在道路设计和性能分析中优化基于 LightWeight Defectometer 的岩土工程数据输入
迪娜-库塔 ^(10){ }^{10}
接受：2024 年 6 月 11 日 / 在线发表：2024 年 6 月 27 日
© 作者 2024
摘要
本研究探讨了评估路面设计关键参数的替代方法，特别是杨氏模量和泊松比。虽然传统上使用重复加载三轴测试，但其高成本和时间要求促使人们寻找更有效的方法。坠落重量缺陷仪测试也是资源密集型的，因此需要对轻质缺陷仪测试进行研究。该研究利用 EraPave 软件进行分析，该软件采用了多层弹性理论反向计算工具，通过对无粘结颗粒材料、砂土、淤泥质砂土和砂质淤泥质粘土进行实验室测试，检查材料特性，为现场测试提供数据。在不同含水量和动态载荷条件下进行的现场 LWD 试验通过 EraPave 提供的数据进行处理，以预测土层模量。结果表明，LWD 能够有效预测不同建筑材料的土层模量。尽管均方根误差值存在差异，但 LWD 数据始终与 EraPave 的预测结果保持一致，突出表明了其在路面评估方面的可靠性。案例研究说明了 LWD 和 EraPave 对不同含水量和应力的适应性。这项研究证明了 LWD 试验的高效性，并强调了 EraPave 等分析工具对于准确评估路面的重要性，有助于优化路面评估流程，并做出明智的道路建设和维护决策。
关键词 ERAPave - 层刚度模量 - 轻质缺陷仪 - 无粘结粒状材料 - 砂土 - 淤泥质砂土和砂质淤泥质粘土
1 引言
由于交通荷载和环境因素的综合影响，多年来路面结构的性能逐渐恶化。从表面到基层，沥青路面的技术状况都在持续下降（Hernando 等人，2013 年；Bhandari 等人，2023 年；Xiong 等人，2024 年）。不同的路面断面可能表现出不同程度的过早损坏，包括永久变形、开裂和路面层下的松散材料（Suh 等人，2018 年；Donev 和 Hofmann，2020 年；Dinegdae 等人，2023 年）。
在过去的几十年里，世界各地的研究人员使用了各种方法来评估路面状况，并找出路面问题的潜在原因（Lippmann，1986 年；Gerritsen 等人，1987 年；Perdomo 和 Nokes，1993 年；Hasan 等人，2024 年）。
为了减轻路面状况和气候条件对路面造成的破坏，我们已经做了大量的工作来确定和估算每个施工层的适当路面设计参数。然后将这些参数纳入先进的路面设计软件，以提高路面的整体性能。
在力学方法中，路面设计关键参数的确定主要围绕刚度模量（E）和泊松比（v）的估算。刚度模量（Mr）是路面层的核心刚度指标，表示经过无数次循环重复加载后滞后环内的卸载模量，通常通过重复加载三轴（RLT）测试获得。然而，值得注意的是，路面材料的弹性模量测试既昂贵又耗时，这促使人们研究更简单、更可靠的 Mr 替代测试技术（Pericleous 和 Metcalf，1996 年；Kim 等人，2001 年；Razouki 和 Kuttah，2004 年；Kuttah，2021 年）。
此外，路面机械性能的评估历来依赖于落重缺陷仪（FWD）测试（Nega 等人，2016 年；Gupta 等人，2023 年），这种方法涉及在路面表面施加冲击载荷，随后测量缺陷响应。荷载振幅和频率内容旨在提供与重型城市道路荷载中卡车车轮荷载所引起的路面变形水平类似的路面变形水平，而且还能在短时间内产生大量的变形数据（Bianchini 和 Bandini，2010 年）。传统上，FWD 测试是世界上使用最广泛的无损检测（NDT）仪器，因为它具有测试精度高、可重复性强以及在幅度和持续时间方面与实际加载条件相似等优点。无损检测设备的使用促使人们开发了多个描述缺陷盆地的参数。这些参数在计算路面层弹性模量（E-模量）和评估路面结构状况方面的实用性已得到证实（Kim 等人，2000 年；Park，2001 年；Thummaluru 和 Guzzarlapudi，2022 年；Kuttah，2023 年；Duddu 等人，2023 年）。
然而，考虑到一汽大众的测试也需要大量的时间和资源，本研究建议用轻量化测试来替代一汽大众的测试。
缺陷仪（LWD）测试。LWD 理论和测得的模量已在多项研究中进行了广泛讨论，为评估未铺设路面的道路、自行车道或未铺设路面材料的状况提供了传统 FWD 的潜在替代方案。
本研究利用 EraPave 有效证明了实验测定的 LWD 缺陷与理论估算的缺陷之间的相关性。EraPave 是一款基于理论分析的反向计算软件，"采用多层弹性理论"，在本研究中用于建模和预测缺陷。主要重点是确定路层的结构承载力，并评估测试路层在不同条件下的变形模量变化，包括不同的含水量和施加的动荷载。
