車載落錘式彎沉儀在公路檢測中的應(yīng)用研究

付彩霞

(河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

目前，我國公路建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，截至2019年，全國公路總里程已達(dá)484.65 萬km、高速公路達(dá)14.26 萬km，居世界第一。然而，在公路建設(shè)里程不斷增加的同時(shí)，受行車荷載、自然環(huán)境等多種因素限制，大量路面出現(xiàn)了不同程度的早期病害，如裂縫、坑槽、車轍等，嚴(yán)重影響了路面結(jié)構(gòu)使用性能，導(dǎo)致路面過早進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)期。為準(zhǔn)確了解路面使用情況，路面強(qiáng)度檢測成為了關(guān)鍵。無損檢測是一種不破壞路面結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)，已成為路面結(jié)構(gòu)性能檢測的重要手段。彎沉檢測是路面養(yǎng)護(hù)當(dāng)中最重要的一項(xiàng)指標(biāo)，其目的是為了檢測路面強(qiáng)度，了解道路使用性能，為后期養(yǎng)護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，從而保證行車舒適性和安全。FWD是一種測速快、精度高，可模擬行車荷載動力作用的先進(jìn)檢測儀器，將其用于路面強(qiáng)度檢測，可獲取客觀的檢測數(shù)據(jù)，保證路面強(qiáng)度評價(jià)的真實(shí)性。

1 FWD的測試原理

落錘式彎沉儀是指通過計(jì)算機(jī)控制液壓系統(tǒng)，將其重錘提升至一定高度并自由下落，對路面施加脈沖荷載，此荷載脈沖可模擬行駛過程中車輪荷載的影響作用。由FWD測試原理可見，在一定范圍內(nèi)可通過改變重錘提升高度的方式來實(shí)現(xiàn)調(diào)整荷載大小的目的。利用重載荷載傳感器能夠測定出施加荷載的大小，由承載板(Ф300 mm)向路面?zhèn)鬟f，產(chǎn)生路面變形，通過若干個(gè)傳感器測定變形情況，并利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集，換算獲取所有測點(diǎn)的彎沉值，此外，還應(yīng)繪制“彎沉盆圖”，最終對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)。

相比其他檢測儀器，落錘式彎沉儀的特點(diǎn)為精度高、測速快、可模擬行車荷載動力作用。同時(shí)，還能準(zhǔn)確測定出多點(diǎn)彎沉，能夠精確地將各級荷載作用下的路表面動態(tài)彎沉曲線測量出來，真實(shí)、客觀地反映彎沉盆的情況。

作為一種高效的無損檢測設(shè)備，落錘式彎沉儀是較為理想的一種檢測儀器，可以消除梁式彎沉儀存在的不足，由于其自身重量小，還能克服穩(wěn)態(tài)動力彎沉儀存在的靜力預(yù)載問題。在公路檢測中，F(xiàn)WD的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下2點(diǎn)。

1)按照彎沉盆進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)各層模量反算，研究使用過程中路面材料的性能變化，提供技術(shù)參數(shù)。

2)在路面強(qiáng)度測定和評價(jià)中，可將FWD的彎沉盆看作是一項(xiàng)重要指標(biāo)，為公路后期養(yǎng)護(hù)維修提供數(shù)據(jù)支持。

2 彎沉盆的幾何特性

FWD實(shí)測彎沉盆曲線內(nèi)涵蓋了大量路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在現(xiàn)階段FWD研究當(dāng)中，F(xiàn)WD彎沉盆參數(shù)可直接用于路面結(jié)構(gòu)狀況評價(jià)。然而，彎沉盆參數(shù)在建立中，將會遇到彎沉盆曲線擬合模型情況，模型是否合理，勢必會對評價(jià)效果造成影響。為此，必須重視擬合模型。

彎沉盆曲線基本等同于一個(gè)凹曲線，距離越遠(yuǎn)，彎沉值越小，據(jù)國內(nèi)外大量研究分析，認(rèn)為效果最好的為二次分式曲線擬合效果，即二次分式曲線y=a/(1+bx2)。

除彎沉盆曲線擬合外，還可以通過其他彎沉盆幾何尺寸指標(biāo)，如面積指數(shù)(RAi)、形狀系數(shù)(Fi)、表面曲率指數(shù)(SCI)、彎沉比(Qi)、曲度指數(shù)(Ci)、傾斜指數(shù)(Si)、倒數(shù)(Ii)等，從各個(gè)角度反映彎沉盆的不同特性，并用于統(tǒng)計(jì)分析路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的幾何性質(zhì)，用于路面強(qiáng)度評價(jià)。

3 FWD檢測實(shí)例分析

為了驗(yàn)證FWD在公路路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度中的檢測效果，本文采用落錘式彎沉儀進(jìn)行檢測，按照現(xiàn)行檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)，以每公里對測試路段的平均彎沉、標(biāo)準(zhǔn)差、代表彎沉進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，下式為代表彎沉計(jì)算的公式：

評定路段代表彎沉可由L表示。

評定路段內(nèi)全部測點(diǎn)彎沉的標(biāo)準(zhǔn)差可由S表示。

與保證率相關(guān)的系數(shù)由Za表示。

不同等級公路，則系數(shù)Za存有一定差異，具體如表1所示。

表1 不同等級公路的系數(shù)Za值

選取其中一個(gè)路段，起訖樁號為K10+000-K20+000，根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)按公里分段對FWD測試的中央彎沉(D1)進(jìn)行分析。本工程左右幅車道FWD彎沉測試結(jié)果如表1、表2所示。

表2 公路左幅車道FWD彎沉測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)值

由表2可知，公路左幅車道FWD彎沉測試結(jié)果中，按每公里測點(diǎn)數(shù)均為20個(gè)，K10+000-K20+000段平均值為65.4～189.3 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為22.6～121.7 μm；最大值為152.0～618.0 μm；最小值為42.0～92.0 μm；代表值為118.1～502.8 μm。其中K17+000-K18+000路段代表彎沉值在500 μm，說明本路面強(qiáng)度較低。

由表3可知，公路右幅車道FWD彎沉測試結(jié)果中，按每公里測點(diǎn)數(shù)均為20個(gè)，K10+000-K20+000段平均值為79.5～169.9 μm，標(biāo)準(zhǔn)差25.9～83.4 μm；最大值為158.0～441.0 μm；最小值為48.0～105.0 μm；代表值為131.3～366.5 μm。

表3 公路右幅車道FWD彎沉測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)值

由此可知，本路段彎沉變化較大，65.4～189.3 μm為彎沉平均值變化，其中136.4 μm為左幅車道彎沉平均值，126.66 μm為右幅車道彎沉平均值，明顯可見，本路段左幅強(qiáng)度較低。

4 結(jié)語

當(dāng)前，我國公路建設(shè)事業(yè)已步入“建養(yǎng)并重”的階段，很多路面面臨著大中修施工。在路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和路用性能評價(jià)中，通過FWD可精確判斷路面實(shí)際情況，了解路面服務(wù)水平，衡量路網(wǎng)的整體質(zhì)量。為此，必須全面了解FWD的測試原理，掌握彎沉盆幾何特性，結(jié)合具體工程案例，通過檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，客觀分析路面強(qiáng)度狀況，為公路養(yǎng)護(hù)維修提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。