（道路与铁道工程专业论文）基于落锤式弯沉仪数据反演的碎石化路面沥青加铺层结构特征分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 碎石化( r u b b l i z a t i o n ) 是一种旧水泥混凝土路面破碎处治技术，它不仅采用破碎 技术使旧有的混凝土路面得到一定程度的利用，作为加铺面层后路面结构的基层或垫 层，具有较高的承载能力，同时防治反射裂缝有很好效果。目前碎石化技术在国外已 经有2 0 多年的发展历史，而国内在这一领域还处于引进、试验研究的阶段。根据国外 使用经验，碎石化层的模量是a a s h t o 加铺沥青罩面设计时的决定性因素，其值必须 通过现场实测。落锤式弯沉仪( f w d ) 作为高效的弯沉检测设备，测速快，精度高， 并较好地模拟了行车荷载的动力作用，特别是f w d 能够准确测定多点弯沉盆，可以通 过路表检测弯沉盆反演的方法得到路面各结构层的模量值，这比使用承载板法测定模 量值要便捷、快速，而且经过近3 0 年的研究，反演的模量精度往往能够达到工程标准。 基于此，本文利用f w d 设备对碎石化工程进行检测，对碎石化工程实施的各阶段 进行模量反演，通过反演结果对工程质量进行评定，并以反演碎石层模量值为加铺层 设计提供参考资料，主要成果包括： 本文针对不同的路面材料，分别采用线弹性、体应力模型和双线性模型，并采用 拟静力建立路面结构分析的有限元模型，在此基础上加入优化算法，作为反演程序。 基于非线性有线元的反演研究表明，在路表进行f w d 检测时，路基内的应力通常很小， 非线性性质的表现不明显；而对碎石化层的反演表明，该层非线性性质较为明显，荷 载作用半径范围内的模量均值远大于其作用半径以外的模量均值，如假定其为线弹性 层，则反演的结果可以看成是荷载作用半径范围内一定深度模量的均值；非线性反演 与线性反演比较，非线性反演并不能显著提高反演精度，建议在大规模反演时采用线 弹性模型；通过对成绵高速碎石化工程现场检测数据的反演表明，碎石化层的模量值 与级配碎石相当，作为加铺沥青罩面后的基层具有足够的承载力；采用拟静力反演的 模量结果应该进行修正，根据本文反演结果建议水泥混凝土取1 5 ，水泥稳定碎石基层 取2 0 ，碎石化层取1 2 5 1 4 ，土基取3 0 ；建议在检测数据的变异系数小于0 3 时按平 均值进行反演，而当变异系数大于o 3 时逐桩反演。 关键词：碎石化；落锤式弯沉仪f w d ；模量反演；非线性；加铺层设计； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t r u b b l i z a t i o ni so n eo fo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tr e h a b i l i t a t i o nt e c h n i q u e s t h i s m e t h o dn o to n l yb r e a k sf o r m e ro l dp c c ，t h eb r o k e nl a y e rs e r v i n ga sb a s ec o u r s el a y e ro r s u b b a s el a y e ri no v e r l a yp a v e m e n th a sh i 曲b e a r i n gc a p a c i t y , b u ta l s oh a sg o o de f f e c tt o p r e v e n tr e f l e c t i o nc r a c k s r u b b l i z a t i o nh a sd e v e l o p e d f o rm o r et h a nt w e n t yy e a r si nf o r e i g n c o u n t r i e s ，i nt h ed o m e s t i cw es t i l ll o c a t ei n t r o d u c i n ga n dt e s t i n gp h a s ei nt h i sf i e l d b a s eo n f o r e i g ne n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ，t h em o d u l u so fr u b b l i z e dp c ci st h ed e c i d i n gf a c t o ri n a a s h t og u i d ef o ra co v e r l a yd e s i g n ，t h i sm o d u l u sm u s tb et e s t e do nf i e l d f a l l i n gw e i g h t d e f l e c t o m e t e r ( f w d ) a sh i g he f f i c i e n c ys u r f a c ed e f l e c t i o nt e s t i n ge q u i p m e n t ，s i m u l a t e v e h i c l ed y n a m i cl o a dp e r f e c t