第一届铺面工程师生研究成果

第一屆舖面工程師生研究成果聯合發表論文集-188-應用落錘式撓度儀觀測路面結構強度之研究鐘偉逞（1）、林志棟（2）關鍵詞：衝擊式的落錘撓度儀、路面結構強度指標摘要路面非破壞性撓度試驗主要目的為評估鋪面結構與路基承載力進而推估路面剩餘壽命或當作加鋪設計時所需之資料，並可作為路面養護管理時，策略研擬的依據。本研究即應用JILS-20型落錘式撓度儀觀測路面撓度，並根據該儀器特性及配合台灣地區公路路面狀況與氣候環境型態，研擬出一套屬於本土化之路面結構強度評估模式，以提供公路主管機關進行路面養護管理之用。一、緒論對於柔性路面的非破壞性試驗及儀器中，從傳統靜力式的彭科曼樑(Benkomanbeam）、動力式的動力撓度儀（Dynaflector）、路面評審儀(RoadRater)以及衝擊式的落錘撓度儀（FWD）。其中前兩種的方式已在過去的數十年間，無論是公路養護單位或是學術研究單位都有充分的使用及數據分析的經驗；而對於最後者的落錘式撓度儀（FWD），由於台灣地區儀器的引進的較晚，因此工程單位也就較無使用的經驗，不過近年來國內外有多人進行這方面的研究，但多屬理論性質的探討，而無法直接提供工程單位方便及有效的運用。因此，本研究最終的目的就是在於建立落錘式撓度儀(FWD)於路面工程應用上的實用性與可信度，並提供於台灣地區各路面主管單位作長期性的路面觀測，以了解路面結構的變化狀況，作適時適當的養護以維持路面良好的服務水準。本研究目的內容詳細如下：1.探討影響FWD之路面撓度觀測的因素，諸如：路面各層厚度、溫度、落錘重..等，並建立統一的撓度數據校估模式，以確立FWD觀測資料的準確性與撓度資料分析方式的一致性。2.依據本研究所建立之撓度校估模式，提出一套具實務性與本土化之路面結構強度評估模式。3.研擬如PSI鋪面服務力指標之路面結構強度指標，SSI(StructureStrengthIndex)，以提供公路養護管理單位於進行路面管理決策支援之用。二、研究樣本與分析方法為驗證落錘式撓度儀觀測路面結構的準確性和建構影響落錘式撓度儀觀測因子的修正模式，本研究必須建立一條完整且已知各層材料性質的路面，以作為1國立中央大學土木工程研究所研究生2國立中央大學土木工程研究所教授第一屆舖面工程師生研究成果聯合發表論文集-189-本研究的第一試驗樣本。圖2.1、2.2即為此試驗道路配置與路面結構的斷面圖。同時，根據養路工程師的提供，選取交通部公路局所中壢工務段所管轄之8條省線道之部份路段作為本研究之第二試驗樣本。表2.1為根據養路工程師的提供，這些路段的特性包含有鋪面結構強度不足與路基結構強度較弱等現象，以及幾段路況較為優良的路段。本研究選定這些路段，作為以實務法進行之顯著指標演繹與結構強度評估模式建立的試驗樣本，國工局國道斷面公路局省道斷面20m7m圖2.1中大試驗道路配置圖密級配瀝青混凝土10cm粗級配瀝青混凝土10cm碎石級配料基層40cm省縣道斷面國道斷面密級配瀝青混凝土20cm瀝青處理底層20cm碎石級配料基層40cm路基土壤路基土壤80cm60cm3.5m3.5m圖2.2中大試驗道路結構斷面圖表2.1省、縣道試驗道路路段路段里程位置養路工程師鑑定台一線23.6～24.0雙向外側車道面層較弱路段110甲線2.0～1.6西向單車道面層較弱路段台一甲18.5～17.6北向外側車道路基狀況不佳台十五線48.1～49.0南向雙車道路基狀況不佳115線2.0～2.9東向單車道路基狀況不佳台一線28.0～30.0北向外側車道台一甲線22.0～23.0南向外側車道台十五線50.0～51.0南下外側車道極少損壞路段2.1JILS-20型落錘式撓度儀儀器特性JILS-20-FWD乃是美國FoundationMechanicsInc公司於1995年所研發的一新式的落錘式撓度儀。在有別於Dynatest型之FWD，JILS乃以較單純且較第一屆舖面工程師生研究成果聯合發表論文集-190-經濟的設計以達到各項路面結構評估的需要，尤其是在於該儀器的人性化設計，意即說該儀器可讓使用者能輕易的了解及熟悉各項功能與操作。