第十七章路面使用品质及路况评定 §17-1路面功能及其评价 路面结构在汽车和自然因素的反复作用下,其使用性能会发生改变,由此路 面结构逐渐出现破坏,并最终导致不能满足使用性能的要求(图17-1)。 在路面使用过程中,必须采取相应的养护、补强和改建措施,使路面的使用 性能得到部分恢复,甚至提高 服务水平 养护 时间(年) 时间 图17-1路况随时间的变化曲线 为了了解和掌握路面使用性能的变化情况,以便及时采取各种养护和改建措 施,延缓其衰变或恢复其性能,必须定期对路面的使用性能进行评定。路面使 用性能包括功能、结构和安全三方面 路面功能是路面为道路使用者提供的舒适程度 路面结构是指路面的物理状况,包括路面损坏状况和结构承载能力 路面安全是指路面的抗滑能力。 功能和安全方面的使用性能是道路使用者所关心,道路管理部门则更注重结 构方面的使用性能。路面使用性能的三个方面既有区别又有一定的联系。 路面使用品质及路况的评定就是确定路面结构现时的使用性能。 §172路面结构承载能力的评定 路面结构承载能力,是指路面在达到预定的损坏状况之前还能承受的行车荷 载作用次数,或者还能使用的年数 路面结构的承载能力同损坏状况有着内在联系。在使用过程中,路面的承载 能力逐渐下降,与此同时损坏逐步发展。承载能力低的路面结构,其损坏的发 展速度迅速;承载能力接近于临界状态时,路面的损坏达严重状态,此时必须 采取改建措施(设置加铺层等)以恢复或提高其承载能力 路面结构承载能力的测定,可分为破损类和无破损类两种。前者从路面各结
1 第十七章 路面使用品质及路况评定 §17-1 路面功能及其评价 路面结构在汽车和自然因素的反复作用下，其使用性能会发生改变，由此路 面结构逐渐出现破坏，并最终导致不能满足使用性能的要求(图 17-1)。 在路面使用过程中，必须采取相应的养护、补强和改建措施，使路面的使用 性能得到部分恢复，甚至提高。 时间（年） 服务水平 时间 养护 图 17-1 路况随时间的变化曲线 为了了解和掌握路面使用性能的变化情况，以便及时采取各种养护和改建措 施，延缓其衰变或恢复其性能，必须定期对路面的使用性能进行评定。路面使 用性能包括功能、结构和安全三方面。 路面功能是路面为道路使用者提供的舒适程度。 路面结构是指路面的物理状况，包括路面损坏状况和结构承载能力。 路面安全是指路面的抗滑能力。 功能和安全方面的使用性能是道路使用者所关心，道路管理部门则更注重结 构方面的使用性能。路面使用性能的三个方面既有区别又有一定的联系。 路面使用品质及路况的评定就是确定路面结构现时的使用性能。 §17-2 路面结构承载能力的评定 路面结构承载能力，是指路面在达到预定的损坏状况之前还能承受的行车荷 载作用次数，或者还能使用的年数。 路面结构的承载能力同损坏状况有着内在联系。在使用过程中，路面的承载 能力逐渐下降，与此同时损坏逐步发展。承载能力低的路面结构，其损坏的发 展速度迅速；承载能力接近于临界状态时，路面的损坏达严重状态，此时必须 采取改建措施(设置加铺层等)以恢复或提高其承载能力。 路面结构承载能力的测定，可分为破损类和无破损类两种。前者从路面各结
构层内钻取试样,试验确定其各项计算参数,通过同设计标准相比较,估算其 结构承载能力。无破损类测定则通过路表的无破损弯沉测定,估算路面的结构 承载能力 弯沉测定 路表面在荷载作用下的弯沉量,可以反映路面结构的承载能力。路面的结构 破坏可以是由于过量的竖向变形所造成,也可能是由于某一结构层的断裂破坏 所造成。对于前者,采用最大弯沉值表征结构承载能力较合适;对于后者,则 采用路表弯沉盆的曲率半径表征其承载能力更为合适。因而,理想的弯沉测定 应包含最大弯沉值和弯沉盆两方面 目前使用的弯沉测定系统有4种:(1)贝克曼梁( Benkleman beam)弯沉仪;(2) 自动弯沉仪;(3)稳态动弯沉仪:(4)脉冲弯沉仪。前两种为静态测定,得到路表 最大弯沉值。