道路长期使用性能研究.doc

高等级公路路面长期使用性能的研究
第一章 前 言
1.1研究的目的和意义：
1996年6月山西省第一条高速公路太旧高速公路建成通车，由此山西省的高速公路建设进入了一个快速发展阶段，以后陆续开工建设的原太高速、太原东山过境、晋阳、南过境、运风、晋焦、长邯、运三，夏汾、太原西北环、大运、汾柳、太长等高速公路，到2005年底我省高速公路通车里程达到了1686公里，目前在建的高速公路有晋济、大同西北环等，到2005年底，在已通车的1686km高速公路中，沥青路面为1437km，占总量85.2%。沥青路面使用性能的好坏直接影响到我省高速公路的整体服务水平。
山西省“十一五”高速公路网规划：预计到“十一五”末，山西省高速公路将达4051公里，其中通车里程将超过3000公里，形成“人”字骨架、九横九环的公路格局。公路网建成后将覆盖了山西省所有大中城市、区域经济中心、交通枢纽和旅游名胜。其中连接了预计到2020年、所有城镇人口在15万以上的市县区，连通了山西省周边19个大中城市。该规划实施后，山西省高速公路纵贯南北、横穿东西、覆盖全省、通达四邻，在省内形成了一个以省会太原为中心的“三小时通达圈”，并以大同、运城、晋城等大中城市为中心形成区域经济圈，高速公路网将有力地支撑起山西建设全国新型能源和工业基地的物流骨架。另外，山西省高速公路网将凭借通往周边省市19个大中城市的22个出口，搭起中部地区在综合交通运输体系中的断代和空白，使山西省融入了京津冀、环渤海、中原、西北、珠三角、黄河金三角等各大经济区，有可能形成了一个全面对外开放的新格局。
国道主干线作为公路网中的大动脉，所承担的交通运输任务远远超过它们在公路网中所占的比重，因此其工程结构必须具备良好的稳定性、耐久性和较高的服务水平。对于高等级公路，客观上要求做到在设计使用年限内不需进行中断交通的大修，同时少进行影响交通运输的局部修补和中修。但从我省目前己通车运营的高等级公路来看，情况并非如此。许多公路的路面出现了不同程度的早期损坏，如沥青路面的开裂、沉陷、车辙、抗滑能力不足，些路段的问题甚至相当严重，极大地影响了道路的服务能力，阻碍了交通运输综合效益的发挥。这些问题的一再出现，原因是多方面的，但总体上反映出道路修筑实践仍缺乏系统的理论支持，对路面基本工作原理，特别是在长期的交通荷载和环境等因素综合作用下路面性能变化规律缺乏足够深刻的认识。
许多发达国家早于我国提出了提高路面性能，维持路网服务水平的要求。在过去的五十年里，这些国家的干线公路网均己建成，如美国国土面积与我国接近，至20世纪80年代末已建成8.5万公里的州际干线高速公路网(1999年底高速公路里程为8.86万公里)，公路总里程达到625.8万公里(1999年底为630.8万公里)。然而在使用过程中发现不少路面尚未达到设计使用年限即出现了结构性破坏或服务水平严重不足的现象，必须进行改造或重建。在这些国家，每年为维护和改造现有公路网需要投入大量的资金。道路界人士开始认识到，进行路面的设计、施工、养护、维修等工作，应该充分考虑路面的长期性能才是有效而经济的。自80年代末开始由美国发起，许多国家逐渐开始全面系统地总结道路修筑和使用经验，开展关于路面长期性能的研究。目前这一领域的研究已成为国际道路界普遍关注的内容之一。
纵观世界范围内道路工程技术的发展趋势，结合我国当前情况可以判定，在我国高等级公路建设方兴未艾的今天，开展关于路面长期性能的研究，避免重复发达国家在公路网建设中出现的问题，为我国今后的路面设计、施工、养护、维修、营运等各方面提供全方位的技术支持，是道路工作者必然的选择。而明确路面长期性能研究的意义，结合国情，制订我省乃至全国沥青路面长期性能研究的计划和策略，进而全面推进关于路面长期性能的研究工作，显得尤为迫切和必要。
为了了解现有的路面状况，以决定哪些路段的路面需要采取处治措施以及采取什么样的处治措施，就需要对路面使用性能进行合理、科学的评价。这种评价必须紧密结合实际路况和日后的养护计划，以便管理部门根据统一标准制定具体的处治措施，采取合理的维护方案，分配养护资金，并最大限度地利用已有的道路资源。目前，随着旧路改造和加铺项目的日益增多，对路面性能进行综合评价已经成为国际公路界广泛关注的课题之一。路面结构检测与评价是制订道路养护和改建计划的依据，利用它可以正确判别路面状况是否适应目前的交通状况和使用要求，研讨和寻求路面破坏的机理与原因，确定路面需采取养护和改建的措施，并进行中长期管理的规划设计。因此，对现有路面的使用性能进行客观、准确的评价是养护管理中的一项必不可少的基本工作，也是道路经济分析和路面管理系统的重要组成部分，对于分析路面病害的成因，改进工程项目建设质量有着重要的指导意义。
