落錘式彎沉儀在公路檢測(cè)中的應(yīng)用研究

張燕

摘 要： 在公路工程中，檢測(cè)是不可缺的重要工作之一.如果公路結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害問(wèn)題，輕則會(huì)影響行車舒適性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起交通安全事故。為此，應(yīng)當(dāng)定期對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查，借助無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，了解路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，給病害問(wèn)題的處理提供依據(jù)。借此，下面依托車載落錘式彎沉儀（FWD），展開其在公路工程檢測(cè)中的運(yùn)用探究。

關(guān)鍵詞： 落錘式彎沉儀;公路檢測(cè);無(wú)損檢測(cè)

【中圖分類號(hào)】U412 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.30.157

引言：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(guò)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(cè)成為檢測(cè)工作的關(guān)鍵。無(wú)損檢測(cè)是一種不破壞路面結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù)，已成為路面結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)的重要手段。彎沉檢測(cè)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(cè)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。

1 FWD應(yīng)用原理

落錘式彎沉儀是指通過(guò)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(duì)路面施加脈沖荷載，此荷載脈沖可模擬行駛過(guò)程中車輪荷載的影響作用。由FWD測(cè)試原理可見，在一定范圍內(nèi)可通過(guò)改變重錘提升高度的方式來(lái)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(cè)定出施加荷載的大小，由承載板（Ф300mm）向路面?zhèn)鬟f，產(chǎn)生路面變形，通過(guò)若干個(gè)傳感器測(cè)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(cè)點(diǎn)的彎沉值，此外，還應(yīng)繪制“彎沉盆圖”，最終對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。相比其他檢測(cè)儀器，落錘式彎沉儀的特點(diǎn)為精度高、測(cè)速快、可模擬行車荷載動(dòng)力作用。同時(shí)，還能準(zhǔn)確測(cè)定出多點(diǎn)彎沉，能夠精確地將各級(jí)荷載作用下的路表面動(dòng)態(tài)彎沉曲線測(cè)量出來(lái)，真實(shí)、客觀地反映彎沉盆的情況。作為一種高效的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，落錘式彎沉儀是較為理想的一種檢測(cè)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(dòng)力彎沉儀存在的靜力預(yù)載問(wèn)題。在公路檢測(cè)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(guò)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(cè)定和評(píng)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 彎沉盆的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及幾何特性

2.1 優(yōu)勢(shì)

在道路工程中檢測(cè)撓度值的過(guò)程中，落錘撓度計(jì)是一種相對(duì)先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備。與傳統(tǒng)的撓度檢測(cè)設(shè)備相比，檢測(cè)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）檢測(cè)效率高，速度快。下降的重量偏轉(zhuǎn)器涉及以下過(guò)程：放置板，降低重量，抬起錘子和抬起板。檢測(cè)時(shí)間通常為40秒左右，現(xiàn)有的檢測(cè)時(shí)間為3分鐘左右，因此大大提高了該方法的檢測(cè)效率[1]。（2）檢測(cè)精度高。在跌落過(guò)程中偏轉(zhuǎn)設(shè)備的檢測(cè)過(guò)程中，負(fù)載生成器的波形標(biāo)準(zhǔn)受諸如傳感器，儀表等因素的影響。由于在跌落過(guò)程中偏轉(zhuǎn)裝置的傳感器和儀表的高精度，因此該方法用于檢測(cè)。該過(guò)程的波形標(biāo)準(zhǔn)也比較高，因此可以有效地提高檢測(cè)精度。（3）負(fù)載控制精度高。落錘式彎沉儀中使用的目標(biāo)載荷精度高，有效提高了載荷控制標(biāo)準(zhǔn)。（4）較少受到外界因素的干擾。在檢測(cè)過(guò)程中，落錘偏轉(zhuǎn)設(shè)備受人為因素和環(huán)境因素的干擾較小，屬于自動(dòng)檢測(cè)裝置。貝克曼梁手段在傳感過(guò)程中則受到了人、風(fēng)和其它環(huán)境因素的嚴(yán)重影響。（5）數(shù)據(jù)的重復(fù)性和再現(xiàn)性高。該特征使得在檢測(cè)過(guò)程中下落的物體偏轉(zhuǎn)設(shè)備的檢測(cè)誤差相對(duì)較小。

