提高落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測相關(guān)性的方法探討

■高 丹

(福州路港交通工程試驗(yàn)檢測中心，福州 350002)

1 引言

彎沉值是公路工程檢測中的一個(gè)重要控制及評價(jià)指標(biāo)，無論是公路的新建、改建、擴(kuò)建，其工作的開展都離不開彎沉數(shù)據(jù)的支持， 它能客觀有力的反映出路基路面的整體強(qiáng)度分布情況。落錘式彎沉儀(簡稱FWD，下同)作為彎沉值檢測的一種重要方法， 近年隨著我國公路事業(yè)的高速發(fā)展， 不論是產(chǎn)品品種還是應(yīng)用技術(shù)都得到了較快發(fā)展，但在實(shí)際使用中，還存在著一定的制約因素。 這些制約因素很大程度上影響了新技術(shù)的推廣與應(yīng)用， 同時(shí)也與我國蓬勃發(fā)展的公路事業(yè)不相適應(yīng)。

2 落錘式彎沉儀應(yīng)用現(xiàn)狀

我國目前路面彎沉的設(shè)計(jì)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)方法仍普遍采用貝克曼梁法(簡稱BB，下同)。交通主管部門為新技術(shù)的應(yīng)用與推廣做了大量工作：(1)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60—2008)明確了落錘式彎沉儀FWD 的測試方法；(2) 現(xiàn)行 《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2017)與舊標(biāo)準(zhǔn)(JTG F80/1—2004)相比，增加了落錘式彎沉儀FWD 的檢測方法；(3)2004 年3 號令 “公路工程竣(交)工驗(yàn)收辦法”和2010 年3 月發(fā)布的《公路工程竣(交)工驗(yàn)收辦法實(shí)施細(xì)則》明確提出，彎沉測量應(yīng)優(yōu)先選用自動(dòng)化測量設(shè)備；(4)2005 年交通部 “公路水運(yùn)工程試驗(yàn)檢測管理辦法，簡稱12 號令，在此明確提出，甲級實(shí)驗(yàn)室應(yīng)配自動(dòng)彎沉測量設(shè)備。

3 目前檢測中存在的問題及原因分析

近年根據(jù)交通部的有關(guān)文件精神及公路檢測發(fā)展的現(xiàn)狀， 各省有實(shí)力的檢測機(jī)構(gòu)陸續(xù)采購了自動(dòng)化彎沉檢測設(shè)備，但在實(shí)際工作中，往往遇到一些矛盾與疑惑，最大的困惑是： 用自動(dòng)彎沉測量設(shè)備得到的測量數(shù)據(jù)怎么分析，用這些數(shù)據(jù)怎樣評價(jià)路面的質(zhì)量。 在《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60-2008)中規(guī)定：用FWD 對路面評價(jià)時(shí)需與貝克曼梁進(jìn)行比對,其相關(guān)系數(shù)應(yīng)大于0.95，F(xiàn)WD 的測量數(shù)據(jù)應(yīng)轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的等效貝克曼梁的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)可以做為路基、路面工程質(zhì)量的評判依據(jù)。

眾所周知，相關(guān)系數(shù)越大，兩種方法的關(guān)聯(lián)度越大，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可信度越大。在FWD 與貝克曼梁的比對試驗(yàn)中，相關(guān)系數(shù)能否達(dá)到0.95,怎樣才能達(dá)到0.95,是檢測機(jī)構(gòu)急待解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

國內(nèi)許多單位在應(yīng)用FWD 做檢測工作時(shí)，與貝克曼梁做了大量對比實(shí)驗(yàn)，也進(jìn)行了相關(guān)性的計(jì)算，結(jié)論是：二者的相關(guān)系數(shù)很難達(dá)到0.95； 相關(guān)系數(shù)的高低除了受材料的均質(zhì)性、材料的回彈模量、壓實(shí)度等因素影響外，其中最主要原因是：貝克曼梁的檢測數(shù)據(jù)精度不高，同一個(gè)測量點(diǎn)多次重復(fù)測量的數(shù)據(jù)離散性較大， 導(dǎo)致相關(guān)性偏低。 這就給我們提出了一個(gè)問題：在現(xiàn)有條件下，能否找出某種方法提高FWD 與貝克曼梁的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而提高FWD 等效貝克曼梁的數(shù)據(jù)精度。

