落錘式彎沉儀（FWD）應用于市政道路合理性分析

范彥軍 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

隨著市政道路每年不斷增加，各地區(qū)改建及維修等路段屢見不鮮，道路運行一段時間后，出現不同的病害，如縱橫向開裂、沉陷、車轍及擁包等，嚴重影響道路行駛的安全性、舒適性，如果由于道路承載能力低，導致路段損壞的維修成本將更高。因此，相關部門對市政道路的質量提出了更高的要求，傳統(tǒng)的檢測方法也日漸改變，采用自動化檢測手段，不僅能提高檢測速度，而且能更客觀、準確地反映現場的實際質量。

彎沉作為評價道路承載能力指標之一，廣泛應用于道路現場檢測。目前落錘式彎沉儀多用于高等級公路的路面質量評價及驗收，交通部已將該設備檢測方法作為公路交、竣工驗收的主要技術措施，然而對市政道路的驗收多采用貝克曼梁彎沉檢測，未大量推廣。

1 概述

彎沉即在規(guī)定的荷載作用下，路基或路面表面產生的總垂直變形值（總彎沉）或者垂直回彈變形彎沉（回彈彎沉），以0.01mm 為單位表示。目前彎沉檢測方法包括貝克曼梁法、落錘式彎沉儀法、自動彎沉儀法及激光式高速路面彎沉測定儀，目前國內主要采用貝克曼梁（BB）法及落錘式彎沉儀（FWD）法檢測。

貝克曼梁法開展道路彎沉檢測成本高、耗時多，已不能適應技術發(fā)展要求。該檢測方法需要荷載車配合、前期準備工作多，檢測數據受人員、設備、環(huán)境等諸多因素影響，主要局限范圍如下：

①僅反映靜態(tài)作用下，路基路面垂直變形下最大回彈彎沉；

②以人為主，工作強度較大，工作時間較長，在通車的道路進行彎沉檢測，安全風險大；

③不能反映在行車作用下道路的動力特性；

④不適合對道路的長期質量狀況定期跟蹤；

⑤對道路面層質量檢測，在非標準溫度或者厚度情況下，需要進行溫度修正，溫度測量或估算誤差較大，對結果造成一定影響；

⑥采用3.6m 貝克曼梁彎沉儀進行檢測時，檢測過程需進行支點修正，修正系數計算方法較為復雜，影響修正結果準確性。

落錘式彎沉儀檢測屬于動態(tài)彎沉，能很好地模擬車輛運行后影響狀況，替代人工檢測，不僅能極大提高工作效率，亦能減少檢測過程中的人為性影響因素，保證檢測結果的客觀、公正，具有很好的優(yōu)勢。同時人員在車內進行操作，安全性較好，適應不同的交通運營環(huán)境。分析落錘式彎沉儀檢測方法適應各種市政道路結構，分別選取不同結構層進行合理性分析，判斷貝克曼梁與落錘式彎沉檢測數據的相關性，進而更好地分析不同情況下，落錘式彎沉儀的適用范圍。

2 現場檢測設備性能及要求

2.1 貝克曼梁彎沉儀

貝克曼梁彎沉是利用杠桿原理測定各類路基路面的回彈彎沉，適用于各結構層彎沉檢測，作為公路工程、市政工程彎沉驗收方法，用于道路整體承載能力評價。本次試驗選取設備具體參數如下。

①加載車：雙軸，后軸標準軸載P 為100kN；單側雙輪荷載50±0.5kN。

②貝克曼梁：配件含百分表及表架組成（采用5.4m）。

③路表溫度計：分辨力不大于1℃。④輪胎氣壓：0.7MPa。

2.2 落錘式彎沉儀

落錘式彎沉儀（FWD）是利用液壓系統(tǒng)，使標準落錘落下一定高度，發(fā)生的沖擊荷載使路基或路面表面產生瞬時變形，即測定其在動態(tài)荷載作用下產生的動態(tài)彎沉及彎沉盆，并由此反算路基路面各結構層的動態(tài)彈性模量，科學地評價道路承載能力。

落錘式彎沉儀分為拖掛式和內置式，本次試驗選取北京今谷神劍落錘式彎沉設備，采用內置式，主要構成包括荷載發(fā)生裝置、彎沉檢測裝置、運算控制系統(tǒng)與車輛牽引系統(tǒng)等，操作主要依靠計算機自動記錄和控制，數據依據高精度的傳感器完成。選取設備參數如下。

①沖擊荷載：50kN；荷載測量精度：≤1%。

②位移測量范圍：±3.5mm；彎沉分辨率：0.1μm。

③位移傳感器個數：7 只；每點測試速度：＜20s/點（測量三次）。.

