落錘式彎沉儀（FWD）應(yīng)用于市政道路合理性分析

范彥軍 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

隨著市政道路每年不斷增加，各地區(qū)改建及維修等路段屢見不鮮，道路運(yùn)行一段時(shí)間后，出現(xiàn)不同的病害，如縱橫向開裂、沉陷、車轍及擁包等，嚴(yán)重影響道路行駛的安全性、舒適性，如果由于道路承載能力低，導(dǎo)致路段損壞的維修成本將更高。因此，相關(guān)部門對(duì)市政道路的質(zhì)量提出了更高的要求，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法也日漸改變，采用自動(dòng)化檢測(cè)手段，不僅能提高檢測(cè)速度，而且能更客觀、準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際質(zhì)量。

彎沉作為評(píng)價(jià)道路承載能力指標(biāo)之一，廣泛應(yīng)用于道路現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。目前落錘式彎沉儀多用于高等級(jí)公路的路面質(zhì)量評(píng)價(jià)及驗(yàn)收，交通部已將該設(shè)備檢測(cè)方法作為公路交、竣工驗(yàn)收的主要技術(shù)措施，然而對(duì)市政道路的驗(yàn)收多采用貝克曼梁彎沉檢測(cè)，未大量推廣。

1 概述

彎沉即在規(guī)定的荷載作用下，路基或路面表面產(chǎn)生的總垂直變形值（總彎沉）或者垂直回彈變形彎沉（回彈彎沉），以0.01mm 為單位表示。目前彎沉檢測(cè)方法包括貝克曼梁法、落錘式彎沉儀法、自動(dòng)彎沉儀法及激光式高速路面彎沉測(cè)定儀，目前國(guó)內(nèi)主要采用貝克曼梁（BB）法及落錘式彎沉儀（FWD）法檢測(cè)。

貝克曼梁法開展道路彎沉檢測(cè)成本高、耗時(shí)多，已不能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展要求。該檢測(cè)方法需要荷載車配合、前期準(zhǔn)備工作多，檢測(cè)數(shù)據(jù)受人員、設(shè)備、環(huán)境等諸多因素影響，主要局限范圍如下：

①僅反映靜態(tài)作用下，路基路面垂直變形下最大回彈彎沉；

②以人為主，工作強(qiáng)度較大，工作時(shí)間較長(zhǎng)，在通車的道路進(jìn)行彎沉檢測(cè)，安全風(fēng)險(xiǎn)大；

③不能反映在行車作用下道路的動(dòng)力特性；

④不適合對(duì)道路的長(zhǎng)期質(zhì)量狀況定期跟蹤；

⑤對(duì)道路面層質(zhì)量檢測(cè)，在非標(biāo)準(zhǔn)溫度或者厚度情況下，需要進(jìn)行溫度修正，溫度測(cè)量或估算誤差較大，對(duì)結(jié)果造成一定影響；

⑥采用3.6m 貝克曼梁彎沉儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)過(guò)程需進(jìn)行支點(diǎn)修正，修正系數(shù)計(jì)算方法較為復(fù)雜，影響修正結(jié)果準(zhǔn)確性。

落錘式彎沉儀檢測(cè)屬于動(dòng)態(tài)彎沉，能很好地模擬車輛運(yùn)行后影響狀況，替代人工檢測(cè)，不僅能極大提高工作效率，亦能減少檢測(cè)過(guò)程中的人為性影響因素，保證檢測(cè)結(jié)果的客觀、公正，具有很好的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)人員在車內(nèi)進(jìn)行操作，安全性較好，適應(yīng)不同的交通運(yùn)營(yíng)環(huán)境。分析落錘式彎沉儀檢測(cè)方法適應(yīng)各種市政道路結(jié)構(gòu)，分別選取不同結(jié)構(gòu)層進(jìn)行合理性分析，判斷貝克曼梁與落錘式彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，進(jìn)而更好地分析不同情況下，落錘式彎沉儀的適用范圍。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備性能及要求

2.1 貝克曼梁彎沉儀

貝克曼梁彎沉是利用杠桿原理測(cè)定各類路基路面的回彈彎沉，適用于各結(jié)構(gòu)層彎沉檢測(cè)，作為公路工程、市政工程彎沉驗(yàn)收方法，用于道路整體承載能力評(píng)價(jià)。本次試驗(yàn)選取設(shè)備具體參數(shù)如下。