l ya n dm e a s u r et h ed e f l e c t i o nb a s i ne x a c t l y u s i n gd e f l e c t i o n b a s i nb a c k c a l c u l a t i o nm o d u l u si sm o r ec o n v e n i e n tt h a nb e a r i n gp l a t et e s t ，a n dt h r o u g ha b o u t t 1 1 i n ) ry e a r s r e s e a r c h ，t h er e s u l to fm o d u l u sa l m o s tf i tt h ee n g i n e e r i n gs t a n d a r d i nv i e wo ft h i s ，u s i n gf w de q u i p m e n tt e s tr u b b l i z a t i o ne n g i n e e r i n ga n db a c k c a l u l a t e m o d u l u so fe v e r ys t a g eo fr u b b l i z a t i o n ，t h r o u g ht h em o d u l u sr e s u l te v a l u a t et h eq u a l i t yo f e n g i n e e r i n ga n ds u p p l yr e f e r e n c ed a t at o a co v e r l a yd e s i g n 1 1 1 em a i n l yc o n c l u s i o n c o n t a i n s ： t o w a r dd i f f e r e n tp a v e m e n tm a t e r i a l ，u s i n gl i n e a rm o d u l u s ，s p h e r i c a ls t r e s sc o r r e l a t i o n m o d u l u sa n dd e v i a t o rs t r e s sc o r r e l a t i o n1 m o d u l u sb u i l dn u m e r i c a ls i m u l a t em o d e l a d d o p t i m i z a t i o na r i t h m e t i c i nt h i sm o d e la c ta st h eb a c k c a l c u l a t i o np r o g r a m n o n l i n e a r b a c k c a l c u l a t i o nr e s e a r c hi n d i c a t e t h a tw h e nd e t e c ta tp a v e m e n ts u r f a c e ，t h es t r e s si n s u b g r a d eu s u a l l ys m a l l ，t h en o n l i n e a rb e h a v i o ro fs o i li si n s i g n i f i c a n t ；b a c k c a l c u l a t i o no f r u b b l i z e dp c cs h o wt h a tt h i sl a y e rh a sn o n l i e a rp r o p e r t y , t h ea v e r a g em o d u l u su n d e r n e a t h t h el o a dp l a t ea r e ai sg r e a t n e s st h a no t h e ra r e aa n dt h et o t a la v e r a g em o d u l u so fr u b b l i z e d p c ci sc l o s et og r a d a t i o na g g r e g a t e ，i th a se n o u g hb e a r i n gc a p a c i t ys e r v i n ga sb a s ec o u r s e l a y e ro rs u b b a s el a y e r ；1 1 1 er e s u l to fb a c k c a l c u l a t i o nu s i n gs t a t i cl o a dn e e dt om o d i f y , i ti s a d v i s e dt h a tc e m e n tc o n c r e t ei s1 5 ，c e m e n tt r e a t e da g g r e g a t eb a s ei s2 0 ，r u b b l i z e dp c ci s 1 2 5 - 1 4 ，s u b g r a d e i s3 0 ；i ti ss u g g e s t e dt h a ti ft h ed e f l e c t i o ns e n s o r