④提錘方式：液壓；行走速度：0～120km/h（視路面狀況而定）。

⑤動態(tài)力測量范圍：0～250kN；荷載脈沖形狀：半正弦波。

設備功能滿足目前現行規(guī)范要求，具體如下：

①測量數據與標準軸荷的歸一化處理；

②可與貝克曼梁進行比對轉換；

③自動獲取與貝克曼梁轉換的最佳轉換系數；

④可根據交通部的有關規(guī)定自動計算均值、方差、彎沉代表值及生成相關表格；

⑤可進行數據格式轉換，把各測點的公里數據轉換為樁號數據；

⑥可進行溫度修正。

3 現場試驗檢測

3.1 試驗段選取

本次試驗選取中新蘇滁高新區(qū)現代產業(yè)園2020 年度第二批市政工程項目友誼路工程（主干道），該項目位于滁州市東部，設計范圍為徽州路-滁州大道，道路西起徽州路交叉口東，東至滁州大道交叉口西，路線全長2.5km，標準路幅寬37.4m，設計時速60km/h。

由于檢測數據受路面狀況、路基狀況、溫度、路面材料等因素影響，為了更好地分析彎沉檢測數據，提高數據的準確性、合理性，本次試驗選取樁號K0+150-K0+500 左幅雙車道，長度350m，分別對路基6%灰土、水泥穩(wěn)定碎石基層（5%）、AC-13C 瀝青面層三種不同類型的結構層進行試驗。

3.2 試驗過程及要求

①本次試驗每20m 為一個測點，測點均勻布置在行車道。

②先進行貝克曼梁彎沉檢測，將測試車放置在試驗段，后輪一般置于道路行車軌跡帶上，將貝克曼梁放置于輪隙中心前方約30mm～50mm 處，檢測過程中避免彎沉設備接觸輪胎，以免影響檢測結果；測試車緩慢移動后，測讀百分表前后的數值，同時標記出測點，畫出一個半徑150mm 的圓，確保位置偏差不超過30mm。

③采用貝克曼梁檢測完成后，立即進行落錘式彎沉儀進行檢測，盡量不超過10min，以免外界環(huán)境對測點造成影響。每一測點重復測定不少于3 次，舍棄第1個測定值，取后2次測定值的平均值作為測定值。

④測點完成測試，車輛系統(tǒng)自動提起承載板和落錘，車輛進行下一個測點的檢測，以此類推，完成剩余點數的檢測。

⑤全部試驗結束，關閉測試軟件，保存測試數據，將保險裝置安裝到位。

⑥檢測時盡量選取天氣較穩(wěn)定的時間，路面保持清潔，避免在大風等不利因素下進行檢測。

3.3 試驗結果分析

經較長時間跟蹤檢測，對路基6%灰土、水泥穩(wěn)定碎石基層（5%）、AC-13C瀝青面層3 種不同結構層進行兩種方法彎沉檢測，確保檢測車輛及設備、檢測環(huán)境、操作人員盡可能一致，采集相關數據。具體數據回歸分析如表1所示。

落錘式彎沉（FWD）與貝克曼梁（BB）回歸分析一覽表 表1

將2 種方法采集的彎沉數據進行擬合，各結構層擬合曲線（含線性關系、二次多項式）見圖1、圖2、圖3所示。

圖1 路基6%灰土彎沉相關性分析

圖2 水泥穩(wěn)定碎石基層（5%）彎沉相關性分析

圖3 AC-13C瀝青面層彎沉相關性分析

4 合理性分析

由上述數據比對及回歸分析，各結構層相關性較好，采用線性擬合及二次多項式擬合，相關系數均大于0.95，滿足國家現行規(guī)范要求，具體情況分析如下：

①路面彎沉檢測結果直接反映道路承載能力，對承載能力較低的結構層，檢測影響因素較多，采用落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測，數據波動性較大，但不影響數據相關性分析；

②經數據擬合后，AC-13C 瀝青面層相關性優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石基層（5%），水泥穩(wěn)定碎石基層（5%）相關性優(yōu)于6%灰土，說明針對相同路段進行檢測，相關性受道路密實程度、強度、材料狀況以及承載能力影響，承載能力越好，相關性也越來越好；

③各結構層分別進行線性、二次多項式擬合，二次多項式擬合后相關系數略優(yōu)于線性擬合，二者均滿足擬合精度要求，在實際工作中，由于二次多項式擬合方程較為復雜，多采用線形擬合方程進行分析；

④對施工狀況良好的城市主干道，通過對柔性結構層及半剛性結構層進行分析后，均適用落錘式彎沉（FWD）檢測儀；

⑤各結構層落錘式彎沉數據不一定較貝克曼梁彎沉數據大，但是各結構層變異系數較貝克曼梁小，數據穩(wěn)定性較好。

5 結語

近年來，省內市區(qū)市政道路維修次數不斷增多，無論是建設單位還是管養(yǎng)單位都已充分認識到道路承載能力的重要性。部分地區(qū)建設單位在招標的過程中，對道路承載能力檢測做了特殊要求，即必須采用落錘式彎沉儀進行檢測。由此可見，建設單位對市政道路的要求也在逐漸提高。尤其在滁州地區(qū)、六安地區(qū)等采用落錘式彎沉儀檢測市政道路日益增多，檢測效果較好，得到建設單位、質監(jiān)站等的一致認可。

落錘式彎沉儀作為國內目前最為普遍的、有效的檢測方式，檢測速度快，穩(wěn)定性及準確性較高。為了更好地保證檢測數據有效性、持續(xù)性，落錘式彎沉檢測設備必須經專業(yè)機構進行校準，一般建議一年一次，確保各項性能符合現行規(guī)范要求。

經大量數據分析，針對高速公路、市政快速路及主干道等承載能力要求較高的路段，相關性較好，均可以適用。但是對鄉(xiāng)鎮(zhèn)等道路，由于承載能力較低，影響因素較多，對其等級較低的路段的研究也很有必要。