路面結(jié)構(gòu)層模量反算方法研究綜述

路面結(jié)構(gòu)層模量反算方法研究綜述

0fwd數(shù)據(jù)反算的方法fwd落錘沉陷儀是中國先進的無損壞彎曲沉降檢測設(shè)備。測量的道路彎曲沉降數(shù)據(jù)可用于評估道路結(jié)構(gòu)。其中，反計算路面的各結(jié)構(gòu)層模型是最廣泛和重要的用途之一。利用FWD實測彎沉反算路面結(jié)構(gòu)層模量,其有效性主要取決于路面結(jié)構(gòu)模型、測試數(shù)據(jù)、反算方法和結(jié)果修正等因素。本文主要介紹常用的一些模量反算的方法,并就各種反算方法的可靠性進行初步探討。國外對FWD數(shù)據(jù)反算各個結(jié)構(gòu)層的模量開展了大量的研究工作。國內(nèi)在這方面起步較晚。國內(nèi)外對于模量反算采用的路面結(jié)構(gòu)模型主要有線性和非線性兩種,模量反算方法主要有圖表法和回歸公式法、迭代法、數(shù)據(jù)庫搜索法、遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等五大類。1反算的基本方法通過FWD數(shù)據(jù)的分析方法可得出路面各結(jié)構(gòu)層模量。目前常用的計算分析方法分析如下文。圖表法和公式回歸法:通過研究各種彎沉盆參數(shù)(DBP,deflectionbasinparameters)與路面各層模量或應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,得出回歸公式或諾模圖,這種方法快速,簡便,利于推廣使用。并且通過表達(dá)式,可以較為清晰地研究彎沉盤的特性,研究各個因素堆反算模量的影響狀況。這種方法的研究結(jié)果比較豐碩。迭代法:即通過一組初始模量值,基于理論分析模型計算理論彎沉盆,并與FWD實測彎沉盆比較,根據(jù)彎沉值差異確定模量修正值,從而獲得一組新的模量,依次進行迭代,不斷重復(fù)這一過程,直至滿足預(yù)先給定的收斂精度或迭代次數(shù)的要求為止。這種方法利于編程,吸收不同的理論分析模型,具有良好的擴展性。但是這種方法不可避免存在缺陷,受到初始值、迭代方法和局部收斂標(biāo)準(zhǔn)的影響,存在局部極小和解的唯一性。數(shù)據(jù)庫搜索法:以數(shù)據(jù)庫為依托,尋找滿足彎沉盆擬和精度要求的模量組合。其中以MODULUS反算程序最為著名,這種方法主要優(yōu)點是計算速度快,收斂穩(wěn)定,適合于路網(wǎng)普查,這也是美國SHRP計算選定的反算軟件。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN,articleneutranetwork)主要是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高度非線性映射能力,以預(yù)先算好的彎沉數(shù)據(jù)、厚度、荷載等參數(shù)作為輸入,模量作為輸出,訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。目前普遍采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行反算,主要缺點在于噪音數(shù)據(jù)的合理選取,BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法存在初始值和局部極小問題。遺傳算法和同倫算法是較新的反算方法。2模量反算技術(shù)首先假設(shè)各結(jié)構(gòu)層模量(初始值)或模量范圍,采用彈性層狀理論體系分析方法計算理論彎沉盆,并與FWD實測彎沉盆進行比較,根據(jù)實際彎沉與理論彎沉差異確定模量修正值,從而獲得一組新的模量。然后,以此作為下輪迭代的初始值,不斷重復(fù)這一迭代過程,直至滿足預(yù)先給定的收斂精度或迭代次數(shù)的要求為止。通常迭代的收斂標(biāo)準(zhǔn)有絕對誤差平方和、相對誤差平方和兩種。目前,常見的主要模量反算軟件如表1所示。國內(nèi)一些學(xué)者和工程技術(shù)人員基于大量的實驗,結(jié)合理論,反復(fù)印證,得出以下結(jié)論:(1)荷載傳感系統(tǒng)誤差比較小,且得出的模量誤差也較小。