后两种为动态测定,可得到最大弯沉值和弯沉盆。 (一)静态弯沉测定 最常用的是贝克曼梁弯沉仪,测定时梁的端头穿过测定车后轴双轮轮隙,置 于车轮前方10cm左右的路面测点上。梁在后三分点处通过支点承于底座上。梁 的另一端处架设一百分表,以测定端头的升降量。车辆以爬行速度向前行驶, 车轮经过梁的端头时,读取百分表的最大读数;车辆驶离后,再读取百分表的 读数;两者差值的两倍即为路表面的回弹弯沉值。 自动弯沉仪将弯沉测定梁连接到测定车后轴之间的底盘上。测定时,梁支于 地面保持不动,车辆向前移动,当后轮驶过并通过梁端头时,弯沉值被自动记 下来,达最大弯沉值时测定梁被提起,并拉到车辆底盘的前端,到下一测点处 测定梁再被放下。自动弯沉仪可连续进行弯沉测定,并自动记录测定结果。车 辆行驶速度为3~5km/h,每天约可测定30km 承载板法是通过加载卸载测定路面结构的综合回弹模量 贝克曼梁弯沉仪量测到的是最大回弹弯沉值,而自动弯沉仪测到的是最大总 弯沉值。 轮载、轮压和加载时间(行驶速度)是影响测定结果的三项加载条件。在测定 前和测定过程中,必须认真检查是否符合规定要求 测定时,测试车辆沿轮迹带行驶。如仅使用一台贝克曼梁弯沉仪,测点沿外 侧轮迹带布置。测点间隔可为20~50m,视测定路段长度要求而定。 测定结果可点绘成弯沉断面图。由于影响承载能力的变量众多,可以预料各 测点的弯沉值会有较大的变异。因而,通常采用统计方法对每一路段的弯沉值 进行统计处理,以路段的代表弯沉值表征该路段的承载能力 路段的代表弯沉值b可按下式确定 =(+2)K1K2 (17-1) 式中:l——路段各测点弯沉的平均值,即 ∑l (17-2) 一该路段弯沉测定标准偏差,即
2 构层内钻取试样，试验确定其各项计算参数，通过同设计标准相比较，估算其 结构承载能力。无破损类测定则通过路表的无破损弯沉测定，估算路面的结构 承载能力。 一、弯沉测定 路表面在荷载作用下的弯沉量，可以反映路面结构的承载能力。路面的结构 破坏可以是由于过量的竖向变形所造成，也可能是由于某一结构层的断裂破坏 所造成。对于前者，采用最大弯沉值表征结构承载能力较合适；对于后者，则 采用路表弯沉盆的曲率半径表征其承载能力更为合适。因而，理想的弯沉测定 应包含最大弯沉值和弯沉盆两方面。 目前使用的弯沉测定系统有 4 种：(1)贝克曼梁(Benkleman beam)弯沉仪；(2) 自动弯沉仪；(3)稳态动弯沉仪；(4)脉冲弯沉仪。前两种为静态测定，得到路表 最大弯沉值。后两种为动态测定，可得到最大弯沉值和弯沉盆。 (一)静态弯沉测定 最常用的是贝克曼梁弯沉仪，测定时梁的端头穿过测定车后轴双轮轮隙，置 于车轮前方 10cm 左右的路面测点上。梁在后三分点处通过支点承于底座上。梁 的另一端处架设一百分表，以测定端头的升降量。车辆以爬行速度向前行驶， 车轮经过梁的端头时，读取百分表的最大读数；车辆驶离后，再读取百分表的 读数；两者差值的两倍即为路表面的回弹弯沉值。 自动弯沉仪将弯沉测定梁连接到测定车后轴之间的底盘上。测定时，梁支于 地面保持不动，车辆向前移动，当后轮驶过并通过梁端头时，弯沉值被自动记 下来，达最大弯沉值时测定梁被提起，并拉到车辆底盘的前端，到下一测点处 测定梁再被放下。自动弯沉仪可连续进行弯沉测定，并自动记录测定结果。车 辆行驶速度为 3～5km/h，每天约可测定 30km。 承载板法是通过加载-卸载测定路面结构的综合回弹模量。 贝克曼梁弯沉仪量测到的是最大回弹弯沉值，而自动弯沉仪测到的是最大总 弯沉值。 轮载、轮压和加载时间(行驶速度)是影响测定结果的三项加载条件。在测定 前和测定过程中，必须认真检查是否符合规定要求。 测定时，测试车辆沿轮迹带行驶。如仅使用一台贝克曼梁弯沉仪，测点沿外 侧轮迹带布置。测点间隔可为 20～50m，视测定路段长度要求而定。 测定结果可点绘成弯沉断面图。由于影响承载能力的变量众多，可以预料各 测点的弯沉值会有较大的变异。因而，通常采用统计方法对每一路段的弯沉值 进行统计处理，以路段的代表弯沉值表征该路段的承载能力。 路段的代表弯沉值 l0 可按下式确定： l 0 ＝(l 0 )K１ K２ K３ + （17-1） 式中： l 0 ——路段各测点弯沉的平均值，即 l l i n n 0 1 = / （17-2） ——该路段弯沉测定标准偏差，即
