落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉儀在路面檢測(cè)中的相關(guān)性研究

李 濤

(衡水市公路勘測(cè)設(shè)計(jì)所)

路面檢測(cè)技術(shù)作為公路建設(shè)與管理中的關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性技術(shù),它不僅對(duì)于檢驗(yàn)和控制施工質(zhì)量是重要的,而且還直接影響路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)性和養(yǎng)路資金分配的合理性。近 20年來,無損檢測(cè)技術(shù)由于具有不損害路面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。

路面彎沉是公路檢測(cè)中最普遍的路面結(jié)構(gòu)狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。彎沉是指在規(guī)定的汽車標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下,路基或路面表面汽車輪隙位置產(chǎn)生的垂直變形,它反映路基路面的綜合承載能力。彎沉不僅反映路面結(jié)構(gòu)層及土層的整體強(qiáng)度和剛度,而且與路面的使用狀態(tài)存在一定的內(nèi)在聯(lián)系,反映了路面的整體強(qiáng)度質(zhì)量。目前,我國各級(jí)公路部門彎沉檢測(cè),多采用貝克曼梁(BenklemanBeam,簡稱BB),即在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下,路基或路面表面輪隙位置產(chǎn)生的垂直變形值(回彈彎沉),利用載重汽車加載,人工讀取百分表的讀數(shù),來測(cè)量路基或路面表面的回彈彎沉值。該方法操作簡單,但存在以人工操作工作強(qiáng)度大,效率低;計(jì)算參數(shù)受多種主觀因素影響及所測(cè)結(jié)果不能反映行車荷載作用下的動(dòng)力特性和整個(gè)彎沉盆形狀等缺點(diǎn)。

落錘式彎沉儀(FallingWeightDeflectometer,簡稱FWD)是目前國際上比較流行的先進(jìn)的路面強(qiáng)度無破損檢測(cè)設(shè)備。它是在標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的重錘落下一定高度發(fā)生的沖擊荷載作用下,測(cè)定路基或路面表面所產(chǎn)生的瞬時(shí)變形,即測(cè)定在動(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層材料的動(dòng)態(tài)彈性,用于評(píng)定道路承載能力。由于其能很好地模擬行車荷載對(duì)路面的作用,因而比起其他靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì),再加上其所測(cè)彎沉盆蘊(yùn)含著豐富的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的信息,愈來愈受到公路研究者們的重視。落錘式彎沉儀以精度高,測(cè)速快,可靠性好等特點(diǎn)正逐步取代傳統(tǒng)的貝克曼梁彎沉檢測(cè)。目前我國交通部《公路路基路面現(xiàn)場測(cè)試規(guī)程》(59-95)也已將其列入彎沉檢測(cè)設(shè)備,這對(duì)科學(xué),準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)狀態(tài),合理地制訂公路養(yǎng)護(hù)計(jì)劃有著重要的意義。

由于我國路面設(shè)計(jì)和檢測(cè)以貝克曼梁回彈彎沉值為準(zhǔn),故《路基規(guī)程》要求落錘式彎沉儀測(cè)試值必須根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)換算貝克曼梁彎沉法測(cè)試值,建立兩種方法之間的轉(zhuǎn)換公式,且相關(guān)系數(shù)不得小于 0.9。所以需要在實(shí)際應(yīng)用前研究落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉檢測(cè)方法的相關(guān)性。

2009年 7月至8月,衡水市交通局質(zhì)監(jiān)站與江蘇省交通科學(xué)研究院有關(guān)技術(shù)人員,使用落錘彎沉儀與貝克曼梁彎沉儀共同對(duì)衡水市部分道路代表路段進(jìn)行了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)比檢測(cè)。

1 FWD與貝克曼梁彎沉儀對(duì)比試驗(yàn)方法

按照《公路路基路面現(xiàn)場測(cè)試規(guī)程》(JTGE60-2008),首先采用貝克曼梁彎沉儀進(jìn)行測(cè)試,然后以測(cè)點(diǎn)為圓心描繪半徑為 150mm的圓,仔細(xì)將落錘式彎沉儀加載盤與圓對(duì)中,偏差控制在30mm內(nèi),每個(gè)測(cè)點(diǎn)以50kN±2.5kN的荷載進(jìn)行兩次落錘檢測(cè),分別實(shí)時(shí)記錄貝克曼梁彎沉與落錘式彎沉儀的測(cè)量結(jié)果,落錘式彎沉儀數(shù)據(jù)選擇兩次落錘的平均值為有效落錘數(shù)據(jù)。

2 對(duì)比試驗(yàn)路段的選擇

按照《公路路基路面現(xiàn)場測(cè)試規(guī)程》(JTGE60-2008)關(guān)于對(duì)比檢測(cè)的要求,衡水市交通局質(zhì)監(jiān)站在全市范圍內(nèi)根據(jù)公路結(jié)構(gòu)、道路使用齡期、道路使用環(huán)境等不同,分別選擇了“市區(qū)南出口(2008年建設(shè),兩層水泥穩(wěn)定碎石基層)”、“西環(huán)(2006年建設(shè),二灰碎石和水泥穩(wěn)定碎石基層)”、“肅臨線棗強(qiáng)段(2005年建設(shè),二灰碎石基層)”、“鄭昔線(2006年建設(shè),二灰碎石基層)”、“衡井線前磨頭段(2009年 6月新建、二灰碎石基層)”、“保衡路西出口段(2009年新建段,水穩(wěn)和二灰碎石基層)”“肅臨線深州段(2002年建設(shè),二灰碎石基層)”等七個(gè)道路的路面代表路段,每段長度在 600～1000m。