s sc o e f f i c i e n to f v a r i a t i o ni sl e s st h a n3 0 ，t h a nu s et h ea v e r a g ev a l u et ob a c k c a l c u l a t e ，a l s eu s ee a c hp o i n t d a t at ob a c k c a l c u l a t e k e yw o r d s ：r u b b l i z a t i o n ；f w d ；b a c k c a l c u l a t i o n ；n o n l i n e a r ；o v e r l a yd e s i g n 西南交通大学 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 权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分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。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密叫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：指导老师签名： 陆户矽 日期：矿h 峰i7日期：劲，护髟形 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文利用f w d 设备对碎石化工程进行检测，对碎石化工程实施的各阶段进行模量 反演，通过反演结果对工程质量进行评定，并以反演碎石层模量值为加铺层设计提供 参考资料，主要成果包括： 本文针对不同的路面材料，分别采用线弹性、体应力模型和双线性模型，并采用 拟静力建立路面结构分析的有限元模型，在此基础上加入优化算法，作为反演程序。 基于非线性有线元的反演研究表明，在路表进行f w d 检测时，路基内的应力通常很小， 非线性性质的表现不明显；而对碎石化层的反演表明，该层非线性性质较为明显，荷 载作用半径范围内的模量均值远大于其作用半径以外的模量均值，如假定其为线弹性 层，则反演的结果可以看成是荷载作用半径范围内一定深度模量的均值；非线性反演 与线性反演比较，非线性反演并不能显著提高反演精度，建议在大规模反演时采用线 弹性模型；通过对成绵高速碎石化工程现场检测数据的反演表明，碎石化层的模量值 与级配碎石相当，作为加铺沥青罩面后的基层具有足够的承载力；采用拟静力反演的 模量结果应该进行修正，根据本文反演结果建议水泥混凝土取1 5 ，水泥稳定碎石基层 取2 0 ，碎石化层取1 2 5 1 4 ，土基取3 0 ；建议在检测数据的变异系数小于0 3 时按平 均值进行反演，而当变异系数大于0 3 时逐桩反演。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 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 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：衫友 日期： 矽r 中1 j 罗 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着社会主义现代化建设步伐的加快、综合国力的提升，我国在交通运输特别是 公路基础建设上取得了令人瞩目的成就，自从1 9 8 8 年中国大陆第一条高速公路沪 嘉高速公路的建成，经过十几年不懈努力，截至2 0 0 8 年年底，我国公路总里程突破 3 7 3 0 2 万公里，高速公路达到6 0 3 万公里，位居世界第二位。据我国确定的国家高速 公路网规划l l j ，到2 0 2 0 年底，我国将建成约8 5 万公里高速公路。 与此同时，汽车运输业进入一个飞速发展的时期，不但是交通量增长很快，而且 轴载质量也显著增大。近年来，重载车辆，特别是大幅度超载的运输车辆显著增加， 其后轴载从额定的1 0 0 k n 增加到1 8 0 k n 以上，轮胎充气压力从额定的0 7 m p a 增加到 o 9 m p a 以上。这些显著的交通状况变化给公路的服务能力带来了严峻的考验【2 j 。 随着交通事业的发展，特别是重载交通越来越占据主导地位，我国公路水泥混凝 土路面的交通情况和养护使用状况出现了不少问题。如一些早期修建的水泥混凝土路 面大都到了或接近其使用年限，以至于出现结构性破坏或功能性缺陷，严重影响了公 路使用质量，使得养护工作越来越重，养护费用逐年增加，有些甚至到了急需改造阶 段。而现阶段，随着公路交通量日益增加，轴载日益重载化，使得近期修建的水泥混 凝土路面在通车后不到几年或更短时间出现不同程度的局部沉降、断板等结构性破坏。 根据旧水泥混凝土路面的破坏程度，目前，国内外常用的旧水泥混凝土路面改造 措施主要有： 1 加铺新水泥混凝土面层，通常，加铺新水泥混凝土面层的厚度一般不低于2 0 c m ， 工程造价较高，而且新铺水泥混凝土路面养护期长达2 8 天，对交通影响很大。因此， 难以应用于交通繁忙的路段。 