落錘式彎沉檢測技術在市政道路檢測中的應用研究

阮廷輝

（廣東大道檢測技術有限公司，廣東中山 528400）

0 引言

市政道路是城市基礎設施中至關重要的組成部分，它們承擔著大量交通和人員流動的壓力。然而，由于長期使用、環境變化和自然損耗等原因，道路表面可能會出現彎沉問題，如凹陷、裂縫和坑洼等。這些結構問題不僅影響駕駛者的舒適度和安全性，還對車輛的操控性能和道路壽命產生不利影響。因此，在市政道路維護和管理中進行定期檢測和評估就顯得尤為重要。落錘式彎沉檢測技術作為一種常用方法被廣泛應用于道路結構評估中。通過在特定位置上施加沖擊并測量撓度來判斷道路表面的穩定性，并提供及時修復或維護建議。

1 落錘式彎沉檢測技術的基本原理

當涉及結構的變形和穩定性評估時，落錘式彎沉檢測技術是一種常用的方法。它基于以下基本原理。

（1）沖擊力施加。在待測結構上施加沖擊力是該技術的核心步驟之一。采用重錘來產生沖擊力，重錘可以通過釋放或下降方式施加在結構上方[1]。

（2）結構響應記錄。傳感器系統被安裝在待測結構的適當位置，以記錄結構對沖擊力產生的響應。傳感器可以包括位移傳感器、傾角儀、加速度計等。這些傳感器會捕捉到相應引起的物理量變化。

（3）數據采集與分析。通過傳感器捕獲到的數據，在實時或事后進行采集和存儲。這些數據可以表示為時間序列或頻域信號，并且提供關于結構響應特征的信息。

（4）參數計算與分析。經過數據采集后，需要對獲取到的數據進行處理和分析。根據不同的測試需求，可以計算出相關參數，例如位移、撓度、彎曲變形等指標。常見的分析方法包括傅里葉變換、濾波和頻譜分析等。

（5）結果解讀與評估。根據參數計算和分析的結果，對結構的變形和穩定性進行評估。這些結果可以與設計規范、標準或基準值進行比較，以確定結構是否滿足安全要求。

2 落錘式彎沉檢測技術在市政道路檢測中的應用優勢

當涉及市政道路檢測時，落錘式彎沉檢測技術具有以下應用優勢。

（1）非破壞性測試。與傳統的方法相比，如核心鉆孔或現場加載試驗，落錘式彎沉檢測技術是一種非破壞性的測試方法。它不需要對道路進行切割或取樣，減少了對道路使用的干擾，并節省了時間和成本。

（2）快速高效。該技術能夠快速施加沖擊力并記錄結構響應。數據采集和分析通常耗時較短，因此可以在相對較短的時間內完成整個測試過程。這使得它特別適合于大面積道路網絡的快速檢測。

（3）實時監測。落錘式彎沉檢測技術提供了實時監測能力，即可以即時獲取到結構響應信息。這使得工程師或監督人員能夠及時獲知道路變形情況，并根據需要采取必要的維修措施[2]。

（4）大范圍覆蓋。市政道路網絡通常涵蓋廣泛的區域。由于落錘式彎沉檢測技術具備移動性和便攜性，可以在不同位置和道路段進行測試。這使得它能夠有效地覆蓋整個道路網絡，并提供全面的結構變形信息。

（5）準確可靠。該技術利用傳感器系統采集的數據進行分析，可以計算出準確的結構參數，如撓度、彎曲變形等。這些結果反映了道路的實際狀況，并為后續工程決策提供可靠依據。

（6）安全評估。落錘式彎沉檢測技術能夠對道路結構的穩定性進行評估。通過分析獲得的參數數據，可以判斷道路是否存在安全隱患或需要維修加固。這有助于保障行車安全并延長道路使用壽命。

落錘式彎沉檢測技術在市政道路檢測中具有非破壞性、快速高效、實時監測、大范圍覆蓋、準確可靠和安全評估等優勢。它是一種重要的工具，用于幫助城市管理部門及時發現和解決道路結構問題，以保證交通安全和基礎設施可靠性。

3 落錘式彎沉檢測技術在市政道路檢測中的應用策略

3.1 工程概況

案例工程為某市內部道路，長度為5.788km，寬度為4m。為保證交通安全，相關管理人員選擇使用落錘式彎沉檢測技術對道路的結構進行檢測。技術人員在每塊水泥板上設置2 個測試點位，現場水泥板每5m 設置預裂縫，共設置2316 個測試點，采用型號為JGFWD-200 落錘彎沉儀。

