落锤式弯沉仪在公路路面检测中的应用

    摘要： 当前路基路面弯沉的检测方法主要有三种：贝克曼梁法、落锤式弯沉仪法、自动弯沉仪法。贝克曼梁法为传统检测方法，以人工操作为主，工作强度大，效率低，可靠性差，而后两种方法均为计算机控制下的自动量测方法，测速快，精度高，具有传统检测方法不可比拟的优势。但在实际应用中，落锤式弯沉仪法与自动弯沉仪法所测得的数据必须与贝克曼梁法所测数据进行比对换算，之后才能作为最终评定的依据。本文具体介绍了落锤式弯沉仪在实际当中如何与贝克曼梁进行比对分析，从而具体应用的方法。

    关键词： 落锤式弯沉仪；路面；检测；应用

    1 前言

    随着当前通车高等级公路的日益增多，各地交通主管部门对其养护质量也日益重视。而对于公路养护来说，首先要通过检测确定其路面质量等级，然后以此确定路面的养护维修计划。在路面的养护质量指标中，其中非常重要的一项便是弯沉。

    传统的弯沉检测方法为贝克曼梁法，而随着科技的发展，出现了更加先进的检测方法--落锤式弯沉仪法。落锤式弯沉仪,简称FWD，是目前国际上最先进的路面强度无破损检测设备之一，未来其将取代陈旧落后的常规检测手段以满足工程建设的需求。本文通过落锤式弯沉仪与传统检测设备的对比，较系统全面地介绍了该设备的工作原理及其在公路路面检测中的实际应用。

    2 落锤式弯沉仪的工作原理

    落锤式弯沉仪通过计算机系统控制下的液压系统启动落锤装置，使一定质量的落锤从一定高度自由落下，冲击力作用于承载板上并传递到路面，从而对路面施加脉冲荷载，导致路面表面产生瞬时变形，分布于距测点不同距离的传感器检测结构层表面的变形，记录系统将信号传输至计算机，即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆。测试数据可用于反算路基路面各结构层材料的动态弹性模量，从而比较科学地评价路面的承载能力。

    3 与常规检测手段的比较

    3.1 常规检测方法——贝克曼梁法

    我国现行的路面弯沉常规检测手段采用的是贝克曼梁法，基本原理是杠杆原理。在规定的标准轴载作用下，路基或路面表面车轮轮隙位置处产生的垂直变形值称为回弹弯沉。利用载重汽车加载，人工读取百分表的读数，用贝克曼梁可以测量路基或路面表面的回弹弯沉值。贝克曼梁法检测回弹弯沉存在以下主要问题：

    ①以人工操作为主，工作强度大，效率低，可靠性差；

    ②支点变形，影响检测结果，对支点变形的修正很难测准；

    ③仅测得静态汽车荷载作用下路基路面单点（最大）回弹弯沉值；

    ④没有反映路面结构在行车荷载作用下的动力特性和整个弯沉盆形状；

    ⑤不适用于对路网进行大范围长期跟踪观测。

    3.2高效检测方法--落锤式弯沉仪（FWD）法

    ①数据采集传输通过高精度传感器完成，路面结构不同，弯沉盆半径亦不同。路基或柔性基层沥青路面传感器分布在距荷载中心2.5米范围内即可。目前，我国高等级公路大多采用半刚性基层沥青路面结构，弯沉影响半径已达3～5米，传感器分布范围应布置在距荷载中心3～4米范围内，以量测路面弯沉盆形状；

    ②FWD主要的技术特点是测速快（每测点约40多秒），精度高（分辩率为1微米），并较好地模拟了实地行车荷载对路面的动力作用，能根据上一锤荷载和压强数值自动调整下一锤的荷载，向设定荷载逼近，从而能准确地测定较完整的弯沉盆信息。

    ③操作方式为计算机控制下的自动量测，所有测试数据均可显示在屏幕上或打印出来或存储在软盘上。可输出作用荷载、弯沉（盆）、路表温度及测点间距等。可打印弯沉平均值、标准差、变异系数及代表弯沉值等数据。

