沥青路面弯沉变化及测试

摘 要：本文论述了沥青路面弯沉变化的三个阶段及分析测定弯沉的正确时间，着重介绍贝克曼梁弯沉仪测试弯沉的关键所在，并简要介绍了其它三种测试路面弯沉的方法。
关键词：沥青 路面 弯沉 测试

路面弯沉不仅反映路面各结构层及土基的整体强度和刚度，而且与路面的使用状态存在一定的内在联系。因此工程竣工前，路面弯沉作为一项重要的检测指标，反映了路面的整体强度质量。在路面工程分项工程的质量评定中，高速公路和一级公路的弯沉分值分别为15和20分，如弯沉达不到，该分项不可能达到优良。由此可见，了解路面弯沉的变化规律、正确测试路面弯沉，对正确评价路面质量有着极其重要的作用。

1 路面弯沉的变化规律

路表弯沉的变化，是一个多方面因素综合作用的复杂过程。路基路面各层的材料性质、结构组成类型、压实状况、压实程度、温湿度环境、气候条件、交通组成、检测时的环境条件以及所使用的仪器设备及检测人员的检测水平等均对弯沉的大小产生很大影响。
沥青路面的表面弯沉变化过程分为三个阶段。路面竣工后的前1～2年为第一阶段。在这一阶段，由于车辆荷载的重复碾压，渐趋压实，加上半刚性基层材料随着龄期强度增长，从而导致路表弯沉将逐渐减小，大约在路面竣工后的第2年达到最小值。
路面竣工后的第2年到第4年为第二阶段。在这一阶段，表现为路表弯沉的不断增长。这是因为，一方面半刚性基层的强度增长已十分缓慢，并逐渐趋于相对稳定状态；另一方面，由于车辆荷载的重复作用以及水、温度状况的变化，加之路面混合料本身因拌和不均匀，而导致强度不均匀性等因素的影响，结构内部的微观缺陷将因局部范围的应力集中而扩展，并逐渐出现小范围的局部破坏，从而导致路面结构整体刚度的下降，使得路表弯沉急剧增大。如果设计不当，没有严格控制工程质量，或是工程质量的不均匀性，则有可能在这一阶段出现局部路面的早期破坏。
路面竣工3-4年后直至达到极限破坏状态为弯沉变化的第三阶段。在这一阶段，路面由于各种复杂因素产生的局部强度不足的问题已充分暴露，内部缺陷附近局部区域积蓄的高密度能量也已通过缺陷的扩展而转移，并自动实现了整个系统的能量平衡，从而使得结构内部损伤的进一步发展得到抑制。路面结构的整体刚度重新达到一种新的较低水平的相对稳定。因此，路表弯沉进入了一个相对稳定的缓慢变化阶段。即所谓的结构疲劳破坏的稳定发展阶段，并一直延续到路面结构出现疲劳破坏。
在路面竣工后的1-2年之间，路表弯沉值最小。可见，在此期间路面整体结构处于最大刚度状态。但是，在测定材料参数时，养生时间最长的基层材料的设计龄期也只有6个月。这个时间，正好接近于路面竣工后第一年的不利季节。而且统计结果表明，路面
黄健：沥青路面弯沉变化及测试竣工后第一年不利季节的弯沉值与最大刚度状态所对应的弯沉值比较接近。因此，将路面竣工后第一年不利季节近似地假定为路面整体结构的最大刚度状态，而取得沥青路面的设计状态。这个状态，也正是我们测量路面弯沉代表值的状态。

2 贝克曼梁弯沉仪路面弯沉测试

由于目前工程上广泛使用贝克曼梁弯沉仪，故现着重介绍贝克曼梁弯沉仪的使用方法，从标准车、弯沉仪的选择、温度修正及弯沉计算等方面提出有关要点和注意事项。
2.1 标准车
标准车为双轴、后轴每侧为双轮胎的载重汽车，其标准轴荷载、轮胎尺寸、轮胎间隙及轮胎气压等技术参数见表1。

