（道路与铁道工程专业论文）基于FWD的沥青路面反算模量修正系数研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：昧固橡 日期： 沙1 1 年午月7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复 制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：调书习栋 指导教师签名 日期：z 口1 1 年年月f 1 日嘲年 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系列数据库 中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 学位论文作者签名：谢固杯 日期：加c f 年午月? 7 日 指导教师签名： 日寥切年 摘要 随着落锤式弯沉仪( f w d ) 检测设备的普及应用，路面各结构层参数( 模量值) 的 反分析问题已经成为了路面结构性能评价中最为关键的技术之一。当前，国内外 对之进行了深入研究，认为由弯沉盆反算所得的模量值，并不等于在试验室通过 动态模量测试而得到的动态模量值，对于二者之间的差异，应对反算模量建立系 数进行校正，以便可以通过f w d 无损检测准确评价道路各结构层强度。 本文依托交通运输部西部交通建设科技项目基于多指标的沥青路面结构设 计方法研究，对不同结构的试验路段进行弯沉测试、材料动态模量测试、比较分 析等技术手段为研究基础，建立了不同结构层材料室内测试或预估模量值与反算 模量之间修正系数。并以京津唐高速公路、长深高速公路滨州至大高段为实体工 程对所得结论进行验证。 对于反算程序的选取，通过对比分析，认为反算程序s i d m o d 对各种路面结 构的反算分析结果较好。通过长期对试验路段进行f w d 弯沉测试，并对反算结果 进行比较分析，总结出反算模量的规律以及主要影响因素；另通过s p t 试验机以 单轴压缩的方法对沥青混合料及水泥稳定碎石的动态模量进行测试，以查取经验 值的方法确定粒料材料的回弹模量，以物性参数测试预估的方法得出土基材料的 回弹模量。将各材料试验室模量与反算模量进行比较，得出模量修正系数。 因沥青混合料是感温性材料，本研究建立了反算模量修正系数与温度的关系 式，以便不同温度下，可以进行较为准确的换算；综合研究结果水泥稳定碎石材 料、粒料材料、土基材料的反算模量修正系数分别为：0 8 5 ，0 5 9 - 4 ) 7 6 ，0 3 4 4 ) 4 8 。 通过对实体旧路依托工程测试分析，对所得模量修正系数进行了验证，认为 在路面无明显破损病害的情况下，以上反算模量修正系数皆能成立。 关键词：落锤式弯沉仪；无损检测；反算程序；动态模量；复合模量；反算模量 修正系数 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no ff a l l i n gw e i g h td e f l e e t o m e t e r , t h eb a c k a n a l y s i s p r o b l e mo fp a v e m e n t 咖c t u r el a y e rm o d u l o u sh a sb e e na l lc r i t i c a lt e c h n o l o g yt o e v a l u a t et h es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c eo f p a v e m e n t a tp r e s e n t ，s c h o l a r sb o t l la b r o a da n da t h o m eh a v ep e r f o r m e dd e 印r e s e a r c h e so nb a c k a n a l y s i so fs t m c t u r el a y e rm o d u l u sb a s e d o nf w dt e s t s c h o l a r sd i s c o v e r e dt h a tt h em o d u l uf r o md e f l e c t i o nb a s i nb a c k c a l c u l a t e d w a su n e q u a lt ot h em o d u l u st e s t e di nl a b o r a t o r y ，f o rt h e s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w o m o d u l u s ，b a c k c a l c u l a t e dm o d u l u