总之，本研究探讨了路面评估的复杂性，提出了在特定测试条件下用 LWD 测试替代 FWD 测试的建议。利用 VTI 的分析工具（ERAPave）和考虑替代测试技术（即 VTI 的多功能 LWD）强调了优化路面性能评估的承诺，即在本研究中测试的不同道路建筑材料的不同含水量和施加的冲击载荷下，路面层结构能力和测试层变形模量的变化。
2 测试材料特性
2.1 无附着力的颗粒材料
本研究选择了砾石材料 0//320 / 32 作为粒状基层的测试材料。表 1 列出了所测试的基层材料的级配及合格率。
根据 ASTM D1557（2012 年）标准，通过改良的 Proctor 试验确定了所选基础材料的压实性能。测试方法是使用直径为 152.4 毫米的圆柱形模具压实若干 CBR 土样。
压实试验结果表明，试验材料的压实曲线是一条半峰值曲线，有两个最佳含水量和两个最大干密度。其中一个最大干密度在干侧（ W=0%W=0 \% 处），另一个在湿侧（约 W=6%W=6 \% 处）。在 0%0 \% 和 5.7%5.7 \% 含水量时，最大干密度分别为 2.2g//cm^(3)2.2 \mathrm{~g} / \mathrm{cm}^{3} 和 2.3g//cm^(3)2.3 \mathrm{~g} / \mathrm{cm}^{3} 。
表 1 试验用非结合基料的粒度分布
| 筛子，毫米 |
45 |
31.5 |
22.4 |
16 |
11.2 |
8 |
5.6 |
4 |
2 |
1 |
0.5 |
0.25 |
0.125 |
0.063 |
| 比 |
100 |
98 |
89 |
80 |
70 |
61 |
52 |
45 |
34 |
24 |
18 |
13 |
9 |
6.4 |
Sieve, mm 45 31.5 22.4 16 11.2 8 5.6 4 2 1 0.5 0.25 0.125 0.063
% fner than 100 98 89 80 70 61 52 45 34 24 18 13 9 6.4| Sieve, mm | 45 | 31.5 | 22.4 | 16 | 11.2 | 8 | 5.6 | 4 | 2 | 1 | 0.5 | 0.25 | 0.125 | 0.063 |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| % fner than | 100 | 98 | 89 | 80 | 70 | 61 | 52 | 45 | 34 | 24 | 18 | 13 | 9 | 6.4 |
表 2 试验砂土的粒径分布
| 筛子，毫米 |
4 |
2 |
1 |
0.5 |
0.25 |
0.125 |
0.063 |
| 比 |
100 |
100 |
98 |
69 |
27 |
8 |
2.2 |
Sieve, mm 4 2 1 0.5 0.25 0.125 0.063
% fner than 100 100 98 69 27 8 2.2| Sieve, mm | 4 | 2 | 1 | 0.5 | 0.25 | 0.125 | 0.063 |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| % fner than | 100 | 100 | 98 | 69 | 27 | 8 | 2.2 |
表 3 试验砂土的粒径分布
| 筛子，毫米 |
22.4 |
16 |
11.2 |
8 |
5.6 |
4 |
2 |
1 |
0.5 |
0.25 |
0.125 |
0.063 |
| 比 |
100 |
97 |
96 |
95 |
94 |
93 |
90 |
88 |
84 |
76 |
62 |
39.2 |
Sieve, mm 22.4 16 11.2 8 5.6 4 2 1 0.5 0.25 0.125 0.063
% fner than 100 97 96 95 94 93 90 88 84 76 62 39.2| Sieve, mm | 22.4 | 16 | 11.2 | 8 | 5.6 | 4 | 2 | 1 | 0.5 | 0.25 | 0.125 | 0.063 |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| % fner than | 100 | 97 | 96 | 95 | 94 | 93 | 90 | 88 | 84 | 76 | 62 | 39.2 |
2.2 沙质土壤
本研究还对常见的砂质路基土进行了测试。这种土壤的粒径分布如下表 2 所示。根据 ASTM D2487（2017 年），测试土壤被归类为 SP 砂，表示级配较差的砂。
所选砂质土壤的比重是根据 SS-EN 1097-6（2013 年）标准测定的，结果为 2.664。
