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道路弯沉值如何计算?

弯沉值的几个概念


一、弯沉


 弯沉是指在规定的标准轴载作用下,路基或路面表面轮隙位置产生的总垂直变形(总弯沉)或垂直回弹变形值(回弹弯沉),以0.01mm为单位。  


二、设计弯沉值

根据设计年限内一个车道上预测通过的累计当量轴次、公路等级。面层和基层类型而确定的路面弯沉设计值。


竣工验收弯沉值

 竣工验收弯沉值是检验路面是否达到设计要求的指标之一。,当胳面厚度计算以设计弯沉值为控制指标时,则验收弯沉值应小于或等于设计弯沉值;当厚度计算以层底拉应力为控制指标时,应根据拉应力计算所得的结构厚度,重新计算路面弯沉值,该弯沉值即为竣工验收弯沉值。


四、弯沉分类

容许弯沉

容许弯沉是合格路面在正常使用期末不利季节,路面处于临界破坏状态时出现的最大回弹弯沉,是从设计弯沉经过路面强度不断衰减的一个变化值。理论上是一个最低值。计算公式是LR=720N ACAS。《公路沥青路面设计规范》。

设计弯沉

设计弯沉值即路面设计控制弯沉值。是路面竣工后第一年不利季节,路面在标准轴载作用下,所测得的最大回弹弯沉值,理论上是路面使用周期中的最小弯沉值。是路面验收检测控制的指标之一。计算公式是Ld=600N ACAS Ab。《公路沥青路面设计规范》。

计算弯沉值

计算弯沉值分检测计算弯沉值和理论计算弯沉值。

检测计算弯沉值:通过对路基、路面和原有老路进行弯沉检测,并通过计算整理所得到的代表值。其作用主要是评定路基路面状况和作补强设计之用。

公式  

(Lr=该路段弯沉代表值,L=该路段回弹弯沉值的平均值,Zα=保证系数,S=该路段回弹弯沉值的标准差。)


五、弯沉值计算方法

用0.01毫米作计算单位。
①现有路面回弹弯沉值:是用杠杆式弯沉仪由标准汽车按前进卸荷法测定的。弯沉值的大小反映了路面的强弱,在相同车轮荷载下,路面的弯沉值愈大,则路面抵抗垂直变形的能力愈弱,反之则强。回弹弯沉值大的路面,在经受了轮载不多次重复作用后,即呈现出某种形态的破坏;而回弹弯沉值小的路面,能经受轮载多次重复作用才能达到这种形态的破坏,就是说,在达到相同程度的破坏时,回弹弯沉大小同该路面的使用寿命即轮载累计重复作用次数成反比关系。

②路面设计弯沉值:按照《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014—1997)规定,新建沥青路面受力计算方法是以设计弯沉值计算路面厚度。路面设计弯沉值是表征路面整体刚变大小的指标,是路面厚度计算的主要依据。

路面设计弯沉值ld,应根据公路等级Ac,在设计年限内一个车道上累计当量轴次Ne,及面层类型系数As,基层类型系数Ab由公式进行计算。

③路表弯沉值可通过相关式计算。

④路面实测弯沉值ls(0.01mm)应根据标准车型的轮胎接地压强户(MPa),当量圆半径yu(cm),理论弯沉系数ac,弯沉综合修正系数F及土基回弹模量值正。(MPa)计算。  


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。

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。  


公路路基路面弯沉检测技术


一、贝克曼梁法测路基路面弯沉

贝克曼梁法是通过载重汽车对路面进行加载,百分表记录回弹弯沉。适用于测定各类路基路面、路面的回弹弯沉,评定其整体承载能力;也可供路面结构设计使用。贝克曼梁法的工作原理比较简单,操作容易。测试时将测定梁的端头置于测车后轴双轮轮隙前方l0cm左右的测点上,在梁后三分之一处通过支点支承于底座上,梁的末端架设百分表,测得梁端头的升降量。当车辆以较慢速度向前行驶时,记录百分表的最大读数,车辆驶离后,再记录百分表的读数,二倍两次百分表读数差值可视为回弹弯沉值。

静载贝克曼梁试验法测得的弯沉是静弯沉,即在轮载、轮压和加压时间(行驶速度)满足规定要求的条件下,静态汽车荷载作用的单点(最大)弯沉。应对测得的弯沉值进行修正,按照规定进行弯沉仪的支点变形修正和温度修正等。舍弃弯沉值过大的点,找出相应的界限,局部处理。  


