基于貝克曼梁法的高速公路路基路面強度檢測方法

宋瑞蒿

(廣西交科工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

若高速公路施工中的路基路面強度未達到實際使用需求，易在使用過程中因各類因素導致路面產(chǎn)生裂縫、塌陷以及車轍等問題，導致車輛行駛不暢，甚至發(fā)生嚴重事故等[1]。因此，在高速公路的路面結(jié)構設計及施工驗收等階段中，均需對其路基路面的強度實施科學有效的檢測，保障其施工質(zhì)量滿足實際使用需求，避免因路面問題導致車輛行駛事故的發(fā)生[2-3]。

回彈彎沉檢測屬于各類公路路基路面質(zhì)量檢測中的關鍵技術之一，其檢測結(jié)果不僅能夠反映出路基路面的強度，而且能反饋各類公路的實際應用狀況，通過適度地調(diào)整回彈彎沉值，能夠?qū)⒏黝惞返膶嶋H應用壽命延長[4]。

貝克曼梁法屬于一種典型的回彈彎沉檢測方法，主要針對低速或者靜止加載情況下各類公路的路基路面回彈彎沉值實施檢測，能夠通過檢測結(jié)果精準反饋各類公路的總體承重性能及整體強度[5]。其檢測時所選取的基準為標準軸載的外作用力，在此基準下實現(xiàn)對路基路面垂直變形值及回彈彎沉值的測定。當所測定的彎沉值比設計值低時，代表所檢測公路的路基路面強度較好，具有較高的承載力[6-7]；當所測定的彎沉值比設計值高時，代表所檢測公路的路基路面強度差，存在較高的形變可能性，承重能力降低[8]。另外，路面瀝青面層厚度也是決定路基路面強度的關鍵指標之一，二者之間具有直接的關聯(lián)性，只有路面瀝青面層厚度達到施工要求，方可更有效地保障公路的整體強度與使用壽命。因此，此項指標已成為當前各類公路路基路面強度檢測中的主要檢測指標[9]。

綜合以上分析，本文研究一種基于貝克曼梁法的高速公路路基路面強度檢測方法，結(jié)合貝克曼梁法與鉆孔取芯法實現(xiàn)對待檢測高速公路路基路面回彈彎沉與瀝青面層厚度的檢測，完成高速公路路基路面強度的檢測，為保障高速公路的整體質(zhì)量與使用壽命奠定基礎。

1 高速公路路基路面強度檢測方法

高速公路路基路面強度的檢測主要是針對路基路面的回彈彎沉與瀝青面層厚度的檢測，其中路基路面回彈彎沉為主要檢測指標，瀝青面層厚度為輔助檢測指標?；貜棌澇翙z測所用到的檢測方法為貝克曼梁法；瀝青面層厚度檢測通過鉆孔取芯法即可獲得可靠檢測結(jié)果。

1.1 貝克曼梁法檢測原理

貝克曼梁法屬于一種典型的回彈彎沉檢測方法，其檢測原理是運用承載重物的標準車輛對待檢測路面實施加載，并通過彎沉儀中的百分表記錄此過程中的路面回彈彎沉值，依據(jù)所記錄的回彈彎沉值判定待測路面的強度[10-11]。此方法應用范圍廣，可實現(xiàn)對不同級別公路路基路面的檢測。其檢測方式為：在承載重物的標準車輛后軸的兩輪輪隙前側(cè)大概3 cm的檢測點處布設貝克曼梁的其中一端，再將百分表設置于另外一端，實現(xiàn)對貝克曼梁端頭升降值的測量；通過支撐貝克曼梁梁身1/3位置的方式，將貝克曼梁放置于底座處；當載重標準車前行時，及時讀取并記錄百分表的最高數(shù)值；待載重標準車駛出彎沉影響范圍(約3 m以上)，百分表示值穩(wěn)定后，再讀取并記錄最終數(shù)值。通過前后兩種情況下所記錄的數(shù)值，即可計算出待測路面的回彈彎沉值。期間，需通過修正路面溫度與實測彎沉值，將彎沉值過高的檢測點剔除[12]。