①加載車：雙軸，后軸標(biāo)準(zhǔn)軸載P 為100kN；單側(cè)雙輪荷載50±0.5kN。

②貝克曼梁：配件含百分表及表架組成（采用5.4m）。

③路表溫度計(jì)：分辨力不大于1℃。④輪胎氣壓：0.7MPa。

2.2 落錘式彎沉儀

落錘式彎沉儀（FWD）是利用液壓系統(tǒng)，使標(biāo)準(zhǔn)落錘落下一定高度，發(fā)生的沖擊荷載使路基或路面表面產(chǎn)生瞬時(shí)變形，即測(cè)定其在動(dòng)態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)彎沉及彎沉盆，并由此反算路基路面各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)態(tài)彈性模量，科學(xué)地評(píng)價(jià)道路承載能力。

落錘式彎沉儀分為拖掛式和內(nèi)置式，本次試驗(yàn)選取北京今谷神劍落錘式彎沉設(shè)備，采用內(nèi)置式，主要構(gòu)成包括荷載發(fā)生裝置、彎沉檢測(cè)裝置、運(yùn)算控制系統(tǒng)與車輛牽引系統(tǒng)等，操作主要依靠計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄和控制，數(shù)據(jù)依據(jù)高精度的傳感器完成。選取設(shè)備參數(shù)如下。

①?zèng)_擊荷載：50kN；荷載測(cè)量精度：≤1%。

②位移測(cè)量范圍：±3.5mm；彎沉分辨率：0.1μm。

③位移傳感器個(gè)數(shù)：7 只；每點(diǎn)測(cè)試速度：＜20s/點(diǎn)（測(cè)量三次）。.

④提錘方式：液壓；行走速度：0～120km/h（視路面狀況而定）。

⑤動(dòng)態(tài)力測(cè)量范圍：0～250kN；荷載脈沖形狀：半正弦波。

設(shè)備功能滿足目前現(xiàn)行規(guī)范要求，具體如下：

①測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)軸荷的歸一化處理；

②可與貝克曼梁進(jìn)行比對(duì)轉(zhuǎn)換；

③自動(dòng)獲取與貝克曼梁轉(zhuǎn)換的最佳轉(zhuǎn)換系數(shù)；

④可根據(jù)交通部的有關(guān)規(guī)定自動(dòng)計(jì)算均值、方差、彎沉代表值及生成相關(guān)表格；

⑤可進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，把各測(cè)點(diǎn)的公里數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為樁號(hào)數(shù)據(jù)；

⑥可進(jìn)行溫度修正。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)

3.1 試驗(yàn)段選取

本次試驗(yàn)選取中新蘇滁高新區(qū)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園2020 年度第二批市政工程項(xiàng)目友誼路工程（主干道），該項(xiàng)目位于滁州市東部，設(shè)計(jì)范圍為徽州路-滁州大道，道路西起徽州路交叉口東，東至滁州大道交叉口西，路線全長(zhǎng)2.5km，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬37.4m，設(shè)計(jì)時(shí)速60km/h。

由于檢測(cè)數(shù)據(jù)受路面狀況、路基狀況、溫度、路面材料等因素影響，為了更好地分析彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、合理性，本次試驗(yàn)選取樁號(hào)K0+150-K0+500 左幅雙車道，長(zhǎng)度350m，分別對(duì)路基6%灰土、水泥穩(wěn)定碎石基層（5%）、AC-13C 瀝青面層三種不同類型的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程及要求

①本次試驗(yàn)每20m 為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)均勻布置在行車道。

②先進(jìn)行貝克曼梁彎沉檢測(cè)，將測(cè)試車放置在試驗(yàn)段，后輪一般置于道路行車軌跡帶上，將貝克曼梁放置于輪隙中心前方約30mm～50mm 處，檢測(cè)過(guò)程中避免彎沉設(shè)備接觸輪胎，以免影響檢測(cè)結(jié)果；測(cè)試車緩慢移動(dòng)后，測(cè)讀百分表前后的數(shù)值，同時(shí)標(biāo)記出測(cè)點(diǎn)，畫出一個(gè)半徑150mm 的圓，確保位置偏差不超過(guò)30mm。

③采用貝克曼梁檢測(cè)完成后，立即進(jìn)行落錘式彎沉儀進(jìn)行檢測(cè)，盡量不超過(guò)10min，以免外界環(huán)境對(duì)測(cè)點(diǎn)造成影響。每一測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)定不少于3 次，舍棄第1個(gè)測(cè)定值，取后2次測(cè)定值的平均值作為測(cè)定值。

④測(cè)點(diǎn)完成測(cè)試，車輛系統(tǒng)自動(dòng)提起承載板和落錘，車輛進(jìn)行下一個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)，以此類推，完成剩余點(diǎn)數(shù)的檢測(cè)。

