瀝青路面激光動態彎沉測試試驗研究

武　韜， 付宏淵， 劉建華， 陳智敏， 董方卓

(1.長沙理工大學 土木與建筑學院， 湖南 長沙　410114；　2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙　410114；3.國家林業局 昆明勘察設計院， 云南 昆明　650216)

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瀝青路面激光動態彎沉測試試驗研究

武韜1，3， 付宏淵1， 劉建華2， 陳智敏2， 董方卓2

(1.長沙理工大學 土木與建筑學院， 湖南 長沙410114；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙410114；3.國家林業局 昆明勘察設計院， 云南 昆明650216)

摘要：分析了激光動態彎沉系統測試原理及其動態彎沉計算方法，針對已建成運營多年的高速公路由于施工、地質地形、交通流量、荷載等各種因素對路面彎沉的影響，路面的彎沉分布差異性變大，呈現偏正態分布的特點，基于激光動態彎沉測試技術開展了不同的測試速度與貝克曼梁的彎沉測試對比試驗，試驗結果表明：激光動態彎沉系統在相同的路面結構下采用40 km/h、60 km/h、80 km/h的速度測試與貝克曼梁儀所測試的數據均具有很好的相關性，相關系數分別為0.952、0.954、0.952，測試速度對于激光動態彎沉系統影響不大，其60 km/h測試速度與貝克曼梁儀的匹配性更好，由于采用激光動態彎沉測試方法得到的數據更加全面，其評價結果更加精確，具有一定的理論和工程應用價值。

關鍵詞：道路工程； 瀝青路面； 激光動態彎沉； 對比試驗； 測試原理

我國柔性路面設計是以回彈模量作為設計參數，以彎沉作為力學控制指標。高速公路瀝青路面在車載的作用下會發生變形，變形量稱之為彎沉值，是路面結構強度的直接反映。在大量的交通軸載作用下，反復的較大路表彎沉變形會造成路面結構破壞，甚至可能造成某一結構層的斷裂。彎沉值能表征路面結構承載能力，是路面檢測中一項重要指標[1-3]?，F行的高速公路養護中，在不影響車輛的正常行駛狀況以及不損壞路面結構的前提下，為準確控制和評價高速公路的建設質量及使用服務水平，采用多種高新的測試技術是大勢所趨。此外，對于已建成并運營若干年后的高速公路瀝青路面，其路表彎沉值采集數據的統計分布特性往往不服從正態分布，呈現偏正態分布特性。對與此種分布方式，現有的處理方法有：去除變異值l±(2～3)S后，使用小波去噪，使其消噪后為正態分布，再直接計算代表值；去除變異值l±(2～3)S后，默認其服從正態分布，直接計算代表值。此兩種方法都有不妥之處。其一，對于不屬于正態分布的數據，運用l±(2～3)S法去除變異值是不可取的，由于檢測儀器精確度上的差別，動態彎沉測試中處于l±(2～3)S以外的點很可能是路表彎沉的實際表達，所以不能隨意去除；其二，小波去噪更使測試數據失真。

隨著科學技術的發展，新技術的使用，檢測手段不斷智能化，無損化，高效率化，新的測試方法帶來新的技術革命，主要是以計算機和各種機械電子設備代替人工測試，提高效率的同時也彌補了人為因素對檢測結果的影響，減輕了勞動強度，提高了精確度，實現了智能測試[4-6]。新的高新技術的使用與傳統的測試方法有不同之處，在檢測和評價過程中必定產生差異。評定規范和評定準則存在滯后性，隨著新技術的應用，需要找出原有評價方法的不足并加以完善，以滿足新技術的需要。國內傳統的強度評價只是采用了基于靜態荷載作用下的評價指標，落錘式彎沉儀(FWD)在工程中的應用，動態彎沉參數的評價及彎沉盆的分析應得到更大的重視，對應的評價指標也需完善[7，8]。