1.2 檢測儀器

1.2.1 檢測標準車

在所選取的高速公路路段上進行路基路面回彈彎沉檢測時所使用的檢測標準車型號為BZZ-100，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 檢測標準車主要參數(shù)表

1.2.2 檢測彎沉儀

檢測時所用到的儀器為彎沉儀。該儀器主要由表架、百分表及貝克曼梁三部分組線，通常有5.4 m和3.6 m兩種臂長[13]，本文檢測中選取前者，其前、后臂的長度分別為3.6 m和1.8 m。彎沉儀中所應用的貝克曼梁為鋁合金制成，在其上方配備有水準泡，在彎沉儀的后臂設置百分表，彎沉儀的前臂需觸碰到路面。

除此之外，檢測中所用到的儀器還有皮尺、粉筆及路面接觸式溫度計等。

1.3 檢測前準備工作與檢測過程

1.3.1 檢測前準備工作

檢測前所需準備的主要工作內(nèi)容包括百分表的安裝、標準車的剎車、輪壓及輪胎接地面檢測等。具體準備工作內(nèi)容如圖1所示。

圖1 檢測前準備工作框架圖

具體準備工作如下：

(1)百分表的安裝：通常百分表的數(shù)量需要兩塊以上。在檢測前安裝百分表時，需通過提拉其傳感軸的方式，檢驗其檢測的靈敏度，待符合需求后完成百分表的安裝，另外，需通過輕敲彎沉儀確定百分表內(nèi)指針正常歸位。

(2)標準車輪胎壓力檢測：利用壓力表對標準車的輪胎壓力實施檢測，若輪胎壓力不符合使用需求，可適度調(diào)整，避免因輪胎壓力對接地面而對檢測結(jié)果造成干擾。

(3)標準車輪胎接地面檢測：將標準車停放于平滑的路面，通過千斤頂支撐起其后軸，并將復寫紙放于后輪下方，緩慢放下千斤頂后，通過復寫紙獲得輪胎的印跡，結(jié)合相關運算方式計算出輪胎的接地面積。

(4)標準車配重檢測：將重量較大的物體裝入標準車內(nèi)，對其前后軸的整體質(zhì)量實施測定，并保證左側(cè)與右側(cè)的前后軸質(zhì)量達到平衡。

(5)標準車其他性能檢測：整體檢測標準車的剎車與其他方面性能，均通過檢測后方可使用。

1.3.2 檢測過程

通過貝克曼梁法檢測高速公路路基路面回彈彎沉的整體過程如圖2所示。

圖2 貝克曼梁法的路基路面強度檢測過程示意圖

具體檢測過程如下：

(1)確定待檢測高速公路路段，通過自動化持續(xù)檢測儀器，以間隔25 m的距離，在該路段左右兩側(cè)以錯開的方式，為每排車道各布設100個檢測點，對布設好的各個檢測點通過白色粉筆實施標記。其中檢測點的布設方式如圖3所示。

圖3 檢測點布設情況示意圖

(2)將標準車的后輪輪隙和待檢測點后側(cè)4 cm位置對準；依據(jù)標準車的行駛方向?qū)澇羶x安裝于標準車的后輪間隙位置，其中彎沉儀的貝克曼梁布設于待檢測點處，且不可觸碰到標準車的輪胎。

(3)接收到檢測指令后，標準車在待檢測高速公路路段上以5 km/h勻速向前行駛，當行駛路面的變形幅度升高，百分表的指針將保持前轉(zhuǎn)，當其轉(zhuǎn)至最高數(shù)值時，及時讀取此時的數(shù)值并記錄為W1；此時當標準車繼續(xù)前行時，百分表的指針將會與之前保持相反的方向轉(zhuǎn)動，若標準車的彎沉值干擾到曲率半徑時，車輛停止前行，這種情況下，百分表的指針未恢復平穩(wěn)，需待其指針平穩(wěn)之后方可對此時的數(shù)值實施讀取，并記錄為W2。

