路基路面彎沉檢測中FWD法與BB法的比較研究

紀念

(湖南省勘測設計院， 湖南 長沙 410011)

彎沉作為評價道路力學特性的指標之一，被廣泛用于理論研究和工程驗收。常用道路彎沉測試方法主要有貝克曼梁(BB)法、落錘式彎沉儀(FWD)法。唐伯明等通過對FWD和BB不同性質荷載作用下路表彎沉和彎沉盆數據進行分析，認為FWD和BB之間具有較好的相關性；高丹通過試驗比對，提出用提高FWD與BB數據轉換精度的方法來提高兩者間的相關系數；李存華對 BB與FWD彎沉數據的對比分析結果表明，在精度、穩定性和檢測效率方面FWD優于BB，且兩者所測路面彎沉值的線性關系較好；石志勇等采用變量分離的方法對彎沉溫度進行修正，研究了瀝青路面動態彎沉隨行車荷載的演化規律。該文通過對3種不同等級道路試驗段進行FWD法與BB法彎沉測試，研究2種方法所測彎沉數據之間的相關性，分析采用FWD法進行彎沉檢測的有效性。

1 現場試驗

以湖北省3種不同道路結構層作為試驗段，其結構組成見表1。

表1 3種不同結構試驗段的結構層組成

采用FWD法與BB法分別對3條試驗段進行彎沉檢測。為使所測彎沉值較準確，保證BB法和FWD法所檢測部位一致，位置偏差控制在1 cm內。由于FWD檢測道路彎沉會對路面結構層造成一定擾動，先采用BB法對彎沉進行檢測，并對彎沉儀觸頭所接觸的位置進行定位標記，分別標記左、右輪的位置；待BB法測試完畢后，立即采用FWD法進行測試，測試中使FWD的落錘承載板中心與BB法所作標記點盡量重合，保證2次所測值免受外界環境的影響。FWD彎沉測試時，對每個測試點進行4次落錘，采集后3次的彎沉值，取其均值作為最終彎沉測試值。分別對3條試驗段進行20次彎沉采集，舍棄特異值后，分別計算各試驗段20組測試數據的均值μ、標準差σ、變異系數δ(δ=標準差σ/均值μ×100%)等統計參數，結果見圖1～3。

圖1 各試驗段FWD法彎沉測試結果的統計參數

圖2 各試驗段BB法彎沉測試結果的統計參數

圖3 各試驗段FWD法和BB法彎沉測試結果的統計參數對比

道路彎沉值與路基、路面的承載能力存在關聯，測量彎沉值越小則道路承載能力越高，對在建或竣工道路進行彎沉測試可檢驗路基和路面是否滿足設計強度要求。由圖1、圖2可知：1) 采用FWD法對道路彎沉進行檢測，3條試驗段的彎沉值大小為試驗段三最大、試驗段二次之、試驗段一最小，道路結構層的承載能力順序與規范規定的道路等級的承載力一致；采用BB法檢測時，3條試驗段的彎沉值大小為試驗段二最大、試驗段三次之、試驗段一最小，不符合道路等級的承載能力，這是由于BB法受自身構造和外界環境影響較大，所得彎沉波動較大。2) 按2種測試方法下彎沉變異系數δ大小，3條試驗段的排序為試驗段三>試驗段二>試驗段一。變異系數表示數據的相對變化，表明上述規律適用于3條試驗段結構層的彎沉值離散程度，可推廣于其他類似路面中。出現上述規律的主要原因，一是在高等級公路施工中，路面及路基所用原材料的配合比較嚴格、材料顆粒較均勻、密實度較好，且對施工工序要求嚴格，道路彎沉值變異性較小；二是在道路后期運營維護中，通常對高等級公路較重視，發現其出現損壞現象時會立即展開修復養護，使彎沉衰減得到及時控制，防止其繼續發展，因而變異系數較小；三是等級較低道路一般所用原材料的顆粒及形狀不均勻性較大，道路內部空隙較多，承載能力不足，如試驗段三表面層采用級配礫石，其為松散集料，使表面層內部較松散，影響對彎沉值的采集，因而試驗數據產生較大變異。

