Czym jest analiza ugięć FWD i back-kalkulacja?

Analiza FWD to proces, który wyznacza sztywność każdej warstwy nawierzchni z ugięć powierzchni zmierzonych deflektometrem uderzeniowym (FWD). FWD zrzuca ciężar na płytę obciążającą i rejestruje ugięcie czujnikami. Inżynier zamienia odczyty na moduły warstw, kontrolę złączy i pustek oraz dane wejściowe do projektu.

Co mierzy FWD

FWD to urządzenie z obciążeniem impulsowym. Ciężar opada na gumowe sprężyny i dociska płytę obciążającą do nawierzchni. Obciążenie zależy od masy ciężaru i wysokości opadania. Operator może dopasować je do obciążenia koła statku powietrznego. Impuls siły trwa zwykle od 20 do 60 milisekund. Dla nawierzchni obsługujących samoloty komercyjne FAA podaje obciążenie impulsowe od 20 do 55 kips (od 90 do 250 kN). Ciężki deflektometr uderzeniowy (HWD) działa tak samo, z obciążeniem bliskim 70 kips. Lekki deflektometr uderzeniowy (LWD) to przenośna wersja do warstw niezwiązanych.

FAA zaleca czujniki w środku płyty i w odstępach co 12 in (30 cm), aż do 72 in (180 cm). Inne agencje stosują inne układy, na przykład układ SHRP z czterema czujnikami w odległościach 0, 12, 24 i 36 in. AC 150/5370-11B mówi, że płyta 12 in (30 cm) jest normalna dla nawierzchni związanych. Płyta 18 in (45 cm) pasuje do niezwiązanej podbudowy zasadniczej, podbudowy pomocniczej lub podłoża. Stosowanie AC 150/5370-11B jest obowiązkowe dla projektów finansowanych ze środków AIP lub PFC.

Misa ugięcia

Obciążenie tworzy w nawierzchni zagłębienie w kształcie misy. To jest misa ugięcia. Ugięcie jest największe pod płytą i maleje wraz z odległością. Ugięcie pod płytą (d0) pokazuje sztywność całej konstrukcji. Ugięcie na najdalszym czujniku pokazuje sztywność podłoża. Słabsza nawierzchnia ugina się bardziej pod tym samym obciążeniem. Kształt misy zależy od wszystkich warstw, więc dwie nawierzchnie mogą mieć takie samo d0 i mimo to różnić się podbudową i podłożem. Temperatura asfaltu, wilgotność i zwijanie płyt betonowych także zmieniają misę.

Wzory FWD

Analiza FWD używa kilku krótkich wzorów i jednego długiego obliczenia:

• Impulsowy moduł sztywności (ISM). ISM = L / d0, gdzie L to przyłożone obciążenie, a d0 to maksymalne ugięcie pod płytą. Jednostką jest kips/in. Wyższy ISM oznacza sztywniejszą nawierzchnię przy tym samym obciążeniu.
• Normalizacja obciążenia. Ugięcie znormalizowane to d0n = (Lnorm / Lapplied) x d0. Koryguje ugięcia z różnych obciążeń upadku do jednego obciążenia standardowego, na przykład obciążenia koła 40 000 lb (180 kN).
• Sprężysty moduł podłoża. AC 150/5370-11B podaje Mr = 0,24 P / (dr x r) dla wartości podłoża w postaci zamkniętej. P to obciążenie w lb, dr to ugięcie na odległości r, a r to odległość w in. Dla prac według AASHTO 1993 wynik wymaga współczynnika korygującego, zwykle 0,33, aby odpowiadał laboratoryjnemu modułowi sprężystemu.
• Sprawność przenoszenia obciążenia z ugięcia (LTE). LTE = ugięcie płyty nieobciążonej / ugięcie płyty obciążonej x 100%.
• Stosunek ISM. Stosunek ISM = ISM w środku płyty / ISM w narożniku lub przy spoinie.
• Moduły warstw. Nie ma jednego wzoru, który je podaje. Pochodzą z back-kalkulacji.

