

2

(9)KD=0.0001T-0.0033T+1.1060

3.2　沥青路面反算模量的温度修正

基于FWD的沥青路面反算模量的温度修正我国还没有具体的规范,国内在这方面的研究也相当有限,文献[7]、[8]有这方面的相关研究,但所用试验数据来源于美国SHRP-LTTP的数据库DATAE,结果如图4所示

。

该公式不仅可以应用于中原地区类似沥青道路路面弯沉及反算模量的温度修正,而且对其他类型路面也可以起到一定的参考作用。同时该成果对于完善我国公路路面养护评价体系、推动FWD的进一步广泛应用。

,,、不同的道路,所以仅对某一修正研究还不够,该课题更深更广的研究还有待于更多研究者的参与合作。参考文献:

[1]　徐世法.沥青路面温度分布规律的研究[J].北京公路,

1991(5).

[2]　左明文.沥青路面弯沉测定温度修正的研究[J].华东公

路,1996(4).

[3]　查旭东.路面结构层模量反算方法综述[J].交通运输工

程学报,2002(4).

[4]　SivaneswaranN.KramerSL,MabhoneyJP.Advanced

图4　反算模量与沥青温度的曲线关系

BackcalculationUsingaNonlinearLeastSquaresOptimi2zationTechnique[J].TransportationResearchRecord1239,TRB.NationalResearchCouncilWashington,D.C,1991:93～102.

[5]　ScullionT,UzanJ,ParedesM.MODULS:AMicro-Computer-BasedBackcalculationSystem[J].Transpor2tationResearchRecord1260,TRB,NationalResearchCouncil,Washington,D.C,1990:180～181.

[6]　MeierRW,AlexanderDR,ingArtifi2

cialNeuralNetworksasaForwardApproachtoBackcal2culation[J].TransportationResearchRecord1570,TRB,NationalResearchCouncil,Washington.D.C,1997:126

从图4可以看出沥青面层反算模量与路表代表温

度呈较好的指数关系,通过线性回归可以得到E-T的相关关系式为:

(10)E=11035×e-0.0288T

相关系数R=0.9702,从其相关系数可以看出两者具有良好的相关性。沥青路面反算模量和沥青温度的关系式为:E=a×ebT,式中a,b为回归系数。按照惯例定义温度系数K为标准温度20℃条件下的修正模量E20与任意温度T条件下的沥青面层的反算模量E之比,即:

b 20()

(11)K==b T=eb20-T

Eae

由式(10)可知,等式的回归系数b=-0.0288,代入式(11)可得:

b 20()

(12)K==b T=e-0.028820-T

Eae

～133.

[7]　查旭东,王秉纲.基于同伦方法的路面模量反算研究[J].

中国公路学报,2003(1).

[8]　姬亦工,王复明,郭忠印.基于落锤式弯沉仪(FWD)动态

数据的路面模量反演方法[J].土木工程学报,2002(3).

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/huue.html