2 加铺沥青混凝土面层，旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土，由于旧水泥混凝 土路面提供了较稳定、坚实的基层，沥青混凝土路面提供了一个抗滑性能以及平整度 好、维护简单的面层，因此大大改善了路面的使用性能；同时又可以充分的利用旧水 泥混凝土路面，而且具有造价低，施工难度小，对交通环境的影响小，以及修复周期 短等优点，因此在国内外的旧路改造工程中得到了普遍应用。然而这种方法存在的主 要问题是反射裂缝，反射裂缝是由于旧水泥混凝土路面的裂缝或接缝处不能承受剪应 力和拉应力，由下层接缝或裂缝的反射引起的加铺层的断裂【3 j 。关于反射裂缝，国内外 学者提出了很多理论和防治方法，然而却很难消除反射裂缝。 3 旧水泥混凝土路面翻修，对于翻修措施，其旧板破碎、运输、废弃均需大量成 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 本，对交通和环境影响也非常大，而且总成本很高。一般用于旧水泥混凝土路面损坏 相当严重，无法加铺沥青混凝土和水泥混凝土结构的情况，或用于路面标高严禁升高 的地段。 4 对旧水泥混凝土面板进行破碎处治后加铺沥青或水泥混凝土面层，在国外( 如 美国) ，破碎处治技术已有二十多年的发展历史，并形成了一整套适用于不同情况的设 备及其相关工艺，包括打裂压稳( c r a c ka n ds e a t ) 、打碎压稳( b r e a ka n ds e a t ) 和碎石 化( r u b b l i z a t i o n ) 4 1 。一般情况下，破碎压稳方法和打裂压稳方法可以延缓反射裂缝 发生3 5 年【5 】，同时相比直接加铺罩面时反射裂缝的数目减少2 0 左右。但不能彻底 根治反射裂缝，碎石化则能够较为彻底根治反射裂缝。碎石化技术采用专用设备，将 水泥混凝土面板一次性破碎为碎块柔性结构。原混凝土路面碎石化后，由于破碎后粒 径较小，与级配碎石相当，可视为柔性基层，因此可以有效的防治反射裂缝。如破碎 后强度较高，其上可直接加铺沥青混凝土，则与原路面半刚性基层形成一种倒装式的 路面结构，尤其适用于旧水泥混凝土面板破损较为严重采用换板方式不经济的路段。 1 2 研究的目的及意义 目前，国内普遍使用加铺不同厚度沥青混凝土面层，并辅以一系列防治反射裂缝 措施的修复形式，取得的效果不一。许多学者也致力于研究反射裂缝产生的力学机理， 寻求阻止反身裂缝产生、发展的方法。由于这一问题的复杂性加各地交通、气候等条 件的差异，在所取得的研究成果之间缺乏共同的认识。国外则将研究的重点转向破碎 处治技术，并形成一整套的维修理论和施工工艺。 为了探讨破碎处治技术中运用较多的碎石化技术对防止反射裂缝的功效，通过试 验验证碎石化后加铺沥青面层的路用性能，四川省交通厅于2 0 0 8 年设立了研究课题“碎 石化技术在水泥路面改造中的应用研究”，碎石化技术效果评定、沥青加铺层厚度设计 和加铺沥青面层后的质量评定成为其重要的研究内容。 根据a a s h t o 沥青加铺层设计方法，碎石化后沥青罩面设计是用路面结构数( 和结构层系数( 口) 的概念来确定罩面层的厚度。a a s h t o 设计法的关键是确定碎石化层 的结构层系数，它主要取决于该层的模量。考虑到该值必须通过现场实测，而承载板 法费时费力，因此选择通过测试碎石化层顶面弯沉来反算碎石化层的回弹模量的方法 具有简单，快速和实用性等特点。 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 ：简称f w d ) 作为一种高效的弯沉检测 设备，自从其问世以来，至今己有6 0 多个国家和地区先后应用它，国内自8 0 年代末 以来也有不少单位引进f w d 检测设备。随着f w d 检测技术的发展，技术人员己从刚 开始只关心测点最大弯沉的简单应用，发展到现今对f w d 时程数据的研究，以及利用 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 弯沉盆数掘进行模量反分析的高级应用。 本文研究将f w d 测试技术应用到旧水泥混凝土路面碎石化改造中，具有f w d 测 试应用技术和旧路改造质量检测技术两方面的的意义： 1 关于碎石化面层的评定方法，目前国内外各种规范尚无统一规定。鉴于这种现 状，应用高效的f w d 检测技术进行其结构质量的评价是一条新思路。落锤式弯沉仪 ( f w d ) 提供的弯沉盆数据、荷载及弯沉时程数据均包含了丰富的结构强度信息，特别 是利用其弯沉盆数据进行模量的反演，均能为碎石面层的质量评定提供科学的定量指 标。 2 落锤式弯沉仪( f w d ) 在碎石化面层质量检测中的应用研究是对f w d 检测技术 次应用性的发展。虽然国内外不少学者早已将f w d 测试技术应用到公路质检的很多 方面，如土基回弹模量的反演、混凝土板底脱空状况的判断、检验接缝传荷效果等等， 其中道路结构层模量的反演是研究的焦点。但是，较为系统全面地研究将f w d 测试技 术应用到某一典型结构，如碎石后的路面结构的模量反演在国内尚属先例。 1 3 国内外研究现状及评价 本文关注的焦点问题是如何利用f w d 来评价路面碎石化技术的应用功效，基于弯 沉盆的模量反演研究是f w d 应用于路面检测的核心技术，也是国内外研究f w d 应用 技术的焦点。因此将从两个方面分别介绍国内外的研究现状：( 1 ) 水泥混凝土路面碎 石化技术；( 2 ) f w d 反演模量研究。 