1.2国内外研究现状
路面长期使用性能的研究在国外很受重视。例如英国自1949年以后进行了6次大规模的路面结构性能与设计方法的试验验证工作，其1987年制定的路面设计方法，就是建立在对400多个试验路段长期观测的路用性能数据基础上。美国各州公路工作者协会(AASHTO)在1956-1960年间进行了著名的AASHTO试验路，研究了真实荷载作用下对路面使用性能的影响，并根据试验结果提出了AASHTO路面设计指南。西德对170个路段进行18年长期跟踪观测后，得出了半刚性路面与柔性路面使用性能比较的结论，并在第18届世界道路会议上作了介绍。
在路面长期性能研究方面最为系统的应属美国。美国每年大约投资30亿美元用于公路路面的新建、养护和维修，路面长期使用性能研究计划和北美大多数的公路研究计划都在研究怎样合理的使用这一投资。路面长期性能(Long Term Pavement Performance 简称LTPP)是SHRP的四个研究领域之一。作为一项持续20年的公路研究项目，LTPP在SHRP工作结束后由FHWA负责继续进行，研究覆盖整个北美地区。该计划的内容可以概括为：对采用不同设计方案和不同材料、处于不同环境条件和路基状况下，经历不同荷载和养护维修措施的路面结构进行广泛深入的调查研究，解答荷载、气候、材料变异性、施工操作、养护维修实践等长期影响路面性能的基本问题，为增加路面使用寿命提供技术支持。
LTPP的目的就是从大范围的环境和使用寿命方面为路面性能建立一个数据库。它的使命是通过进行以下活动来增加路面寿命：1.在一个相当长的时间里收集和储存美国和加拿大正在服务中的公路的路面性能数据来支持数据分析和成果的形成；2.分析数据来描述路面使用时的性能是怎样的，并解释路面为什么会呈现此种性能；3.将这些研究成果用于路面的设计、维修、养护和管理。LTPP计划涉及的方面主要分为数据收集、数据分析、研究成果三个部分。
1）数据收集
LTPP共监测沥青、普通水泥混凝土路面试验段2400多个，这些试验段均位于美国和加拿大。LTPP包括两大套试验：一般路面研究（GPS）和特殊路面研究（SPS）。GPS有792个试验路段，均为普通类型的路面，按不同的结构分为8种类型，SPS有1250个试验路段，均为考虑特定的工程因素而修建的，按具体特定的研究内容分9种类型。
每个路段都要收集损坏状况、平整度、结构承载力、交通辆增长率和其它变量的数据。LTPP试验段数据的收集计划要能完全描述路面的性能和其它一些相关情况，如：路面结构、材料、气候、交通量等。数据收集包括：基本结构数据、试验数据、养护和重建数据、交通量数据、弯沉和破坏数据、摩擦系数数据、气候数据、荷载数据。
除一般路面研究（GPS）和特殊路面研究（SPS）外，LTPP研究中还包括季节监测计划（SMP）和动力荷载响应研究。SMP研究的目的是为了了解每日的和每年温度及湿度变化对路面结构的影响。动力荷载响应研究选用北卡罗莱娜的SPS-2的各种水泥混凝土路面试验段来进行测量。在控制荷载的条件下记录混凝土板指定位置的挠度和变形，研究路面的响应。
2）数据分析
LTPP的数据分析计划就是将从2400多个试验段中获得的原始数据转换成可利用的资料。计划中包含一系列的研究项目：从路面程序的验证到研究交通量数据和材料数据的变化性以及研究路面不平整度的发展等等。
SHRP的目的就是指导数据分析工作，形成一系列的知识、体系、关系、试验性的性能模型来促进路面性能的改善和提供可靠的性能预测。为了达到这个目的，SHRP提出了七个战略性目的，包括改善对交通量的特性描述和预测；改善对材料的特性描述；更完善的考虑环境对路面设计和性能的影响；改善路面管理中路面状况数据的评价和使用；发展适用于路面设计和性能预测的路面响应和性能模型；提供养护和修复计划的选择和性能预测的向导；量化具体的设计特点对性能的影响。每个目标对达到最终的目的都非常重要。
