路基動態(tài)模量現(xiàn)場測試技術對比分析

王一舟

摘要：針對目前路基動態(tài)模量現(xiàn)場測試技術的現(xiàn)狀，文章對FWD測試法、DCP測試法、PFWD測試法三種現(xiàn)場快速檢測方法的工作原理、測試范圍和技術特點進行全面分析，供相關檢測人員參考。

關鍵詞：路基工程;動態(tài)模量;FWD測試法;DCP測試法;PFWD測試法

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.006

文章編號：1673-4874（2019）07-0017-03

0引言

《公路路基設計規(guī)范》（JTGD30-2015）和《公路瀝青設計規(guī)范》（JTGD50—2017）等規(guī)范實施后，對路基設計模量的要求由原來的靜態(tài)模量轉變?yōu)閯討B(tài)模量。路基動態(tài)模量主要通過兩種方法獲得：（1）室內(nèi)試驗;（2）現(xiàn)場檢測。現(xiàn)場檢測尤其是快速檢測主要有落錘式彎沉儀法（簡稱FWD測試法）、動力錐貫入儀法（簡稱DCP測試法）和便攜式落錘彎沉儀法（簡稱PFWD測試法）。本文針對上述三種檢測方法的工作原理、測試范圍和技術特點進行對比分析，供相關檢測人員參考。

1現(xiàn)場測試技術對比分析

1.1FWD測試法

20世紀80年代末，國內(nèi)開始引進落錘式彎沉儀（簡稱FWD）。隨著不斷的實踐應用，F(xiàn)WD的價值已經(jīng)被廣泛認可，同時也普遍應用到相關領域當中。FWD的檢測技術不只是局限于水泥混凝土路面或者是瀝青路的檢測工作，同時還應用在路基彎沉方面的檢測活動中。FWD的檢測技術十分優(yōu)良，在進行新道路建設的時候，通過該技術能夠?qū)β坊氖┕べ|(zhì)量進行把關，發(fā)現(xiàn)問題可以及時聯(lián)系人員解決，同時利用FWD作為依據(jù)，還可以提升路面結構設計的速度和效果。

利用計算機進行液壓系統(tǒng)的控制質(zhì)量的提升和釋放重錘自由落地，可以對路基或者路面造成一定的荷載，當脈沖荷載通過一剛性圓盤，可以表現(xiàn)在相應面上，這就是FWD的運行原理。因為在圓盤底部會設置橡膠墊塊，所以路基或路面的荷載會無限接近均布荷載，這種釋放出的荷載值可以被儀器精準地測定到。調(diào)節(jié)荷載可以借助落錘的質(zhì)量和高低數(shù)據(jù)來完成。由于強烈的瞬間沖擊，受荷載作用的路面或路基會發(fā)生變形，由此產(chǎn)生的變化會由傳感器測量到。FWD的測試原理如圖1所示。

因為FWD有著巨大的測試優(yōu)勢，所以被廣泛應用于新道路建設等基建環(huán)節(jié)上：（1）測試方式簡單，無須各種繁復儀器到場，適用于填料路基以及各式的路面結構;（2）可以了解到路基填充和壓實情況，完全符合對道路建設進行檢測的需求;（3）通過載荷檢測，會讓路基面發(fā)生形變，可以更好地了解到新建道路的承載能力。目前FWD彎沉盆檢測法被普遍用在高等級公路工程檢測活動中，其檢測數(shù)據(jù)為路面工程竣工提高了速度。不過，從大方向上解析的話，F(xiàn)WD測試還是存在一定的缺點和不足的：

（1）FWD設備購買和租借使用的費用高昂，普通的工程隊伍難以承受。

（2）測試的荷載比較大。在實際路基工作時，其車輪的載荷力并不是很大，但是FWD的荷載數(shù)值是偏高一些的，取值為50kN。由于路基變形的非線性因素，如果使用這個數(shù)值的沖擊荷載進行檢測的話，測到的數(shù)據(jù)不一定會符合需要，所以應該探索一些適合荷載大小的測試技術。

（3）造成的塑性變形的影響。采用FWD進行測試，其測出的彎沉是中變形，其中涉及到了彈性變形和一定的塑性變形。因為FWD的沖擊荷載情況非常短暫，通常在10～30s之間，因此面對剛度比較大的路面結構，即使采用了FWD技術進行荷載檢測，但是由于來不及作用，路面結構并不產(chǎn)生明顯的塑性變形，實際測到的位置通常不會留下FWD承載板的印記。而對于剛度不高的土路基，F(xiàn)WD的檢測就能夠更到位一些。

（4）對動載情況的探討。現(xiàn)階段，關于FWD彎沉盆反算的力學分析模式通常使用的是靜力分析模型，同時均使用峰值作為荷載和位移。換句話說，進行測試時，并沒有完全考慮到FWD的動載作用。

（5）進行反算的可靠性。作為基于最小二乘法基礎的優(yōu)化方式，反算模型的適用度很高。不管是國內(nèi)還是國外，對于實測和理論彎沉間的目標函數(shù)的取舍，其反算結果都存在一定的不同。當優(yōu)化計算方式時，對模量反算的精確程度也會造成一些影響，尤其是針對路面的彎沉盆反算時，這個過程就變得更加復雜。