sc o r r e c t i o nc o e f f i c i e n ts h u o l db ee s t a b l i s h e di no r d e r t oe v a l u a t et h es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c eo fp a v e m e n ta c c u r a t e l yb yf w dt e s t t h i sd i s s e r t a t i o ns u p p o r t e db yt h eo ft r a f f i cc o n s t r u c t i o na n ds c i e n c ep r o j e c t sf o r w e s tf r o mm i n i s t r yo ft r a n s p o r t ：e s e a r c ho nd e s i g nm e t h o do fa s p h a l tp a v e m e n t s t r u c t u r e sb a s e do nm u l t i p l e - t a r g e t ，o nt h eb a s eo fd o n ef w dt e s to np a v e m e n tw i t h d i f f e r e n ts t r u c t u r e ，d y n a m i cm o d u l u st e s tf o rd i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dc o m p a r ea n d a n a l y s i st h er e s u l t s ，t h e ne s t a b l i s h e db a c k c a l c u l a t e dm o d u l u sc o r r e c t i o nc o e f f i c i e n t c h a n g - s h e nf r e e w a ya n dj i n g - j i n - t a n gf r e e w a ye n g i n e e r i n gp r o v e dt h ec o n c l u s i o n f o rt h es e l e c t i o no fb a c k c a l c u l a t i o ns o f t w a r e ，s i d m o di sa v a i l a b l eb yc o m p a r e t h eb a c k c a l c u l a t e dr e s u l t ；t h el a wa n dm a i ni n f u e n t i a lf a c t o rh a db e e ns u m m a r i z e db y l o n g - t e r mf w d t e s tf o rt e s ts e c t i o n sa n db a c k c a l c u l a t i o n ；g o tt h ed y n a m i cm o d u l u so f a s p h a l tc o n c r e t ea n dc e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n eb ys p tt e s t ，g o tt h er e s i l i e n t m o d u l u so fg r a n u l a rm a t e r i a lb yp i c ku pf r o me x p e r i e n c ev a l u ea n de s t i m a t er e s i l i e n t m o d u l u sf o r s u b g r a d e s o i l s b yp h y s i c a lp a r a m e t e r s t h e n o b t a i nt h ec o r r e c t i o n c o e f f i c i e n tb yc o m p a r et h et w om o d u l u s f o rt h et e m p e r a t u r es u s c e p t i b i l i t yo fa s p h a l tc o n c r e t e ，t h eb a c k c a l c u l a t e dm o d u l u s c o r r e c t i o nc o e f f i c i e n t sa r ee q u a t i o nc o n t a i ntf o rt r a n s