4 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

本文提出一個(gè)較為簡便的方法，即用FWD 和貝克曼梁在比對實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)上各自分別重復(fù)測量兩遍(FWD每遍每測量點(diǎn)重復(fù)測量2～3 次，BB 每遍每測量點(diǎn)測量1 次)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后剔除誤差較大的測量點(diǎn)后，再將兩遍測量的平均值進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算， 這樣可較大提高FWD 與貝克曼梁的相關(guān)系數(shù)，具體比對實(shí)驗(yàn)操作與分析如下：

比對背景： 由本檢測中心對瀝青路面面層用國產(chǎn)JGFWD—5T 型落錘式彎沉儀與貝克曼梁(5.4m)做比對實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場選8 個(gè)測點(diǎn)，首先貝克曼梁依次測量，并在測量點(diǎn)畫上記號，F(xiàn)WD 緊隨其后在有標(biāo)記的測量點(diǎn)上重復(fù)測量三次； 當(dāng)測量完8 個(gè)測點(diǎn)后貝克曼梁測量車重新開到第一個(gè)測量點(diǎn)對8 個(gè)測點(diǎn)依次重復(fù)測量，F(xiàn)WD 再次緊隨其后依次測量。 在兩次重復(fù)測量中有兩個(gè)測量點(diǎn)(第3 測點(diǎn)與第5 測點(diǎn))沒有重合，距離相差約0.6m。 原始測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 FWD 與BB 測量原始數(shù)據(jù)

表1 中各種數(shù)據(jù)的說明如下：

⑴FWD 的沖擊荷載與路面的軟硬有關(guān)，在落錘高度相同的情況下，被測路面偏硬(強(qiáng)度大)對應(yīng)的荷載偏高；路面偏軟(如土基)對應(yīng)的荷載偏低，所以在測量前應(yīng)適當(dāng)調(diào)整落錘高度。 為便于在同一基準(zhǔn)(5t)輪荷下進(jìn)行彎沉比較，將實(shí)測彎沉轉(zhuǎn)換成5t 荷載下的等效彎沉(X)。

⑵FWD 荷載與彎沉在同一測量點(diǎn)重復(fù)測量了三次，三次落錘的高度均相同。為提高測量速度，一般也可以在第一次預(yù)測量中落錘的高度偏低一些，對應(yīng)5t 高度的三分之一即可，此預(yù)測量是為了消除一些不穩(wěn)定因素，此不穩(wěn)定因素在路基測量中較多，在路面(面層)測量中較少。經(jīng)過預(yù)測量后，至少正式測量2 次。 2 次(或3 次)的重復(fù)精度應(yīng)在2%以內(nèi)。 如超差應(yīng)分析原因并補(bǔ)充測量次數(shù)，一般土基變化較大。 在與貝克曼梁比對實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行同點(diǎn)的多次測量的主要目的是：確保FWD 測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠，它是后續(xù)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。表1 中三次測量的原始數(shù)據(jù)說明，F(xiàn)WD 荷載與彎沉測量數(shù)據(jù)是可信的， 滿足精度要求。

從表1 中將兩遍重復(fù)測量的FWD5 噸等效彎沉值與貝克曼梁彎沉值重新匯成表2 和表3。

表2 FWD 測量的彎沉

從表2 中可看出， 第3、5 點(diǎn)兩遍測量的重復(fù)誤差較大，這與比對背景中的說明是吻合的，即第3、5 點(diǎn)兩遍測量點(diǎn)不是重合的，是有偏差的(相差約0.6m)，這兩個(gè)測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)不能進(jìn)入比對實(shí)驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)及轉(zhuǎn)換系數(shù)的各種計(jì)算中， 這也是比對各測量點(diǎn)重復(fù)測量兩遍的意義所在。 在實(shí)際比對實(shí)驗(yàn)中，存在許多不確定因素，這些因素都將造成誤差， 問題是我們能否通過可信的技術(shù)手段將誤差因素在進(jìn)入計(jì)算之前剔除， 使之不對我們期待的最終結(jié)果造成影響。