二、自动弯沉仪测路基路面弯沉

自动弯沉仪测定的弯沉是静力弯沉,该法是基于贝克曼梁原理发展起来的,适用于各类路基路面、路面弯沉测定。在测定车前后轴之间的底盘上连接弯沉测定梁。自动弯沉仪法测定路基路面回弹弯沉与贝克曼梁法原理相同,即杠杆原理。

试验方法:在测试前,应对自动弯沉仪进行标定,保证A/D转换板与位移传感器测量的精度。测试时,应将弯沉测定梁从测试车前后轴之间底盘的位置放到测试车底盘前端,在测试车以一定速度行驶时,通过测点时位移传感器等装置会自动记录弯沉值;当测定梁被汽车拖到下一测点时,可连续测定,由计算机输出弯沉统计结果。自动弯沉仪采集的数据有节点数据、弯沉值数据、弯沉盆数据,以文本形式存储。输入有关信息、参数及命令后,显示左右两侧的弯沉峰值柱状图,以及峰值、距离和温度等;显示弯沉盆图形,计算并显示出曲率半径;可根据数据计算出全部测定值的平均值、标准差以及代表弯沉值。利用自动弯沉仪测定的弯沉是总弯沉,而贝克曼梁测定弯沉是的回弹弯沉。通过对两者进行对比试验,可得到总弯沉与回弹弯沉的相关关系式,将总弯沉换算为回弹弯沉,更好地用于路基路面、路面强度评定。  


三、稳态动力弯沉仪测路基路面弯沉

稳态动力弯沉仪是根据动荷发生器对路基路面施加固定频率的正弦周期性动荷载,沿荷载轴线相隔一定间距布置一组速度传感器(检波器),获得动弯沉盆曲线。应用在公路上的有两种,一是轻型动弯沉仪,作用动荷载约5KN;一是重型动弯沉仪,作用的动荷载约达150KN。稳态动力弯沉仪进行弯沉检测较贝克曼梁法和自动弯沉仪,测试精度高,测试速度快。但因其施加的动荷载较小,不能完全反映实际的行车轮载作用。在检测过程中,应保证施加震动荷载时仪器保持稳定不跳离路面,仪器的自重必须大于动荷载,因此静力预载比施加的动荷大,会影响到路基路面路面材料的应力状态,也不能客观反映实际应力情况。  


四、脉冲动力弯沉仪测路基路面弯沉

脉冲动力弯沉仪主要是指落锤式弯沉仪,属于动力弯沉检测技术,适用于施工质量检测、养护管理检测、道路改造检测、路面动态理论研究。通过自由落下的重锤产生的冲击荷载来测定弯沉,改变锤重以及重锤的高度能较好地实现车辆荷载的模拟,根据传感器的9个弯沉值来测定和绘制弯沉盆。整个过程由计算机控制。将汽车开到测定地点后,启动计算机控制下液压系统的落锤装置,一定质量的落锤从一定高度自由落下,落锤瞬间产生的冲击荷载作用于承载板上,分布于距测点不同距离的传感器(一般为9个)检测到结构层表面的变形,将信号输入计算机,得到测点的弯沉值。弯沉检测过程,其装置由计算机控制,能够自动测量荷载、弯沉平均值、测点间距、标准差、变异系数、代表弯沉值等数据,并由此可以反算处各层材料的弹性模量。

采用落锤式弯沉仪进行检测时,冲击荷载的大小可由锤重和重锤的落高调整。根据现场实际情况,汽车的牵引速度应为50km/h左右。路基路面检测中,传感器分布在荷载中心2.5m半径范围,其中1个应位于承载板中心;在半刚性基层沥青路面结构检测中,半径为3-4m。测点测定次数应≥3次,舍弃不稳定的第一个测定值,取其余测定值的平均值进行计算。  