f o r mt h eb a c k c a l c u l a t e dr e s u l t st o m o d u l u st e s ti nl a b o r a t o r y ，t h ec o r r e c t i o nc o e f f i c i e n t sf o rc e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e d s t o n e ，g r a n u l a rm a t e r i a l ，s u b g r a d es o i l sa r e0 8 5 ，o 5 9 - 4 ) 7 6 ，0 3 私旬4 8 c h a n g s h e nf r e e w a ya n dj i n g - j i n - t a n gf r e e w a ye n g i n e e r i n gp r o v e dt h ec o m p a r e c o n c l u s i o n ，a n dt h eb a c k c a l c u l a t e dm o d u l u sc o r r e c t i o nc o e f f i c i e n ta r ea v a i l a b ew h e n t h e r ea r en od a m a g ee v i d e n t l y k e yw o r d s ： f a l l i n gw e i g h td e f l e c t o m e t e r ；n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ；b a c k c a l c u l a t i o n s o r w a r e ；d y n a m i cm o d u l u s ；c o m p o s i t em o d u l u s ；b a c k c a l c u l a t e d m o d u l u sc o r r e c t i o nc o e f f i c i e n t 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 路面结构承载能力的评价方法2 1 2 2 路基路面结构层模量反算4 1 2 3 试验室测试模量与反算模量对比研究7 1 3 研究内容及技术路线：8 1 3 1 研究内容8 1 3 2 技术路线9 第二章反算程序的选取1 0 2 1 反算程序的比选l o 2 2 反算程序的验证1 3 2 3 本章小结1 5 第三章道路各结构层模量反算1 6 3 1 试验路介绍1 6 3 1 1 试验路结构1 6 3 1 2 材料选取1 6 3 1 3 路面结构层厚度测试2 0 3 2 弯沉盆数据采集2 3 3 3 模量反算2 5 3 3 1 各结构层模量反算2 5 3 3 2 反算模量规律性分析3 0 3 4 反算模量影响因素分析3 2 3 5 本章小结3 3 第四章道路各结构层材料动态模量3 4 4 1 沥青混合料动态模量3 4 4 1 1 试件制作3 5 4 1 2 动态模量测试3 6 4 1 3 复合模量计算4 3 4 2 水稳碎石动态模量4 9 4 2 1 试验方法选取4 9 4 2 2 试件制作及动态模量测试结果5 0 4 2 3 复合模量计算5 1 4 3 级配碎石及土基材料动回弹模量5 2 4 3 1 级配碎石层动回弹模量值的查取5 2 4 3 2 土基材料动弹模量预估5 2 4 4 本章小结5 5 第五章模量修正系数k 的确定5 6 5 1 沥青层模量修正系数k 5 6 5 1 1 试验路段不同温度下沥青层模量反算5 6 5 1 2 模量修正系数k 回归分析5 9 5 2 水泥稳定碎石材料模量修正系数6 1 5 2 1 水泥稳定碎石反算模量6 2 5 2 2 水泥稳定碎石模量修正系数6 2 5 3 级配碎石材料模量修正系数6 3 5 3 1 级配碎石反算模量6 3 5 3 2 级配碎石模量修正系数6 4 5 4 土基材料模量修正系数6 5 5 4 1 各种土基材料的反算模量。6 5 5 4 2 各种土基材料模量修正系数6 5 5 5 本章小结6 7 第六章模量修正系数k 的验证6 8 6 1 新旧道路差异性比较6 8 6 2 模量修正系数验证6 9 6 2 1 沥青层模量修正系数验证6 9 6 2 2 半刚性基层模量修正系数验证7 3 6 2 3 土基模量修正系数验证7 6 6 3 本章小结7 8 第七章结论与展望7 9 7 1 主要研究结论7 9 7 2 有待进一步研究的问题8 0 致谢8 l 参考文献8 2 在学期间发表的论著及取得的科研成果8 7 ； j 第一章绪论 1 1 1 研究背景 第一章绪论 近二十年来，我国公路建设发展迅猛，在国民经济发展中的作用越来越突出。 “十一五”末，我国公路总里程达3 9 5 万公里，其中高速公路达7 3 万公路，新建公 路增加的同时，原有公路的养护及维修的任务也在不断地增加，而路基路面结构 性能评价又是原有路面维修、养护、加铺的前提和基础工作。 评价路基路面结构强度最直接的方式是在路面结构上直接进行钻芯取样，之 后在实验室进行各项试验，如测试路面各结构层材料的强度和模量值等，此种方 法不仅费时耗材，而且由于钻芯取样属于破坏性试验，钻芯后所留的坑洞不易修 补，影响了路面整体的结构强度及完整性，并造成路面的服务性能降低。相对地， 无损检测通过量测路表最大弯沉或利用弯沉盆来反演现场结构层材料的模量，据 此进行路面结构的力学行为分析。由于非破损测试具有维持现有铺面完整且测试 迅速等特点，目前已成为评价路基路面结构性能的主流方法。 进行路基路面结果性能评价的核心任务就是准确合理地估算原有路基路面结 构层的模量参数并进行结构承载能力的评价分析。路基路面结构层的模量反分析 问题一直以来都是国内外研究的重点，特别是随着f w d 弯沉测试设备的逐渐普 及，基于f w d 测试的既有路基路面结构参数的反演技术已经成为路面结构性能评 价分析中最为关键的技术之一。目前，国内外学者对反算方法及反算软件进行了 广泛的研究，并取得了大量研究成果，为评价路基路面的结构强度提供了技术基 础。但是原有的研究成果尚需改进及深入研究，主要体现在： 反算方法及反算软件的正确选取对路基路面各结构层模量反算结果的准 确性与精度都有较大影响。由于不同反算方法的理论依据以及相同反算方法的收 敛精度不同，致使反算结果也不完全相同，所以通过比较来选取较为适用的反算 方法及软件是非常有必要的。 通过f w d 所测试的弯沉盆来反算路基路面结构层的模量是一个非常复 杂而困难的问题，由于理论与实际情况的差别，所以不管是采用线性或非线性还 是考虑静载或动载等力学分析模型计算路面结构的弯沉，都会与道路的实际状况 有所差别，以至于通过反算软件将路表弯沉反算得到的路面各层结构的模量值并 不等于试验室内通过试验测试而得到的模量值。在a a s h t o2 0 0 2 力学经验法路 面设计指南中给出了不同位置处土基、粒料材料的模量修正系数，但国内尚未有 专家学者系统地提出路面各层反算值修正系数。 2 第一章绪论 与新建道路相比，旧路在各结构层上出现了不同情况的变化，特别是承 重层的破坏对路面结构承载能力的降低起着较为重要的影响，并且通过f w d 弯沉 测试并反算所得各结构层的模量值变异性很大，也使确定判断路面各结构层的强 度存在较大困难。 本文在借鉴国内外相关研究成果，吸收各地成功经验的基础上，以室内、室 外试验路段为依托，对多种结构的路面进行了f w d 弯沉测试，试验路材料动弹模 量、物性参数测试，通过理论研究、数值计算、对比分析，对路基路面不同结构 层的反算模量予以修正并对旧沥青路面的承载能力评定作了研究，研究成果以期 为f w d 弯沉测试设备来准确评定沥青路面承载能力，建立力学一经验的加铺层结 构设计方法提供设计参数。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 路面结构承载能力的评价方法 路面结构承载能力是指路面结构抵抗外部荷载及环境因素作用，保持自身状 况完好的能力【l l 。通常可描述为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，或者还能使用的年限。承载能力是路面服务能力的基础，它与路 面的损坏状况有内在联系。 路面结构承载能力评价测试方法通常包括破损性测试和非破损性测试两种。 破损性测试是直接在路面上进行钻心取样，之后在室内对钻取芯样进行回弹模量、 劈裂强度等参数测试，用以计算各项评价指标( 弯沉、应力和应变) ，以进行路面结 构承载能力的评价分析。 对于路面结构承载能力评估所使用的非破损试验方式，按照荷载施加方式的 不同，可分为四大类：静力弯沉测试( s t a t i cd e f l e c t i o nv e s t ) 、稳态动力弯沉测试 ( s t e a d y s t a t ed y n a m i cd e f l e c t i o nt e s t ) 、脉冲动力弯沉测试( i m p a c td y n a m i c d e f l e c t i o nt e s t ) 和波传递式测试( w a v ep r o p a g a t i o nt e s t ) 。 静力弯沉测试仪以梁式静力弯沉仪( b e n k e l m e nb e a m ) 和自动弯沉仪( 如拉克鲁 瓦弯沉仪) 为代表，主要是用来测定路面结构在静态荷载或低速行驶荷载作用下的 最大弯沉( 总弯沉或回弹弯沉) ，测试设备见图1 1 和图1 。2 。 