剛果（布）國家 1 號公路落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉儀的對比試驗研究

郭君梅，宋明洋，楊曉波，鄒光燦

（中國建筑國際工程公司，北京 100015）

0 引言

中建海外剛果（布）有限責任公司（CSCO CONGO）是剛果（布）國家 1 號及 2 號公路特許經(jīng)營公司 LA GONGOLAIS DES ROUTES（LCR）的養(yǎng)護及大修分包商，負責在 30 年特許經(jīng)營期內(nèi)實施國家 1 號及 2 號公路的養(yǎng)護及大修作業(yè)。目前實質(zhì)進入運營養(yǎng)護的為國家 1 號公路（517 km）、1 號公路乙（52 km）及部分國家 2 號公路（35 km），國家 2 號公路剩余 780 km公路將在完成建設后進入運營養(yǎng)護階段。為了準確把握養(yǎng)護公路的彎沉變化情況，中建海外剛果（布）有限責任公司（CSCO CONGO）引進了落錘式彎沉儀。

世界范圍內(nèi)彎沉檢測技術經(jīng)歷了從靜態(tài)彎沉到模擬行車荷載下的動態(tài)彎沉的發(fā)展。靜態(tài)彎沉使用的主要彎沉儀器就是貝克曼梁彎沉儀（簡稱“BB”），動態(tài)彎沉使用的典型代表就是落錘式彎沉儀（簡稱“FWD”）。剛果（布）位于非洲西部，該地區(qū)長久以來都使用靜態(tài)彎沉作為路面結構狀況評價指標之一。

BB 彎沉儀主要的缺點就是整個檢測過程全由人工完成，速度慢、作業(yè)強度大、對交通干擾大。為了提高彎沉檢測的效率同時引進先進的彎沉檢測技術，剛果（布）國家 1 號公路養(yǎng)護項目部引進了落錘式彎沉儀（FWD）。FWD 的工作原理：重錘提升至設定高度后自由下落至橡膠緩沖器上，再通過承載板把力轉至路面，被測路面產(chǎn)生形變，與路面緊密接觸的彎沉采集該荷載下沖擊力數(shù)據(jù)。FWD 相較于 BB 的優(yōu)點是：①落錘系統(tǒng)更好地模擬了行車荷載對路面的作用；②彎沉檢測速度快、精度高、檢測的彎沉信息量大。

為了更好地將 FWD 檢測數(shù)據(jù)用到 1 號路養(yǎng)護當中去，剛果（布）國家 1 號公路養(yǎng)護項目部開展了 FWD 與 BB 的對比試驗，對二者作出全面評價，并分析比較二者實測彎沉的相關關系，以便加速該地區(qū) FWD 的開發(fā)利用，更好地指導該地區(qū)公路設計、施工和養(yǎng)護工作［1-5］。

1 對比試驗介紹

1.1 落錘彎沉儀主要參數(shù)

試驗采用 FWD-150 型車載全自動落錘彎沉儀，采用進口液壓鎖來控制重錘，通過軟件與硬件的相互配合，極大地縮短了檢測過程中的“不必要”重復反彈時間，加快了彎沉儀的檢測速度，設備單點檢測時間控制在 15 s 之內(nèi)。

荷載脈沖持續(xù)時間 25μs 左右。圓形加載板直徑30 cm。

荷載傳感器測量精度≤1 %，分辨率 0.05 kN；彎沉傳感器測量精度≤2 %，分辨率≤0.2 μm。

1.2 法標下彎沉相關知識

剛果（布）屬于法語國家，實行的是法國標準。法國是世界上最早進行彎沉研究的國家。為了更快更多地檢測彎沉，1956 年法國 Dordogne 省路橋工程師 MJ.Lacroix 在卡車上安裝了彎沉儀，這也是世界上第一臺公路彎沉檢測車。但是由于技術所限，其檢測效率不是很高。1961 年在法國道路總署和橋梁實驗室的幫助下，第一臺真正意義上的公路彎沉檢測車誕生，每天可以檢測上千測點，這給世界公路網(wǎng)和測試方法研究帶來了一次革命。

法國標準中，彎沉相關標準主要有：法國標準化協(xié)會 NF P98 200：1-7 系列；法國路橋試驗中心 LCPC：Méthode D’essai N°39。法國標準對彎沉相關規(guī)定如下。

法標中，根據(jù)交通量的不同，將彎沉分成了 9 個等級。每個等級對應相應的交通量從而可以用來評價路面技術狀況。如圖 1 所示。

圖1 交通量-彎沉評價路況表

法國彎沉測試采用的標準荷載為 130 kN±2%（即 130 kN 的后軸重，后軸為單軸四輪），采用兩個半徑為 0.125 m 的圓盤來表示該荷載，兩個圓盤中心間隔 0.375 m，在路面表面施加大小為 0.662 MPa 的均勻壓力。計算點位圖如圖 2 所示。