3）LTPP研究成果
从LTPP最初的构想开始，LTPP的研究者及管理者就期望它不仅仅是对数据的收集，而且要形成供国家运输部门和其它运输机构使用的成果。这些成果可以是指南、实用软件、设备等等。其主要成果有：建立了一个能够提供大量LTPP数据的软件包Datapave；可以根据具体的地点选择最适合的并且最有成本效益的Superpave沥青结合料的路用性能等级（PG）LTPPBind软件；刚性路面设计软件；路基回弹模量标准试验方法的开发；落锤式弯沉仪（FWD）的标定；开发了一套路面养护和修复信息手册；开发了沥青混凝土路面温度预测模型和结果调整程序以及路面纵断面浏览和分析程序。
LTPP研究计划预计将持续至2008年左右，目前计划已得到了广泛国际参与，有20多个国家正式加入了LTPP的国际协作，还有许多国家准备参加或开展类似的研究工作。LTPP的研究成果现在已经得到初步应用，在AASHTO正在制定的200X版设计指南中，提出了以下几个损坏类型标准：永久变形、疲劳开裂、温度开裂、平整度IRI指数。其损坏模型参考了有关科研项目的成果，即完全参照其它模型或借鉴其它模型并进行修正，然后利用LTPP的大量数据进行验证。
另一方面，为验证SHRP的研究成果，美国联邦公路局(FHWA)于1995年开展了西部环道试验，在1995年10月在内华达州建成试验环道，于1996年3月开始进行加速荷载破坏试验，目的是通过评价材料和施工参数差值对路面性能影响，来开发与性能相关的沥青路面设计规范，提供SUPERPAVE沥青混合料设计方法的早期工程实践的检验。试验环道共包括26个试验段，3Km长。
此外，其他一些研究机构也应用有关试验手段，如澳大利亚的加速加载设备(ALF)、室外(内)环（直）道等，研究路面使用性能的变化情况。除了以试验和观测为主的路面长期使用性能的研究以外，一些国家还开展了关于路面长期性能的理论分析工作。其中较有影响的有英国Nottingham大学和Cambridge大学的路面性能综合模拟模型、加拿大Waterloo大学的OPAC模型等。
随着人们对道路使用要求的不断提高，公路建设和养护管理面临越来越大的压力，使得国内对于路面长期使用性能的研究也开始日益重视起来。在上个世纪80年代，随着路面养护管理系统在我国的引入和推广，很多省市如北京、上海、江西、江苏等，都曾开展了较大规模的路面使用性能调查和研究。进入20世纪90年代以后，随着我国高等级公路建设的快速发展，人们对高速公路使用性能研究更加重视起来。一方面，国内许多科研机构和公路管理部门对于高速公路沥青路面的使用性能评价体系进行了研究，对其中一些重要的指标如开裂、车辙等进行了较为深入的研究；另一方面，一些省市的研究单位也开展了路面使用性能的系统研究。
国内西安公路研究所从1990年开始对西三线、西临线等试验路段进行了10年的连续观测，取得了大量的观测数据，为中国进行路面长期性能研究提供了有力支持。从中国目前的实际情况来看，以弯沉作为路面设计指标已经进行了较为深入的研究，理论上较为成熟，测试方法也简单易行。但对于路面长期性能的研究而言，则存在着一定的不足。
长安大学武建民博士通过分析以及实际调查、检测，并结合国外有关研究及设计方法，认为应该在弯沉指标的基础上，增加疲劳开裂和车辙作为路面长期性能的研究指标，并结合中国半刚性基层沥青路面的实际使用情况，建立相应的路面疲劳开裂和车辙的设计指标。疲劳开裂和车辙都是可以直接反映路面使用性能的指标，特别在路面的长期使用过程中，这两个指标既可以很好地反映路面的使用性能情况，同时也可以反
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此外，石家庄铁道学院于炳炎等人针对路面长期使用性能的监测评价，依据时序分析理论，建立了路面长期使用性能时序分析模型，为路面的养护提供最佳的决策。
1.3本项目主要研究内容
1.3.1路面评价方法与标准研究
路面性能(Pavement Performance )的概念早在1962年即由AASHO提出，此后随着道路修筑技术的日益成熟和人们对道路使用经验和认识的不断增加，路面性能的内涵也在逐渐发展之中。人们对路面性能的要求与道路交通水平紧密相关，在早期交通条件下，人们对道路的要求局限于不出现引起交通中断的较大损坏，故而对路面设计也仅从结构性要求出发。随着现代高速交通的发展，人们对路面的功能和服务质量提出了更高和更全面的要求，路面性能的内容得到了进一步的丰富。