2.2 幾何特性

FWD實(shí)測(cè)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(píng)價(jià)[2]。然而，彎沉盆參數(shù)在建立中，將會(huì)遇到彎沉盆曲線擬合模型情況，模型是否合理，勢(shì)必會(huì)對(duì)評(píng)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(guó)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(guò)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(píng)價(jià)。

3 落錘式彎沉儀在公路檢測(cè)中的作業(yè)程序

3.1 前期準(zhǔn)備

準(zhǔn)備工作是后期落錘式彎沉儀順利進(jìn)行的關(guān)鍵，主要包括兩個(gè)方面。（1）用落錘式彎沉儀檢查拖車。在此過(guò)程中，相關(guān)人員必須將下降的重量放在運(yùn)輸鎖的最高點(diǎn)。檢查中央位移傳感器裝置的測(cè)試桿與壓板底部之間的距離，并檢查測(cè)試桿距地面的距離是否超過(guò)1-2 cm。檢查彈簧和傳感器。設(shè)備的特定位置可確保彈簧在感應(yīng)過(guò)程中對(duì)彈力有良好的控制。確保下降重量偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的加載板的升降平穩(wěn)。在確認(rèn)這些檢查項(xiàng)目能夠滿足落重偏轉(zhuǎn)裝置的實(shí)際要求之后，有必要科學(xué)地調(diào)整落落物體的高度和重量，以確保測(cè)試過(guò)程中沖擊載荷的科學(xué)性[3]。（2）測(cè)試和測(cè)試準(zhǔn)備。調(diào)整落錘偏轉(zhuǎn)儀的高度和質(zhì)量后，需要在到達(dá)測(cè)試地點(diǎn)之前測(cè)試輪胎壓力，以確保電池酸液位保持在正常檢測(cè)水平并且壓板旋轉(zhuǎn)良好。

3.2 測(cè)試步驟

落錘式彎沉儀的測(cè)試過(guò)程主要包括三個(gè)步驟：（1）安裝并放置負(fù)載支撐板和傳感器。在放置軸承板的過(guò)程中，必須使軸承板的中心點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)保持一致，以使其可以自由落下，并且在此過(guò)程中，還必須放置傳感器設(shè)備。（2）啟動(dòng)落錘裝置。在啟動(dòng)設(shè)備之前，相關(guān)人員必須根據(jù)下落高度的特定要求逐漸增加重量。激活落錘裝置后，跌落附加功能逐漸顯示為自由落體狀態(tài)。在這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，沉重的錘子會(huì)在軸承板上產(chǎn)生一定的沖擊載荷，并且沉重的錘子會(huì)在掉落之前逐漸提升到位。重錘將重錘返回其原始位置，并且經(jīng)歷了三次自由落體運(yùn)動(dòng)后，重錘的工作狀態(tài)逐漸穩(wěn)定，此時(shí)相關(guān)人員必須立即固定重錘[4]。（3）記錄檢測(cè)值。由于重錘將恒定的沖擊載荷施加到軸承板上，因此傳感器可以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，例如當(dāng)重錘移動(dòng)時(shí)在沖擊的影響下結(jié)構(gòu)層的表面變形。最終，所獲取的傳感數(shù)據(jù)以位移數(shù)據(jù)信號(hào)的形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且路面撓度是這些數(shù)據(jù)的峰值。每次測(cè)量應(yīng)進(jìn)行3次。最終檢測(cè)數(shù)據(jù)是第三次檢測(cè)結(jié)果或第一次清除。測(cè)試數(shù)據(jù)后，我們?nèi)纱螠y(cè)試的平均值。完成一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的檢測(cè)后，需要提起負(fù)載支撐板和傳感器，并將下降的重量撓度計(jì)移動(dòng)到另一個(gè)測(cè)量點(diǎn)以進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 數(shù)據(jù)分析和評(píng)估

落錘偏轉(zhuǎn)設(shè)備的檢測(cè)包括相對(duì)多的點(diǎn)檢測(cè)，以便相關(guān)人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析和評(píng)估結(jié)果分析路面曲率，并在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)路面偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估。沉指標(biāo)是綜合衡量的，為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，可以對(duì)貝克曼梁和落錘式彎沉儀的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行全面比較[5]。這意味著貝克曼梁偏轉(zhuǎn)測(cè)試儀可用于測(cè)量車輛后輪的雙軸載荷。它與下降量偏轉(zhuǎn)計(jì)的重量的沖擊力保持相同。如果載荷參數(shù)一致，則校正先前的液滴偏轉(zhuǎn)儀的測(cè)量區(qū)域，然后使用貝克曼梁法測(cè)量同一點(diǎn)以確定檢測(cè)誤差，并將檢測(cè)誤差控制在合理范圍內(nèi)。