表2 中剔除奇異點(diǎn)后，其它測量點(diǎn)的重復(fù)精度較高，這也從另一個(gè)角度說明FWD 的測量精度較高。剔除奇異點(diǎn)的誤差標(biāo)準(zhǔn)怎么定，目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮各種因素， 特別是貝克曼梁測量的分辨率本文推薦三個(gè)指標(biāo)綜合考慮：一是小于貝克曼梁的分辨率10um；二是小于FWD 測量彎沉值的5%～10%(因FWD 自身的精度為2%，還應(yīng)考慮被測對象的不穩(wěn)定性)。 具體誤差標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)視具體被測對象(路基、路面等)而定。 三是推薦剔除奇異值后FWD 兩遍測量值的相關(guān)系數(shù)應(yīng)大于0.95。 三個(gè)指標(biāo)中，第三個(gè)指標(biāo)應(yīng)該是主要控制指標(biāo)。

表3 是貝克曼梁對8 個(gè)測量點(diǎn)重復(fù)測量兩遍的數(shù)據(jù)，它的重復(fù)誤差是較大的，基本上比FWD 大十幾倍。貝克曼梁測量精度低， 重復(fù)性差導(dǎo)致自身兩遍測量數(shù)據(jù)相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)僅為0.446，剔除奇異值后相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.802。此次數(shù)據(jù)樣本較少，如數(shù)據(jù)量較大，可剔除奇異值的余地就較大， 這樣可進(jìn)一步保證參與計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)的測量數(shù)據(jù)精度，提高轉(zhuǎn)換系數(shù)的精度。換算系數(shù)的剔除奇異值的原則應(yīng)該二條： 一是表2 中FWD 的原則；二是貝克曼梁測量兩遍的相關(guān)性適當(dāng)提高， 本文推薦相關(guān)系數(shù)應(yīng)大于0.85，越大越好。 原始數(shù)據(jù)數(shù)量應(yīng)適當(dāng)加大，以便有挑選的余地。以上兩個(gè)原則應(yīng)同時(shí)采用，即首先用FWD 剔除原則，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，將篩選后保留下來的原始數(shù)據(jù)再用貝克曼梁剔除原則進(jìn)一步篩選。

表3 BB 測量的彎沉

表4 FWD 與BB 的相關(guān)系數(shù)

表4 匯總了各種數(shù)據(jù)處理后的FWD 與BB 的相關(guān)系數(shù)，相同的數(shù)據(jù)若不進(jìn)行處理，其相關(guān)系數(shù)僅0.4，稍加處理，相關(guān)系數(shù)提高到0.8；最后將剔除后的兩遍數(shù)據(jù)取平均值，用FWD 與BB 的平均值再進(jìn)行相關(guān)處理，得到的相關(guān)系數(shù)為0.83。

5 結(jié)語

⑴不論是進(jìn)口設(shè)備還是國產(chǎn)FWD， 都要滿足2%的測量精度，這是數(shù)據(jù)分析相關(guān)性轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。

⑵若不對原始數(shù)據(jù)比對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，F(xiàn)WD 與BB 的相關(guān)性不好，相關(guān)系數(shù)不高，很難達(dá)到0.95 以上，主要原因是貝克曼梁的數(shù)據(jù)誤差偏大。

⑶若要提高FWD 與BB 的相關(guān)系數(shù)，必須對同一路面的測量點(diǎn)進(jìn)行第二遍相同測點(diǎn)的測量， 其目的是充分利用FWD 精度高的優(yōu)點(diǎn)，為修正BB 的數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

⑷分別用FWD 和BB 的剔除奇異值的原則對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其最終原則是：增加FWD 與BB 的相關(guān)系數(shù)。

⑸將剔除后剩余的FWD 與BB 的兩遍原始數(shù)據(jù)分別取平均值， 用平均值再進(jìn)行相關(guān)性分。 可大大提高FWD 與BB 的相關(guān)系數(shù)。