第一章绪论 3 图1 1 贝克曼梁弯沉仪 f i g u r e1 1b e n k e l m a nb e a md e f l e c t o m e t e r 图1 2 自动弯沉仪 f i g u r e1 2a u t od e f l e c t o m e t e r 稳态动力弯沉仪以路面评估仪( r o a dr a t e r ) 和动力弯沉仪( d y n a f l e c t ) 最为常见， 其测试原理是以一定方式给路面施加正弦振动荷载，由分布于路表的一组传感器 获取此稳态荷载作用下的弯沉盆信息。 脉冲动力弯沉仪以落锤式弯沉仪( f a l l i n gw e i g h td e f l e c t o m e t e r ) 为代表，利用动 荷载发生器对路面施加周期性荷载，由分布于路表的一组传感器采集弯沉盆信息， 代表型测试设备见图1 3 ，加荷原理见图1 4 。 图1 3d y n a t e s t8 0 0 0 型落锤式弯沉仪 f i g u r e l 3f w d o fd y n a t e s t8 0 0 0 图1 4 f w d 加荷原理 f i g u r e 1 4f w d l o a d i n gp r i n c i p l e 波传递式测试( s a s w ) 是近年发展起来的一种无损检测方法，s a s w 测试包括 瑞利波波速的测量，通过这些信息绘制波速相对频率的弥散曲线。通过理论弥散 曲线和试验弥散曲线的比较，确定结构层厚度和模量。s a s w 法有测试快、费用 低以及对原结构无破损等特点，因此越来越被工程界重视。 各种非破损性试验测定方法的综合比较分析，见表1 1 。由此可见，f w d 弯 沉检测设备以其高速、可靠、以及信息量丰富等特点，使得充分利用各结构层模 量反演分析结果的路面结构承载能力无损评价方法得以实现，且已成为国际上研 究与应用推广的重要内容。 4 第一章绪论 表1 1 常见非破损测试方法比较2 1 t a b l e l 1c o m p a r i s o no f 4c o m m o nm e t h o d so f n o n d e s t r u c t i v et e s t 国内外使用 荷重施加方式代表仪器优点 缺点 情况 1 移动性差 梁式弯沉仪 1 设备简便、价格低2 施测参考点难定，准确性不 静态弯沉测试2 分析理论完备稳定 国内外使用 自动弯沉仪普遍 3 人工测试，试验缓慢 4 无法获得挠度曲线 1 施测不需移动参考 1 部分机型有荷重上限 点国外使用普 2 低荷重频率之准度差 2 移动性良好遍 路面评估仪3 荷重形状不均匀 国内曾引进3 准度及重现性佳 4 某些频率会有共振问题 4 操作简单迅速使用 5 无法量测塑性变形 稳态动力弯沉 5 可得挠度曲线 测试 1 施测不需移动参1 某一频率与荷重和现实不 考点符国外使用普 2 移动性良好2 。低荷重频率之准度差 遍 动力弯沉仪 3 准度及重现性佳3 荷重形状不均匀国内已引进 4 操作简单迅速4 某些频率会有共振问题使用 5 可得挠度曲线5 无法量测塑性变形 1 模拟移动荷重国外使用普 脉冲动力弯沉落锤式弯沉2 荷重范围大1 低频测试准确度不佳遍 测试 仪 3 适用范围大 2 无法量测塑性变形 国内已引进 4 试验重现性佳 使用 可直接量测模量国内外使用 波传递式测试测试原理复杂 和厚度初期 1 2 2 路基路面结构层模量反算 从f w d 实测动态弯沉盆入手，通过力学与数学手段对路基路面各结构层的模 量进行反算，从而为维修、养护提供设计参数，是应用f w d 评价道路承载能力的 主要目标之一。国内外结构层模量反算的代表性研究分析结果如下： 第一章绪论 5 美国在模量反算方面进行了大量的研究，美国德州运输学院的e h s c r i v n e r ( 1 9 6 8 ) 等人根据伯米斯特双层体系解，采用分析法首次提出了f w d 弯沉盆 反算模量的方法，并编制了反算的诺漠图【3 】。t r e i b i g 和w i s e m a n ( 1 9 7 7 ) 采用多元分 析的方法求出弯沉或弯沉盆特征参数与模量和厚度的关系式，将实测弯沉或者弯 沉盆带入关系式便可评定路面各结构层的刚度参数【4 】。丹麦工程大学的u l l i d t z 等 人( 1 9 7 8 ) 根据o d e m a r k n 的假设，采用当量层的方法反算路面模量【5 】。德州运输 学院的l y t t o nr l 等人( 1 9 7 9 ) 采用当量层方法提出了具有刚性下卧层的模量反算， 并编s d - j 反算程序 6 1 。h o f f m a n 等人( 19 8 2 ) 建立了考虑路面材料非线性的模量反算 方法【_ 7 1 。基于图表和回归公式法已无法满足f w d 大规模的数据处理要求，逐渐被 淘汰。相应的多种基于汉克尔积分变换与有限元方法的弹性层状体系解的计算机 程序得到开发，由此，多个模量反算程序也得到发展。