4 落錘式彎沉儀在公路檢測(cè)中的應(yīng)用

4.1 瀝青混凝土路面的應(yīng)用

4.1.1 測(cè)點(diǎn)布置

在檢測(cè)瀝青混凝土路面的撓度值的過(guò)程中，必須首先對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的布置。測(cè)量點(diǎn)的放置應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況而定，通常放置在道路車道的車輪履帶上。檢測(cè)過(guò)程使用傳感器來(lái)查找和獲取道路偏轉(zhuǎn)指標(biāo)。

4.1.2 測(cè)試工作

調(diào)試期間，必須根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況實(shí)時(shí)調(diào)整下落重量偏斜規(guī)軸承板的位置，以使其位置與測(cè)試點(diǎn)匹配。當(dāng)支撐板的位置與測(cè)試點(diǎn)對(duì)齊時(shí)，降低傳感器并啟動(dòng)下落裝置，以實(shí)現(xiàn)下落重物的自由下落運(yùn)動(dòng)[6]。如果在落錘移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生沖擊力，請(qǐng)?zhí)鸩⒄{(diào)整落錘。落錘移動(dòng)時(shí)，傳感器可以實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)層的位移和變形，然后獲取路面的動(dòng)態(tài)撓度盆地。

4.1.3 結(jié)果比較

在使用落錘式彎沉儀檢測(cè)變形值的過(guò)程中，有必要提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要與貝克曼梁測(cè)試進(jìn)行同步比較。在比較過(guò)程中，有必要保持后橋雙輪載荷和沖擊載荷的一致性，只有在證明載荷相同的情況下，試驗(yàn)結(jié)果才會(huì)更加相似。

4.2 水泥混凝土路面的應(yīng)用

落錘式彎沉儀還可用于測(cè)試水泥混凝土路面的板底脫空，為水泥混凝土路面的養(yǎng)護(hù)處置提供依據(jù)。水泥混凝土路面板底脫空存在嚴(yán)重影響其使用性能和疲勞壽命，也是瀝青層加鋪前舊水泥混凝土路面處治中最難處治的一類病害，為做好路面的脫空處治需完成路面水泥板脫空的測(cè)試和判別。公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范要求利用落錘式彎沉儀進(jìn)行多級(jí)加載測(cè)試脫空，彎沉測(cè)試期間的溫度狀況，對(duì)于脫空測(cè)試來(lái)說(shuō)尤為重要。試驗(yàn)證明，當(dāng)板塊表面溫度高于板底溫度時(shí)，板中會(huì)出現(xiàn)凸起，板角下?lián)希褰窍聯(lián)现泻土税褰敲摽?，彎沉值隨著溫差的增大而變小，從而影響脫空的判定;當(dāng)板塊表面溫度明顯低于板底溫度時(shí)，板塊會(huì)發(fā)生翹曲，即使沒有任何地基問(wèn)題，大量的脫空還是會(huì)在板角處出現(xiàn)，從而增加了脫空的誤判。因此，進(jìn)行脫空測(cè)試時(shí)，要選擇合適的天氣很重要。本試驗(yàn)可采用截距值判斷板底脫空時(shí)，應(yīng)測(cè)試板角彎沉，并對(duì)同一測(cè)點(diǎn)施加3級(jí)荷載進(jìn)行測(cè)試;采用彎沉比值判定板底脫空時(shí)，應(yīng)采用同一恒定荷載對(duì)板角、板中和板邊進(jìn)行彎沉測(cè)試。

4.3 路基方面的應(yīng)用

市政工程在市區(qū)內(nèi)作業(yè)，影響因素很多，有時(shí)需要分塊分段施工，對(duì)道路的整體性帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)，漏壓欠壓拌和不均勻等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，怎樣控制其質(zhì)量呢？FWD就起到了質(zhì)量衛(wèi)士的作用。對(duì)已完工的路段做彎沉檢測(cè)，在某地方彎沉值突然變大有可能就是欠壓漏壓的地方;彎沉值波動(dòng)比較大或時(shí)大時(shí)小，有可能是拌合不均勻或布料不均勻或有夾層引起的（夾層是道路最大的隱患）;彎沉值整個(gè)施工路段都很大，有可能是偷工減料或養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成的。影響道路質(zhì)量的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，怎樣逐一排除呢，部分企業(yè)在這方面遵循著一個(gè)原則是：無(wú)機(jī)結(jié)合料的含量滴定合格后再碾壓，壓實(shí)度檢測(cè)合格后再做彎沉，彎沉不合格處必返工。“彎沉不合格處必返工”很有震懾力的，能潛意識(shí)地激發(fā)工作人員的積極性、責(zé)任心。這幾年道路質(zhì)量明顯提高，F(xiàn)WD起到了關(guān)鍵作用。