测定弯沉用的标准车参数 表1

测试车可根据需要按公路等级选择，高速公路、一级及二级公路应采用后轴10t的BZZ-100标准车；其他等级公路可采用后轴6t的BZZ-60标准车。
测定弯沉用的标准车是很重要的，我国一直规定用解放牌CA-10B型及黄河牌JN-150型作为两个荷载等级的标准车。但这两种车型逐渐淘汰和不再生产，渐趋灭绝。因此，规范对标准车的规定，仅规定轴重、轮压、气压等主要参数，凡符合这些参数的车型皆可使用。?
测试前，应测定测试车的轴重、轮压、轮胎接地面积，与标准车的要求相差不应超过表1规定的值。如有不符，应适当调整。
2.2 弯沉仪的选择及弯沉仪误差修正
弯沉仪由贝克曼梁、百分表及表架组成。弯沉仪长度有两种：一种3.6m，前后臂分别为2.4m和1.2m；另一种加长的弯沉仪长5.4m，前后臂分别为3.6m和1.8m。当在半刚性基层沥青路面上测定时，宜采用长度为5.4m的贝克曼梁弯沉仪，并采用BZZ-100标准车。这是因为随着公路路面刚度提高，弯沉仪影响半径也越来越大。统计表明，60年代中级路面的弯沉影响半径为0.5～1m；70年代三级沥青路面为1～1.5m，二级路面为1.5～2m；90年代高等级公路兴建后，路面弯沉影响半径普遍已发展到3m，有的已达到4m以上。在这种情况下，3.6m弯沉仪臂长的支点已落入弯沉影响区，这样很难避免由于荷载车造成的支架下降变形的影响，使测定的弯沉值偏小，造成测量误差。因此，若采用3.6m的弯沉仪，测定时应检验支点有无变形，此时应用另一台检验用的弯沉仪安装在测定用弯沉仪的后方，其测点架于测定用弯沉仪的支点旁。当汽车开出时，同时测定两台弯沉仪的弯沉读数，如检验用弯沉仪百分表有读数，即应记录，将两台弯沉仪的测定弯沉相加，得到测点弯沉，并进行支点变形修正。当在同一结构层上测定时，可在不同位置测定5次，求其平均值，以后每次测定时以此作为修正值。
2.3 弯沉测试频率?
测定代表弯沉值时，应以每公里每一双车道为一评定路段。每路段检查80～100个点。对多车道公路必须按车道数与双车道之比，相应增加测点数。?
2.4 温度修正
对于沥青路面来说，弯沉强度测定是在沥青路面上进行的，而表层区域受天气影响变化较大，夏天沥青路面发软，冬天又变硬发脆。因此，如在夏天测定时，由于过硬，也会产生失真现象。所以，需要定出一个温度为测定弯沉的标准状态。
路面弯沉值是以20°C为测定沥青路面弯沉值的标准状态。当沥青面层厚度小于或等于5cm时，不需要温度修正；当路面温度在20°C±2°C时，也不进行温度修正；其他情况下测定弯沉值均应进行温度修正。温度修正及回弹弯沉的计算宜按下列步骤进行。
测定时的沥青层平均温度按下式计算：?

T＝(T25＋TM＋TE)／3

式中T——测定时沥青层平均温度；?
T25——根据T0得出的路表下25mm?处的温度，°C；?
TM——根据T0得出的沥青层中间深度的温度，°C；?
TE——根据T0得出的沥青层底面处的温度，°C；?
T0——为测定时路表温度与测定前5d平均气温的平均值之和，°C0；
与日平均气温为日最高气温与最低?气温的平均值。
然后由沥青层平均温度从路面弯沉温度修正系数曲线查找出沥青路面弯沉温度修正系数：

L20＝LT·K

式中K——温度修正系数；?
L20——换算为20°C的沥青路面回弹弯沉值，0.01mm；
LT——测定时沥青面层内平均温度为T时的回弹弯沉值，0.01mm。
2.5 路面弯沉的计算
路面测点的回弹弯沉值：

LT＝2(L1-L2)

式中LT——在路面温度T时的回弹弯沉值，0.01mm；
L1——车轮中心临近弯沉仪测头时百分表的最大读数，0.01mm；
L2——汽车驶出弯沉影响半径后百分表的终读数，0.01mm。
当需要进行弯沉仪支点变形修正时，路面测点的回弹弯沉值：

LT＝2(L1-L2)＋6(L3-L4)

式中L3——车轮中心临近弯沉仪测头时检?验用弯沉仪的最大读数，0.01mm；
L4——汽车驶出弯沉影响半径后检验用?弯沉仪的终读数，0.01mm。
弯沉代表值是弯沉测量值的上波动界限，用下式计算：