⑤全部試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉測(cè)試軟件，保存測(cè)試數(shù)據(jù)，將保險(xiǎn)裝置安裝到位。

⑥檢測(cè)時(shí)盡量選取天氣較穩(wěn)定的時(shí)間，路面保持清潔，避免在大風(fēng)等不利因素下進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間跟蹤檢測(cè)，對(duì)路基6%灰土、水泥穩(wěn)定碎石基層（5%）、AC-13C瀝青面層3 種不同結(jié)構(gòu)層進(jìn)行兩種方法彎沉檢測(cè)，確保檢測(cè)車輛及設(shè)備、檢測(cè)環(huán)境、操作人員盡可能一致，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)回歸分析如表1所示。

落錘式彎沉（FWD）與貝克曼梁（BB）回歸分析一覽表 表1

將2 種方法采集的彎沉數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，各結(jié)構(gòu)層擬合曲線（含線性關(guān)系、二次多項(xiàng)式）見圖1、圖2、圖3所示。

圖1 路基6%灰土彎沉相關(guān)性分析

圖2 水泥穩(wěn)定碎石基層（5%）彎沉相關(guān)性分析

圖3 AC-13C瀝青面層彎沉相關(guān)性分析

4 合理性分析

由上述數(shù)據(jù)比對(duì)及回歸分析，各結(jié)構(gòu)層相關(guān)性較好，采用線性擬合及二次多項(xiàng)式擬合，相關(guān)系數(shù)均大于0.95，滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范要求，具體情況分析如下：

①路面彎沉檢測(cè)結(jié)果直接反映道路承載能力，對(duì)承載能力較低的結(jié)構(gòu)層，檢測(cè)影響因素較多，采用落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測(cè)，數(shù)據(jù)波動(dòng)性較大，但不影響數(shù)據(jù)相關(guān)性分析；

②經(jīng)數(shù)據(jù)擬合后，AC-13C 瀝青面層相關(guān)性優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石基層（5%），水泥穩(wěn)定碎石基層（5%）相關(guān)性優(yōu)于6%灰土，說(shuō)明針對(duì)相同路段進(jìn)行檢測(cè)，相關(guān)性受道路密實(shí)程度、強(qiáng)度、材料狀況以及承載能力影響，承載能力越好，相關(guān)性也越來(lái)越好；

③各結(jié)構(gòu)層分別進(jìn)行線性、二次多項(xiàng)式擬合，二次多項(xiàng)式擬合后相關(guān)系數(shù)略優(yōu)于線性擬合，二者均滿足擬合精度要求，在實(shí)際工作中，由于二次多項(xiàng)式擬合方程較為復(fù)雜，多采用線形擬合方程進(jìn)行分析；

④對(duì)施工狀況良好的城市主干道，通過(guò)對(duì)柔性結(jié)構(gòu)層及半剛性結(jié)構(gòu)層進(jìn)行分析后，均適用落錘式彎沉（FWD）檢測(cè)儀；

⑤各結(jié)構(gòu)層落錘式彎沉數(shù)據(jù)不一定較貝克曼梁彎沉數(shù)據(jù)大，但是各結(jié)構(gòu)層變異系數(shù)較貝克曼梁小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，省內(nèi)市區(qū)市政道路維修次數(shù)不斷增多，無(wú)論是建設(shè)單位還是管養(yǎng)單位都已充分認(rèn)識(shí)到道路承載能力的重要性。部分地區(qū)建設(shè)單位在招標(biāo)的過(guò)程中，對(duì)道路承載能力檢測(cè)做了特殊要求，即必須采用落錘式彎沉儀進(jìn)行檢測(cè)。由此可見，建設(shè)單位對(duì)市政道路的要求也在逐漸提高。尤其在滁州地區(qū)、六安地區(qū)等采用落錘式彎沉儀檢測(cè)市政道路日益增多，檢測(cè)效果較好，得到建設(shè)單位、質(zhì)監(jiān)站等的一致認(rèn)可。

落錘式彎沉儀作為國(guó)內(nèi)目前最為普遍的、有效的檢測(cè)方式，檢測(cè)速度快，穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性較高。為了更好地保證檢測(cè)數(shù)據(jù)有效性、持續(xù)性，落錘式彎沉檢測(cè)設(shè)備必須經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，一般建議一年一次，確保各項(xiàng)性能符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

經(jīng)大量數(shù)據(jù)分析，針對(duì)高速公路、市政快速路及主干道等承載能力要求較高的路段，相關(guān)性較好，均可以適用。但是對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)等道路，由于承載能力較低，影響因素較多，對(duì)其等級(jí)較低的路段的研究也很有必要。