(2)由厚度誤差導(dǎo)致反算模量的誤差較明顯,但如果把各結(jié)構(gòu)層厚度誤差控制在±5%以內(nèi),可使反算模量誤差不超過±15%。(3)用FWD彎沉數(shù)據(jù)反算的土基模量與承載板所得模量相差較大。3fwd彎沉檢測回歸公式是最終以數(shù)學(xué)函數(shù)的形式表達(dá)彎沉參數(shù)指標(biāo)與路面結(jié)構(gòu)狀況指標(biāo)之間的互相關(guān)系,也是彎沉盆參數(shù)指標(biāo)研究的主要目的。下文主要介紹AASHTO回歸公式。AASHTO規(guī)范建議按照ASTMD4694和D4695的非破壞性彎沉檢測規(guī)定進行FWD彎沉測試。一般量測間距為100~1000ft(3~30m),使用荷重為9000lbs(40kN)。(1)地基模量反算回歸公式式中:c——反算值與實驗室模量修正系數(shù),0.33;Mr——反算的地基模量(psi);P——荷重(lbs);r——距荷重中心水平向距離(in);dr——距離荷重中心r的路表彎沉值(in)。其中,r的最小距離需滿足:(2)鋪面層模量反算回歸公式式中:a——承載板半徑(in);D——鋪面層厚度,路面各結(jié)構(gòu)層厚度總和(in);d0——荷重中心處的彎沉值(in),需將彎沉值修正到標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃時;Ep——鋪面層模量(psi);其余符號含義同前。4水泥混凝土土基厚度試驗路選在正在改建的滬青平公路K38+968.72~K39+440,水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)和土基計算厚度如表2所示,實測彎沉如表3所示。4.1應(yīng)用的重復(fù)反算本次反算采用的是EVERCALC專業(yè)反算軟件,計算所得的各結(jié)構(gòu)層模量如表4及圖1所示。4.2土基巖非線性模量反算利用FWD彎沉數(shù)據(jù)反算各層模量,土基模量與承載板所得模量相差較大,主要原因如下:(1)動荷載與靜荷載FWD土基模量反演是對動態(tài)彎沉盆擬合,可以認(rèn)為是動模量,傳統(tǒng)的土基模量則是對承載板試驗得到,是靜模量。而且室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗都表明,動模量大于靜模量。美國《AASTO設(shè)計指南》認(rèn)為動模量是靜模量的三倍,國內(nèi)有關(guān)研究土基動模量是靜模量的兩倍。(2)各結(jié)構(gòu)層材料非線性目前模量反算方法都是以多層線彈性模型為基礎(chǔ),而實際的道面材料是非線性的。一般而言,土基表層離中心處越遠(yuǎn)模量越大,在利用FWD彎沉數(shù)據(jù)進行模量反算時,通常認(rèn)為土基模量在垂向和徑向都是不變的,這樣所得模量綜合值往往比荷載中心下土基表層的模量要大很多。(3)理論與實際的差異各種迭代反算方法大多是基于彈性層狀體系理論,然而彈性層狀體系并未考慮路面路基材料的非線性。按照彈性層狀體系理論,離荷載較遠(yuǎn)處仍有一定的彎沉量。然而現(xiàn)實情況并非如此,由于路面材料是由集料和粘結(jié)料的組合,集料之間的嵌擠作用并非達(dá)到理想狀態(tài),有部分集料與集料之間的荷載傳遞是通過粘結(jié)料的粘結(jié)力而發(fā)揮作用,這種不理想的嵌擠狀態(tài)大大降低了混合料傳遞荷載的能力。因此,隨著測量半徑的增加,實測彎沉值的減小幅度大于理論彎沉值的減小幅度。根據(jù)大量AASHTO試驗路彎沉數(shù)據(jù)的研究表明:距荷載一定距離以外的路面的彎沉是由土基引起的,因此實測彎沉數(shù)據(jù)減小的幅度越大,反算所得的土基模量偏差就越大(見圖2)。5路面結(jié)構(gòu)層體系特點應(yīng)用FWD檢測路基路面的結(jié)構(gòu)強度具有承載板試驗所不具有的優(yōu)點,國內(nèi)外對此研究頗多,但迄今為止,此問題并未得到完全解決。這不僅源于反算問題本身的復(fù)雜性,需要研究人員扎實的數(shù)學(xué)力學(xué)