目前对道路路面性能的通常理解是，路面为保障客货运输(主要是汽车运输)车辆的正常行驶而应具备的能力和属性。现代交通条件下的高等级公路路面的功能应体现在满足运输车辆在一定设计使用时限内高速、安全、经济、舒适地行驶。按照功能论的思想，从结构系统和功能系统的概念出发，可将路面性能划分为结构性能和功能性能。结构性能指路面作为一类特定的工程结构，与周围环境进行物质和能量交换、保障结构自身完备性的能力，目前普遍关心的结构性能是路面的强度、稳定性和耐久性;功能性能指路面完成其功能目标需具备的必要属性及其外部表现，通常指路面的舒适性、安全性等保证车辆行驶质量的特性。结构性能是路面性能的基础和硬件;功能性能是路面性能的目标和软件;二者相互影响，相互配合，形成路面性能的有机整体。
考察结构性能，从实现功能效益最优的思想出发，一般要求从所在结构属性中分析寻找对功能有影响的部分，并用适当的形式进行表达。对于路面结构性能一般从路面承载能力和破损状况两方面进行评价。研究功能性能，一般应通过功能分析，寻找功能上下位关系，建立功能逻辑结构。对于路面的功能性能一般通过其直接下位功能进行评价，通常包括路面平整度、抗滑能力、噪声水平、反光特性等，目前对前两者的关注和研究较多。
以往的路面性能评价技术对于高等级公路有许多不适应之处，有必要对适用于高等级公路的路面性能测试手段、评价方法和评价标准进行研究。
1.3.2山西省高速公路沥青路面使用性能调查研究
截至2005年底，到2005年底，在已通车的1686km高速公路中，沥青路面为1437km，占总量85.2%。。我省高速公路沥青路面结构形式多样，基本涵盖了目前国内所有的沥青路面典型结构，将之作为沥青路面长期使用性能的观测路段具有一定的代表性。这些高速公路大部分使用都在3年以上，部分路段已经使用了接近十年，有些路段已经开始进入中修、大修期。有必要对这些不同路龄的沥青路面，抽取具有代表性的路段进行深入研究，提出不同病害产生的原因和可能采取的预防方法。
同时针对长期使用性能试验路进行跟踪观测，并对使用情况及病害进行分析研究。
1.3.3沥青面层结构厚度对使用性能的影响研究
高等级公路的沥青路面使用寿命一般为12～15年，但在实际中，由于受外界环境、行车荷载以及设计、施工中等存在的不利因素影响，高速公路往往在建成通车早期就出现不同类型的病害，道路的使用性能也逐渐开始降低，进而影响了行车的安全、舒适和快捷。为此，需要及时关注道路的使用状况，并进行维护，而且对道路进行跟踪观测可以全面了解道路的性能，评价道路的使用状况。因此，为了更深入地了解面层结构厚度对沥青路面使用效果的影响，对大新高速公路朔州支线铺设的不同结构的面层试验路段，于2002～2005年进行了多次实地现场观测。
我省采用主要AC类密级配沥青混凝土，依托大新高速公路朔州支线K22+979.4—K29+350工程，对AC类沥青路面通过室内外试验研究，找出不同面层结构厚度在荷载应力和温度应力作用下的变化规律以及对路面使用性能的影响，同时通过试验路的检测结果验证不同结构厚度的优劣，最终找出满足路面结构强度、刚度、变形以及表面功能性要求的最佳的面层厚度的设计办法。
1.3.4基层不同结构对沥青路面使用性能的影响分析
高速公路往往在建成通车早期就出现不同类型的病害，道路的使用性能也逐渐开始降低，进而影响了行车的安全、舒适和快捷。为此，需要及时关注道路的使用状况，并进行维护，而且对道路进行跟踪观测可以全面了解道路的性能，评价道路的使用状况。因此，为了更深入地了解基层材料和结构类型对沥青路面的影响，对大新高速公路朔州支线铺设的柔性、半刚性、刚性三类基层试验路段，于2002～2005年进行了多次实地现场观测。并对相关技术内容进行了深入研究。
1.3.5高速公路沥青路面早期病害的破坏形式
高速公路沥青路面早期破坏事严重影响沥青路面长期使用性能，所以必须深入研究沥青路面的早期病害。