根据 ASTM D1557（2012 年）标准，使用改良的 Proctor 试验来评估压实特性。该试验包括使用直径为 152.4 毫米的圆柱形模具压实多个土壤样本。对所选砂质土壤进行的改良Proctor压实试验结果表明，在最佳含水量为 12%12 \% 时，最大干密度为 1.72g//cm^(3)1.72 \mathrm{~g} / \mathrm{cm}^{3} 。 2.3 淤泥砂土
本研究选择了一种淤泥质沙底土进行测试。对所选土壤进行了一系列全面的实验室测试，以确定各种物理特性，包括粒度分布、粘土成分、土壤分类、比重、软塑极限和压实特性。
根据 SS-EN 933-1（2004 年）的指导方针，对所选土壤进行了粒度分布测试，结果见下表 3：
根据激光衍射粒度分布分析的 VTI 方法[ 10nm-2mm10 \mathrm{~nm}-2 \mathrm{~mm} ] 对土壤中的粘土含量进行了检测，发现粘土含量为 5%5 \% 。
根据 Väg（2008 年），测试土壤属于 4A 材料类型（冻害等级为 3 级的混合颗粒土壤）。根据 SS-EN ISO 14688-2 (2004)，该土壤被归类为含 5%5 \% 粘土的淤泥质砂土。
所选土壤的比重根据 SS-EN 1097-6（2013 年）附录 G 进行了测试，结果为 2.64。瑞典岩土工程研究所（SGI）根据 SS-EN ISO 1789212（2018 年）测定了液限和塑限。测试结果显示，测试土壤的液限（LL）为 18%18 \% ，塑限（PL）为 14.3%14.3 \% ，因此塑性指数为 3.7%3.7 \% 。在本项目中，压实性能是根据以下标准使用改良的 Proctor 试验确定的
astm d1557（2012 年）。该试验使用直径为 152.4 毫米的圆柱形模具压实多个土样。土样在 0 至 16%16 \% 不同含水量下压实，以确定水-密度关系。压实试验结果表明，在最佳含水量约为 8.2%8.2 \% 时，测试土壤的最大干密度为 2.03g//cm^(3)2.03 \mathrm{~g} / \mathrm{cm}^{3} 。
2.4 砂质淤泥质粘土
本研究还选择了一种砂质淤泥质粘土作为底土。对所选土壤进行了一系列实验室测试，以确定其物理特性，即粒度分布、粘土和粉土组分、土壤分类、比重、软塑限、压实特性和土壤分类。
根据 SS-EN 933-1 (2004)，对所选土壤进行了粒度分布测试；见表 4。
瑞典岩土工程研究所（SGI）采用沉积法测试了土壤中的粘粒含量，测试结果表明，土壤中的粘粒含量为 37.5%（ <= 0.002mm\leq 0.002 \mathrm{~mm} ），粉粒含量为 75.7%75.7 \% （粘土和粉土），砂含量为 21.9%21.9 \% ，砾石含量为 2.4%2.4 \% 。
根据 Väg（2008 年），测试土壤属于材料类型 5（霜冻危害等级 4）。根据 SS-EN ISO 14688-2 (2004)，土壤属于砂质淤泥质粘土（见图 6）。
所选土壤的比重根据瑞典标准 SS 027115（1989 年）进行了测试，结果为 2.65。
SGI 分别根据瑞典标准 SS 027115 (1990) 和瑞典标准 SS 027121 (1990) 测定了液限和塑限。测试结果显示，液限 (LL) 为 37%37 \% ，塑限 (PL) 为 17.8%17.8 \% ，塑性指数为 19.2%19.2 \% 。
根据 ASTM D1557（2012 年）标准，使用改良的 Proctor 试验测定了调查土壤的压实特性。土壤样本在不同的含水量（从 7 到 27%27 \% 之间）下进行压实，以确定水-密度关系。 3 实地测试
在受控条件下，对压实材料的大型试验坑进行了现场 LWD 试验和相应的含水率试验。如图 1 所示，试验坑长 xx5m\times 5 \mathrm{~m} 宽 xx1.5m\times 1.5 \mathrm{~m} 深约 9.5 米，配备了一个混凝土井，井内有一个排水电机，用于在试验期间控制地下水位。
首先在试验坑中压实砂土并进行试验，然后在完成所有必要的现场试验后，将砂土移走，并在试验坑中放置基层材料并压实。同样，在完成与砾石材料有关的所有现场试验后，将砾石材料移走，然后放置淤泥质砂土并进行试验。最后，当淤泥质砂土的所有测试都完成后
表 4 试验砂质淤泥粘土的粒径分布
| 颗粒大小（毫米） |
16 |
8 |
4 |
2 |
1 |
05 |
025 |
0125 |
006 |
004 |
002 |
001 |
0005 |
0003 |
0.002 |
| %\% 比 |
100 |
99 |
98 |
98 |
97 |