JILS-FWD對鋪面所施加的荷重是產生自一自由的落錘。而此落錘被提升至預先決定的高度後，垂直衝擊底部所安放的緩衝彈簧，其所引發的是一半正弦式的荷載脈衝。此荷載脈衝的強度及歷時是與落錘的重量、緩衝彈簧的性質與落下的高度有關，即這三項因子的函數。而JILS-FWD具備獨立的電腦作業系統，該電腦系統被用來控制所有子系統的操作與資料數據結果的擷取。JILS整體系統擁有其自身的汽油引擎，足以提供本儀器操作時所需的動力以及電力的供應。表2.2為JILS型FWD的相關特性與功能彙整。表2.2JILS-20-FWD型儀器特性彙整系統項目規格荷重範圍2000~20000pounds重錘分六個接收器數目七個，位置可調整（亦可安排兩個於落盤後）荷重盤直徑直徑12in圓盤(可調整式)載重脈衝波型半個正弦波形載重歷時0.025~0.030秒載重測量Apresicionfatiguerated,straingageforcetransducer載重測量誤差2％±15pounds撓度測量範圍2.0mm(80mils)撓度測量誤差2％±0.04mils撓度測量解析度1micron撓度系統誤差±2％資料輸出方式螢幕顯示、列印或存檔（含各項試驗設定）系統重複性每小時最多達60個位置點（一人操作施測）驅動電源以12VDC＠15Amp驅動路面溫度量測系統紅外線掃描路面溫度量測精度±1℉路面溫度量測範圍32～180℉（0～80℃）拖曳車尺寸長×寬×高為140in×69in×66in拖曳車重量最重為2300lb拖曳車軸數20Ｃ為單軸，20為雙軸三、撓度數據校估模式之建立3.1撓度數據校估模式建立之方法非破壞撓度試驗數據主要是反應鋪面結構及路基土壤的現況，並可提供作為維修與養護之用，然而對於進行施測路段的外在環境變化（如：氣候、溫度、路基飽和度等）以及路段本身的結構組合（如：層數、厚度）的不同，在進行整體鋪面狀況評估時，就必須因地制宜。一般來說，影響撓度值變化之外在因素相當多，而最常被考慮也是最易取得資料者即為溫度、荷重以及厚度。因此，本研究所建立的撓度校估模式亦針對此三個因素，進行大量的資料蒐集並且利用統計第一屆舖面工程師生研究成果聯合發表論文集-191-回歸方式進行因子分析與模式建立。本研究基於溫度校估定點法的原理，為同時考量不同荷重、溫度型態及鋪面厚度的影響，於中大所建立之標準試驗斷面進行撓度校估模式建立之工作。該路段在不受車軸重複載重的影響下，自民國八十八年九月起定點定時連續蒐集跨越夏、秋、冬、春之撓度數據資料直至民國八十九年五月止，並同時記錄各型態之溫度資料。對於FWD七個撓度值之校估，乃設定其校估函數與撓度真值存在單純的線性關係，如式4.1、4.2所示。(Dr)i=Fi*(Do)i……………….…….式3.1Fi=fi(T,L,H)i=1~7…………….……….式3.2Dr：經修正後之標準撓度值Do：FWD試驗量測之撓度值Fi：撓度校估方程式T：鋪面有效溫度L：FWD施測荷重H：AC層厚度本模式的假設乃是根據AASHTO1986版中，由Southgate與Deen所發展之【撓度修正因子】所延伸的。同時，根據文獻資料選取最具影響撓度的溫度型態，包括路面表面溫度、大氣前五天平均溫度、路面中間點溫度等。並且結合試驗路段的兩種的斷面，以及FWD施測時的三種荷重組合，利用多變量統計與多元回歸模式進行試驗及分析，流程如圖3.1。再者，為確立校估模式之基準與配合路面撓度指標建立的進行，本研究需設定撓度校估中各項因子的基準當量值，如表3.1所示，此設定之各因子基準狀態即表示當修正係數F=1之狀況。