Wykresy ISM lub ugięcia znormalizowanego wzdłuż drogi startowej pokazują miejsca mocne i słabe. Inżynier używa wykresu, aby znaleźć, gdzie kończy się jeden odcinek nawierzchni, a zaczyna następny. Odcinek to obszar, który powinien zachowywać się jednolicie.

Back-kalkulacja

Back-kalkulacja wyznacza moduł sprężystości każdej warstwy z misy ugięć. Inżynier przyjmuje grubości warstw i wylicza sztywność. FAA wymienia dwa typy metod statyczno-liniowych. Metoda w postaci zamkniętej wylicza moduł każdej warstwy bezpośrednio z grubości i z jednego lub większej liczby czujników. Metoda iteracyjna używa teorii warstwowej sprężystości i wymaga ugięć z co najmniej czterech czujników.

Metoda iteracyjna działa w pętli:

1. Ustaw wstępny moduł (wartość startową) i zakres modułu dla każdej warstwy.
2. Oblicz misę, jaką te moduły dają przy obciążeniu FWD.
3. Porównaj obliczoną misę ze zmierzoną.
4. Skoryguj moduły i powtarzaj, aż błąd dopasowania będzie dopuszczalny.

FHWA mówi, że błąd (RMS) poniżej 2% jest rozsądny, a wartość powyżej 3% budzi wątpliwości. Inżynier musi też porównać moduły z typowymi wartościami dla danego materiału.

Inżynier najpierw usuwa misy z błędami. Misa typu I ma zewnętrzny czujnik, który odczytuje więcej niż czujnik środkowy, i daje największy błąd. Misa typu II ma nietypowo duży spadek między dwoma sąsiednimi czujnikami. Misa typu III ma czujnik, który odczytuje więcej niż sąsiedni czujnik od strony środka. Przyczyną mogą być pęknięcie blisko płyty, martwy czujnik, błąd kalibracji, pustka lub zwijanie płyty.

Wynik nie jest jednoznaczny. FAA wymienia czynniki, które go zmieniają. Są to liczba warstw, grubość warstw, stan styku między warstwami i temperatura asfaltu. Wartości startowe, sztywna warstwa pod spodem, pęknięcia i błędy czujników także go zmieniają. FAA ostrzega, że statyczne modele back-kalkulacji mogą przeszacowywać moduł podbudowy zasadniczej, podbudowy pomocniczej i podłoża gruntowego. Grubość warstw pochodzi z rdzeni lub georadaru, a nie z FWD.

Oprogramowanie do back-kalkulacji

BAKFAA to oprogramowanie FAA do back-kalkulacji. Używa procedury obliczeniowej LEAF, obsługuje do 10 warstw i wylicza moduły asfaltu, betonu oraz betonu z nakładką asfaltową. AC 150/5370-11B wymienia też MODULUS (Texas Transportation Institute, metoda oparta na bazie danych), WESDEF, BISDEF, CHEVDEF, ELSDEF i MICHBAK. FHWA wymienia także EVERCALC. EVERCALC używa metody Levenberga-Marquardta i może sprowadzić moduł asfaltu do temperatury standardowej.

Wybór oprogramowania zależy od dalszych etapów. FAA mówi, że metoda back-kalkulacji musi odpowiadać metodzie programu oceny lub projektowania. FAARFIELD używa teorii warstwowej sprężystości, więc moduł sprężysty z BAKFAA trafia do niego wprost. W opracowaniu opartym na CBR inżynier przelicza moduł sprężysty na wartość CBR. Wartość k wyliczona z back-kalkulacji jest wartością dynamiczną. FAA powołuje się na raport NCHRP 372, który stwierdził, że statyczna wartość k jest równa połowie dynamicznej.

Złącza, pustki i trwałość płyty

Na nawierzchni betonowej FWD bada złącza i narożniki, a także środek płyty. Badania narożników stawiają płytę w odległości do 6 in (15 cm) od spoin.