1 9 8 0 年华盛顿州交通厅开 发了b i s d e f 和c h e v d e f ，此后陆续出现m o d c o m p ( i r w i n ，1 9 8 3 ) 、 e l s d e f ( 19 8 5 ) ，e v e r c a l c ( 19 8 9 ) ，w e s d e f ( 19 8 9 ) ，c o m p d e f ( 19 8 9 ) ， p a d a l ( 1 9 9 3 ) 等，这些程序都是基于多层弹性理论体系的迭代方法。1 9 8 8 年德州 交通厅的u z a h 等人开发了基于数据库搜索法的m o d u l u s 程序【8 9 1 。 2 0 世纪8 0 年代后期掀起了人工神经网络理论( a n n ：a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ) 的研究热潮，遗传算法( g a ：g e n e t i ca l g o i r t h m ) 也随之有着飞速发展和应 用，2 0 世纪9 0 年代这两种理论也被引入解决模量反算问题。加拿大的k h a z a n o v i c h l 等人( 1 9 9 7 ) 以温克勒地基模型开发了基于神经网络反算模量的d i p l o b a c k 程 序【l o 1 1 12 1 。新加坡国立大学教授f w at f 等人( 1 9 9 7 ) 采用遗传算法研究了模量反 算问题，并开发了反算程序n u s g a b a c k t l 3 】，同年，日本学者h i m e n ok 等人也 对遗传算法反算模量进行了研列1 4 】。 中国于2 0 世纪8 0 年代后期从国外开始引进f w d ，在路面模量反算方面的研 究起步较晚，唐伯明( 1 9 9 0 ) 基于理论分析和试算迭代相结合，提出了有效避免反演 结果不唯一的改进连续迭代法【l5 1 。倪富健等人( 1 9 9 4 ) 基于弹性层状体系理论，以弯 沉数据库和优化法相结合的方法，编制了模量反算程序d m b m l l 6 1 。黄晓明( 1 9 9 6 ) 在用实测弯沉盆反算路面结构各层模量中，首次使用了均方根误差最小的目标函 数，从而将实测弯沉盆反算模量的过程归结为一个最优化的过程【1 7 】。王复明( 1 9 9 6 ) 基于模式识别技术进行了路面各结构层模量的反分析，并编制了s i d m o d i 墙】。郝 大力( 2 0 0 0 ) 运用基于概率的均匀设计方法思想，基于弹性层状理论体系对各种结构 组合的路面进行了动力有限元模型求解，同时运用神经网络原理技术开展了路面 结构反分析研刭。交通部公路所的王旭东采用了变尺度法( d f p ) t 1 9 1 。查旭东( 2 0 0 1 ) 采用了同伦方法进行了路面结构参数的反分析，认为其可以克服遗传算法和神经 网络在模量反算中的不足 2 0 l 。姬亦t ( 2 0 0 2 ) 提出分析空间层状路面动力时域响应的 6 第一章绪论 样条半解析法，在此基础上，针对落锤式弯沉仪( f w d ) 的动力荷载的时程曲线，建 立了路面材料性能时域反演的加速收敛算法【2 1 1 。谢辉等( 2 0 0 7 ) 利用弯沉盆参数和人 工神经网络方法来处理f w d ( 落锤弯沉仪) 的测量结果用于结构层模量的评估【勿。 当前国际上进行结构层模量反演分析的方法主要为迭代方法与数据库搜索 法，表1 2 给出了当前对路基路面结构层进行反演分析的代表程序。可以看出，除 m o d u l u s 之外，均采用迭代反算方法；反算程序多以层间完全连续的弹性层状 体系模型为基础，部分程序考虑了土基以及粒料层的非线性；荷载形式基本上采 用静力荷载；程序中一般需要给定模量初始值及反演模量取值范围；收敛标准采 用绝对误差平方和及相对误差平方和两种【2 玉2 4 1 。 表1 2 路面结构层模量反算程序汇总 t a b l e1 2s u m m a r yo fb a c k c a l c u l a t i o ns o f t w a r ef o rp a v e m e n ts t r u c t u r e 反算方法软件名称初始模量模量范围收敛标准 b i s d e f 需要需要绝对误差平方和 b o u s d e f 需要需要百分误差和 c h e v d e f 需要 需要 绝对误差平方和 e l m o d不需要不需要相对或绝对均方差 e v e r c a l c 需要需要绝对误差和 w e s d e r 需要 需要绝对误差 e l s d e f需要需要绝对误差平方和 迭代法 m f p d s 需要需要相对均差平方和 m l c h b a k 需要需要相对均差平方和 p a d a l需要需要 相对均差平方和 f r e d d i需要需要绝对误差和 i s s e m 4 需要需要各弯沉相对误差 m o d c o m 咿3需要 需要 各弯沉相对误差 s i d m o d需要需要模量变化率 