∑(-) (17-3) λ—一控制保证率的系数,保证率为50%时,λ=0;保证率为90%时,λ=1.282 95%时,=1.64;97.7%时,=2.00 n一该路段的测点数 K1=季节影响系数 K,=湿度影响系数 K,=温度影响系数 沥青面层的劲度随温度而变,路基的模量随湿度而变。因而,弯沉测定结果 同测定时路面结构的温度和湿度状况有关。通常以20℃作为沥青路面的标准测 定温度,以最不利潮湿或春融季节作为测定时期。对于在其他环境条件下测定 的结果,应作温度和湿度修正 温度修正系数k可按下述经验公式确定 当测定时沥青层内的平均温度T<20℃时 T1=a+b7;a=-214-0.503h b=0.62-0008h T1≥20°C K3=expl T1(20°C K3=eyp[000(20-7 式中 沥青层厚度(cm); T一沥青层平均温度(℃),按下式计算: T= a +bts 65+0.52h b=0.62-0008h (17-6) 由于气候、水文和土质条件的不同,各地区路基湿度和季节性变化规律不尽 相同:并且,路面结构不同,路基温度变化对路表弯沉值的影响程度也不一样。 因而,考虑湿度变化的季节修正系数K1随地区、土质、路基潮湿类型、路面结 构等因素而变,应依据当地具体条件建立的弯沉季节变化曲线,结合经验确定 测定路段的弯沉值如果变化范围很大,需进行分段,分别确定其代表弯沉值。 分段可通过目估,并结合路况进行。也可按统计方法,对划分的相邻路段进行 显著性检验,依据是否有显著差别决择其分或合。 (二)动态弯沉测定 稳态动弯沉仪系利用振动力发生器在路表面作用一固定频率的正弦动荷载, 通过沿荷载轴线间隔布置的速度传感器(检波器)量测路表面的动弯沉曲线。用于 公路上的是轻型动弯沉仪,所施加的动荷载约50kN;用于机场上的则是重型的, 动荷载约达150kN
3 ( ) = − − l l n i n 0 2 1 1 (17-3) ——控制保证率的系数，保证率为 50%时，=0；保证率为 90%时，=1.282； 95%时，=1.64；97.7%时，=2.00； n——该路段的测点数； K K K １ ２ ３ ＝季节影响系数 ＝湿度影响系数 ＝温度影响系数 沥青面层的劲度随温度而变，路基的模量随湿度而变。因而，弯沉测定结果 同测定时路面结构的温度和湿度状况有关。通常以 20℃作为沥青路面的标准测 定温度，以最不利潮湿或春融季节作为测定时期。对于在其他环境条件下测定 的结果，应作温度和湿度修正。 温度修正系数 kt 可按下述经验公式确定。 当测定时沥青层内的平均温度 T<20℃时 ( ) exp0.002 (20 ) (17 - 5) 20 17 - 4 20 1 1 exp 20 0.62 0.008 2.14 0.503 1 1 ３ １ １ ３ １ ０ ＝ Ｃ ＝ Ｃ ＝ ＋ ； K h T T T K h T b h T a bT a h − − = − = − − 式中：h——沥青层厚度(cm)； T——沥青层平均温度(℃)，按下式计算： T＝α+bT5 a=-2.65+0.52h b=0.62-0.008h (17-6) 由于气候、水文和土质条件的不同，各地区路基湿度和季节性变化规律不尽 相同；并且，路面结构不同，路基温度变化对路表弯沉值的影响程度也不一样。 因而，考虑湿度变化的季节修正系数 K1 随地区、土质、路基潮湿类型、路面结 构等因素而变，应依据当地具体条件建立的弯沉季节变化曲线，结合经验确定 之。 测定路段的弯沉值如果变化范围很大，需进行分段，分别确定其代表弯沉值。 分段可通过目估，并结合路况进行。也可按统计方法，对划分的相邻路段进行 显著性检验，依据是否有显著差别决择其分或合。 (二)动态弯沉测定 稳态动弯沉仪系利用振动力发生器在路表面作用一固定频率的正弦动荷载， 通过沿荷载轴线间隔布置的速度传感器(检波器)量测路表面的动弯沉曲线。用于 公路上的是轻型动弯沉仪，所施加的动荷载约 50kN；用于机场上的则是重型的， 动荷载约达 150kN
