路基動(dòng)態(tài)模量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)對(duì)比分析

王一舟

摘要：針對(duì)目前路基動(dòng)態(tài)模量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)狀，文章對(duì)FWD測(cè)試法、DCP測(cè)試法、PFWD測(cè)試法三種現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)方法的工作原理、測(cè)試范圍和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行全面分析，供相關(guān)檢測(cè)人員參考。

關(guān)鍵詞：路基工程;動(dòng)態(tài)模量;FWD測(cè)試法;DCP測(cè)試法;PFWD測(cè)試法

中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.006

文章編號(hào)：1673-4874（2019）07-0017-03

0引言

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30-2015）和《公路瀝青設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50—2017）等規(guī)范實(shí)施后，對(duì)路基設(shè)計(jì)模量的要求由原來(lái)的靜態(tài)模量轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)模量。路基動(dòng)態(tài)模量主要通過(guò)兩種方法獲得：（1）室內(nèi)試驗(yàn);（2）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)尤其是快速檢測(cè)主要有落錘式彎沉儀法（簡(jiǎn)稱FWD測(cè)試法）、動(dòng)力錐貫入儀法（簡(jiǎn)稱DCP測(cè)試法）和便攜式落錘彎沉儀法（簡(jiǎn)稱PFWD測(cè)試法）。本文針對(duì)上述三種檢測(cè)方法的工作原理、測(cè)試范圍和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，供相關(guān)檢測(cè)人員參考。

1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)對(duì)比分析

1.1FWD測(cè)試法

20世紀(jì)80年代末，國(guó)內(nèi)開(kāi)始引進(jìn)落錘式彎沉儀（簡(jiǎn)稱FWD）。隨著不斷的實(shí)踐應(yīng)用，F(xiàn)WD的價(jià)值已經(jīng)被廣泛認(rèn)可，同時(shí)也普遍應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域當(dāng)中。FWD的檢測(cè)技術(shù)不只是局限于水泥混凝土路面或者是瀝青路的檢測(cè)工作，同時(shí)還應(yīng)用在路基彎沉方面的檢測(cè)活動(dòng)中。FWD的檢測(cè)技術(shù)十分優(yōu)良，在進(jìn)行新道路建設(shè)的時(shí)候，通過(guò)該技術(shù)能夠?qū)β坊氖┕べ|(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可以及時(shí)聯(lián)系人員解決，同時(shí)利用FWD作為依據(jù)，還可以提升路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的速度和效果。

利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行液壓系統(tǒng)的控制質(zhì)量的提升和釋放重錘自由落地，可以對(duì)路基或者路面造成一定的荷載，當(dāng)脈沖荷載通過(guò)一剛性圓盤，可以表現(xiàn)在相應(yīng)面上，這就是FWD的運(yùn)行原理。因?yàn)樵趫A盤底部會(huì)設(shè)置橡膠墊塊，所以路基或路面的荷載會(huì)無(wú)限接近均布荷載，這種釋放出的荷載值可以被儀器精準(zhǔn)地測(cè)定到。調(diào)節(jié)荷載可以借助落錘的質(zhì)量和高低數(shù)據(jù)來(lái)完成。由于強(qiáng)烈的瞬間沖擊，受荷載作用的路面或路基會(huì)發(fā)生變形，由此產(chǎn)生的變化會(huì)由傳感器測(cè)量到。FWD的測(cè)試原理如圖1所示。

因?yàn)镕WD有著巨大的測(cè)試優(yōu)勢(shì)，所以被廣泛應(yīng)用于新道路建設(shè)等基建環(huán)節(jié)上：（1）測(cè)試方式簡(jiǎn)單，無(wú)須各種繁復(fù)儀器到場(chǎng)，適用于填料路基以及各式的路面結(jié)構(gòu);（2）可以了解到路基填充和壓實(shí)情況，完全符合對(duì)道路建設(shè)進(jìn)行檢測(cè)的需求;（3）通過(guò)載荷檢測(cè)，會(huì)讓路基面發(fā)生形變，可以更好地了解到新建道路的承載能力。目前FWD彎沉盆檢測(cè)法被普遍用在高等級(jí)公路工程檢測(cè)活動(dòng)中，其檢測(cè)數(shù)據(jù)為路面工程竣工提高了速度。不過(guò)，從大方向上解析的話，F(xiàn)WD測(cè)試還是存在一定的缺點(diǎn)和不足的：