95 |
93 |
85 |
76 |
75 |
71 |
64 |
52 |
43 |
38 |
Particle size (mm) 16 8 4 2 1 05 025 0125 006 004 002 001 0005 0003 0.002
% fner than 100 99 98 98 97 95 93 85 76 75 71 64 52 43 38| Particle size (mm) | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 | 05 | 025 | 0125 | 006 | 004 | 002 | 001 | 0005 | 0003 | 0.002 |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| $\%$ fner than | 100 | 99 | 98 | 98 | 97 | 95 | 93 | 85 | 76 | 75 | 71 | 64 | 52 | 43 | 38 |
图 1 研究中使用的试验坑
完成后，对淤泥质砂质粘土进行压实和测试。表 5 列出了在每种压实材料上进行的 LWD 试验的现场测试条件，以及相应的含水量和施加的接触压力。
4 使用的设备和工作原理
4.1 轻质缺陷仪（LWD）测试
LWD 是一种基于模量的测量工具，在压实控制过程中具有相当大的应用潜力（Fleming 等人，2007 年）。它可以测量重物下落造成的变形，从而估算出动态变形模量 (Evd)。Evd 的计算采用了基于 Boussinesq（1885 年）的单层系统弹性半空间理论，如公式 (1) 所示。该公式的前提条件是测试介质是线性弹性、各向同性、均质半非连续体。模量的确定依赖于两个假定参数：板与土壤之间接触应力分布的形状系数（A）和泊松比（v）。
E=2k(1-v^(2))//Ar_(0)E=2 k\left(1-v^{2}\right) / \mathrm{Ar}_{0}
其中， kk 为荷载（峰值）/变形（峰值）， r_(o)r_{\mathrm{o}} 为板半径， AA 为应力分布系数， vv 为泊松比。
LWD 的工作原理是测量重达 20 千克的重物下落造成的位移，并通过集成检波器进行检测（见图 2）。本研究使用的 LWD 基本坠落质量为 10 千克。在测试过程中
表 5 LWD 试验的现场试验条件，以及相应的含水量和施加的接触压力
| 材料类型 |
WC (%) |
载荷（千牛） |
板直径 (m)(\mathrm{m})
Plate
diameter
(m)| Plate |
| :--- |
| diameter |
| $(\mathrm{m})$ | |
接触压力 (kPa)(\mathrm{kPa})
Contact
pressure
(kPa)| Contact |
| :--- |
| pressure |
| $(\mathrm{kPa})$ | |
| 砾石 |
3-3.53-3.5 |
3 |
0.3 |
42,42 |
| 砾石 |
3-3.53-3.5 |
5 |
0.3 |
70,71 |
| 砾石 |
3-3.53-3.5 |
7 |
0.3 |
98,99 |
| 砾石 |
6.4-6.86.4-6.8 |
7 |
0.3 |
98,99 |
| 沙子 |
3 |
3 |
0.3 |
42,42 |
| 沙子 |
3 |
5 |
0.3 |
70,71 |
| 沙子 |
9 |
7 |
0.3 |
98,99 |
| 淤泥砂 |
8 |
1.57 |
0.2 |
49.80 |
| 淤泥砂 |
8 |
3.26 |
0.2 |
103.73 |
| 淤泥砂 |
8 |
6.47 |
0.2 |
205.70 |
| 淤泥砂 |
10 |
1.56 |
0.2 |
49.74 |
| 淤泥砂 |
10 |
3.25 |
0.2 |
103.41 |
| 淤泥砂 |
10 |
6.33 |
0.2 |
201.25 |
| 淤泥砂 |
15 |
1.64 |
0.2 |
52.02 |
| 淤泥砂 |
15 |
3.25 |
0.2 |
103.41 |
| 淤泥砂 |
15 |
6.25 |
0.2 |
198.86 |
| 淤泥质沙粘土 |
16 |
3.5 |
0.3 |
49.49 |
| 淤泥质沙粘土 |
16 |
2.6 |
0.3 |
36.76 |
| 淤泥质沙粘土 |
16 |
1.7 |
0.3 |
24.04 |
| 淤泥质沙粘土 |
19 |
3.5 |
0.3 |
49.49 |
| 淤泥质沙粘土 |
19 |
2.6 |
0.3 |
36.76 |
| 淤泥质沙粘土 |
19 |
1.7 |