中间质量 落锤(质量2 固定刚性框架 距高转换器 温度传感辱 A/D转换 信号放大器 型计算机 承…∴ 压力传夢鬱 移传 暗面 沉盆曲线 图17-2落锤弯沉仪示意图 脉冲弯沉仪又称落锤弯沉仪(FWD)(图17-2)。它以50~300kg质量从 40cm高度落下,作用于弹簧和橡皮垫上,通过30cm直径承载板传给路面半正 弦脉冲力。通过改变质量和落高,可以施加不同级位的荷载,从15kN到125kN 脉冲力作用持续时间约为0028s。利用沿荷载轴线间隔布置的速度传感器,量测 到路表面的弯沉曲线(图17-3)。由于仪器本身重量轻,路面受到的预加荷载的影 响比稳态动弯沉仪的小得多 动态弯沉测定可以得到路表弯沉曲线。作用于路表的动荷载向路面结构内的 应力扩散类似圆锥形。应力锥同各结构层次界面的交点具有特定的含义:在交 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。利用这 特性,可以依据应力锥和结构层次布置传感器的位置,并按量测得到的弯沉 值应用层状体系理论解分别确定各结构层的弹性模量值 PFWD荷敢 层 图17-3落锤弯沉仪路表面的弯沉曲线示意图
4 图 17-2 落锤弯沉仪示意图 脉冲弯沉仪又称落锤弯沉仪(FWD) (图 17-2)。它以 50～300kg 质量从 4～ 40cm 高度落下，作用于弹簧和橡皮垫上，通过 30cm 直径承载板传给路面半正 弦脉冲力。通过改变质量和落高，可以施加不同级位的荷载，从 15kN 到 125kN。 脉冲力作用持续时间约为 0.028s。利用沿荷载轴线间隔布置的速度传感器，量测 到路表面的弯沉曲线(图 17-3)。由于仪器本身重量轻，路面受到的预加荷载的影 响比稳态动弯沉仪的小得多。 动态弯沉测定可以得到路表弯沉曲线。作用于路表的动荷载向路面结构内的 应力扩散类似圆锥形。应力锥同各结构层次界面的交点具有特定的含义：在交 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。利用这 一特性，可以依据应力锥和结构层次布置传感器的位置，并按量测得到的弯沉 值应用层状体系理论解分别确定各结构层的弹性模量值。 图 17-3 落锤弯沉仪路表面的弯沉曲线示意图
弯沉测定时,所施加的动荷载大小应尽可能接近于路上的车辆荷载。此外, 为了解材料的非线性特征,施加的动荷载需变换级位。 二、结构承载能力评价 不同路面结构具有不同的路表弯沉值。因而,不能单独从最大弯沉值大小来 判断路面结构的剩余寿命。同时,路面结构的承载能力会在使用过程中逐渐下 降。反映在弯沉值变化上,则为路段的代表弯沉值随时间(轴载作用次数)的增加 而逐渐增长。随着弯沉值的増长,路面逐渐岀现车辙变形和裂缝等损坏。定义 某种程度的损坏作为临界状态,相应于这种损坏状况的路面弯沉值,即为路面 结构的极限承载能力。为此,要判断现有路面结构的承载能力(剩余寿命),除了 由测定得到代表弯沉值外,还须知道路面结构类型、路面损坏状况以及到调査 测定时路面己承受的标准轴载作用次数。 利用沥青路面的弯沉值同标准轴载累计作用次数和路面损坏临界状态间的 关系曲线,可按路段的代表弯沉值和路面已承受的标准轴载累计作用次数,确 定现有路面结构的剩余寿命。例如,如代表弯沉值为25×10-2mm,已承受标准 轴载共40×106次的作用,则由弯沉曲线可推算出达90%可靠度时的剩余寿命 约4.1×106次。 