1.4 彎沉值計算及相關修正方法

1.4.1 彎沉值計算方法

在標準車的軸載作用下，待測高速公路路段的路基路面表面輪隙處所形成的豎向回彈變形值即為回彈彎沉值[14]，通過讀取彎沉儀上所安裝百分表的變化數(shù)值可推算出該變形值。影響檢測結(jié)果的關鍵因素有行駛車速、輪胎壓力及輪胎載荷等，需在檢測之前，重點針對此類因素能否達到需求實施檢驗。運用貝克曼梁法的彎沉儀所檢測到的只是單個檢測點的回彈彎沉值，因?qū)β坊访鎻姸却嬖谟绊懙淖兞枯^多，所測得的不同檢測點的彎沉值差異較大，故需統(tǒng)計處理各車道各個分路段的彎沉值，同時運用分路段的代表彎沉值對此分路段的路基路面強度予以表征。

其中，單個檢測點的實際測得彎沉值可表示為：

Wa=2×(W1-W2)

(1)

分路段各個檢測點的算術平均值可表示為：

(2)

式中：m——所檢測分路段的檢測點數(shù)量。

所檢測分路段的代表彎沉值可表示為：

(3)

式中：S——標準偏差；

Yβ——保證率系數(shù)。

標準偏差的運算式為：

(4)

1.4.2 路面溫度與實測彎沉值修正方法

為將彎沉值過高的檢測點剔除，需對路面溫度與實測彎沉值實施修正。這兩種修正方法如下：

(1)路面溫度修正：若所檢測路面的瀝青面層>5.0 cm，且當該路面的溫度不在18 ℃～22 ℃時，應修正路面溫度。在此選用經(jīng)驗運算與查圖相結(jié)合的修正方法，其方程式為：

w=wa×K

(5)

式中：K——溫度修正系數(shù)。

檢測過程中，待檢測路面的瀝青層平均溫度可表示為：

T=δ+σT0

(6)

式中：T0——待檢測路面瀝青層平均溫度與檢測的前階段數(shù)個小時氣溫平均值的總和；

δ與σ——系數(shù)，且二者可表示為：

(7)

式中：d——待檢測路面瀝青層的厚度。

路面瀝青面層厚度也是決定路基路面強度的關鍵指標之一，二者存在直接的關聯(lián)性，當路面瀝青面層厚度達到施工要求，方可更有效地保障公路的整體質(zhì)量、強度及使用壽命，此項指標已成為當前各類公路施工驗收中的主要檢測指標[15]。為更直觀地檢測出高速公路路面瀝青面層的厚度，獲得精準可靠的檢測結(jié)果，在此選用鉆孔取芯方法檢測出高速公路路段的瀝青面層厚度d。

(2)實測彎沉值修正：檢測中實測彎沉值的修正公式為：

(8)

R——標準車的當量半徑；

P——輪胎接地壓強；

λ——理論彎沉系數(shù)；

E0——土基的回彈模量。

2 試驗結(jié)果與分析

以某高速公路施工工程路段為例，運用本文方法對其路基路面回彈彎沉值與瀝青面層厚度實施檢測，以此分析其路基路面強度，完成該路段工程的路基路面強度檢測及施工驗收。

該高速公路施工工程路段為雙向八車道，單車道的寬度為3.75 m，雙向車道的最外側(cè)均為3.5 m的應急車道，雙向車道中間間隔帶的寬度為3 m。車道路面的各層依次采用瀝青混凝土、中粒瀝青混凝土、石灰沙礫，其中，混凝土的塑性需≤13.8，選取0.4 cm粒徑的沙礫與高于三級的石灰。