m o d u l u s 需要需要相对误差平方和 数据库搜索法 c o m d e f 需要需要相对误差平方和 a n o 不需要不需要b p 网络输入输出关系 人工神经网络法 d i p l o b a c k 不需要不需要b p 网络输入输出关系 遗传算法 n u s - g a b a c k 不需要需要相对均差和 第一章绪论 7 1 2 3 试验室测试模量与反算模量对比研究 由于道路结构性能与理论情况的差异，使得由f w d 测试弯沉盆反算得到的模 量值与试验室测试得到的模量值并不吻合，而设计规范中所采用的路面材料的模 量值为试验室测试所得，为更好的通过弯沉盆反算与维修、加铺设计相联系，国 内外诸多学者对反算模量与试验室测试模量做了对比，代表性的研究分析结论如 下： b o n a q u i s t ( 1 9 8 6 ) 采用贝克曼梁、探地雷达、f w d 三种仪器进行野外测量与室 内模量试验结果进行对比，认为使用不同的弯沉测量设备都可以得到可靠的模量 预测i 2 5 j 。a l i 和k h o s l a ( 1 9 8 7 ) 在北卡洛来纳州选择3 种路面结构进行室内外动模量 的对比，认为土基室内外动态模量的比值范围较大，为0 1 8 2 4 4 【2 副。同年， n e w c o m b 在华盛顿州选择几种路面结构进行室内外动模量的对比，得出结论是： 对于沥青混凝土室内外动模量比值为0 3 o 4 ：土基为0 8 1 3 t 2 1 7 1 。s w l e e ， j e m a h o n e y 和n c j a c k s o n ( 1 9 8 8 ) 对比路面各结构层f w d 反算模量与试验室模量， 认为无论是基层和土基还是沥青层的变异性很大，但对于存在着大量裂缝的路面 结构，这种变异性大是可以预料的。由于实验室方法的取样具有扰动性，并不能 反映路面结构层的真实模量，所以在反算模量与实验室模量之间的验证并不是一 种真实的验证【2 引。j o ep m a h o n e y ( 1 9 8 9 ) 通过对不同温度下的沥青混合料进行试验 测试模量与现场f w d 测试反算值作对比，得到二者之间的修正因子 2 9 1 。w i l l i a m m h o u s t o n ( 1 9 9 2 ) 通过相关性的试验及测试，认为室内外动态模量的相关性较差， 其相关系数一般只有0 0 0 1 0 2 4 ，对于沥青混凝土，室内试验模量值一般是反算 值的3 倍，对于路基土，反算值是室内试验值的1 5 倍【3 0 】。a a s h t o1 9 9 3 路面设 。计指南中给出路基的反演模量是静模量的3 倍【3 l 】。f h w a ( 1 9 9 4 ) 通过研究认为沥青 的反演模量约为室内模量的2 倍以上1 3 2 】。v o nq u i n t u s ( 1 9 9 7 ) 通过实验室测试和弯沉 盆反算，得到了不同温度下沥青混凝土材料的二者比值【3 引。z h o u ，h ( 2 0 0 0 ) 认为通 过弯沉盆反算所得的模量值与实验室测试模量值二者的比较结果规律性较差【3 4 。 a a s h t o2 0 0 2 力学经验法路面设计指南中给出土基材料与级配碎石材料不同位 置处试验室测试模量与f w d 反算模量的比值【3 5 】。b e t a n y u ，w h k i m ( 2 0 0 3 ) 通过对 比土基材料的反算模量值与试验室测试模量值，得出受应变大小影响较大的粗粒 料反演模量为室内模量测试值的1 5 4 0 倍的结论【3 6 1 。g e d a f a ( 2 0 0 8 ) 认为对于沥青 混合料来讲，试验室测试模量值与f w d 反算模量值之间的比值随着温度的变化而 变化1 3 7 1 。d e r e ky i n ( 2 0 0 9 ) 通过对比，认为在不同的温度下，二者之间的比值都在l 附近【3 8 1 。 国内对试验室测试模量值与反算模量值的对比研究也展开了不少研究，这对 8 第一章绪论 进一步的深入研究起了很大的推动作用。王旭东( 2 0 0 0 ) 通过试验测试认为：反算模 量和室内动模量存在良好关系；并认为结构层设计动态模量的取值以室内动态试 验结果为基础的同时，也可参照反算模量。但是他没有建立相关的关系式【3 9 1 。温 建源( 2 0 0 1 ) 利用人工神经网络对弯沉盆数据进行反算，得出路基路面各结构层的反 算模量值，室内对路基路面材料的试验测试过程中，沥青混合料采用2 5 下的测 试值，而土基材料与级配碎石材料的室内试验分析中考虑了两种材料的非线性， 通过将反算模量与室内测试模量进行对比，得出二者之间的比例系数 4 0 l 。温玲君 ( 2 0 0 3 ) 通过沥青路面结构应力应变状态分析的方法，认为室外由f w d 反算所得的 动模量与室内试验的动模量之间并没有必然的联系，相关性较差【4 1 1 。