圖2 計算點位

用于 BB 測試的荷載為后軸重 130 kN±2 % 的標準加載車（單后軸四輪）。標準軸載如圖 3 所示。

圖3 標準軸載

彎沉代表值計算公式見式（1）。

式中：dc為彎沉代表值；dm為各測點彎沉平均值；σ為各測點彎沉標準差。

1.3 路段選擇

選擇 1 號路 7 段代表性路面結構作為試驗路段，開展兩種方法的對比試驗。選擇的各段路段長度為 500 m，以保證彎沉值有一定的變化幅度。7 段路面結構如表 1 所示。

表1 試驗路段路面結構表

1.4 試驗步驟

①先由 BB 檢測位于車行道輪跡帶處的測點回彈彎沉。試驗車開走后，以測點為圓心畫一個半徑為150 mm 的圓，標記出測點位置。

②將落錘式彎沉儀的承載板對準圓圈，位置偏差±30 mm 以內(nèi)，對測點開展動態(tài)彎沉檢測。

③對各段逐點計算二者相關性，得出各段回歸方程式見式（2）。

式中：LFWD、LBB分別為落錘式彎沉儀、貝克曼梁測試的實測彎沉值。相關系數(shù)R應≥0.95。

2 動靜彎沉對比分析

標準荷載下，F(xiàn)WD 錘擊次數(shù)設定為 1 次預擊、3 次錘擊，以評定 FWD 數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

結果表明，F(xiàn)WD 實測彎沉值的變化與路面結構狀況存在某種關系。

①路面結構狀況較好時，標準荷載 65 kN±1 % 下實測彎沉值在 0.10～0.3x10-3m之間時，3 次重復檢測的彎沉值波動很小，基本一致，說明此時 FWD的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

②路面結構狀況較差時，3 次重復檢測的彎沉值中，第一次側值較大，后兩次測值基本一致。

究其原因，是由于路面結構狀況較差時，路面局部松動，第一錘作用下彎沉值較大。鑒于此，今后運用 FWD 進行檢測時，在路面結構狀況較好時，可設置重復檢測 2 次，以提高檢測效率，而對于路面結構狀況較差時，可設置重復檢測 3 次，取后兩次檢測的平均值作為測點彎沉值。

圖 4～圖 10 是各段在標準荷載 65 kN±1 % 下實測彎沉沿線的變化情況。

圖4 段 1 實測彎沉沿線的變化情況

圖5 段 2 實測彎沉沿線的變化情況

圖6 段 3 實測彎沉沿線的變化情況

圖7 段 4 實測彎沉沿線的變化情況

圖8 段 5 實測彎沉沿線的變化情況

圖9 段 6 實測彎沉沿線的變化情況

圖10 段 7 實測彎沉沿線的變化情況

由圖可見：

①段 1、2、3 大部分測點在 20 mm 左右波動，段 4、5、7 大部分測點彎沉在 30 mm 左右波動，段 6 測點在 40 mm 左右波動。從彎沉值的分部情況看，此次對比試驗的路段具備一定的代表性。

②總體上，BB＞FWD，且隨著彎沉值的增大二者的偏差也在加大。段 6 實測彎沉比其他段落大，但BB 和 FWD 的差異卻不大，說明路面結構狀況越差，荷載時效性對實測彎沉的影響越大。

3 動靜彎沉相關分析

根據(jù)實測的彎沉值，結合路面結構，將段 1～段 4 數(shù)據(jù)合并，段 5～段 7 數(shù)據(jù)合并，得出兩組數(shù)據(jù)分別繪制 FWD～BB 關系，如圖 11、圖 12 所示。

圖11 段 1～段 4 實測彎沉 FWD 和 BB 關系曲線

圖12 段 5 ～段 7 實測彎沉 FWD 和 BB 關系曲線

對實測的 FWD 與對應點的 BB 進行相關性分析，結果表明。

1）兩組 FWD 與 BB 的相關性較好，線性相關系數(shù)均＞95 %。

2）第一組 FWD 與 BB 回歸方程為：LBB=3.95+1.22LFWD，平均誤差為 13 %。

第二組 FWD 與 BB 回歸方程為：LBB=1.97+1.28LFWD，平均誤差為 11 %。

4 結論

1）不同于貝克曼彎沉儀，F(xiàn)WD 能夠實現(xiàn)快速、高精度、多級加載檢測。

2）當路面結構狀況較好時，F(xiàn)WD 與 BB 比較接近。當路面結構狀況較差時，F(xiàn)WD 與 BB 偏差較大。總體來說，F(xiàn)WD 與 BB 之間存在良好的線性關系。

3）剛果（布）彎沉檢測還是以貝克曼梁為主。作為剛果（布）首次 FWD 與 BB 對比試驗，此次試驗建立的特定路面結構 FWD 與 BB 的回歸方程，不但填補了剛果（布）在此方面的空白，而且將為本地區(qū)同類工程的設計和施工提供參考，同時也將促進 FWD 在剛果（布）的推廣使用。Q