高速公路沥青路面的早期病害所表现出来的形态和特征是多种多样的。这是因为造成路面破坏的原因是多方面的。有行车荷载因素，如：超载、重复加载和水平荷载等；也有环境因素，如：温度变化、湿度变化和冰冻作用等；此外还有设计、施工、采用的材料和养护管理等方面原因。同一种原因可以引起不同程度的破坏，而同一种破坏形式也可以由不同的原因所造成。本项目将详细介绍以上三种破坏形势，并进行深入研究。
1.3.6早期病害的成因分析与预防措施研究
本项目从交通荷载、路基变形、水损害、设计问题、施工问题、材料问题等几方面详细研究了沥青路面早期破坏的预防措施。
1.3.7沥青路面养护技术研究
（1）预防性养护研究
目前我省已经建成的高速公路90%左右是半刚性基层高级沥青混凝土面层结构，这些高速公路建成后，受交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重、行驶渠道化及水损坏等影响，路面发生了不同程度的早期损坏，导致养护任务艰巨。另外，随着高速公路里程的增加和使用时间的延长必然会带来路面不断的损坏，养护工程量将越来越大。可以预计今后一个时期，我省高速公路将由建设为主，转为建设与养护并举，并逐步以养护为主。在这种形势下，研究开发高速公路沥青路面养护新技术，探索养护管理模式具有重要意义。
高速公路养护的目的是经常保持路况完好，维护高速公路的正常使用功能，消除使用中出现的病害、隐患，延长其使用寿命。如果公路缺养、失养，路况必然很快下降，道路通行就必然受阻。因此，我们必须高度重视养护工作。而在整个养护工作中，路面养护是高速公路养护工作的中心环节，路面养护质量是公路养护质量考核的首要对象，这是因为路面是直接承受行车荷载和自然因素作用的结构层，关系着行车是否安全、快速、经济和舒适。
《公路养护技术规范》明确提出:公路养护工作必须贯彻“预防为主，防治结合”的方针。而现实是高速公路养护管理不足，对病害处理不及时，预防性养护处理不到位。加上交通量增长迅速、早期施工缺陷、温度变化、水的影响等，造成多数高速公路未到设计年限，路面已严重破坏，大修提前。高速公路实施路面预防性养护，能及时修复路面微小病害，不致产生严重损伤，从而减少铣刨、翻修次数，节省大修费用，并延长路面使用寿命，保持路面良好的服务状态，所以研究开发高速公路沥青路面预防性养护技术与管理模式，实施路面预防性养护管理是我国高速公路发展的迫切需要。
（2）微表处技术研究
通过对山西省高速公路沥青路面的养护的实际出发,借鉴全国各地区的养护体制管理改革,以及新技术和新材料的使用情况,研究提出不同养护方法的适应性及其施工方法。重点研究微表处技术的混合料配合比设计和施工工艺，同时结合实体工程进行深入研究。

第二章 路面评价方法与标准
2.1概述
路面性能(Pavement Performance )的概念早在1962年即由AASHO提出，此后随着道路修筑技术的日益成熟和人们对道路使用经验和认识的不断增加，路面性能的内涵也在逐渐发展之中。人们对路面性能的要求与道路交通水平紧密相关，在早期交通条件下，人们对道路的要求局限于不出现引起交通中断的较大损坏，故而对路面设计也仅从结构性要求出发。随着现代高速交通的发展，人们对路面的功能和服务质量提出了更高和更全面的要求，路面性能的内容得到了进一步的丰富。
目前对道路路面性能的通常理解是，路面为保障客货运输(主要是汽车运输)车辆的正常行驶而应具备的能力和属性。现代交通条件下的高等级公路路面的功能应体现在满足运输车辆在一定设计使用时限内高速、安全、经济、舒适地行驶。按照功能论的思想，从结构系统和功能系统的概念出发，可将路面性能划分为结构性能和功能性能。结构性能指路面作为一类特定的工程结构，与周围环境进行物质和能量交换、保障结构自身完备性的能力，目前普遍关心的结构性能是路面的强度、稳定性和耐久性;功能性能指路面完成其功能目标需具备的必要属性及其外部表现，通常指路面的舒适性、安全性等保证车辆行驶质量的特性。结构性能是路面性能的基础和硬件;功能性能是路面性能的目标和软件;二者相互影响，相互配合，形成路面性能的有机整体。
考察结构性能，从实现功能效益最优的思想出发，一般要求从所在结构属性中分析寻找对功能有影响的部分，并用适当的形式进行表达。对于路面结构性能一般从路面承载能力和破损状况两方面进行评价。研究功能性能，一般应通过功能分析，寻找功能上下位关系，建立功能逻辑结构。对于路面的功能性能一般通过其直接下位功能进行评价，通常包括路面平整度、抗滑能力、噪声水平、反光特性等，目前对前两者的关注和研究较多。