1 3 1 水泥混凝土路面碎石化技术 1 水泥混凝土路面碎石化概述 水泥混凝土路面碎石化是一种旧水泥混凝土路面破碎处治技术，是对旧水泥混凝 土路面大修或改造的重要手段。在国外( 如美国) ，旧水泥混凝土路面的破碎处治技术， 主要包括打裂压稳( c r a c ka n ds e a t ) 、打碎压稳( b r e a ka n ds e a t ) 币l 碎石化( r u b b l i z a t i o n ) 。 水泥混凝土路面破碎与碎石化的涵义不同，破碎包含碎石化，而碎石化( r u b b l i z a t i o n ) 则是破碎后颗粒粒径最小的一种破碎方式，因破碎后其颗粒粒径小，力学模式更趋向 于级配碎石，而将其命名为碎石化。 2 碎石化设备及工艺简介 实施碎石化的主要设备主要有多锤头( m u l t i p l e - - h e a db r e a k e r ，m h b ) 类设备和 共振式设备两种类型【4 】，见图1 1 。这两种设备相比，共振式碎石化设备破碎程度较高， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 破碎后颠粒粒径更小。 图l - 1m h b 型重型破碎机械( 左) 与共振型破碎机械( 右) m h b ( m u l t i p l eh e a db r e a k e r ) 型破碎设备在其后部有2 排重锤。m h b 具有橡胶轮 胎，以柴油机作为动力源，该机械所携带的重锤的重量为4 5 4 5 4 48 k g ，分2 排成对 装配在整台机械的尾部r 后排重锤对角地装配在前排重锤间隙中心1 ，每对重锤单独地以 一套液压提升系统为动力，在破碎时按一定规律下落。重锤下落时可产生13 8 11 1 k j 的冲击能量。这种机械的典型工作效率是每台班约2k m ( 1 个车道1 。m h b 型破碎机械 破碎后的颗粒尺寸是可控制的，根据国外的研究，规定其颗粒范围在75 3 0 c m 之日j 能取得怠好的使用效果。控制破碎后颗粒尺寸可通过控制重锤下落高度来实现。 配套的还有z 形( z - g n d ) 压路机，如图1 2 。这种压路机在使用m h b 破碎后用于压 实。它类似于一般的光轮压路机，只是在钢轮上加了斜向波纹状凸出条纹，这种条纹 有以下两方面的作用：a ) 保证轮下颗粒不至于向外挤出b ) 对表面颗粒有更好的压碎效 果，有利于表面平整。 图1 2 z 形压路机照片 共振型碎石化机械是由凸轮转动产生的偏心力在机械与水泥混凝土路面接触处产 生高频低幅的振动进行破碎的，这种碎石化工艺其破碎能力大部分被水泥混凝土板块 所吸收，所以碎石化后产生的颗粒粒径相对于i v l h b 型设备要小，其破碎时的影响范 围也较小，对基层、基和附件构造物的影响较小。 因为破碎功的传递规律，碎石化后水泥混凝土板块碎裂成的颗粒粒径随深度变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 是不同的，上面部分粒径较小，下面部分较大。破碎后颗粒之间有着良好的嵌挤作用， 在通过压路机压实后，形成了坚实稳定的沥青混凝土加铺层的基层。 3 国外研究现状 根据美国沥青( a s p h a l t ) 杂志的统计，到1 9 9 9 年底时，美国已有9 个州在1 0 项以上 的工程中运用到碎石化技术，而拥有1 1 0 项碎石化工程项目的州数达到1 9 个，这其 中绝大多数集中在中东部地区。而在十年前，几乎所有的交通运输部i - j ( d o t s ) 对这一 技术对都很陌生。 美国伊利诺斯州于1 9 9 0 年在第5 7 号州际公路( i 5 7 ) 进行了试验研究，其三段试验 路分别为：( a ) 在原有1 0 英寸厚的混凝土板上直接加铺3 2 5 英寸厚的沥青面层；( b ) 碎 石化后加铺6 英寸厚沥青罩面；( c ) 碎石化后加铺8 英寸厚罩面。并在每段加铺1 5 英 寸的磨耗层，碎石化过程采用共振式机械。在随后的十年中，持续对试验路进行观测， 包括路况调查、c r s 、i r i 、车辙以及f w d 。结果显示，试验段a 在使用3 年后即出现 较为严重破坏，而b 和c 在第8 年纵、横向裂缝水平均处于较低水平。三段试验路f w d 测试的结构承载能力在十年后均处于可接受的水平，其值依次为a b c 。十年内，该州 还对境内其它6 条公路实施了碎石化改造工程，总结经验表明： ( 1 ) 无论是使用m h b 还是共振式机械均取得了较好的效果，破碎后加铺的效果明 显好于直接加铺的效果； ( 2 ) 当路基的c b r 值低于5 时，不适宜采用碎石化方法；表面有粒径大于1 2 英寸 的混凝土碎块时须将其去除； ( 3 ) 采用共振机械施工时可能会对阻碍到相邻车道的交通。 伊利诺斯州的碎石化技术指导规范根据经验确定了不同地区、不同施工方法时加 铺层厚度的推荐值和最小值，并强调进行碎石化施工前必须首先确认该过程不会破坏 路基，具体可以通过经验判断辅以动态圆锥贯入仪( d c p ) 狈t j 试。1 6 】 宾夕法尼亚州i 在1 9 9 2 年对第8 0 号州际公路进行几个试验段的研究，作为s h r p s p s 6 研究计划的一部分。修复的策略包括：直接加铺、锯缝密封( s a w c u ta n ds e a l ) 后 加铺、打裂压稳、打碎压稳和碎石化五种方法。