3.2 設置測試儀器

在市政道路檢測中使用落錘式彎沉檢測技術，需要進行以下步驟來設置測試儀器。

（1）選擇合適的測試儀器。選擇適用于落錘式彎沉檢測的測試儀器。這些儀器通常包括一個沖擊裝置（如落錘）和一個振動傳感器（如加速度計或位移傳感器）。確保選購的設備符合實際檢測需求，并具備高精度、穩定性和可靠性。

（2）安裝傳感器。根據測試要求，在道路表面或結構物上安裝振動傳感器。一般情況下，傳感器會被固定在特定位置，并與地面或結構緊密接觸以保證有效信號采集[3]。

（3）設置數據記錄參數。根據具體的測試需求，設置數據記錄參數。這包括采樣頻率、采樣時長等。確保設置的參數能滿足所需的數據精度和信號分析要求。

（4）校準系統。對測試儀器進行校準，以確保得到準確可靠的數據。校準可以通過專業機構或參考標準規程進行。

（5）進行試驗前準備。在進行實際測試之前，需要做好試驗前準備工作。這包括清理測試區域，確保測試環境的穩定性和安全性。

（6）進行沖擊試驗。使用落錘或沖擊裝置對道路表面進行沖擊。通常，沖擊力可以通過控制落錘的質量和下降高度來調節。

3.3 施加沖擊力

（1）選擇合適的沖擊荷載。案例工程使用設備可產生的沖擊荷載范圍0～90kN，如無特殊需要，重錘的質量為（200±10）kg，產生（50±2.5）kN 的沖擊荷載。

（2）確定沖擊點位。根據需要測試的區域和結構特點，在道路表面確定沖擊點位。這些點位可以是不同位置、不同距離或具有特殊結構特征的地方。

（3）準備測試區域。在進行實際測試之前，需要準備好測試區域。這包括清理工作，確保測試區域沒有障礙物，并且平整穩定[4]。

（4）安裝沖擊裝置。將落錘固定在柄上，并確保柄與落錘連接緊密可靠。并調節沖擊力，根據具體要求和試驗目標，調節沖擊力大小。沖擊力可以通過控制落錘質量和下降高度來實現。一般情況下，較大質量和更高高度會產生更大的沖擊力。

（5）控制沖擊位置和頻率。根據測試計劃，控制沖擊的位置和頻率。可以按照固定的間距依次在不同點位進行沖擊，或者根據需要選擇特定的沖擊點位。

（6）進行沖擊試驗。將落錘從一定高度自由下落，使其與道路表面產生沖擊。確保在每個點位上重復多次以獲得可靠的數據。

（7）數據采集與記錄。在進行沖擊試驗時，振動傳感器會采集到結構物的響應信號。測試儀器會將這些信號數據記錄下來供后續分析使用。

需要注意的是，在施加沖擊力時要遵循安全操作規程，并確保周圍人員不受傷害。此外，在設計測試方案時，應考慮到測試區域的特殊需求或限制條件，并合理確定落錘的質量、高度和頻率等參數。

3.4 結構參數計算及分析

案例工程道路類型為剛性路面，落錘質量：200kg，彎曲撓度測量位置：距離落錘中心點0.25m 處。

3.4.1 撓度計算

式中：δ——撓度；w——施加到道路上的沖擊力；L——道路寬度；E——材料的彈性模量；I——截面慣性矩。

施加到道路上的沖擊力w=1960N，道路寬度L=4m，水泥材料的彈性模量假設為40GPa，截面慣性矩假設為0.00000127m4（水泥板寬度取值4m，長度取值5m，厚度取值22mm）。撓度δ=（5×1960×44）/（384×40×109×0.00000127）=0.128608924mm≈0.128m。。

3.4.2 回彈模量計算

根據落錘式彎沉檢測的原理來計算回彈模量。回彈模量（E）是一種描述材料剛度或彈性特性的指標。其估算如式（2）所示。

式中：E——回彈模量，MPa；m——落錘的質量，kg；g——重力加速度（取值為9.8m/s）；h——落錘自由下落的垂直高度，m；δ——最大撓度，m，根據上節計算取值為0.128m。

已知案例工程中水泥板的寬度為4m，假設長度為5m，厚度為22mm（取值為22mm）（水泥密度按照1440kg/m3取值），則每塊水泥板的質量為633.6kg。將落錘質量200kg，最大撓度為7.548mm，落錘質量為200kg，落錘下降高度為0.25m，代入式（2）：E=（mgh）/δ=（200kg×9.8m/s2×0.25m）/0.128≈3828.125MPa。