因此解決上述問題，并建立FWD動彎沉與貝克曼梁靜彎沉和現(xiàn)場承載板回彈模量等之間的關系，對FWD測試結果的應用具有重要意義。

1.2DCP測試法

動力錐貫入儀（DCP），是由上桿和下桿構成的。手柄與8kg的落錘組成了上桿，同時經(jīng)由鐵砧和下桿進行連接，而下桿則是由鋼化貫入錐頭以及桿尺構成，見圖2。跟之前的錐貫測試有著一定的區(qū)別，DCP是不會把錐頭以常規(guī)速率壓到土里面的，需要借助落錘施加一定的荷載，才能到相應位置，通過計算動力貫入得出結果。這種測試方法非常經(jīng)濟快捷，適用度良好。此外，DCP還可用于結構層壓實度檢測。

隨著對DCP研究的深入，有的科研人員試圖將DCP的試驗結果與CBR試驗結果建立相應的回歸關系;也有科研人員將DCP的試驗結果和回彈模量建立回歸關系。目前，美國與DCP有關的規(guī)范主要有ASTMD6951和AASHT093規(guī)范。我國與DCP有關的規(guī)范為《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTGE60-2008）。該規(guī)范首次引入DCP測試的規(guī)范，但試驗規(guī)程中僅簡略地介紹了試驗儀器、試驗方法、試驗步驟、計算等相關試驗情況，沒有提供關系式，只是在條文中規(guī)定須通過現(xiàn)場CBR試驗建立與DPI的關系式。因現(xiàn)場開展CBR試驗條件有限，要形成適合我國典型土質(zhì)的回歸關系式，還需進行大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)積累與相關研究。鑒于當前我國針對DCP開展的研究相對較少，在實體工程試驗受限時，可直接應用較為成熟的AASHTO關系式進行計算。

總之，DCP測試因簡單、可靠、快捷、費用低等優(yōu)點在國外路基土和基層材料現(xiàn)場質(zhì)量檢測中得到廣泛應用。其中美國、英國、南非是應用DCP較多的國家，也是技術和經(jīng)驗較為豐富的國家。我國DCP測試水平距國外發(fā)達國家還有一定的差距，總體上還處于初期應用階段，只有在少數(shù)幾條高速公路上得到應用，離大面積推廣和應用還有很長一段距離。

1.3PFWD測試法

便攜式落錘彎沉儀英文名為PFWD，或稱手持式落錘彎沉儀（HFWD：Handhold Falling Weight De-flectometer），或稱微型落錘式彎沉儀（MFWD），屬于動力檢測的新式儀器，這種技術是比FWD技術更新的路基與地基承載檢測方式。

PFWD測試是經(jīng)由數(shù)據(jù)采集程式、加載系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸三個方面構成的。數(shù)據(jù)采集程式是由傳感器和位移傳感器以及采集裝置構成;而加載系統(tǒng)則由滑桿、鎖定桿和橡膠塊等構成;數(shù)據(jù)傳輸需要利用到有線數(shù)據(jù)傳輸設備和電腦等配置。

這種測試方式的運作原理是把一個10kg的落錘提升到相應高度之后，再進行自由落體，當落錘跟承載板產(chǎn)生作用，出現(xiàn)沖擊荷載之后，在這股力的作用下，承載板會產(chǎn)生豎向位移，而傳感器就將收集到的數(shù)據(jù)記錄下來，按照壓力和位移的峰值得到相應的結果。

與其他現(xiàn)場模量測試方法相比，PFWD測試法具有以下幾個優(yōu)點：

（1）PFWD具有輕便快速的特點

通過一定的試驗和分析后，得出PFWD室內(nèi)測試和承載板以及CBR檢測所用到的比率。同時也得到了其它相關檢測所需的對比數(shù)值，詳細情況可以通過表1查看。

從表1可以看出，PFWD檢測路基回彈模量在所需時間上要比承載板測試的方法和CBR的測試方法更好一些;同時也要比FWD法和貝克曼梁法要更加迅速。因為使用PFWD可以直接得到路基回彈模量，而使用FWD要經(jīng)過反算才能夠獲得答案。同時，除PFWD外，其它的檢測方法要通過多人的參與才能夠完成，并且在檢測時需要較高的配合度才能檢測到精確的答案，所需要花費的時間要更多。因此PFWD測試法更受青睞一些。

（2）PFWD測試技術擴展了檢測范圍

盡管PFWD儀器十分輕巧，造型不大，但是其能夠更輕松地達到其它儀器難以檢測到的范圍。例如現(xiàn)場承載板法和貝克曼梁法都需要通過加載車提供載荷，需要足夠的場地才能夠完成測試，最少用到10m×3m的場地，且貝克曼梁測試的彎沉受貝克曼梁支點影響。FWD現(xiàn)場檢測需要一輛牽引車牽引并提供動力，F(xiàn)WD由牽引拖行，到實際檢測地點也是需要足夠的空間的。但是如果使用PFWD，則能夠?qū)θ我鈭龅剡M行檢測，只要檢測人員到位即可;檢測點也不需要十分寬闊，能容納PFWD承載板就可以了，同時其還包括各種構造物的臺背與路肩等特殊填土場地。因此，PFWD降低了對檢測場地的要求，大大擴展了檢測范圍。

2結語

（1）FWD的測試方法適用在很多方面，測試方法快捷，對于各種路面結構以及物料填充情況，都能夠很好地應用。但在選取合理測試荷載大小、塑性變形的影響分析、動載作用分析、反算的可靠性分析等方面的問題需要解決。

（2）DCP測試具有簡單、可靠、快捷、費用低等優(yōu)點，在國外路基土和基層材料現(xiàn)場質(zhì)量檢測中得到廣泛應用，在我國總體上還處于初期應用階段。

（3）PFWD測試具有輕便快速的特點，且造型輕巧、使用便利，具有其它測試儀器所沒有的優(yōu)勢。