彎沉測試中利用貝克曼梁儀采集得到的彎沉數據是卸載后的回彈彎沉。激光動態彎沉系統與落錘式彎沉儀(FWD)所采集的均為最大彎沉值，即標準荷載下彎沉測點在垂直方向所發生的總變形，與貝克曼梁所測彎沉有所區別?？偟膩碚f，這個總變形包含兩部分，一部分是指彎沉測點在荷載作用下發生的塑性變形，即不可恢復的變形；另一部分為卸載后可恢復的部分，用回彈彎沉表征。而現階段我國各類設計、檢測養護規程中都是以回彈彎沉值當作評估標準。在這基礎之上，應建立總彎沉與回彈彎沉的相關關系式，檢驗是否能達到規范要求。

為此，本文在相同路面條件下，采用激光動態彎沉系統與貝克曼梁檢兩種不同的測試方法開展路面彎沉測試對比試驗，并根據兩者所采集的數據從而建立總彎沉與回彈彎沉的回歸方程，求出相關系數，對誤差進行分析。

1激光動態彎沉測試技術

激光動態彎沉系統(滾輪式彎沉儀 RWD)是最理想的彎沉測試設備，它的彎沉測試原理是：系統在高速行駛過程中利用激光多普勒(laser-Doppler)技術，測試路面在車載作用下的垂直下沉的瞬時速度，通過分析系統中的幾個激光多普勒的測試數據計算出最大彎沉及彎沉盆數據。

激光動態彎沉系統采用非接觸檢測方式工作，能以高達80 km/h的速度精確測試地面彎沉。其所記錄的是真實受力狀態，路面狀況與實際行車荷載一致。該設備是高速公路彎沉檢測設備的最佳選擇，既可測量動態彎沉指標，又能以正常的行駛速度連續性檢測，不影響現場交通組織。

目前，基于激光多普勒原理的高速激光自動彎沉系統的參數對比如表1所示。隨著彎沉測試技術的快速發展，彎沉檢測精度提高的同時，結構強度評價方法也應根據測試技術的變化而有所優化。

表1 各國動態彎沉測試設備參數對比類別檢測速度/(km·h-1)時間精度/ms測量精度/mm武大卓越LDD9010.01丹麥TDS8010.01美國RWD8010.07測值間隔/m工作溫度/℃日均檢測量/km標定方法0.10～45500自動標定125500手動標定125500手動標定

激光動態彎沉車與原有檢測設備優勢對比，如表2所示。

表2 激光動態測試技術與傳統測試技術對比比較項目貝克曼梁、FWD和自動彎沉儀激光動態彎沉測量系統備注快速性測試速度為1～3km/h測試速度15～90km/h,正常速度為60km/h是傳統測試速度30倍以上連續性一般是每隔20～50m,測試一個測量點,屬單點間隔采樣連續測量,每隔0.1m輸出一個測試值消除傳統測試可能丟失間隔中的彎沉異常信息動態性運行速度較慢在車輛運行中動態測量更加符合公路使用現狀安全性人身與儀器安全性差,有著被違章車輛擦碰或撞擊的極大風險,尤其在運營中高速公路上以正常交通速度行駛,使用安全性好良好的安全性經濟性需要全部和部分封閉運營道路;需要一個車隊(2～3輛車);需要輔助設備正常行駛,不影響正常交通,除正常的保養和油料外,不需要其它費用測試經濟性好人力消耗至少需要6個人員參與,野外作業,作業環境差,勞動強度大只需2人操作,數據報表自動完成,工作環境良好人力消耗量少效率單臺設備每天的測試里程在10km左右500km效率是傳統50倍及以上

由上表可以看出，各項指標都優于傳統的測試方法。而彎沉測試效率提高的同時，合理的規劃測試方案是進一步提高效率的方法。激光動態彎沉系統在彎沉檢測中與落錘式彎沉儀(FWD)和貝克曼梁儀檢測原理有所不同：

1) FWD是模擬行車荷載作用下的彎沉盆，從而得到最大彎沉值；貝克曼梁是利用靜載作用產生的彎沉盆，所得到的回彈彎沉；而激光動態彎沉系統所測的是在真實移動軸載作用情況下實際產生的彎沉盆。