將試驗路段隨機劃分為A、B 兩個分路段，每個分路段均具備左、右雙向八車道，各車道分別布設100個檢測點。試驗路段的設計彎沉值[Wa]為125(0.01 mm)，設計瀝青面層厚度為15 cm，保證率系數(shù)Yβ為1.65。

以試驗路段左側(cè)方向4條車道為例，檢測2個分路段4條車道(A1～A4、B1～B4)各個檢測點的路基路面回彈彎沉值，由每排車道的檢測點中各隨機抽取5個檢測點，得出路基路面變形值讀取結(jié)果，如下頁表2所示。

表2 各分路段不同車道抽取檢測點的變形值讀取結(jié)果表

結(jié)合表2中所得數(shù)值與各分路段左側(cè)4條車道全部檢測點的路基路面變形值讀取結(jié)果，能夠獲取各檢測點的實測彎沉值Wa及各分路段的左側(cè)各車道的代表彎沉值W′a，通過對比各車道代表彎沉值與設計彎沉值，檢驗各分路段不同車道的路基路面強度，所得結(jié)果如表3所示。

表3 檢測點實測彎沉值與各車道代表彎沉值對比表

通過表3能夠得出，A2-2、A3-1、A3-3、A4-2、B1-3、B2-2、B3-2、B3-3這8個檢測點的實測彎沉值高于試驗路段的設計彎沉值，說明這些檢測點位置的路基路面密實度欠佳，其強度不能達到實驗路段的質(zhì)量需求，而其他檢測點的實測彎沉值均比試驗路段的設計彎沉值低。由此可見，其他檢測點位置的路基路面強度能夠滿足試驗路段的質(zhì)量需求。兩個分路段中4條車道的代表彎沉值由低到高排序分別為A1

最后通過本文方法檢測出試驗路段兩個分路段左側(cè)4條車道各個檢測點的瀝青面層厚度，經(jīng)運算后得到每條車道全部檢測點的平均瀝青面層厚度，與試驗路段的瀝青面層設計厚度相對比，實現(xiàn)試驗路段不同車道強度的進一步檢驗。運算與對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 各分路段左側(cè)各車道的瀝青面層厚度平均值與設計值對比曲線圖

由圖4可看出，試驗路段左側(cè)4條車道的瀝青面層厚度均高于該路段的施工設計厚度，可見，該高速公路施工工程路段左側(cè)4條車道的路面厚度能夠達到該路段的施工質(zhì)量需求。

綜合分析可知，高速公路施工工程試驗路段中，左側(cè)4條車道的綜合強度都能夠滿足該高速公路的實際強度需求，其中除了A2-2、A3-1、A3-3、A4-2、B1-3、B2-2、B3-2、B3-3這8個檢測點位置的路基路面回彈彎沉稍差，不符合施工驗收標準外，其余檢測點位置的路基路面回彈彎沉均能夠達到施工質(zhì)量需求，之后需重點針對回彈彎沉稍差的檢測點位置所在路面重新施工。

3 結(jié)語

在高速公路的結(jié)構設計與施工驗收中，路基路面強度的檢測是關鍵階段，而路基路面強度檢測中的主要指標包括瀝青面層厚度與路面回彈彎沉值。因此，本文針對一種基于貝克曼梁法的高速公路路基路面強度檢測方法展開研究，通過貝克曼梁法實現(xiàn)對高速公路路基路面回彈彎沉值的檢測，并結(jié)合鉆孔取芯法檢測出其瀝青面層厚度，實現(xiàn)高速公路路基路面整體強度的檢測。試驗結(jié)果表明，所選取的高速公路路段的左側(cè)各車道路面厚度均能夠達到該路段的施工質(zhì)量需求，且各車道的代表彎沉值也都比該路段的設計彎沉值低，綜合分析各車道的整體路基路面強度能夠滿足施工驗收需求。但需注意其中A2-2、A3-1、B3-2、B3-3等部分檢測點的實測彎沉值高于該路段的設計彎沉值，需重點針對此部分檢測點位置的路基路面實施進一步檢驗。