（1）FWD設(shè)備購(gòu)買和租借使用的費(fèi)用高昂，普通的工程隊(duì)伍難以承受。

（2）測(cè)試的荷載比較大。在實(shí)際路基工作時(shí)，其車輪的載荷力并不是很大，但是FWD的荷載數(shù)值是偏高一些的，取值為50kN。由于路基變形的非線性因素，如果使用這個(gè)數(shù)值的沖擊荷載進(jìn)行檢測(cè)的話，測(cè)到的數(shù)據(jù)不一定會(huì)符合需要，所以應(yīng)該探索一些適合荷載大小的測(cè)試技術(shù)。

（3）造成的塑性變形的影響。采用FWD進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)出的彎沉是中變形，其中涉及到了彈性變形和一定的塑性變形。因?yàn)镕WD的沖擊荷載情況非常短暫，通常在10～30s之間，因此面對(duì)剛度比較大的路面結(jié)構(gòu)，即使采用了FWD技術(shù)進(jìn)行荷載檢測(cè)，但是由于來(lái)不及作用，路面結(jié)構(gòu)并不產(chǎn)生明顯的塑性變形，實(shí)際測(cè)到的位置通常不會(huì)留下FWD承載板的印記。而對(duì)于剛度不高的土路基，F(xiàn)WD的檢測(cè)就能夠更到位一些。

（4）對(duì)動(dòng)載情況的探討?，F(xiàn)階段，關(guān)于FWD彎沉盆反算的力學(xué)分析模式通常使用的是靜力分析模型，同時(shí)均使用峰值作為荷載和位移。換句話說(shuō)，進(jìn)行測(cè)試時(shí)，并沒(méi)有完全考慮到FWD的動(dòng)載作用。

（5）進(jìn)行反算的可靠性。作為基于最小二乘法基礎(chǔ)的優(yōu)化方式，反算模型的適用度很高。不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)于實(shí)測(cè)和理論彎沉間的目標(biāo)函數(shù)的取舍，其反算結(jié)果都存在一定的不同。當(dāng)優(yōu)化計(jì)算方式時(shí)，對(duì)模量反算的精確程度也會(huì)造成一些影響，尤其是針對(duì)路面的彎沉盆反算時(shí)，這個(gè)過(guò)程就變得更加復(fù)雜。

因此解決上述問(wèn)題，并建立FWD動(dòng)彎沉與貝克曼梁靜彎沉和現(xiàn)場(chǎng)承載板回彈模量等之間的關(guān)系，對(duì)FWD測(cè)試結(jié)果的應(yīng)用具有重要意義。

1.2DCP測(cè)試法

動(dòng)力錐貫入儀（DCP），是由上桿和下桿構(gòu)成的。手柄與8kg的落錘組成了上桿，同時(shí)經(jīng)由鐵砧和下桿進(jìn)行連接，而下桿則是由鋼化貫入錐頭以及桿尺構(gòu)成，見(jiàn)圖2。跟之前的錐貫測(cè)試有著一定的區(qū)別，DCP是不會(huì)把錐頭以常規(guī)速率壓到土里面的，需要借助落錘施加一定的荷載，才能到相應(yīng)位置，通過(guò)計(jì)算動(dòng)力貫入得出結(jié)果。這種測(cè)試方法非常經(jīng)濟(jì)快捷，適用度良好。此外，DCP還可用于結(jié)構(gòu)層壓實(shí)度檢測(cè)。

隨著對(duì)DCP研究的深入，有的科研人員試圖將DCP的試驗(yàn)結(jié)果與CBR試驗(yàn)結(jié)果建立相應(yīng)的回歸關(guān)系;也有科研人員將DCP的試驗(yàn)結(jié)果和回彈模量建立回歸關(guān)系。目前，美國(guó)與DCP有關(guān)的規(guī)范主要有ASTMD6951和AASHT093規(guī)范。我國(guó)與DCP有關(guān)的規(guī)范為《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTGE60-2008）。該規(guī)范首次引入DCP測(cè)試的規(guī)范，但試驗(yàn)規(guī)程中僅簡(jiǎn)略地介紹了試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)步驟、計(jì)算等相關(guān)試驗(yàn)情況，沒(méi)有提供關(guān)系式，只是在條文中規(guī)定須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)CBR試驗(yàn)建立與DPI的關(guān)系式。因現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展CBR試驗(yàn)條件有限，要形成適合我國(guó)典型土質(zhì)的回歸關(guān)系式，還需進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)積累與相關(guān)研究。鑒于當(dāng)前我國(guó)針對(duì)DCP開(kāi)展的研究相對(duì)較少，在實(shí)體工程試驗(yàn)受限時(shí)，可直接應(yīng)用較為成熟的AASHTO關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算。

總之，DCP測(cè)試因簡(jiǎn)單、可靠、快捷、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)外路基土和基層材料現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。其中美國(guó)、英國(guó)、南非是應(yīng)用DCP較多的國(guó)家，也是技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)較為豐富的國(guó)家。我國(guó)DCP測(cè)試水平距國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距，總體上還處于初期應(yīng)用階段，只有在少數(shù)幾條高速公路上得到應(yīng)用，離大面積推廣和應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段距離。