五、弯沉检测方法比较

以上贝克曼梁法、自动弯沉仪、稳态动力弯沉仪及脉冲动力弯沉仪等四种检测方法按照对路面的加载方式的不同,分为了静力弯沉检测和动力弯沉检测。其中贝克曼梁法和自动弯沉仪属于静力弯沉检测,两种方法的检测原理相同,前者得的是车辆载重下的最大回弹弯沉值,后者测到的是总弯沉曲线和最大弯沉值。动态检测是一种无破损检测,由于其能较好的模拟车辆在路上行驶的实际情况,且有不破坏结构的优点,在国内外发展迅速。采用脉冲式动力弯沉仪进行弯沉检测因仪器本身重量轻,较稳态动力弯沉仪不存在静力预载问题;较贝克曼梁法,克服其固有缺陷,并逐渐取代贝克曼梁法作为弯沉测量的仪器。

落锤式弯沉仪因能够较好地模拟行车荷载作用,并能够快速、安全、准确采集到大量弯沉盆信息,因此该法在很短时间内就被许多国家广泛采用。脉冲式动力弯沉仪在检测弯沉时,能根据弯沉盆反算的模量对路基路面路面材料在使用过程中性能的变化提供设计参数,以脉冲式动力弯沉仪的弯沉盆作为指标,能更好地评价路基路面整体强度,因此该法也是世界上目前最先进弯沉检测方法,以及最理想的结构性能评价工具。  


弯沉测试时应该注意的事项

目前常用的弯沉仪一般为5.4m长,因此本文不再列举3.6m弯沉仪的注意事项。

一、弯沉仪的注意事项

在测试过程中,弯沉仪梁臂不得碰到轮胎,弯沉仪测头置于轮隙中心前方3~5cm处,检查贝克曼梁水准泡是否居中,以免造成测试结果误差。


二、汽车行驶速度

应该缓慢行驶,宜为5km/h左右。


三、百分表读数

百分表指针转动到值时,迅速读取初读数L1,待汽车驶出弯沉影响半径(约3m)后,表针回转稳定后读取终读数L2。注意一定要读取表针的值和最小值。在实际测试中发现有些人员将百分表测杆调的过长或过短,这将会影响值和最小值的准确读取,从而使测得的弯沉数据偏小。一般来讲,应使测杆位置适中,即表针一般在300~400之间,使得能够准确地读取值和最小值。


四、温度修正

当沥青面层厚度大于5cm且路面温度超过(20±2)℃时,回弹弯沉值需进行温度修正。但要注意避免在冬季低温条件下进行测试。


五、环境的影响

测试现场的温度、湿度、季节、风速及地质状况均会对弯沉值大小产生影响。实测弯沉值应该依照《公路沥青路面设计规范》所推荐的系数表进行季节影响系数K1和湿度修正系数K2的修正。通常情况下,路面温度越高则实测弯沉值越偏大。软土、滩涂或高地下水位等不良地质状况都会使弯沉测值偏大。风速过大将会使表针不稳定,影响读数。因此,一般应选取北方的春末夏初或夏末秋初季节、南方的春秋季节进行现场测试。同时应该避免现场测试温度或湿度的梯度变化过大,影响测试结果的均匀性。


六、路段的选择

《公路工程质量检验评定标准》要求四级和四级以上的新建、改建公路“每一双车道评定路段(不超过1km)检查80~100个点,多车道公路必须按车道数与双车道之比,相应增加测点”。对于其他公路和具有复式车行道公路的慢行车道,则应该在每个车道上每隔50~100m测量一次。在所有公路的弯沉测量中,如遇到具有非典型路面病害的地方因该增加测量次数。对于弯沉值很高,需要重建或作特殊处理的路段,以确认路段的起止桩号。  


路面弯沉检测常见问题

(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)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。

弯沉值是检验公路工程质量的重要指标,准确规范的测量弯沉值对于各个公路工程单位的工程质量管理有着十分重要的意义。

《公路路基路面现场测试规程》 JTG3450-2019 T0951-2008的4.4条规定:按照本规程附录B的方法,计算一个测试路段的回弹弯沉平均值、标准差及代表值。

需要注意的是:我们通常道路验收评定时,计算的弯沉代表值应该采用的是正态分布计算方法。所以在原来省厅组织的市政检测员上岗证培训的时候,我给大家讲的是依据JTG F80/1-2004,现在规范更新了,应该依据JTG F80/1-2017。

而《公路路基路面现场测试规程》JTG 3450-2019附录 B列明的是t分布计算方法,因此不能按照附录 B 的方法计算弯沉代表值。


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