利用由动态弯沉测定得到的弯沉曲线,可以分别计算确定各结构层的弹性模 量值。而后,配合由钻孔得到的结构层厚度数据,便可利用有关路面结构设计 图表或公式计算确定路面结构的承载能力,力学分析法是其中之 力学分析法的基本理论是基于路表荷载的圆锥扩散假定(图17-3),它包括 以下几点:①离荷载中心较远处的弯沉δ4仅与路基的模量有关,即与路基的弹性 压缩有关;②距离荷载中心r处的弯沉δ3是第三层和第四层的弹性压缩所致: ③距离荷载中心n处的弯沉δ2是第二、第三层和第四层的弹性压缩所致;④荷 载中心处的弯沉是第所有各层弹性压缩所致。以上四点假定可用如下关系式表 对三层体系 84=f4(E3) 62=f2(E2,E3) 60=f0(E1,E2,E3) (177) 对四层体系 64=f4(E4) 63=f3(E3,E4) 62=f2(E2,E3,E4) 61=f1(E1,E2,E3,F4) 60=f0(E1,E2,E3,E4) (17-8) 以上分析模型,可由函数f3及f(或自及f)可以唯一地确定E3及F4(E3及E2) 对三层体系,由f0可以唯一地确定E1;对四层体系,必须解6及f的连列方程 得到E1,E2 沥青路面采用强度系数SSⅠ作为评价指标,SSI=路面容许弯沉值/路面代 表弯沉值。表17-1为评价标准
5 弯沉测定时，所施加的动荷载大小应尽可能接近于路上的车辆荷载。此外， 为了解材料的非线性特征，施加的动荷载需变换级位。 二、结构承载能力评价 不同路面结构具有不同的路表弯沉值。因而，不能单独从最大弯沉值大小来 判断路面结构的剩余寿命。同时，路面结构的承载能力会在使用过程中逐渐下 降。反映在弯沉值变化上，则为路段的代表弯沉值随时间(轴载作用次数)的增加 而逐渐增长。随着弯沉值的增长，路面逐渐出现车辙变形和裂缝等损坏。定义 某种程度的损坏作为临界状态，相应于这种损坏状况的路面弯沉值，即为路面 结构的极限承载能力。为此，要判断现有路面结构的承载能力(剩余寿命)，除了 由测定得到代表弯沉值外，还须知道路面结构类型、路面损坏状况以及到调查 测定时路面已承受的标准轴载作用次数。 利用沥青路面的弯沉值同标准轴载累计作用次数和路面损坏临界状态间的 关系曲线，可按路段的代表弯沉值和路面已承受的标准轴载累计作用次数，确 定现有路面结构的剩余寿命。例如，如代表弯沉值为 25×10-2mm，已承受标准 轴载共 4.0×106 次的作用，则由弯沉曲线可推算出达 90%可靠度时的剩余寿命 约 4.1×106 次。 利用由动态弯沉测定得到的弯沉曲线，可以分别计算确定各结构层的弹性模 量值。而后，配合由钻孔得到的结构层厚度数据，便可利用有关路面结构设计 图表或公式计算确定路面结构的承载能力，力学分析法是其中之一。 力学分析法的基本理论是基于路表荷载的圆锥扩散假定（图 17-3），它包括 以下几点：①离荷载中心较远处的弯沉4 仅与路基的模量有关，即与路基的弹性 压缩有关；②距离荷载中心 r3 处的弯沉3 是第三层和第四层的弹性压缩所致； ③距离荷载中心 r2 处的弯沉2 是第二、第三层和第四层的弹性压缩所致；④荷 载中心处的弯沉是第所有各层弹性压缩所致。以上四点假定可用如下关系式表 示： 对三层体系： 4=f4(E3) 2=f2(E2,E3) 0=f0(E1,E2,E3) （17-7） 对四层体系： 4=f4(E4) 3=f3(E3,E4) 2=f2(E2,E3,E4) 1=f1(E1, E2,E3,E4) 0=f0(E1,E2,E3,E4) （17-8） 以上分析模型，可由函数 f3 及 f4(或 f4 及 f2)可以唯一地确定 E3 及 E4(E3 及 E2), 对三层体系，由 f0 可以唯一地确定 E1；对四层体系，必须解 f0 及 f1 的连列方程 得到 E1, E2 沥青路面采用强度系数 SSI 作为评价指标，SSI=路面容许弯沉值 / 路面代 表弯沉值。表 17-1 为评价标准