1 0 年后对路面状况进行评价，结果表 明，碎石化后加铺的效果是各种修复方法中最优的。【7 j 位于阿拉巴马州奥本大学( a u b u r nu n i v e r s i t y ) 的高速公路研究中心( h i g h w a y r e s e a r c hc e n t e r ) 对9 条碎石化改造后的路面进行了评价，总结到碎石化技术对于混凝 土路面改造工程是有效的而且是高效率的。但他们也发现，在经过5 年以后，连续配 筋混凝土路面( c r c p ) 比其它形式的混凝土路面( p c c ) 损坏更严重；原混凝土面板越厚其 损坏状况也越严重。对于连续配筋混凝土路面，研究人员推测可能是由于没有对钢筋 进行松解，而对于较厚的混凝土路面可能是因为破碎后的粒径分布不合理。i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 然而，并非所有的碎右化改造工程都能取得很好的效果，美国第3 5 号卅际公路南 向车道上曾经进行了2 28 c m 厚的j r c p ( 钢筋混凝土路面) 碎石化后加铺沥青上面层 的工程实践m 。图1 3 所示左侧为1 0 c m 加铺层的情况，右侧为2 0 c m 加铺层的情况。 两张照片都是在加铺六年后拍摄。两幅照片中的路面都出现了明显的车辙破坏和纵向 疲劳开裂。虽然2 0 c m 加铺层的情况要好于】0 c m 加铺层，但仍无法避免其破坏。 图i 一3j r c p 碎石化后加铺1 0 c m ( 左) 和加铺2 0 c m ( 右) 沥青上面层破坏情况 密歇根州作为碎石化技术研究的先行者，拥有6 0 项工程。密歇根州的路面管理系 统( m i c h i g a np a v e m e n tm o n a g e r n e ms y s t e m ) 对该州6 58 k m 的碎石化路面加铺五年后的 路面损坏指数( d i s t r e s si n d e x ，d i ) 进行了统计( d i 值越大，路面状况越差) ，如图1 4 所 示。根据幽中显示，泼州有4 7 0 一- 6 7 的加铺后路面其破坏指数大于8 ，根据该州的规 范，大子这一值后路面需要采取修补措施。而2 8 的路面其d i 值大于l5 ，这意味着 路面笈生了严重的损坏。1 1 0 l 图】- 4 密歇根州碎石化后加铺沥青面层路面损坏指数直方分布图 4 国内研究现状 我国使用多锤头碎石化技术从2 0 0 2 年开始，由山东省公路养护工程有限公司从美 国引进b a d g e r 州立公路设备公司生产的多锤失破碎设备。现在这项碎石化技术已丌始 逐步应用诸如合宁高速公路改建工程、泰化路老路改建工程、湖卅f1 0 4 国道改建工 程埭溪段、浙江3 0 5 省道改建工程等建设项目都采用过这一技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 东南大学张玉宏博士在其博士论文中提出土基状况是判断碎石化是否可行的关键 因素，而断板率( d b l ) 不是影响碎石化决策的决定性因素。并且分析了m h b 碎石化 后混凝土板块的分层情况及各层的受力特点，提出了咬合嵌挤理论，并以此来解释板 块破碎后强度形成机理。另外以断裂力学和有限元为主要分析手段，通过计算，就碎 石化后加铺沥青面层与直接加铺和级配碎石层上加铺沥青面层进行了对比，得出了碎 石化后可以直接加铺沥青面层，且受力状态优于其它两种方案。l l l 】 同济大学徐柱杰博士通过对共振式碎石机械在上海沪青平公路和金山大道等改造 工程的应用研究，提出共振碎石化后碎石层的模量可以采用承载板检测计算与f w d 测 试结果反演相结合的方法，并通过计算认为共振碎石化虽造成旧路基层顶面当量回弹 模量降低3 0 4 0 ，但在1 0 0 3 0 0m p a 范围内，仍可提供较高的承载能力【1 2 1 。另外还 通过对碎石化层筛分分析得到碎石化层颗粒尺寸、分布及级配情况。认为碎石化路面 设计弯沉应按柔性基层设计，并提出了碎石化工程相关验收标准，以供相关施工及设 计参考。【1 3 】 综合以上国内外的研究情况，碎石化方法的应用有其前提，在应用前要进行深入 仔细的调查分析，对原有路面的强度、含水量等因素有明确的认识，在此基础上，找 出合理的指标控制体系，保证工程施工质量，为加铺路面结构的可靠性提供保证。 通过回顾国内外文献资料的研究结果，碎石化施工技术有三大关键因素： ( 1 ) 完善的排水措施； ( 2 ) 碎石层颗粒级配与碎石层的模量； ( 3 ) 路基与基层的稳定性。 排水措施可以通过设置碎石盲沟的方式解决，碎石层颗粒组成将通过现场取样并 进行筛分试验得到。本文将研究利用f w d 反演的方法来考虑碎石化前后模量的变化过 程，以及路基和基层的当量回弹模量值是否满足施工要求。 1 3 2 路面结构层模量反演 路面模量反演技术是伴随着f w d 的出现而发展起来的。以f w d 为代表的最新型 的弯沉检测设备以其高速、可靠、无损及信息量丰富等特点，使得直接用反演出的路 面各结构层模量来评估承载能力成为可能，从而迅速成为国际上研究与推广的重要内 容。 基于f w d 弯沉数据的路面结构层模量反演是f w d 应用领域的核心技术，反演模 量的合理性直接决定f w d 设备的推广价值。