5 落錘式撓度計(jì)的應(yīng)用前景

落錘偏轉(zhuǎn)儀可以很好地模擬實(shí)際行駛在路面上的效果，因此可以獲得真實(shí)的道路承載能力，并且可以在項(xiàng)目建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)和維護(hù)中發(fā)揮重要作用。

5.1 路面施工質(zhì)量檢查

道路施工完工后，應(yīng)檢查施工質(zhì)量，以確保施工符合設(shè)計(jì)要求和操作要求。可以對(duì)每一層鋪裝道路的施工質(zhì)量進(jìn)行檢查和評(píng)估，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量低下的隱患，可以快速，準(zhǔn)確地識(shí)別路面強(qiáng)度，并可以有效地管理施工質(zhì)量。

5.2 養(yǎng)護(hù)檢查

在道路運(yùn)維過(guò)程中，定期對(duì)路網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查和結(jié)構(gòu)性能分析，積累養(yǎng)護(hù)管理數(shù)據(jù)，科學(xué)制定養(yǎng)護(hù)技術(shù)計(jì)劃，并投入各種養(yǎng)護(hù)資金。并合理分配資金。有效地應(yīng)用它并充分利用正確的效果。

5.3 路面改造檢測(cè)

最初在中國(guó)建造的許多道路和鋪裝道路已經(jīng)運(yùn)營(yíng)了很多年，其中大多數(shù)患有嚴(yán)重的病害。這些病害無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的維修來(lái)解決，但必須完全重建和翻新[8]。落錘撓度測(cè)試儀可讓準(zhǔn)確測(cè)試路面強(qiáng)度并確定剩余承載力，因此可以根據(jù)道路運(yùn)輸要求確定合理的道路重建計(jì)劃并優(yōu)化人行道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減少工程成本并保證最佳道路性能。

5.4 基于動(dòng)力的道路路面研究

當(dāng)前的道路路面設(shè)計(jì)方法仍然采用靜態(tài)設(shè)計(jì)概念，沒有考慮運(yùn)行載荷對(duì)具有明顯缺陷的道路路面的動(dòng)態(tài)影響。落錘式撓度儀直接模擬了行駛的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)效果，與實(shí)際效果更加吻合，可以考慮動(dòng)態(tài)效果，更加科學(xué)合理。

結(jié)語(yǔ)：近年來(lái)，隨著公路工程項(xiàng)目的增多，落錘式彎沉儀在公路檢測(cè)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。作為一種新型的檢測(cè)設(shè)備，落錘式彎沉儀具有較高的檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，其檢測(cè)結(jié)果可用于彎沉值的有效控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝榮輝.FWD落錘式彎沉儀在道路檢測(cè)中的運(yùn)用研究[J].人民交通，2019（06）：68-69.

[2] 謝振華.落錘式彎沉儀在水泥混凝土路面檢測(cè)中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2019，46（10）：130-131.

[3] 樓駿翔.手持式落錘彎沉儀用于路基彎沉驗(yàn)收的初步探究[J].廣東建材，2019，35（01）：21-22.

[4] 王海春，胡超.落錘式彎沉儀傳感技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018，26（34）：32-34.

[5] 黃建東，谷豐，陳潔，洪陳杰.車載落錘式彎沉儀在公路無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2018（15）：84-85.

[6] 梁慧男.落錘式彎沉儀（FWD）在市政道路檢測(cè)中的應(yīng)用[J].綠色環(huán)保建材，2018（04）：112+114.

[7] 吳娟，陳化祥，楊世峰.高速激光彎沉儀與落錘式彎沉儀的對(duì)比分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2018，14（03）：73-74+192.

[8] 王偉.落錘式彎沉儀在公路基層施工質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].華東公路，2018（01）：51-52.