2) 兩者的測量系統也不一樣。測試路段表面達到最大彎沉時，速度降至零，計算彎沉盆分布各點速度變化獲得彎沉最大值。相比較而言，激光動態彎沉車記錄的為真實行車中的路面彎沉狀態，測試結果為動態彎沉，而根據測量出路面的瞬時沉降速度、載車對路面的壓力、路面的縱向起伏、車速、環境溫度等信息，在這些信息的基礎上根據路面彈性模型就能推導出路基的結構強度參數，換算成標準輪壓下的彎沉值。

2激光動態彎沉測試原理

路面在重載車輪的碾壓下會產生沉降，彎沉檢測車通過速度傳感器精確地測量出3個測量點的沉降速度。形變的速度越小路面強度越大，反之形變速度越大路面強度越小[9，10]。根據測量點相對于車輪中心的位置和它的沉降速度，利用彈性力學理論可以得到彎沉盆曲線的數學方程，再結合車輪的壓力就能夠算出標準彎沉值[11]。此處認為，車輛荷載作用在測試路面時，測試路表面的瞬時變化速度為零時，此時路表面處于最大彎沉階段，根據測得各點速度變化，最終計算出最大彎沉值及路面彎沉盆分布(如圖1所示)。

圖1　最大彎沉值及彎沉盆分布

路面可以看成滿足歐拉-伯努利方程的彈性模型(圖2)。路面變形模型是指：路面單元如單個彈簧，無限細化組合成的彈性梁。此種變形運用彈

圖2　瀝青路面彈性模型

性力學原理可以用Euler-Bernoulli梁方程表達(如式(1))，F為作用中心的正壓力，E是路面剛性，I是路面的轉動慣量，k是彈性系數。

(1)

(2)

(3)

w′(x)=A(sin(Bx))e-Bx

(4)

式中：A，B為未知參量；w(x)為以x為變量的路面彎沉量函數；w′(x)為w(x)的導數，表示彎沉斜率；x為各個彎沉測量點到車輪中心著力點的距離值。

且：

w′(x)=R/Vhor

(5)

處理器根據里程編碼器記錄彎沉測量平臺的運行速度及所運行的里程信息計算可以得到式(6)，其中R1、R2、R3、R4為第一、第二、第三、第四速度傳感器所在位置的路面下沉速度：

(6)

式中：Vhor為測量車輛的水平速度；Ac為加速度計測量值；t為加速度計的測量時刻；VG為角速度傳感器測量值。

而在實際應用過程中，由于車體自身震動，以及路面起伏等影響，造成速度傳感器本身就有了速度或者角度的變化，因此速度傳感器測得的速度，是速度激光器光線方向的合成速度。

由式(1)可知該微分方程的解是一個關于A和B的參數模型，其中X≥0，A>0，B>0。兩參數歐拉-伯努利方程解為：

(7)

(8)

(9)

(10)

SCI300=w(0)-w(300)

(11)

式中：SCI300為結構曲率指數；w(0)為最大變形量。

根據式(6)和測得的數據可得到R1、R2、R3、R4處下沉的速度。車輛的水平速度Vhor可測量得到。將上述已知數帶入式(5)可得：

w′(x1)=R1/Vhor，w′(x2)=R2/Vhor

w′(x3)=R3/Vhor，w′(x4)=R4/Vhor

(12)

將式(12)代入式(4)可得：

A(sin(Bx1))e-Bx1=R1/Vhor

A(sin(Bx2))e-Bx2=R2/Vhor

A(sin(Bx3))e-Bx3=R3/Vhor

A(sin(Bx4))e-Bx4=R4/Vhor

(13)

根據最小二乘擬合，求解A和B。將所求A和B根據不同的x值代入式(3)可知：

(14)

可求得w(x)，而所測得的彎沉由于受溫度的影響較大，必須對其做溫度修正。

W(x)=w(x)·Temp

(15)

溫度校正系數如下：

Temp=0.001 24×T2-0.002 98T+1.096

(16)

將式(16)代入式(15)可得修正后的彎沉值：

W(x)=w(x)·Temp=

(17)

3激光動態彎沉測試對比試驗研究

3.1試驗設計

為全面對比激光動態彎沉系統測試效果，根據工程實際測試的需要，設計了在同一瀝青路面結構下，采用激光動態彎沉測試系統采用不同的測試速度，與貝克曼梁進行比對試驗，其試驗路段路面結構見表3。

