浅析路基路面弯沉的检测技术

浅析路基路面弯沉的检测技术
戴驰
摘要：当前路基路面弯沉的检测方法主要有三种：贝克曼梁法、落锤式弯沉仪法、自动弯沉仪法。贝克曼梁法为传统检测方法，以人工操作为主，工作强度大，效率低，可靠性差，而后两种方法均为计算机控制下的自动量测方法，测速快，精度高，具有传统检测方法不可比拟的优势。但在实际应用中，落锤式弯沉仪法与自动弯沉仪法所测得的数据必须与贝克曼梁法所测数据进行比对换算，之后才能作为最终评定的依据。本文具体介绍了落锤式弯沉仪在实际当中如何与贝克曼粱进行比对分析，从而具体应用的方法。
关键词：沥青路面；弯沉；检测技术
路面的弯沉检测是我国柔性路面强度测量的一项主要指标。路面弯沉是指在规定的标准轴载作用下，路面表面轮隙位置产生的总垂直变形或垂直回弹变形值。它不仅反映路面各结构层及土基的整体强度和刚度，而且与路面的使用状态存在一定的内在联系。
1. 路面现场弯沉测试
1．1 贝克曼梁弯沉(BB)测试
用贝克曼梁测试弯沉，作为施工验收及补强设计时弯沉检验的手段，是我国通行的做法，同时，在我国也一直是路面结构设计的基本参数。因此，严格按照公路路基路面现场测试规程中条文说明，规范贝克曼梁弯沉检测步骤，以保证测试数据的准确可靠。测试时应注意以下事项：
(1)在我国现阶段，一般测试的是路面回弹弯沉而非总弯沉；
(2)温度修正不准确，往往仅利用当时的气温进行温度修正；
(3)测试前必须对弯沉测试车轴重、装载是否偏位、轮压等指标进行复查；
(4)目前我国多采用半刚性基层沥青路面，因此宜采用5．4m弯沉仪，以避免支点沉降的影响；
(5)应注意弯沉仪测头的位置，测头应置于测点上，即轮隙中心前方3～5cm；
(6)代表弯沉测试的时间应选在路面竣工后第一年的最不利季节。
1.2 落锤式弯沉仪弯沉(FWD)测试
落锤式弯沉仪(FWD)通过计算机控制下的液压系统提升并释放一重锤，对路面施加一脉冲荷载来模拟行车荷载对路面的作用。通过起落架上高频速度传感器测定距加载板不同距离处路面的弯沉。FWD弯沉测试数据为路面结构的进一步分析评价提供了丰富的信息。FWD弯沉测试系统直接在路面上模拟运动着的汽车轮载，从根本上改变了传统静态弯沉测试系统的缺陷，反映了路面结构的“现场”真实特性。FWD应用范围广，可用于沥青路面及水泥混凝土路面，还可用于路面结构脱空识别及路面板间传荷效率分析。路面弯沉测试精度为1m，系统误差2％，为反算路面各层材料参数创造了条件。该设备测速快，自动化程度高，测试时对交通干扰小。
1.3 JG型自动弯沉仪弯沉测试
JG型自动弯沉仪的基本工作原理与贝克曼梁弯沉测试的原理相同，都是简单的杠杆原理。其本质是贝克曼梁的自动化形式。它利用了检测车本身后轴的轴重，安装在汽车底盘下方类似于贝克曼梁支架的测量架，实现了弯沉测试的自动化。该方法测试的弯沉数据是路面在车辆荷载作用下的总弯沉，可为路面养护管理系统提供可靠的强度数据，同时可用于新建路面、路基的施工质量控制及施工质量验收。该设备弯沉测试结果仍属于静载或低速运动荷载下的路面反应，难以模拟实际作用在路面上的瞬时冲击荷载。因此测试结果不能直接用于任何路面设计的力学方法。同贝克曼梁一样，测试时很难得到一个固定不动的基准点，因此在刚度较大的路面上使用，其可靠性值得怀疑。该自动弯沉仪不能用于水泥混凝土路面弯沉检测。
2.路面弯沉的计算
路面测点的回弹弯沉值：
ιt=2×(L1－L2)。
其中，ιt为在路面温度T时的回弹弯沉值(0．O1mm)；L1为车轮中心临近弯沉仪测头时百分表的最大读数(0．O1mm)；L2为汽车驶出弯沉影响半径后百分表的终读数(0．O1mm)。
当需要进行弯沉仪支点变形修正时，路面测点的回弹弯沉值：
ιt =2×(L1—L2)+6×(L3一L4)。
其中，L3为车轮中心临近弯沉仪测头时检验用弯沉仪的最大读数(0．O1mm)；L4为汽车驶出弯沉影响半径后检验用弯沉仪的终读数(0．O1mm)。
弯沉代表值是弯沉测量值的上波动界限，用下式计算：
ιr=L+Za•S。
其中，ιr为一个评定路段的代表弯沉(0．O1mm)； L 为一个评定路段内经各项修正后的各测点弯沉的平均值(0．O1mm)；S为一个评定路段内经各项修正后的全部测点弯沉的标准差(0．O1mm)；Za为与保证率有关的系数，采用表1数值。
表1 Za取值标准