同年，曾胜 在博士论文中通过f w d 在路基施工检测及相关的对比研究试验，得出结论为：动 态模量和静态模量之间存在良好的相关性，且随着刚性层的深度变化而变化，在 一定的深度内趋向稳定【4 2 j 。职雨风( 2 0 0 5 ) 通过f w d 测试反算了路基路面各结构层 的模量值，并对道路上的原始取样做了动态模量试验，通过分析，认为沥青面层、 基层的反算模量基本处于室内动态模量取值范围内，而土基反算模量偏小，反算 的动态模量变异性较大( 远远大于实测弯沉的变异性) ，土基模量变异性最小，面层 模量变异性较高，基层模量的变异性最大；沥青材料的室内外动态模量由于受到 试验条件、受力状态等因素影响，其关系非常复杂。原始的芯样动态模量与反算 模量相关性很小1 4 引。费飞，孔永健( 2 0 0 7 ) 基于f w d 的力学经验方法对二者的关系 进行了相关研究，认为需开展大量的关于材料参数的动模量研究，做室内与室外 动模量以及动模量与静模量的相关关系研究】。邱欣( 2 0 0 9 ) 从模量反演分析模型与 路面实际工作状态存在偏差为出发点，从温度、层间接触状态以及应力一湿度耦 合状态三个角度，分别提出了面层模量、基层模量以及路基模量反演结果的校正 方法，进而为准确评价既有路基路面各结构层的性能状况提供了依据【4 5 1 。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 为了有效利用f w d 无损检测设备对现有道路准确的进行结构性能评价，进而 在实体工程中可以推广利用，本文通过铺筑试验路段，筑路材料物性参数测试、 动态模量测试，f w d 弯沉测试，模量反算，对比分析，数值计算，归纳总结等技 术手段，对以下几个方面展开系统的研究。 利用落锤式弯沉仪( f w d ) 对多种路面结构的试验路段进行弯沉测试，对测 试结果进行反算，得出各结构层的反算模量，并分析不同材料结构层的反算模量 第一章绪论 9 的变化规律及影响因素。 对试验路材料的模量值进行室内试验或者预估，得出试验路材料的室内 动弹模量值，并分析影响动弹模量值大小的主要因素。 将反算模量与试验室测试模量或者预估模量进行综合比较分析，得出二 者之比值，即反算模量修正系数。 1 3 2 技术路线 根据拟定的研究内容，本文的研究思路及技术路线，如图1 5 所示。 图1 5 技术路线流程图 f i g u r e l 5f l a w c h a r to f t e c l m i e a lr o u t e 1 0 第二章反算程序的选取 第二章反算程序的选取 对f w d 的检测结果进行模量的反算是一个复杂的逆解析问题，无论是采用线 性或者非线性，动荷载或者静荷载的的力学分析模型来反算路面结构的弯沉盆， 整个反算过程都可以非线性最优化的问题，也就是说如何采用有效地最优化方法 和数据处理方法来寻找最佳的路面结构力学参数组合。 美国战略性公路研究计划路面长期使用性能研究项目( s h r p l t p p ) 曾组织专 题对基于f w d 弯沉盆数据反算路面结构层模量的部分软件进行过较为系统的分 析考评。并最终选用m o d u l u s 作为f w d 数据分析的基本软件 4 6 1 。根据l t p p 计划中对反算程序的考察表明，m o d u l u s 程序反算的结果稳定性与精度都是最 好的，是f w d 模量反算的首选程序。由于反算程序m o d u l u s 采用的是数据库 搜索法，而我国缺少相应的路面弯沉数据库，所以没有条件使用。 以迭代法为基础的模量反算方法涉及到数学上的适定性问题，除了力学模型 的影响外，反算时所用的模量调整算法可以说是影响反算结果的主要因素。由于 模量调整方程本身存在“病态”问题，造成计算弯沉与实测弯沉之间的微小误差有可 能导致模量的调整量高一个量级以上。正是由于这个原因，以迭代法为基础的反 算方法大多数都存在初始模量选取的问题，初始模量选取不当，有可能导致反算 过程不稳定或收敛结果不唯一。所以不同的使用者使用同一反算软件会得到不同 的反算结果。目前很多软件已经对该问题给予了关注，也从不同程度上对该问题 做了一些处理，河南省道路检测工程技术中心研制开发的路面结构层模量反算软 s i d m o d 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，克服了一般迭代法的缺点，有效地解决了路面结构反分析的“病态”问题，并且 反演过程稳定1 4 7 j 。 2 1 反算程序的比选 鉴于美国战略性公路研究计划路面长期使用性能研究项目最终选定 m o d u l u s 为f w d 数据分析的基本软件，本节将对同样的弯沉盆数据分别采用 m o d u l u s 和s i d m o d 两种反算程序进行反算，并比较反算结果的差异程度。对 结构为15 c m a c + 4 0 c m c t b + 1 4 5 c m s g + 刚性下卧层的路面结构进