以往的路面性能评价技术对于高等级公路有许多不适应之处，有必要对适用于高等级公路的路面性能测试手段、评价方法和评价标准进行研究。
2.2路面结构承载能力评价
路面结构承载能力是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。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，或者还能使用的年数。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。在道路运营期间，路面损坏状况的发展与承载力的下降一般是同步的。承载力强的路段，其损坏发展速度通常较缓慢；承载力弱的路段，其损坏发展相对较迅速。
2.2.1 弯沉
弯沉测试方法总的发展趋势是测试时对路面的加载方式愈来愈接近路面承受行车荷载的实际情况。弯沉测试技术的发展大致经历了三个阶段:
1)静力弯沉测试；2)稳态动力弯沉检测；3)脉冲动力弯沉测试。
Benkelman梁式弯沉仪(简称BB)自50年代中期开始得到了广泛应用，是目前最常见的静力弯沉测试设备，我国公路部门通常采用该设备的测定指标进行路面设计和路面养护评价。为了提高弯沉测定的精度、效率和使测定加载方式更接近于车辆荷载情况，人们又陆续发明了自动弯沉仪、稳态动力弯沉仪和脉冲动力弯沉仪。其中，70年代开发的落锤式弯沉仪(Falling Weight Deflectometer简称FWD)作为脉冲动力弯沉测试设备的代表，受到了人们的广泛关注和重视。国际上自70年代以来对(( FWD)进行了大量的研究工作，目前已有50多个国家和地区开展了FWD测试方法的规范化、标准化工作，并将其广泛应用于道路和机场的质量检测评价。
采用FWD测定路面动力弯沉时，通过计算机控制下的液压系统提升并释放一重锤，作用于弹簧或橡胶垫，通过承载板(直径30cm)将近似半正弦的脉冲荷载传递到道路表面，荷载大小通过改变锤重(50 -300kg)和提升高度((4-40cm )可在较大范围内(15KN-125KN)调整。荷载脉冲持续时间0.02-0.045s。利用沿荷载轴线而置的5-9个传感器(位移型或速度型)可以量测动荷载作用下路表面动态弯沉曲线，较准确地反映弯沉盆的形状。
由于FWD较好地模拟了行车荷载的作用，并能够快速、安全、准确地采集到大量的路面受荷变形信息，目前已成为路面弯沉测试和结构性能评价的理想工具。国际LTPP项目采用FWD取代Benkelinan梁，用于2000多个的试验路段的检测和分析。
为使路面长期性能数据采集和路面性能评价的手段具有先进性，满足高等级公路的要求，并适应当前发展趋势，“山西省高速公路沥青路面长期性能”研究项目将FWD确定为路面弯沉测试的主要设备，并为此引进丹麦产PRI2100 落锤式弯沉仪（FWD），其基本性能如下:
测试装置重:1180Kg;
电源:电瓶和发电机
传感器个数:9个;
传感器类型:地震检波器;
操作控制:便携式计算机程序控制;
荷载级位:10kN-25OkN;
平均测试效率:3Km/h
目前国内多利用FWD测试的弯沉值与贝克曼梁建立相关关系，然后评定路基、路面抵抗竖向变形的能力。
课题组在太祁高速公路选取3段，分别进行了FWD与贝克曼梁完沉测试对比试验,每10m沿行车道轴线标志一测试点，结果并不理想，只有少部分测试路段存在较好的相关关系，如下图。

图2-1 贝克曼梁与FWD弯沉回归图
其原因是：贝克曼梁测试弯沉数据变异性大，准确度低，测试误差难以降低；虽然在FWD与贝克曼梁测试的弯沉数值之间存在相关关系，可是对于贝克曼梁来说，能得到准确的弯沉数值要求的测试环境很难达到，这就给确定FWD与贝克曼梁测定结果的相关关系带来较大困难。因此，在工程实践中，这种方法可行性较低。
FWD作用于路表的动荷载向路面结构内的应力扩散如图2-2所示为圆锥形，其特性为：应力锥同各结构层次界面的交点以外的路表弯沉值仅受到此交点所在界面以下各结构层模量的影响。FWD测定的动态弯沉盆中包含着丰富的路面结构强度信息，如图2-3，因此可直接通过对实测弯沉盆几何特性的分析计算，来评价路面结构。
图2-3 弯沉盆数据示意