0.3 |
24.04 |
| 淤泥质沙粘土 |
24 |
3.5 |
0.3 |
49.49 |
| 淤泥质沙粘土 |
24 |
2.6 |
0.3 |
36.76 |
| 淤泥质沙粘土 |
24 |
1.7 |
0.3 |
24.04 |
|
|
|
|
|
Material type WC (%) Load (kN) "Plate
diameter
(m)" "Contact
pressure
(kPa)"
Gravel 3-3.5 3 0.3 42,42
Gravel 3-3.5 5 0.3 70,71
Gravel 3-3.5 7 0.3 98,99
Gravel 6.4-6.8 7 0.3 98,99
Sand 3 3 0.3 42,42
Sand 3 5 0.3 70,71
Sand 9 7 0.3 98,99
Silty sand 8 1.57 0.2 49.80
Silty sand 8 3.26 0.2 103.73
Silty sand 8 6.47 0.2 205.70
Silty sand 10 1.56 0.2 49.74
Silty sand 10 3.25 0.2 103.41
Silty sand 10 6.33 0.2 201.25
Silty sand 15 1.64 0.2 52.02
Silty sand 15 3.25 0.2 103.41
Silty sand 15 6.25 0.2 198.86
Silty sandy clay 16 3.5 0.3 49.49
Silty sandy clay 16 2.6 0.3 36.76
Silty sandy clay 16 1.7 0.3 24.04
Silty sandy clay 19 3.5 0.3 49.49
Silty sandy clay 19 2.6 0.3 36.76
Silty sandy clay 19 1.7 0.3 24.04
Silty sandy clay 24 3.5 0.3 49.49
Silty sandy clay 24 2.6 0.3 36.76
Silty sandy clay 24 1.7 0.3 24.04
| Material type | WC (%) | Load (kN) | Plate <br> diameter <br> $(\mathrm{m})$ | Contact <br> pressure <br> $(\mathrm{kPa})$ |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| Gravel | $3-3.5$ | 3 | 0.3 | 42,42 |
| Gravel | $3-3.5$ | 5 | 0.3 | 70,71 |
| Gravel | $3-3.5$ | 7 | 0.3 | 98,99 |
| Gravel | $6.4-6.8$ | 7 | 0.3 | 98,99 |
| Sand | 3 | 3 | 0.3 | 42,42 |
| Sand | 3 | 5 | 0.3 | 70,71 |
| Sand | 9 | 7 | 0.3 | 98,99 |
| Silty sand | 8 | 1.57 | 0.2 | 49.80 |
| Silty sand | 8 | 3.26 | 0.2 | 103.73 |
| Silty sand | 8 | 6.47 | 0.2 | 205.70 |
| Silty sand | 10 | 1.56 | 0.2 | 49.74 |
| Silty sand | 10 | 3.25 | 0.2 | 103.41 |
| Silty sand | 10 | 6.33 | 0.2 | 201.25 |
| Silty sand | 15 | 1.64 | 0.2 | 52.02 |
| Silty sand | 15 | 3.25 | 0.2 | 103.41 |
| Silty sand | 15 | 6.25 | 0.2 | 198.86 |
| Silty sandy clay | 16 | 3.5 | 0.3 | 49.49 |
| Silty sandy clay | 16 | 2.6 | 0.3 | 36.76 |
| Silty sandy clay | 16 | 1.7 | 0.3 | 24.04 |
| Silty sandy clay | 19 | 3.5 | 0.3 | 49.49 |
| Silty sandy clay | 19 | 2.6 | 0.3 | 36.76 |
| Silty sandy clay | 19 | 1.7 | 0.3 | 24.04 |