国际上在此方面的研究已有二十年左右的 历史，并始终是一个活跃的领域，也开发出了十几个软件和程序【l 训，但由于种种原因 均远非成熟和完善，其主要特性参见表1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 b a p b i s d e f b o u s d e f c h e v d e f e l m o d e l c o n d a p s e l s d e f e m o d e v e r c a l c 迭代法 。 f p e d d i m i c h b a c k m o d c o m p n d r a t e r p l a d a l p v e r s s i d m o d w e s d e f c o m d e f 数据库搜 索法m o d u l u s 人工神经a n o v a 网络法d i p l o b a c k a l m e i d ajr b u s h a j h a i p i n gz h o u b u s h a j u l l i d t zp t h o m p s o n mr j o r d a h l p c s l a w m a h o n e yjp u d d i nw h a r i c h a n d r a nrs i r w i nl c h u akm b r o wsf v a nc a u w e l a e r t 需要 需要 需要 需要 不需要 需要 需要 需要 需要 自选 自选 需要 不需要 土基需 要 需要 需要绝对误差平方和 需要绝对误差平方和 需要百分误差和 需要绝对误差平方和 可选 相对或苎对均方 茬 需要 相对误差平方和 需要绝对误差平方和 需要相对误差平方和 需要绝对误差和 不需要绝对误差和 可选相对误差平方和 需要各弯沉相对误差 不需要瓤鬻觯 可选相对误差平方和 可选 w a n gf 需要需要 v a nc a u w e l a e r t a n d e r s o nm u z a hj m e i e rrw k h a z a n o v i c hl 遗传算法 n u s g a b a c kf w at f 需要 需要 土基需 要 不需要 不需要 不需要 需要 需要 需要 不需要 不需要 需要 可选人工控制 模量变化率( 模式 识别) 绝对误差平方和 绝对误差平方和 绝对误差平方和 百分误差和 绝对误差平方和 相对或绝对均方 差 来源：引自查旭东( 2 0 0 2 ) 美国在模量反演方面进行了大量的研究，早在1 9 7 3 年美国德州运输学院的学者 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 e h s c r i v n e r 等人根据b u r m i s t e r 双层体系解，采用分析法首次提出了f w d 弯沉盆反演 模量的方法，并编制了反演的诺谟图i l5 。1 9 7 7 年犹他大学的y i hh o u 在他的博士论文 中，首次采用近似公式求偏导数的方法进行多层体系解的路面模量反演。1 9 7 8 年丹麦 工程大学的u l l i d t zp 根据o d e m a r kn 的假设采用当量层的方法反演路面模量，1 9 7 9 年 德州运输学院的l y t t o nr l 等人采用当量层方法提出了具有刚性下卧层的模量反演， 并编制了反演程序。2 0 世纪8 0 年代后期，美国佛州大学的b e r u t h 等分析了d y n a f l e c t 弯沉与各层模量的关系，提出了一组四层体系的刚度参数预估公式。 随着计算机技术和数值分析方法的发展，进入2 0 世纪8 0 年代后，多种基于h a n k e l 积分变换与有限元的弹性层状体系解的计算机程序得到开发，相应的多个模量反演程 序也得到开发。1 9 8 0 年华盛顿州交通厅的b u s h 先后开发了b i s d e f 和c h e v d e f ，此 后较为著名的还有m o d c o m p 系列( i r w i n ，1 9 8 3 ) ，e l s d e f ( j o r d a h l ，1 9 8 5 ) ， e v e r c a l c ( m a h o n e y , 19 8 9 ) 和w e s d e f ( v a nc a u w e l a e r t ，19 8 9 ) 等【1 6 j ，这些方法都属于 数学规划法。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i l7 | ，1 9 8 9 年a n d e r s o n 开发了类似的软件c o m p d e f ，同年，l y t t o nr l 又提出了 基于模式识另j ( s i d ：s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ) 理论的模量反演方法【l 引。 随着2 0 世纪8 0 年代后期掀起的人工神经网络理论( a n n ：a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 的研究热潮，以及遗传算法( g a ：g e n e t i ca l g o r i t h m ) 的发展和应用，9 0 年代这两种理 论也被引入到解决路面模量反演问题。1 9 9 4 年美国陆军工程师航道实验室的m e i e rr w 等人首先采用b p 网络进行模量反演，随后他们作了一系列的研究【l9 1 。