图2-2 落锤式弯沉仪作用下路表弯沉曲线和路面构应力区示意

模量近似计算方法指导思想是利用层状弹性半空间理论中的布辛尼斯克公式，通过回弹弯沉值近似计算回弹模量，FWD各传感器参数可直接反映路面结构层不同的响应，其代表的含义可与各结构层模量相对应，见表2-1：
弯沉参数的定义 表2-1
弯沉参数
表征意义
d0
整个路面的响应（模量）
d0-d1
最上部粘结层（沥青面层）的响应（模量）
d0-d3
混合胶结层（基层）的响应（模量）
d1-d3
胶结料下层（底基层）的响应（模量）
d4
路基的响应（模量）
备注：di为各传感器处对应的弯沉值，10-6m；
当落锤这种动态冲击荷载对路面这种层状弹性半空间体作用时，产生的压力随着与荷载中心水平距离增大而减小。
这种减小主要是由于荷载产生的冲击波在水平方向传播时被介质吸收，压力分布因子可定义为冲击荷载在荷载中心产生的压力p0、弯沉d0与距中心距离ri的各传感器处产生的压力pi、弯沉di的比值：
fi=p0／pi=d0／di
根据布辛尼斯克公式可以得到弹性半空间体表面中心处最大弯沉值d0和表面上离中心ri距离处的弯沉值di ⋯：

式中：a为承载板半径，0.15m；ri为传感器离中心距离，m；di为传感器处所测弯沉值，10-6m；p0为冲击荷载在荷载中心产生的压力，0.7Mpa；fi为压力分布因子，Ei为各结构层模量，μ为泊松比，取0.5，ri/a≥1。
由于超几何函数2F1收敛很快，这样由于ri远大于a，略去多次项，仍能满足精度，因此上式可简化为：

fi=p0／pi=d0／di=2ri/a
由此可以推导出各传感器处对应模量值为：

根据上表弯沉参数的含义，可转换为下式：

从而可以得到各结构层模量计算式：
面层模量：
基层模量：
底基层模量：
土基模量：
2.2.2 模量反算实例
根据太长高速公路部分路段检测数据，如表2-2：
模量反算结果 表2-2
序号
荷载
kN
传感器与中心距离（mm）
对应弯沉值/10-6m
面层模量/MPa
基层模量/MPa
底基层模量/MPa
土基模量/MPa
0
400
550
800
1400
1
50.45
64
39
32
27
15
1771
2293
305
129
2
46.7
37
24
20
19
11
3152
4363
677
162
3
47.56
37
24
21
21
15
3210
4998
1149
121
4
46.66
62
30
25
22
13
1280
1962
423
137
5
47.25
57
29
24
20
12
1481
2147
380
150
6
47.76
73
37
29
23
11
1164
1606
247
166
7
50.13
56
26
21
19
10
1466
2278
519
192
8
49.2
74
42
36
33
22
1349
2018
396
85
9
49.63
61
32
26
25
16
1502
2318
514
119
10
50.03
65
26
20
17
11
1126
1753
403
174
11
52.35
69
33
27
24
14
1276
1956
421
143
12
49.03
63
30
24
22
14
1304
2011
444
134
13
48.23
87
37
28
22
10
846
1248
233
184
14
48.48
69
33
27
24
13
1182
1812
390
143
15
48.25
75
37
30
26
14
1114
1656
318
132
16
47.14
64
33
27
23
13
1334
1933
342
139
平均
/
/
/
/
/
/
1535
2272
447
144
2.2.3反算结果分析及评价
从表中数据可以看出,采用FWD实测弯沉进行路面模量反算，从而对路面各结构层的承载能力和使用性能进行评估快速、简便，与实际工程性质符合较好。
2.2.4 评价标准
在进行评定前必须确定路面破坏准则，由于力学模型以应变为指标，应采用应变疲劳方程作为评价方程和标准，如下：
① 美国地沥青协会（AI）

② 国内设计法

③ 壳牌解析设计法