1.3PFWD測(cè)試法

便攜式落錘彎沉儀英文名為PFWD，或稱手持式落錘彎沉儀（HFWD：Handhold Falling Weight De-flectometer），或稱微型落錘式彎沉儀（MFWD），屬于動(dòng)力檢測(cè)的新式儀器，這種技術(shù)是比FWD技術(shù)更新的路基與地基承載檢測(cè)方式。

PFWD測(cè)試是經(jīng)由數(shù)據(jù)采集程式、加載系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)方面構(gòu)成的。數(shù)據(jù)采集程式是由傳感器和位移傳感器以及采集裝置構(gòu)成;而加載系統(tǒng)則由滑桿、鎖定桿和橡膠塊等構(gòu)成;數(shù)據(jù)傳輸需要利用到有線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和電腦等配置。

這種測(cè)試方式的運(yùn)作原理是把一個(gè)10kg的落錘提升到相應(yīng)高度之后，再進(jìn)行自由落體，當(dāng)落錘跟承載板產(chǎn)生作用，出現(xiàn)沖擊荷載之后，在這股力的作用下，承載板會(huì)產(chǎn)生豎向位移，而傳感器就將收集到的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，按照壓力和位移的峰值得到相應(yīng)的結(jié)果。

與其他現(xiàn)場(chǎng)模量測(cè)試方法相比，PFWD測(cè)試法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）PFWD具有輕便快速的特點(diǎn)

通過(guò)一定的試驗(yàn)和分析后，得出PFWD室內(nèi)測(cè)試和承載板以及CBR檢測(cè)所用到的比率。同時(shí)也得到了其它相關(guān)檢測(cè)所需的對(duì)比數(shù)值，詳細(xì)情況可以通過(guò)表1查看。

從表1可以看出，PFWD檢測(cè)路基回彈模量在所需時(shí)間上要比承載板測(cè)試的方法和CBR的測(cè)試方法更好一些;同時(shí)也要比FWD法和貝克曼梁法要更加迅速。因?yàn)槭褂肞FWD可以直接得到路基回彈模量，而使用FWD要經(jīng)過(guò)反算才能夠獲得答案。同時(shí)，除PFWD外，其它的檢測(cè)方法要通過(guò)多人的參與才能夠完成，并且在檢測(cè)時(shí)需要較高的配合度才能檢測(cè)到精確的答案，所需要花費(fèi)的時(shí)間要更多。因此PFWD測(cè)試法更受青睞一些。

（2）PFWD測(cè)試技術(shù)擴(kuò)展了檢測(cè)范圍

盡管PFWD儀器十分輕巧，造型不大，但是其能夠更輕松地達(dá)到其它儀器難以檢測(cè)到的范圍。例如現(xiàn)場(chǎng)承載板法和貝克曼梁法都需要通過(guò)加載車提供載荷，需要足夠的場(chǎng)地才能夠完成測(cè)試，最少用到10m×3m的場(chǎng)地，且貝克曼梁測(cè)試的彎沉受貝克曼梁支點(diǎn)影響。FWD現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要一輛牽引車牽引并提供動(dòng)力，F(xiàn)WD由牽引拖行，到實(shí)際檢測(cè)地點(diǎn)也是需要足夠的空間的。但是如果使用PFWD，則能夠?qū)θ我鈭?chǎng)地進(jìn)行檢測(cè)，只要檢測(cè)人員到位即可;檢測(cè)點(diǎn)也不需要十分寬闊，能容納PFWD承載板就可以了，同時(shí)其還包括各種構(gòu)造物的臺(tái)背與路肩等特殊填土場(chǎng)地。因此，PFWD降低了對(duì)檢測(cè)場(chǎng)地的要求，大大擴(kuò)展了檢測(cè)范圍。

2結(jié)語(yǔ)

（1）FWD的測(cè)試方法適用在很多方面，測(cè)試方法快捷，對(duì)于各種路面結(jié)構(gòu)以及物料填充情況，都能夠很好地應(yīng)用。但在選取合理測(cè)試荷載大小、塑性變形的影響分析、動(dòng)載作用分析、反算的可靠性分析等方面的問(wèn)題需要解決。

（2）DCP測(cè)試具有簡(jiǎn)單、可靠、快捷、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外路基土和基層材料現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，在我國(guó)總體上還處于初期應(yīng)用階段。

（3）PFWD測(cè)試具有輕便快速的特點(diǎn)，且造型輕巧、使用便利，具有其它測(cè)試儀器所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。