LR＝L＋ZA·S

式中LR——一个评定路段的代表弯沉，?0.01mm；
L——一个评定路段内经各项修正后的各测点弯沉的平均值；?
S——一个评定路段内经各项修正后的全部测点弯沉的标准差；?
ZA——与保证率有关的系数，采用下列数值。
高速、一级公路ZA＝2.0?
二级公路ZA＝1.645?
二级以下公路ZA＝1.5?
计算平均值和标准差时，应将超出L±(2～3)S的弯沉特异值舍弃。对舍弃的弯沉值过大的点，应找出其周围界限进行处理。
2.6 目前弯沉测试的主要存在问题
(1)原先的柔性路面设计规范容许弯沉的定义为路面在设计使用年限末期的最不利季节在标准轴载作用下容许出现的最大弯沉值，它不能直接作为竣工验收指标，否则标准偏低，易出现早期破坏。?
(2)目前半刚性基层的沥青路面弯沉测试多数采用3.6m的贝克曼梁弯沉仪，但很少考虑由荷载车造成的支架下降变形的影响。?
(3)弯沉测试车的轮压不足，从而导致回弹弯沉值偏小。?
(4)弯沉测试车不称重或装载偏位、吨位不足，从而导致轴载与标准轴载偏差过大，而引起弯沉值偏小。?
(5)弯沉仪测头的位置不正确。一般来说，测试时弯沉仪的梁臂不得碰到轮胎，测头应置于测点上，即轮隙中心前方3～5cm处。?
(6)温度修正不正确，往往仅利用当时的气温进行弯沉修正。?
(7)代表弯沉测定时间不正确，代表弯沉应在路面竣工后第一年不利季节。

3 其它测定路面弯沉的方法

3.1 自动弯沉仪测定路面弯沉
自动弯沉仪是利用贝克曼梁测定原理快速连续测定的设备，并在标准条件下每隔一定距离连续测试路面的总弯沉及测定路段的总弯沉的平均值。洛克鲁瓦型自动弯沉测定车由测试汽车、测量机构、数据采集系统三部分组成，测量机构安装在测试车底盘下面，测臂夹在后轴轮隙中间。自动弯沉仪测试时的速度必须保持稳定，应控制在3.0～3.5km/h范围内。另外，当路面严重损坏、不平整、有坑槽时，测定设备有可能损坏，或者当平曲线半径过小时，都不能检测。
3.2 落锤式弯沉仪测定路面弯沉
车载落锤式路面弯沉快速测定仪是目前世界上最先进的一种路面弯沉强度无损检测设备之一。分为拖挂落锤式(或外载式)与内载落锤式两种。落锤式弯沉仪是在标准质量的重锤落下一定高度发生冲击荷载的作用下，测定路基或路面表面所产生的瞬间变形，即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆。落锤式弯沉仪由荷载发生装置、弯沉检测装置、运算控制系统与车辆牵引系统等组成。测定时启动落锤装置，落锤瞬即自由落下，冲击力作用在承载板上，又立即自动提升到原来位置固定。同时，各个传感器检测结构层表面变形，记录系统将位移信号输入计算机，并得到峰值，即路面弯沉，同时得到弯沉盆。每一侧点重复测定应不少于3次，因为第一锤测定的结果往往不稳定，故必须打二锤及第三锤，舍去第一锤的结果。
3.3 激光弯沉测定仪
激光弯沉测定仪是专门用来测定路面微小弯沉用的，这种微小弯沉一般在微米数量级。例如，冬季气候条件下的沥青混凝土路面，用一般贝克曼梁弯沉仪已无法测量。由于机械之间摩擦所产生的误差已将微变弯沉覆盖，因此只有用激光衍射办法才能测出它的微小弯沉值。激光弯沉测定仪具有操作简易、精度高、读数稳定、体积小、质量特轻等特点。
3.4 相互换算
当用自动弯沉车或落锤式弯沉仪测定时，首先应建立自动弯沉车或落锤式弯沉仪与贝克曼梁检测之间的相关关系，并将自动弯沉车或落锤式弯沉仪测得的弯沉值换算为贝克曼梁的弯沉值，再计算路段的代表弯沉值。用自动弯沉车或落锤式弯沉仪测定路表弯沉时，应按5m的间距等距离布设测点。