由圖3可知：鑒于均值和標準差表示的是樣本的絕對指標，不具備普遍性，采用變異系數來衡量FWD法和BB法對道路彎沉的測量效果。對于試驗段一，2種測試方法所測彎沉的變異系數基本相同，相差不大；對于試驗段二，FWD法所測彎沉的變異系數比BB法的小2.5%；對于試驗段三，FWD法所測彎沉的彎沉變異系數比BB法的大7.9%。這是由于高等級道路行車狀況良好，彎沉測試受外界環境的影響較小，測試數據也較穩定。而較低等級道路路況較差，采用2種方法測得的彎沉值會出現一定波動。

綜上，不同等級道路BB法測試彎沉出現波動，而采用FWD法測得的彎沉值較穩定，且準確度較高，對高等級公路利用FWD法進行道路彎沉測量的穩定性更好。

2 相關性分析

為分析采用2種測試方法對道路測試彎沉值的相關性，采用最小二乘法，結合線性、指數及二次多項式擬合回歸方程對彎沉測試數據進行相關性分析，結果見表2～4。

表2 試驗段一彎沉數據擬合結果

表3 試驗段二彎沉數據擬合結果

表4 試驗段三彎沉數據擬合結果

由表2可知： 1) 采用3種擬合方式得到的相關系數R及R2均滿足擬合精度要求，表明試驗段一的FWD法和BB法測試彎沉值在3種數據擬合方式下的相關性較好，也反映出高等級公路利用FWD法進行彎沉檢測的準確性比BB法高。 2) 對比3種數據擬合方式下的R2值，采用二次多項式方式對2種方法的測試數據進行擬合的相關性最好，其次是線性方式擬合，最后是指數方式擬合。若考慮對數據擬合的效率和簡便性，在施工現場優先采用線性方式對測試數據進行擬合和相關性分析。

由表3可知： 1) 采用3種擬合方式的相關系數R>0.95，且二次多項式的相關系數高達0.97，滿足相關擬合精度要求，表明試驗段二的FWD法和BB法測試彎沉值在3種數據擬合方式下的相關性較好，也反映出一、二級公路利用FWD法進行彎沉檢測的準確性比BB法高。 2) 對比3種數據擬合方式下R2值，采用二次多項式對2種方法的測試數據進行擬合的相關性最好，其次是指數方式擬合，最后是線性方式擬合。考慮到對數據擬合的效率和簡便性，優先采用二次多項式對所測數據進行擬合和相關性分析。

由表4可知：采用3種擬合方式得到的相關系數R<0.95，不能滿足相關擬合精度要求，表明試驗段三的FWD法和BB法測試彎沉值在3種數據擬合方式下的相關性不是很好。 但數據擬合較差不代表利用FWD法檢測彎沉的準確性不好，這是因為利用BB法檢測彎沉受自身構造的影響會產生波動，且其測試彎沉是靜態的，而FWD法測試彎沉是動態的，需進行換算后再用于相關性分析及評價。

3 結論

通過采用FWD法和BB法分別對3條公路試驗段進行彎沉測試，并對測試彎沉值進行相關性分析，得到如下結論：

(1) 與BB法相比，FWD法測試彎沉值的穩定性較好，準確度較高，在高等級公路中采用FWD法進行彎沉測試具有更好的穩定性。

(2) 各試驗段FWD法測試彎沉值的變異系數大小為試驗段三>試驗段二>試驗段一，與道路規范中道路等級的承載能力一致，表明可采用FWD法對不同等級公路進行彎沉測試。

(3) 根據FWD法和BB法測試彎沉值相關性分析結果，高等級公路優先采用線性方式對FWD法和BB法測試彎沉值進行擬合和相關性分析；3種擬合方式對低等級公路FWD法和BB法測試彎沉值的擬合相關性均較差，應對FWD法測試彎沉進行更深層次的研究，確保數據準確。