表3 試驗路段路面結構類別結構層面層上面層4cm改性瀝青AC-13中面層6cmAC-20中面層下面層8cmAC-25下面層基層36cm5%水泥穩定碎石基層底基層18cm4%水泥穩定碎石底基層

貝克曼梁作為彎沉的自動化測試設備的比對參照物，由于其受人為和周圍環境的影響較大，在比對中更應該消除各方面不利的影響。故在比對前應注意因素[12，13]：

1) 測試前必須檢查激光動態彎沉系統和檢測車的各項基本指標，主要核查其荷載、輪壓、及輪與路面的接觸面積等，各項指標均需滿足規程要求。

2) 由于溫度對測試結果影響較大，彎沉對比試驗應當選擇在溫度差異不大的環境中進行測試，對于激光動態彎沉測試得到的彎沉值是經過式(17)進行修正，將溫度影響因素降低到最小。

3) 所選彎沉試驗路段應盡量順直，避開超高以及坡度變化較大的地方，減小橫坡和縱坡度變化對彎沉試驗數據造成影響。

4) 比對彎沉試驗路段路表清潔無積水，盡量選在交通量較小的路段，保證測試過程穩定無其他交通的干擾。

選定某一瀝青路面，標出所測路段及測點。激光動態彎沉系統分別以40 km/h、60 km/h、80 km/h的速度重復測試該路段，測試并輸出所標記點的數據。貝克曼梁逐點采集所測試路段的數據。本次比對布置了15個測點，按照不同測試速度和不同測試方法，得到最終的彎沉測試數據分布如圖3所示。

圖3　彎沉測試數據

圖3是激光動態彎沉系統和貝克曼梁測試的彎沉值分布圖。從圖中可以看出，激光動態彎沉系統和貝克曼梁測試有很好的相關性；其中激光動態彎沉系統分別以40 km/m、60 km/h、80 km/h測試彎沉數據重復性很好。在分析激光動態彎沉系統與貝克曼梁有很好的相關性的同時，接下來將進一步分析，在不同彎沉測試速度下與貝克曼梁的相關關系，并找出相關關系最匹配的速度值。

3.2激光動態彎沉回歸分析

由圖3可以看出激光動態彎沉系統與貝克曼梁測試數據大致分布在一條直線兩邊。相關關系顯著，因此建立一元回歸模型對不同速度下激光動態彎沉測試方法與貝克曼梁的彎沉測試比對數據進行回歸分析，如圖4所示，其各回歸參數統計見表4和表5。

圖4　不同速度下激光動態彎沉測試方法與貝克曼梁的　　　彎沉測試比對

表4 模型統計表類別LBB/LDD(40km·h-1)(60km·h-1)(80km·h-1)測試數量15 15 15 自由度13 13 13 Pearson'sr0.9750.9770.976RValue0.9750.9770.976R-Square(COD)0.9520.9540.952

表5 回歸參數統計表類別InterceptValueStandardErrorLBB/LDD(40km·h-1)-7.8543.700LBB/LDD(60km·h-1)-7.8763.602LBB/LDD(80km·h-1)-7.9203.685SlopeStatisticsValueStandardErrorR-Square(COD)Adj.R-Square1.0440.0651.0440.0651.0440.0641.0440.0641.0410.0651.0410.065

從表4的結果來看，3次試驗回歸的相關系數分別為0.975、0.977和0.976，，可知該模型能有效地解釋激光動態彎沉系統與貝克曼梁彎沉儀的關系，擬合優度比較高，兩者之間有較好的相關關系。

從回歸模型的方差分析表6可以得出，40 km/h速度測試時的F統計量為255.321，對應的Prob>F值近似為0；60 km/h速度測試時的F統計量為269.634，對應的Prob>F值近似為0；80 km/h速度測試時的F統計量為257.829，對應的Prob>F值近似為0。根據上述數據，可以拒絕原假設，可知所建立的回歸方程是顯著的，滿足檢驗要求。