值不符合要求时，可将超出 L±(2～3)S的弯沉特异值舍弃，重新计算平均值和标准差。对舍弃的弯沉值大于 L±(2～3)S的点，应找出其周围界限，进行局部处理。用两台弯沉仪同时进行左右轮弯沉值测定时，应按两个独立测点计，不能采用左右两点的平均值。
3.对比试验
目前常用的路面弯沉检测方法仍主要为贝克曼梁法，即测定固定轮载下路面表面的变形，但该方法效率低且误差大，也无法反算路面各承重层的强度。FWD法可以弥补这些不足。
3．1 检测现场
本次对比试验在的长沙某公路B段进行，沥青路面结构如表2所示。

表2 典型路面结构
抗滑表层AC―13沥青混凝土 4cm
中粒式AC―20沥青混凝土 5cm
粗粒式AC―25混凝土 6cm
5%水泥稳定沙砾 25cm
天然沙砾 30cm

此次对比试验，按照《公路路基路面现场测试规程》弯沉试验方法(T0951—2008和T953—2008)的要求实施。贝克曼梁法弯沉采用单后轴双轮组10t轴重标准车按现行规范进行测试、FWD法的落锤和荷载为5O±2．5KN，每个测点砸3锤，取后两锤平均值作为该测点动弯沉。
3．2 对比分析
为了研究FWD与贝克曼梁之间的相关关系，分别对长沙某公路B段路面进行了测试，共203组弯沉值数据(见长沙某公路B段路面测试报告中弯沉值数据一览表)。
两者弯沉数据比对图如图1所示：

图1 贝克曼梁与FWD弯沉比对图
将表2弯沉数据进行相关性分析发现，两者弯沉数据具有较好的线性相关性，相关系数R一68％。按照《公路路基路面现场测试规程》规定相关系数R≮0．95的要求进行特异值删除处理，经过数据处理，对BB和FWD弯沉数据进行回归分析，得到回归图如图2所示，并得到回归线性方程式：

贝克曼梁弯沉值(0．01mm)
图2 线性回归图
LFWD ＝0．8188LBB+4．1238 (1)
式中：LFWD——落锤弯沉值；
LBB——贝克曼梁弯沉值。
试验结果表明：FWD与贝克曼梁在沥青路面结构层上所测得的弯沉数据之间均存在较好的线性相关关系，可见在一定的条件下两者之间可以相互换算。
从通过比对试验得出的相关关系式，相关系数和换算的回弹弯沉来看，在同一条路或同一地区，路面结构、材料、土基等条件相同时，测定的弯沉值之间有良好的相关关系。在不同地区求取相关关系时，应该根据不同地区及不同路面结构、材料、土基等条件，建立不同的回归方程式。
4.在工程检测中的实际应用
利用FWD能够快速、准确地检测和评价路面各结构层或路基的强度，在施工过程中通过逐层检测和结构层的模量反算可及时发现质量隐患，并迅速采取处理措施，从而在根本上控制工程质量。利用FWD可以对新(改)建公路的路基、路面综合承载能力进行检测和评定，为工程的交(竣)工验收提供数据资料和评定质量等级的依据。根据《公路工程质量检验评定标准》对已竣工的路面进行弯沉检测，采集全线路面弯沉(盆)信息资料，根据路面弯沉资料，分标段对路基路面的综合承载能力、施工质量进行评定。
5. 结束语
通过以上对比试验，验证了在相同的量测条件下，对于同一路面结构，根据其BB弯沉值与FWD弯沉值得出如下结论：
(1)通过回归公式，可以将FWD弯沉检测数据转换为BB弯沉数据，进而对路面结构弯沉进行评价，这样既保证了数据精度要求，又能节省弯沉检测时间，提高了工作效率；
(2)可以将已有BB弯沉检测数据转换为FWD检测数据，进而对路面整体结构性能进行评价。这对于充分利用以前由BB测定的大量弯沉数据，加速我国FWD的推广，十分有益。
(3)针对不同的路面结构、外部因素条件下，两者的相关方程的系数不同，应单独作对比试验。
进一步研究建议：FWD作为目前国际上比较流行的先进路面无损检测设备，由于其具有比其他检测技术明显的优势，将会越来越受到人们的重视。同时，为更好的发挥FWD的作用，应做好FWD检测与评价的标准化并制订相应的规范。
参考文献
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