3 樣本數(shù)據(jù)的處理

本次對(duì)比試驗(yàn)共采集 312個(gè)樣本,對(duì)兩種方法檢測(cè)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),西環(huán)路對(duì)比檢測(cè)中,落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)平均值和代表值相差較大。落錘式彎沉儀平均值為 12.8,而貝克曼梁彎沉平均值為 23.9。結(jié)合該段道路修建時(shí)間和所用結(jié)構(gòu)層,以及現(xiàn)場路況分析,貝克曼梁彎沉所測(cè)數(shù)據(jù)存在較大誤差。隨即對(duì)該路段用貝克曼梁彎沉進(jìn)行了復(fù)測(cè),復(fù)測(cè)結(jié)果貝克曼梁彎沉平均值為 13.8。復(fù)測(cè)結(jié)果與落錘式彎沉儀結(jié)果接近,所以西環(huán)路面彎沉檢測(cè)中貝克曼梁彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差,我們?cè)诜治鱿嚓P(guān)關(guān)系時(shí)舍棄了西環(huán)路面檢測(cè)中采集的 58個(gè)對(duì)比數(shù)據(jù)。

4 樣本數(shù)據(jù)分析

對(duì)所有采集的樣本進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)總體趨勢(shì)分析(剔除有問題的西環(huán)路面檢測(cè)數(shù)據(jù)后 6個(gè)道路路面結(jié)構(gòu)層對(duì)比),得出兩種檢測(cè)方法的趨勢(shì)分析圖,見圖 1。

由圖 1可見貝克曼梁彎沉與落錘式彎沉儀在路面結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果具有較好的趨勢(shì)。

對(duì)路面檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉的對(duì)比分析得出其相關(guān)性關(guān)系散點(diǎn)圖,見圖 2。

圖1 落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉值測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)分析圖

圖2 貝克曼梁彎沉與落錘式彎沉儀相關(guān)性分析

由圖 2看出,綜合檢測(cè)路段的總體數(shù)據(jù),在路面彎沉對(duì)比試驗(yàn)中,貝克曼梁彎沉與落錘式彎沉儀具有較好的相關(guān)性,通過對(duì)比試驗(yàn)得出回歸方程

式中:LFWD、LBB分別為落錘式彎沉儀、貝克曼梁彎沉儀測(cè)定的彎沉值。其相關(guān)性系數(shù)R為 0.964(R2=0.93),符合(JTGE60-2008)規(guī)范要求(R應(yīng)不小于0.9),落錘式彎沉儀可以替代貝克曼梁彎沉進(jìn)行彎沉測(cè)試。

5 落錘式彎沉儀的優(yōu)點(diǎn)

與貝克曼梁彎沉儀相比落錘式彎沉儀有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)應(yīng)力應(yīng)變和彎沉與實(shí)際交通荷載下的結(jié)果較吻合;

(2)實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)由微機(jī)自動(dòng)存儲(chǔ),減少了人為造成檢測(cè)錯(cuò)誤的可能;

(3)減少了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了檢測(cè)效率,檢測(cè)數(shù)據(jù)由軟件評(píng)定,荷載進(jìn)行歸一化處理,檢測(cè)結(jié)果快速準(zhǔn)確;

(4)可以檢測(cè)出彎沉盆的形狀;

(5)隨車配有精確的距離傳感器,使檢測(cè)樁號(hào)更準(zhǔn)確,還可以同時(shí)記錄具體車道位置,空氣溫度和路面溫度等環(huán)境信息;

(6)落錘式彎沉儀對(duì)路面上同一點(diǎn)進(jìn)行幾次重復(fù)性檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于貝克曼梁彎沉儀。

落錘式彎沉儀模擬快速運(yùn)動(dòng)的汽車輪載進(jìn)行路面彎沉測(cè)試,改變了傳統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的缺陷,能夠反映出路面在動(dòng)載作用下的實(shí)際變形情況。而且精度更高、測(cè)試速度更快。落錘式彎沉儀與貝克曼梁在相同條件下測(cè)得的彎沉值具有良好的相關(guān)性。但對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)層,在工程檢測(cè)應(yīng)用中,可分別統(tǒng)計(jì)其相關(guān)關(guān)系,根據(jù)結(jié)構(gòu)層的不同選擇適合的相關(guān)關(guān)系。

隨著人們對(duì)落錘式彎沉儀的不斷開發(fā)應(yīng)用,可逐步形成一種以彈性理論為基礎(chǔ),動(dòng)態(tài)彎沉儀為工具,由路表實(shí)測(cè)彎沉盆現(xiàn)場評(píng)定路面結(jié)構(gòu)剛度組成的新方法。

[1] 公路路基路面現(xiàn)場試驗(yàn)規(guī)程(JTJ059-95)[S].