從表7給出的回歸參數統計表可以看出，對于常量(Intercept)：40 km/h速度測試時的t檢驗統計量為-2.123，對應的Prob>|t|值為0.044<0.05；60 km/h速度測試時的t檢驗統計量為-2.186，對應的Prob>|t|值為0.038<0.05；80 km/h速度測試時的t檢驗統計量為-2.149，對應的Prob>|t|值為0.041<0.05。對于變量(slope)：40 km/h速度測試時的t檢驗統計量為15.979，對應的Prob>|t|值近似為0；60 km/h速度測試時的t檢驗統計量為16.421，對應的Prob>|t|值近似為0；80 km/h速度測試時的t檢驗統計量為16.057，對應的Prob>|t|值近似為0。即，所有的t統計量是對應的Prob>|t|值不大于0.05，所在的顯著性水平為0.05下，可以認為該回歸方程滿足t檢驗的要求。

表6 方差分析表類別DFSumofSquaresMeanSquareFValueProb>FLBB/LDD(40km·h-1)Model18892.4668892.466255.3210.000Error13452.77234.829——Total149345.237———LBB/LDD(60km·h-1)Model18915.3958915.395269.6340.000Error13429.84233.065——Total149345.237———LBB/LDD(80km·h-1)Model18896.6588896.658257.8290.000Error13448.57934.506——Total149345.237———

表7 回歸參數分析表類別ValueStandardErrort-ValueProb>|t|LBB/LDD(40km·h-1)Intercept-7.8543.700-2.1230.044slope1.0440.06515.9790.000LBB/LDD(60km·h-1)Intercept-7.8763.602-2.1860.038slope1.0440.06416.4210.000LBB/LDD(80km·h-1)Intercept-7.9203.685-2.1490.041slope1.0410.06516.0570.000

只有當測試數據標定的相關系數達0.95以上才能建立可信關系[14]，故由表8可知：

1) 激光動態彎沉系統在相同的路面結構下采用不同的速度測試與貝克曼梁儀所測試的數據具有很好的相關性，相關系數分別為0.952、0.954、0.952達到規范的規定，有可信的數據關系。

2) 在其他試驗條件相同的情況下，測試速度對于激光動態彎沉系統影響不大，在以60 km/h的速度進行測試時，與貝克曼梁儀的匹配性最好。

表8 不同測試速度下回歸方程類別回歸方程相關系數LBB/LDD(40km·h-1)LBB=1.044LDD-7.8540.952LBB/LDD(60km·h-1)LBB=1.044LDD-7.8760.954LBB/LDD(80km·h-1)LBB=1.041LDD-7.9200.952

3) 激光動態彎沉系統測試性能穩定，在不同的速度下進行測試，所得結果偏差不大。

4) 線性回歸的斜率基本相同，而差異體現在截距上，這表明測試系統穩定，測試速度對截距有影響。

4結論

本文總結了激光動態彎沉測試技術適用性及其對傳統測試技術的優勢，分析了激光動態彎沉系統測試原理及其動態彎沉計算方法，基于激光動態彎沉測試技術開展了不同的測試速度與貝克曼梁的彎沉測試對比試驗，得到以下主要結論：

1) 對于已建成，特別是運營多年的高速公路，由于施工、地質地形、交通流量、荷載等各種因素會影響路面彎沉的變化和發展趨勢；對于激光動態彎沉測試系統，需將實測彎沉值進行溫度修正，將溫度影響因素降低到最小。

2) 激光動態彎沉系統測試性能穩定且測試速度和測試效率較快，所測試的彎沉數據是在真實的車輛荷載作用下，可連續地采集路彎沉測試數據，測試結果可靠，準確。

3) 激光動態彎沉系統在相同的路面結構下采用40 km/h、60 km/h、80 km/h的速度測試與貝克曼梁儀所測試的數據均具有很好的相關性，相關系數分別為0.952、0.954、0.952；在不同的速度下進行測試，測試速度對于激光動態彎沉系統影響不大，其60 km/h測試速度與貝克曼梁儀的匹配性最好，由于采用激光動態彎沉測試方法得到的數據更加全面，其評價結果更加精確。

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文章編號：1008-844X(2016)02-0001-06

收稿日期:2016-03-18

基金項目:國家自然科學基金項目( 51408060)

作者簡介:武韜( 1990-) ，男，碩士，從事道路工程及巖土工程研究。

中圖分類號：U 416.217

文獻標識碼：A