1 9 9 7 年加拿大 的k h a z a n o v i c hl 等人以w i n k l e r 地基模型开发了基于神经网络反演模量的 d i p l o b a c k 程序。1 9 9 7 年新加坡国立大学教授f w at f 等人采用遗传算法研究了模 量反演问趔2 0 j ，并开发了反演程序n u s g a b a c k ，同年，日本学者h i m e n ok 等人也 对遗传算法反演模量进行了研究。 我国于2 0 世纪8 0 年代后期从国外开始引进f w d ，在路面模量反演方面的研究起 步较晚，1 9 9 4 年东南大学的倪富健等人采用了p o w e l l 方法进行模量反演1 2 1 1 ，郑州 工业大学的王复明教授采用了模式识别法，交通部公路所的王旭东采用了变尺度法 ( d e p ) t 2 2 】。目前，模量反演的研究在我国方兴未艾。 纵观目前国内外的模量反演方法，主要可分为五类，即：图表法和回归公式法、 数学规划法( 迭代法) 、数据库搜索法、遗传算法和人工神经网络法。 1 图表法和回归公式法 根据常见的路面结构，在较大范围内选取不同模量e 和厚度厅，的结构组合，通过 弹性层状体系理论计算各结构组合的理论弯沉盆点，并运用多元回归分析方法，建立 e ，= f ( 4 ，h ，) 的统计关系式，或者编绘成计算图表。由此，将实测弯沉盆数据和厚度参 数代入统计公式或图表，从而确定路面各结构层的模量。这类方法具有快速和方便的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 优点，适合于野外现场评定。其主要缺点包括： ( 1 ) 由于弹性层状体系理论的复杂性，谚与e ，之间并不存在简单的统计相关关系， 因此，这类方法的反演精度差； ( 2 ) 通用性差，当模量、厚度、结构层数等参数超出回归公式或计算图表的计算范 围时，将无法处理。 2 数学规划法( 迭代法) 首先假设一组结构层模量( 初始值) ，采用力学分析方法计算理论弯沉盆，并与f w d 实测弯沉盆进行比较，根据弯沉差异确定模量修正值，从而获得一组新的模量。然后， 以此作为下轮迭代的初始值，不断重复这一迭代过程，直至满足预先给定的收敛精度 或迭代次数的要求为止。实际上，模式识别法也是根据这种迭代原理进行反演的。这 类方法将模量反演视为非线性规划问题，从而采用数学规划法中的不求导数的直接搜 索或者近似求导的梯度搜索等启发式最优化算法进行计算。其优点是，在一般情况下， 反演结果精度高，便于引入各种不同的力学分析模型，具有良好的可扩展性。主要缺 点包括： ( 1 ) 由于这类方法需要大量的迭代计算，其计算速度相对较慢； ( 2 ) 根据最优化方法的理论，对于非线性优化问题，数学规划法无法避免初始值和 局部收敛的问题，使得模量反演存在受初始值、迭代方法和收敛标准影响大和局部极 小的缺点； ( 3 ) 在许多算法中，为了保证收敛，需要给定较严格的模量取值范围，虽然在一定 程度上降低了结果发散的可能性，但并不能从根本上解决初始值和局部收敛的问题， 同时，限制模量的取值也影响了算法的适用范围； ( 4 ) 路面结构的土基模量随弯沉的变化较敏感，而结构层模量随弯沉变化不敏感， 因此，当选取的收敛标准和迭代次数不合适时，往往反演的土基模量结果稳定，而结 构层的模量误差大。 3 数据库搜索法 预先对需要分析的路面结构，选取大量的模量组合，通过力学理论计算，求得各 种模量组合下的理论弯沉盆，并将理论计算结果以数据库的形式保存，形成理论弯沉盆 的数据库。然后，采用直接搜索法和插值技术，寻找满足弯沉盆拟合精度要求的模量 组合。其中以m o d u l u s 反演程序最为著名，这种方法的主要优点是计算速度快，收 敛稳定，适合于路网普查，这也是美国s h r p 计划通过比较、筛选决定选用m o d u l u s 的主要原因。这种方法的主要缺点包括： ( 1 ) 理论弯沉盆数据库需要耗费大量的存储空间，并且，对于数据库中没有的路面 结构形式，需要重新计算，形成新的弯沉盆数据库，耗时较长； ( 2 ) 虽然反演总能收敛，但由于采用了插值方法，反演结果可能误差很大，其反演 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 方法采用最优化方法中的直接搜索法。无法从根本上避免初始值和局部极小问题； ( 3 ) 需要选取较为严格的模量取值范围，算法通用性较差。 4 遗传算法 预先在给定的模量范围内，随机产生一定数量的模量组合，将各组合转换成不同 的数字串( 染色体) ，形成原始种群。通过力学分析计算各组合的理论弯沉盆，以理论弯 沉盆和f w d 实测弯沉盆之间的误差作为适度函数，对各染色体的适度进行评价。然后， 按照一定的概率对种群的染色体进行选择、交叉和变异等遗传计算，形成新的种群。 以新的种群作为原始种群，重复上述迭代过程，直至满足给定的收敛标准或迭代次数 为止，并从最后一代种群中选取弯沉拟合精度最好的染色体作为反演的模量结果。遗 传算法是一种模拟自然选择法则的最优化算法，其实质是一种迭代自适应启发式概率 性搜索算法，可解决不同的非线性问题的鲁棒性和全局最优性。因此，具有精度高和 全局收敛的优点，并很好地解决了初始值的问题。其主要缺点包括： ( 1 ) 由于遗传算法是对自然选择过程的模拟，只