式中：为沥青混凝土路面底部容许拉应变，με；为半刚性结构层容许拉应变，με，t为半刚性基层设计年限，为t年内累计标准轴载数；为容许土基顶面垂直压应变，με；N为一车道设计期限内累计标准轴载数。
有了结构层的模量和厚度，就可以利用多层弹性层状体系应力应变公式算出4个结构层的拉应变和土基顶面的压应变，并与容许值比较，从而判断各结构层强度，上表中路段判断结果，见下表：
太长高速公路某段路面承载力定性评价 表2-3
结构层
厚度/cm
模量/MPa
应变/με
容许应变/με
承载力评价
面层
16
1535
27
206
足够
基层
32
2272
51
68
足够
底基层
19
447
52
68
足够
土基
/
144
52
270
足够
备注：太长高速公路累计标准轴载次数为1.964×107/车道。
2.3 路面行驶质量评价
车辆在路面上行驶时，司机与乘客的乘坐舒适程度同路面表面的平整情况、车辆悬挂系统的振动特性和人对振动的反应或接收能力三方面因素有关。其中路面状况的影响主要取决于路面平整度。此外，路面平整度与车辆行驶速度、油耗、部件磨损、雨后行驶安全等也有密切关系。因此，对路面行驶质量而言，平整度是最重要的评价依据。
2.3.1 路面平整度测试与评价方法
对行驶质量影响较大的是道路纵向平整度，通常所说的路面平整度也多指纵向平整度。对路面纵向平整度进行评价的方法通常可分为主观评价和仪器测量两大类，由于平整度对行驶质量的影响与人的主观感受密切相关，因此，在制订评价指标和标准时往往需将两者结合起来。
路面平整度测试技术经历了近50年的发展。总的来说，测试手段和设备可分为断面类测试和反应类测试两类。
断面类平整度测试方法是直接沿行驶车辆的轨迹量测路面表面的高程，得到路表纵断面，再通过数学分析后采用某一综合性统计量表征平整度。属于这一类的具体测试方法的设备包括:
·水准测量:水准仪，水准尺等;
·梁式断面仪:TPPL断面仪等;
·惯性断面仪:GMR类断面仪，APL断面仪等;
·非接触式断面仪:激光断面仪，超声波断面仪，红外线断面仪等。
反应类平整度测试系统是通过一定的传感装置，测试车辆以一定速度驶经不平整路面时悬挂系的竖向位移量，测试指标〔常为记数数值)即对应于悬挂系位移累积量。反应类测试设备主要有BPR平整度仪、颠簸累积仪、PCA仪、MAYS仪和NAASRA平整度仪等。
我国以往用于路基路面现场平整度测试的方法主要有3m直尺法、连续式平整度仪法和车载式颠簸累计仪法。3m直尺法过去曾得到广泛应用，但存在测试精度低，速度慢，低头弯腰工作量大等缺点，目前应用场合多限于施工质量控制。8轮连续式平整度仪近年来应用较普遍，其测试速度一般为5} 12Km/h，用于运营中的高等级公路仍嫌不便，且测试结果受路表面破损状况影响较大，测试指标(标准差。)也不能反映路表面较长波长(>1Om)的起伏。车载式颠簸累积仪属于反应类测试设备，测试时行驶速度不宜超过40Km/h。
2.3.2 评价指标
目前已建立的反映路面平整度状况的指标较多，如由反应类测试设备给出的平均调整坡(ARS)，由断面类测试结果可以得到直尺指数(SEI)、竖向加速度均方根(RMSYA)、功率谱密度(PSD)等。为统一起见，常以国际平整度指数(IRI)作为通用标准，本课题对车载式颠簸累积仪测试得到的VBI值，与IRI建立关系:

2.3.3 评价标准
衡量路面行驶质量的准则，一般认为应包括车辆部件磨损周期、货物颠簸损耗量和人体舒适性三部分。其中人体舒适性要求最为重要，如这一要求得以满足，其它二方面总能得到保证。因此，建立路面行驶质量的评价标准，应对主观舒适性评价和量测的平整度指标之间的对应性进行研究。
通过对一定数量的沥青混凝土和沥青表处路面的平整度进行测量，并调查乘客感受(由乘客舒适性打分获得RQI值)，得到如表2-4所示的对应关系。
路面平整度与乘客感受 表2-4
平整度（IRI，m/km）
乘客感受描述
1.5～2.5
车速超过120km/h时仍舒适，在1.3～1.8范围内，车速80km/h时很少感到起伏不平
4.0～5.3
车速超过100～120km/h时仍舒适，车速在80km/h时可能感到大的起伏不平
7.0～8.0
车速达70～90km/h时仍舒适，可明显感到运动和摇摆
9.0～10.0
车速达50～60km/h时仍舒适，有频繁的剧烈运动和摇摆
11～12
车速必须降到50km/h以下