| Silty sandy clay | 24 | 3.5 | 0.3 | 49.49 |
| Silty sandy clay | 24 | 2.6 | 0.3 | 36.76 |
| Silty sandy clay | 24 | 1.7 | 0.3 | 24.04 |
| | | | | |
下落的质量撞击板，产生高达 7 kN 的负载脉冲，具体取决于下落高度。
使用高精度地震传感器（地震检波器）通过载荷板上的一个孔测量被测材料表面的中心变形。此外，还有两个地震检波器分别安装在距离负载中心线 30 厘米和 60 厘米处。本研究使用直径为 3 厘米的底板进行现场测量。通过一个可移动的释放手柄可以方便快捷地调节下落高度，峰值冲击力是根据传感器的实际读数确定的（见图 2）。
数据采集软件安装在与 LWD 相连的电脑上。表面和/或板的变形模量（Evd）可实时显示在电脑屏幕上，此外还有来自变形传感器和载荷传感器的时间历史图表。对于现场的 LWD，假定 A=4A=4 和 v=0.35v=0.35 ，可使用公式 1 计算 Evd。
图 2 研究中使用的 LWD
此外，利用公式 (2)，计算了在距离荷载中心线偏心处的应力，在距离荷载中心线 30 厘米和 60 厘米处通过现场 LWD 测量的变形模量。基层和/或基底材料的动态变形是通过将介质视为半非均质弹性体以及将荷载视为圆形区域上的均匀荷载来确定的。其数学计算公式为
" Evd field "=F^(**)(1-v2)//(pi.r.dr)\text { Evd field }=F^{*}(1-v 2) /(\pi . r . d r)
其中，dr 是距离中心 rr 处的变形， FF 是峰值力。
4.2 核密度计（NDG）
使用核密度计 (NDG) 测定试验坑中被测土壤的原位含水量。该测试方法可用于快速测定土壤的含水量、
用于原位测量土壤和土壤集料的湿密度和含水量以及测定干密度的非破坏性技术（ASTM D6938 2017）。
5 结果与讨论
5.1 无粘结粒状材料（UGM）的情况
使用 VTI 提供的多功能 LWD，在湿度较低（约 3%）和湿度较高约 6.6%6.6 \% （加水后）的不同位置对砾石基层进行了测试。
通过改变 10 千克重物的下落高度，在三种不同的下落高度下进行了现场 LWD 试验，以分别获得 3kN,5kN3 \mathrm{kN}, 5 \mathrm{kN} 和 7 千牛的外加载荷，相当于大约 42kPa,70kPa42 \mathrm{kPa}, 70 \mathrm{kPa} 和 100 千帕的垂直接触压力。
EraPave 软件用于评估路面的结构状况，根据 LWD 试验测得的变形数据，通过反向计算过程预测路面层的模量。
图 3 显示了在不同含水量和外加应力条件下，使用现场 LWD 和 ERAPave 获得的砾石基层表面平均动态位移的比较。请注意，LWD 试验得出的平均动态位移是第 4、5 和 6 层的平均值，这也是常规 LWD 试验的常见做法。这些 LWD 数据点在 ERAPave 中用作 0、30 和 60 厘米间隔的输入缺陷，以确定 ERAPave 中的缺陷范围和相应的地层模量。
从图 3 中可以看出，在所有测试条件下，使用 ERAPave 测量随深度变化的位移指示线与现场 LWD 记录的测量总位移非常吻合。
图 3 所示的压实无粘结层的均方根误差（RMSE）从 0.46 到 3.51 不等，显示了 LWD 数据的巨大潜力。这表明，可以有效地将 LWD 数据作为 ERAPave 的输入，以预测不同含水量下压实砾石基层的层模量。
就层 E 模量而言，在含水量 3%3 \% 条件下，ERAPave 根据 42、70 和 100 kPa 施加应力测试点的平均值反向计算出砾石基层的层刚度为 86.1 MPa。在 100 kPa 外加应力和 6.6%6.6 \% 含水量条件下测试的点的层模量为 82.7。随着含水量的增加，E-模量下降是意料之中的。
图 3 利用 LWD 试验测试的砾石基层缺陷以及 ERAPave 中相应的回算位移
5.2 砂土情况
对于砂质土壤，LWD 试验涉及两种下落高度设置，在 3%3 \% 水位下对压实砂质土壤进行试验时，施加的荷载分别为 3 kN 和 5 kN（相当于约 42 kPa 和 70 kPa 的垂直接触压力）。
图 4 利用 LWD 试验测试的砂质土层缺陷以及 ERAPave 中相应的反算位移
含水量。对于含水量为 9%9 \% 的测试土体，采用了单滴高度设置，产生的外加载荷为 3 kN（外加应力为 100 kPa）。
为了评估压实土壤的结构状况并预测土层模量，在 UGMs 的情况下采用了 ERAPave 软件。图 4 显示了在不同含水量和外加应力条件下，通过现场 LWD 和 ERAPave 反算位移获得的砂土表面平均动态位移的比较。