Przenoszenie obciążenia. Sprawność przenoszenia obciążenia pokazuje, jaka część obciążenia przechodzi na następną płytę. Większe przenoszenie obniża naprężenie zginające w obciążonej płycie. Metoda projektowa FAA zakłada, że przenoszenie obciążenia zmniejsza naprężenie na wolnej krawędzi płyty o 25%. Dla płyty 12 in wymaga to LTE 70% przy promieniu względnej sztywności 20 in. Przy promieniu 130 in wymaga 90%. AC 150/5370-11B ocenia spoinę według tabeli. Ocena zależy też od promienia względnej sztywności płyty. Przy promieniu 20 in LTE od 70 do 100% jest dopuszczalne. Wartość od 50 do 70% jest dostateczna, a poniżej 50% słaba. Przy promieniu 130 in dopuszczalne jest 90 do 100%, a dostateczne 70 do 90%. Poniżej 70% jest słabe.

Pustki. Back-kalkulacja zakłada pełny styk płyty z fundamentem. Pęknięcia narożne, uskoki lub pęknięcia płyty wskazują na utratę podparcia. Może ją powodować erozja, osiadanie i zwijanie. Badanie pustek używa trzech poziomów obciążenia w narożniku lub w połowie spoiny. Punkt przecięcia ugięcia powyżej 3 mils wskazuje pustkę. FAA zaleca sprawdzenie wyniku odwiertami rdzeniowymi, georadarem lub termografią w podczerwieni. Zwijanie zmienia wynik w ciągu dnia, dlatego FAA zaleca badanie, gdy temperatura jest stała.

Trwałość. Stosunek ISM powyżej 3 może wskazywać na słabą trwałość betonu w narożniku lub przy spoinie. Stosunek od 1,5 do 3 budzi wątpliwości. Poniżej 1,5 nawierzchnia jest prawdopodobnie w dobrym stanie.

Badanie na lotnisku

Badanie FWD może przebiegać, gdy droga startowa pozostaje w użyciu. FAA podaje do 250 punktów badawczych dziennie, a AC 150/5370-11B podaje od 150 do 250 na zmianę 8-godzinną. Badania środkowych płyt na drodze startowej wykonuje się wzdłuż ścieżki kół, w odstępach od 100 do 400 ft (od 30 do 120 m). Odstęp zależy od typu nawierzchni i od poziomu projektu lub sieci. Każdy odcinek nawierzchni wymaga co najmniej dwóch badań. Operator rejestruje temperaturę nawierzchni podczas badania. Bardzo gorąca pogoda może ściskać nawierzchnię asfaltową, dlatego FAA zaleca odłożenie badania. Wyniki zmieniają się z porą roku, a odwilż lub długa susza mogą dać wyniki, które nie odzwierciedlają podłoża.

Co inżynierowie robią z wynikami

• Dane wejściowe do projektu. FAA mówi, że moduł lub wartość k z back-kalkulacji może trafić wprost do FAARFIELD. Przy bardziej zachowawczym podejściu użyj średniej minus jednego odchylenia standardowego. Jeśli współczynnik zmienności przekracza 20%, najpierw usuń wartości odstające, a gdy wynik nadal jest za niski, podziel odcinek.
• Pozostały okres użytkowania i projekt nakładki. Tabela 7 AC 150/5370-11B pokazuje, które programy FAA wykonują ocenę pozostałego okresu użytkowania i projekt nakładki na podstawie danych FWD.
• Raportowanie nośności nawierzchni. Badania NDT na poziomie sieci uzupełniają dane PCI. Razem generują oceny klasyfikacyjne nawierzchni (PCR) dla każdego obiektu strefy lotniskowej zgodnie z AC 150/5335-5.

Związek z przeglądem wizualnym

FWD pokazuje stan konstrukcji. FAA mówi, że stan użytkowy muszą oceniać inne metody, na przykład stan wizualny, równość i tarcie. Przegląd PCI według ASTM D5340 ocenia stan wizualny i daje tylko pośredni pomiar konstrukcji. Mając oba wyniki, inżynier może przypisać ogólną ocenę stanu nawierzchni.