完成計算后，可以對結果進行分析。回彈模量代表了道路材料的剛度和彈性性能。較高的回彈模量通常表示道路材料更為堅硬和剛性，結構不存在問題。通過與相似類型的道路或設計要求進行比較，可以評估測得的回彈模量滿足預期標準。

3.5 降低環境影響

（1）控制測試時間。選擇合適的測試時間段進行檢測。避免在惡劣天氣條件下進行測試，如大雨、大風或極端溫度等情況。盡量選擇氣候穩定、無明顯自然干擾的時段[5]。

（2）考慮環境因素。記錄并監測測試過程中的環境因素，例如溫度、濕度和風力等。在數據處理和結果分析時，對這些因素進行校正或修正，以減小其對測量結果的影響。

（3）設備保護。確保彎沉測試儀器和設備處于良好狀態，并采取適當的防護措施來減少外部環境對設備造成的損壞或影響。例如，使用防水罩保護設備在雨水中工作，使用風擋屏隔離儀器免受強風干擾等。

（4）定位傳感器優化。正確安裝和定位傳感器是關鍵步驟之一。確保傳感器與被測點之間沒有空隙，并嚴密固定傳感器以減少外部振動或干擾對測量結果的影響。如果可能，可以考慮使用抗震技術來降低地面振動對測試的影響。

（5）數據處理和分析。在數據處理和結果分析過程中，采用適當的算法和校正方法來排除環境因素引起的誤差。通過記錄環境條件并與測量數據進行關聯，可以更好地理解環境因素對測量結果的影響，并進行相應的修正。

（6）校準和維護。定期進行儀器的校準和維護工作是保證測試精度和可靠性的重要措施。遵循制造商提供的操作手冊和建議，及時校準設備并檢查故障或損壞部件。維護良好的儀器狀態有助于降低環境影響帶來的測試誤差。

（7）多次測試取平均值。為了增加數據穩定性和準確性，可以進行多次測試并取平均值。這樣可以降低單次測試中環境因素產生的隨機誤差對最終結果所造成的影響。同時在測試過程中，盡量避免不必要的人為干擾，如人員或車輛的頻繁通過、施工活動等。這些干擾可能會對測試結果產生額外的變異性和誤差。

3.6 保證測試的全面性

（1）多點采集數據。在每個測試位置上進行多次數據采集，以獲取更準確和可靠的結果。通過重復測試并計算平均值來減小因環境變化或操作誤差引起的偏差。同時，在整個路段上選擇多個代表性點進行測試，以獲取更全面的數據覆蓋。

（2）量化分析指標。除了彎曲撓度外，還應考慮其他相關指標來評估道路質量。例如，可以將縱向坡度、橫向坡度以及縱橫向不平整度等指標納入分析。通過綜合考慮這些指標，可以更全面地評估道路的結構狀況和安全性。

（3）結合其他測試方法。落錘式彎沉檢測技術作為一種補充手段，應與其他道路檢測方法相結合，如無損檢測技術（如地面雷達、紅外成像）和視覺檢查等。多種測試方法的綜合應用可以提供更全面的道路信息，并增加對道路結構問題的準確性和可靠性評估。

（4）數據解釋與比較。在數據處理過程中，將落錘式彎沉測試結果與歷史數據、設計規范或基準值進行比較。通過與參考值進行對比和分析，可以更好地了解道路結構變化情況，并判斷是否存在異常或需進一步調查的區域。

（5）定期監測。市政道路是一個動態體系，在時間推移中會發生變化。因此，定期監測是保證全面性的重要手段。建立長期監測計劃，周期性地對道路進行檢測，并記錄數據以供后續比較和分析。

4 結語

綜上所述，落錘式彎沉檢測技術具有高精度和實時性的優勢，可以準確測量市政道路的變形情況。這為城市規劃者和道路維護人員提供了寶貴的信息，使他們能夠及時采取必要的維修和改進措施，以確保道路的安全性和可持續性。還顯示出了較低的成本和使用便利性。同時，也認識到落錘式彎沉檢測技術在某些方面仍存在局限性。例如，在特殊地形或惡劣環境條件下，可能會受到干擾或誤差。因此，建議在實際應用中對這些因素進行更加全面的考慮，并結合其他測量方法進行綜合分析。本文為落錘式彎沉檢測技術在市政道路檢測中的應用提供了有力的支持和驗證。相信隨著技術的不斷發展和改進，該技術將在城市道路管理和維護領域發揮越來越重要的作用，為建設安全、高效的城市交通環境做出貢獻。