    4落锤式弯沉仪与贝克曼梁的比对试验

    落锤式弯沉仪（FWD）所测的弯沉为动态总弯沉，与贝克曼梁所测的静态回弹弯沉不同。可通过比对试验得到两者之间的相关关系，并据此将落锤式弯沉仪测定的动态弯沉换算成贝克曼梁测定的静态回弹弯沉值。

    4.1路段的选择

    选择结构类型完全相同的路段，针对不同地区选择某种路面结构的代表性路段，进行两种测定方法的对比试验。选择对比路段的长度理论上应是越长越好，但在实际应用中，每种相同结构、每次对比试验不应少于30个测试点，弯沉值应有一定的变化幅度。

    4.2对比试验步骤

    ①采用与实际使用相同且符合要求的落锤式弯沉仪及贝克曼梁弯沉仪测定车。调整落锤式弯沉仪重锤的质量及冲击高度，使冲击荷载达到50±2.5KN（BZZ-100的设计标准轴载）或30±2.5KN（BZZ-60的设计标准轴载）的要求。

    ②用油漆标记对比路段的起点位置。

    ③在行车车道的轮迹带上布置测点，测点间距宜为20～25m。先用贝克曼梁定点测定回弹弯沉，待测定车开走后，再用粉笔以测点为圆心，画一个半径为15cm的圆，标明测点位置。

    ④将落锤式弯沉仪的承载板对准圆圈，位置偏差不超过30mm，进行锤击测定。两种仪器对同一点弯沉测试的时间间隔不应超过10min。

    4.3试验结果分析

    根据测量数据进行线性回归分析，得出两者间相关关系及相关系数。回归方程式为LB=a+bLFWD ,式中LFWD--落锤式弯沉仪测定的弯沉值，0.01mm；

    LB--贝克曼梁测定的弯沉值, 0.01mm。

    回归方程式的相关系数R应不小于0.90。

    FWD与贝克曼梁的测试结果应具有良好的对应关系，FWD测得的弯沉值越大，贝克曼梁测得的弯沉值也越大，反之亦然，两种检测结果也很接近。但FWD的测试精度要远高于贝克曼梁。两种方法存在良好的相关性，其相关系数R可达到90%以上。如果对比试验结果相关性较差，应对结果进行分析比较，以确定合理检测方案。

    从通过比对试验得出的相关关系式，相关系数和换算的回弹弯沉来看，在同一条路或同一地区，路面结构、材料、土基等条件相同时，测定的弯沉值之间有良好的相关关系。在不同地区求取相关关系时，应该根据不同地区及不同路面结构、材料、土基等条件，建立不同的回归方程式。

    5在工程检测中的实际应用

    利用FWD能够快速、准确地检测和评价路面各结构层或路基的强度，在施工过程中通过逐层检测和结构层的模量反算可及时发现质量隐患，并迅速采取处理措施，从而在根本上控制工程质量。

    利用FWD可以对新（改）建公路的路基、路面综合承载能力进行检测和评定，为工程的交（竣）工验收提供数据资料和评定质量等级的依据。根据《公路工程质量检验评定标准》对已竣工的路面进行弯沉检测，采集全线路面弯沉（盆）信息资料，根据路面弯沉资料，分标段对路基路面的综合承载能力、施工质量进行评定。

    6结论

    通过本文分析，可以得出如下结论：

    ① FWD与贝克曼梁的测试结果具有良好的相关性，工程检测中可任选一种方法，在正常情况下，不必每次测试都进行对比试验。

    ② 由于FWD测试消除了人为读表误差、气压随气温变化产生误差等多种因素的影响，加之位移传感器精度高，故其测试结果具有较高的精度，其测试数据可用于路面结构的模量反算，以此用于对各层质量进行分析。

    参考文献

    [1] 中华人民共和国行业标准．公路路基路面现场测试规程（JTG E60-2008）．北京：人民交通出版社，2008

    作者简介：杨延华，男，汉族。籍贯：陕西汉中。本科，研究方向：公路与桥梁施工、检测技术。1997年7月至今 在江苏省交通厅工程质量监督站检测中心从事技术工作，参与全省交通重点建设项目工程质量检测工作。