ERAPave 利用代表第 4、第 5 和第 6 落差平均值的 LWD 数据点，确定了 0、30 和 60 厘米间隔的位移范围和相应的地层模量。
在图 4 中，在所有测试条件下，使用 ERAPave 计算的位移与 LWD 记录的测量总位移非常吻合。根部
砂质基层的均方误差（RMSE）从含水量为 3%3 \% 且施加应力为 42 kPa 时的 1.1 到含水量相同但施加应力为 100 kPa 时的 9.97 不等。在较高含水量（ 9%9 \% ）和 70 kPa 中间施加应力的情况下，RMSE 值为 3.36。
尽管均方根误差值存在差异，但如图 4 所示，LWD 试验数据可以有效地用作 ERAPave 的输入，以预测特定含水量和外加应力条件下压实砂土层的土层模量。
关于层 E 模量，根据 ERAPave 反向计算的层硬度，在 3%3 \% 含水量条件下，以 42 kPa 和 70 施加应力进行测试的点的平均 E 层模量为 86.9 MPa。在 100 kPa 施加应力和 9%9 \% 含水量条件下测试的点的层模量为 49.4 MPa。
5.3 淤泥的情况
此外，还使用 VTI 的多功能 LWD 在三个不同湿度水平（即 8%,10%8 \%, 10 \% 和 15%15 \% ）下对不同位置的淤泥质砂基层进行了测试。
通过改变 10 千克重物的下落高度，在三个不同的下落高度进行了现场 LWD 试验，施加的荷载分别为 1.6kN,3.3kN1.6 \mathrm{kN}, 3.3 \mathrm{kN} 和 6.5 千牛，分别对应约 50kPa,100kPa50 \mathrm{kPa}, 100 \mathrm{kPa} 和 200 千帕的垂直接触压力。在淤泥砂基层上进行的测试中，LWD 钢板的直径为 0.2 米。
图 5、图 6 和图 7 比较了使用现场 LWD 和 ERAPave 在不同含水量和外加应力条件下获得的压实淤泥质砂层表面的平均动态位移。请注意，LWD 试验得出的平均动态位移是第 4、5 和 6 滴的平均值。这些 LWD 数据点在 ERAPave 中用作 0、30 和 60 厘米间隔的输入缺陷，以确定缺陷范围和相应的层模量。
从图 5、图 6 和图 7 中可以看出，在不同含水量的所有测试条件下，使用 ERAPave 计算出的位移与现场 LWD 记录的测量总位移非常吻合。
图 5、图 6 和图 7 所示的压实淤泥质砂层的均方根误差从最低含水量 8%8 \% 和最低施加应力 50 kPa 时的 1.85 到测试的最高含水量 15%15 \% 和测试的最高施加应力 200 kPa 时的 33.7 不等。这说明，对于这种类型的土壤，在 ERAPave 中使用 LWD 数据作为输入时，增加含水量和施加应力会对计算出的均方根误差产生负面影响。含水量和外加应力越小，LWD 试验输入位移与 ERAPave 反算位移之间的匹配度越高，因此平均层模量的预测结果也越好。这表明，LWD 数据也可作为 ERAPave 的输入数据，用于预测不同含水量下压实砂土层的土层模量。因此，在砂土情况下，当施加应力大于 50 kPa 和含水量约为 15%15 \% 时，应谨慎使用 LWD 输入数据。
图 5 在含水率为 8%的 ERAPave 中，使用 LWD 试验测试的淤泥质砂土层的缺陷和相应的反算位移
就层的 E 模量而言，在 8%,10%8 \%, 10 \% 和 15%15 \% 含水量条件下，在 200、100 和 50 kPa 施加应力下测试的点，ERAPave 反向计算的层刚度平均值分别为 67.7MPa,57.8MPa67.7 \mathrm{MPa}, 57.8 \mathrm{MPa} 和 48.3 MPa。
5.4 砂质淤泥质粘土的情况
还选择了一种砂质淤泥质粘土，并使用 VTI 的多功能 LWD 在三个不同含水量水平（即 16%,19%16 \%, 19 \% 和 24%24 \% ）的不同位置进行了测试。
图 6 在 10%10 \% 含水率条件下，使用 LWD 试验测试的淤泥质砂土层的缺陷以及使用 ERAPave 进行的相应反算位移
通过改变 10 千克重物的下落高度，在三个不同的下落高度进行了现场 LWD 试验，施加的荷载分别为 1.7kN,2.6kN1.7 \mathrm{kN}, 2.6 \mathrm{kN} 和 3.5 千牛，对应的垂直接触压力分别约为 24kPa,37kPa24 \mathrm{kPa}, 37 \mathrm{kPa} 和 50 千帕。在粘土路基上进行的测试中，LWD 钢板的直径为 0.3 米。
图 6 显示了在不同含水量和外加应力条件下，使用现场 LWD 和 ERAPave 获得的压实粘土层表面平均动态位移的比较。需要注意的是，在常规 LWD 测量中，平均动态变形模块