鋪面表面溫度AC層中間點溫度大氣前五天平均溫度鋪面有效溫度1.20cmＡＣ厚度2.40cmＡＣ厚度6kip荷重9kip荷重12kip荷重多元回歸分析帶入設定基準值撓度校估標準模式因子與撓度值關係圖3.1撓度校估模式建立流程第一屆舖面工程師生研究成果聯合發表論文集-192-表3.1撓度校估各項因子基準值鋪面有效溫度℃25.0ＡＣ層厚度cm20.0FWD試驗荷重kip9.03.2各影響因子效應分析在分析本研究的影響因子與撓度值間的關係時，必須先考慮與假設撓度值的變化是否僅單純受到一般主效應的影響，或是各主效應間存在交互作用的關係。再者，於進行校估模式建立時，必須考慮到並非每個因子均與撓度值存在相同的變化關係，簡單的說，各個考慮的因子並非與撓度的關係都是線性或非線性的。因為在進行多元回歸分析時，必須事先決定是以線性或是非線性的方式來進行的，若非如此，則必須將所有變數先行作同一性質的轉換，再納入回歸中，以提高回歸結果的可信度。因此，我們必須先了解到各因子與FWD撓度值間的對應變化關係，以免造成校估時的誤判，同時提高校估值的精確性。表3.2為採用進行校估之有效溫度決定，表3.3為因子與撓度值間之回歸關係決定。表3.3各類溫度與撓度D1之回歸關係指數關係回歸判定係數R2溫度形態斷面一斷面二Ts0.3920.828Tm0.9410.904T50.5320.549表3.3因子與撓度值間之回歸關係決定存在關係D1D2D3D4D5D6D7Tm指數指數指數線性---L線性線性線性線性線性線性線性因子H指數指數指數指數指數指數指數3.3撓度值數據校估模式之建立將撓度與各影響因子數據作線性轉換後，再進行多元回歸得到式3.1～3.7之各回歸模式。而初步的由各式的判定係數來看，對撓度變化所考量的影響因子都存在相當高的解釋力。唯對於第六與第七個撓度值，其判定係數稍降，本研究認為原因乃是該撓度通常反應自下層的狀況，而下層的路基土壤除了主要受到上部結構狀況的交互作用與施測荷重影響外，季節氣候與水份飽和度的效應似乎也必須被考慮的，但是由於這些因素在試驗時與實務應用上不易被控制設計，所以本研究忽略該特性的影響，而將之排除於撓度校估模式外。第一屆舖面工程師生研究成果聯合發表論文集-193-logD1=0.137-1.4*10-2H+1.029logL+1.15*10-2TR2=0.958式3.1logD2=0.169-1.5*10-2H+1.005logL+8.12*10-3TR2=0.966式3.2logD3=0.117-1.4*10-2H+1.013logL+5.97*10-3TR2=0.969式3.3logD4=-0.204-1.11*10-2H+1.012logL+0.195logTR2=0.968式3.4logD5=-0.142-7.77*10-3H+1.02logLR2=0.960式3.5logD6=-0.555-1.51*10-3H+1.015logLR2=0.933式3.6logD7=-1.111-3.737*10-3H+1.021logLR2=0.891式3.7在完成上述各方程式後，將先前所設定的基準值，溫度25℃、厚度20公分以及9kip的荷重代入各方程式中，得到D1=13.3788、D2=10.7402、D3=8.9722、D4=6.4910、D5=4.7416、D6=2.4170、D7=0.8671等值，這七個數值即被視為於標準試驗道路撓度觀測狀態下撓度之標準值，即此值為在校估係數（correctionfactor）F=1對應的撓度值。接著，我們利用這些基準值，代回原始的試驗數據資料中，將所有的撓度值與此基準值作係數轉換，並將轉換後的所有係數，按先前的步驟再一次的進行多元回歸分析，即得到校估係數方程式，此即完成撓度校估模式的建立。表3.4為FWD撓度數據校估模式的總整理。表3.4FWD撓度數據校估模式(Dr)i=Fi*(Do)iFi=fi(T,L,H),i=1~7T：℃L：kipH：cmF1=10(0.99+0.0143H-0.012T)/L1.029F2=10(0.862+0.0151H-0.0081T)/L1.005F3=10(0.836+0.0142H-0.006T)/L1.013F4=10(1.017+0.0112H)/(