图 7 在 15%15 \% 含水率条件下，使用 LWD 试验测试的淤泥质砂土层的缺陷以及 ERAPave 中相应的反算位移
通常考虑前三次测试后的后三次降水（即 Evd 取为第 4、5 和 6 次降水所测 Evd 的平均值）。这些 LWD 数据点在 ERAPave 中用作 0、30 和 60 厘米间隔的输入缺陷，以确定 ERAPave 中的缺陷范围和相应的地层模量。
图 8 在 16%16 \% 含水率条件下，使用 LWD 试验测试的砂质淤泥质粘土层的缺陷以及 ERAPave 中相应的反向计算位移
从图 8、图 9 和图 10 中可以看出，在所有测试条件下，使用 EraPave 计算的位移与现场 LWD 记录的测量总位移非常吻合。
压实砂质淤泥质粘土层的均方根误差（见图 8、9 和 10）从最低含水量 16%16 \% 和最低施加应力 24 kPa 时的 0.88 到最高测试含水量 24%24 \% 和最高测试施加应力 50 kPa 时的 114.6 不等。与压实淤泥质砂层的情况一样，这意味着对于粘性土而言，在 ERAPave 中使用 LWD 数据作为输入时，增加含水量和施加应力会对 RMSE 值产生负面影响。最低含水量和外加应力可使输入数据与实际结果更匹配。
图 9 在 19%19 \% 含水率条件下，使用 LWD 试验测试的砂质淤泥质粘土层的缺陷以及 ERAPave 中相应的反向计算位移
这表明，在含水量不超过 24%24 \% 和外加压力不超过 38pa 的条件下，LWD 数据也可以作为 ERAPave 的输入数据，用于预测压实粘性土的土层模量。这表明，LWD 数据也可作为 ERAPave 的输入数据，用于预测含水量高达 24%24 \% 和外加压力高达 38 kPa 的压实粘性土的土层模量。需要注意的是，当含水量达到 24%24 \% 和施加压力接近 38 kPa 时，应谨慎使用 LWD 输入数据。
从层的 E 模量来看，在 24、38 和 50 kPa 下测试点的平均值为 33 MPa。
图 10 在 24%24 \% 含水率条件下，使用 LWD 试验测试的砂质淤泥质粘土层的缺陷以及 ERAPave 中相应的反向计算位移
16%16 \% 含水量下的外加应力。在 19%19 \% 和 24%24 \% 含水量下测试点的平均值分别为 19 兆帕和 17 兆帕。
还需要注意的是，对于所有四种测试材料，在采用 LWD 测试数据时，ERAPave 预测的土层模量显示，在同一组施加荷载条件下，土层模量随着含水量的增加而减小，这与文献记载的一般趋势完全一致。
6 结论和建议
在当前的研究中，通过 LWD 试验对路面材料进行了全面评估，随后使用 ERAPave 软件进行了分析，从而对各种道路建筑材料的结构行为有了宝贵的认识。研究结果强调了 LWD 作为 FWD 试验替代方法的有效性，并突出了其在优化路面设计流程和确定层模量方面的潜力。在当前研究的基础上，根据在 3%3 \% 和 6.6%6.6 \% 含水量条件下对非结合粒状材料（砾石基层）进行的 LWD 试验，使用 ERAPave 测定的层模量分别为 86.1 兆帕和 82.7 兆帕。对于砂土，在含水量为 3%3 \% 和 9%9 \% 时，层模量分别为 86.9 兆帕和 46.4 兆帕。在含水量为 8%,10%8 \%, 10 \% 和 15%15 \% 时，淤泥质砂土层的层模量分别为 67.7 兆帕、57.8 兆帕和 48.3 兆帕。同样，对于砂质淤泥质粘土，在含水量为 16%,19%16 \%, 19 \% 和 24%24 \% 的测试点上记录到的土层模量分别为 33MPa,19MPa33 \mathrm{MPa}, 19 \mathrm{MPa} 和17兆帕。
这些数值结论证明，LWD 试验与 ERAPave 分析相结合，是预测各种路面材料层模量的可靠方法。Emodulus随含水量增加而降低的趋势与路面工程文献中的既定模式一致。该研究提倡谨慎使用 LWD，尤其是在含水量和外加应力较低的条件下，以提高路面模量预测的效率和准确性。
路面评估实践。
致谢 作者谨此感谢瑞典交通管理局通过 BVFF 计划提供的财政拨款，以支持公路和铁路建设与维护方面的研究、开发和创新。此外，还要衷心感谢 KUAB Consult and Development Company 在本研究中使用的 LWD 的制造过程中与作者的合作。
作者贡献 本文唯一作者迪娜-库塔（Dina Kuttah）对本研究论文的所有方面做出了贡献。
资金来源 瑞典国家道路与运输研究所（VTI）提供的开放存取资金。瑞典交通管理局，资助编号：7628。
数据提供情况 所有必要的数据均已包含在论文中。如需更多详细信息，敬请垂询。
