回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)在公路承載力評(píng)估中的應(yīng)用研究

張東琴

摘要 為研究回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)在公路承載力評(píng)估中的應(yīng)用，提高公路承載力評(píng)估的準(zhǔn)確性，文章針對(duì)回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)的基本情況，分析其應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)比靜態(tài)彎沉檢測(cè)方法與動(dòng)態(tài)彎沉檢測(cè)方法，尤其是對(duì)其中的貝克曼梁裝置與落錘式彎沉儀展開了性能分析，分析回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)在施工控制與驗(yàn)收、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及舊路補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 回彈彎沉檢測(cè)；公路；承載力評(píng)估；貝克曼梁裝置；落錘式彎沉儀；施工控制

中圖分類號(hào) U41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0107-03

0 引言

各種車輛行駛產(chǎn)生的荷載以及公路路基的自身重量所產(chǎn)生的荷載均施加在公路路基上，所以公路路基必須具有較大的承載力，才能滿足公路建設(shè)要求[1]。通過(guò)計(jì)算回彈彎沉值可以評(píng)估公路路基承載力，計(jì)算回彈彎沉值有靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種檢測(cè)方法，靜態(tài)彎沉檢測(cè)方法包括自動(dòng)彎沉儀、貝克曼梁裝置等；動(dòng)態(tài)彎沉檢測(cè)方法包括穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)彎沉儀、落錘式彎沉儀等[2]。工程上廣泛應(yīng)用靜態(tài)彎沉檢測(cè)方法中的貝克曼梁裝置，但是其存在速度慢、檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確等問(wèn)題[3]。因此研究回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)在公路承載力評(píng)估中的應(yīng)用研究，對(duì)落錘式彎沉儀進(jìn)行深入研究，以提高公路承載力評(píng)估的速度與準(zhǔn)確性。

1 回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)在公路承載力評(píng)估中的應(yīng)用研究

1.1 回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)概述

車輛在運(yùn)行過(guò)程中受車輪荷載作用而使公路路面出現(xiàn)垂直位移的現(xiàn)象，被稱作彎沉?；貜棌澇翙z測(cè)值能夠檢測(cè)公路路面抗壓強(qiáng)度，也可以評(píng)估公路承載力[4]。

車輛對(duì)公路施加的荷載會(huì)使公路產(chǎn)生沉降變形，當(dāng)車輛離開公路路面時(shí)，公路不再承受車輛的荷載，因此路面會(huì)向上回彈，整個(gè)過(guò)程中公路產(chǎn)生的變形值即為回彈彎沉值[5]。

1.2 回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)在公路路基承載力評(píng)估的應(yīng)用現(xiàn)狀

公路施工人員能夠通過(guò)回彈彎沉值對(duì)路基的剛度、強(qiáng)度以及承載力進(jìn)行評(píng)估，以此為基礎(chǔ)推斷此時(shí)公路質(zhì)量以及后續(xù)使用壽命?；貜棌澇林翟酱螅f(shuō)明此時(shí)公路路面變形程度較大，公路路基承載力降低，公路的運(yùn)輸能力也降低。影響公路路基的回彈彎沉值的因素如下：

1.2.1 彎沉標(biāo)準(zhǔn)

為滿足新型運(yùn)輸形式的要求，對(duì)于車輛實(shí)行新的彎沉標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，檢測(cè)車輛的單輪傳壓面與軸重等。在符合規(guī)定的基礎(chǔ)上提高車輛的自身性能，提高最終回彈彎沉檢測(cè)值的準(zhǔn)確性。

1.2.2 溫度影響系數(shù)

在計(jì)算回彈彎沉值時(shí)，要依據(jù)溫度的變化時(shí)刻調(diào)整公式中的溫度系數(shù)，以此提高回彈彎沉檢測(cè)值的真實(shí)性。

1.2.3 人員因素

建設(shè)人員在公路路基路面施工過(guò)程中所采用的操作方法、步驟以及自身專業(yè)素質(zhì)均會(huì)對(duì)回彈彎沉檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。若出現(xiàn)誤差較大的情況，公路的路基質(zhì)量將存在隱患，致使公路在運(yùn)行過(guò)程中的安全性較低。

為確保公路路基承載力評(píng)估的準(zhǔn)確性，要避免回彈彎沉值受彎沉標(biāo)準(zhǔn)、溫度影響系數(shù)以及人員因素的影響，因此要明確回彈彎沉值的檢測(cè)主要方法、作用原理以及實(shí)際應(yīng)用控制等方法。

1.3 回彈彎沉主要檢測(cè)方法

1.3.1 靜態(tài)彎沉檢測(cè)

（1）貝克曼梁裝置。公路路基進(jìn)行靜態(tài)彎沉檢測(cè)常采用的裝置是貝克曼梁，該裝置的具體檢測(cè)方法為通過(guò)不同載重的車輛對(duì)公路路基進(jìn)行分級(jí)加載，通過(guò)百分表來(lái)獲得公路路面回彈彎沉值。該方法具有效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。通常測(cè)定公路路面的總彎沉可以采用前進(jìn)卸載法與后退加載法。車輛在公路上勻速行駛，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)貝克曼梁的端頭時(shí)，記錄此時(shí)百分表的最大值。當(dāng)車輛駛出公路路面時(shí)，再次記錄百分表的數(shù)值，將此時(shí)百分表的數(shù)值與最大值進(jìn)行對(duì)比，兩者的差值二倍即為公路路基的回彈彎沉值。

（2）自動(dòng)彎沉儀。自動(dòng)彎沉儀是在貝克曼梁的基礎(chǔ)上研發(fā)而來(lái)，車輛在公路上緩慢前行，當(dāng)后軸雙輪經(jīng)過(guò)自動(dòng)彎沉儀的檢測(cè)頭時(shí)，位移傳感器會(huì)實(shí)時(shí)記錄公路路基的彎沉變化，將車速提到原來(lái)的二倍繼續(xù)向下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)前進(jìn)，然后記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于其他靜態(tài)彎沉檢測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō)，自動(dòng)彎沉儀能夠持續(xù)測(cè)定彎沉值，并能完成檢測(cè)結(jié)果的自動(dòng)記錄。通常情況下，可將檢測(cè)車輛的行駛速度控制在3～5 km/h。

1.3.2 動(dòng)態(tài)彎沉檢測(cè)

動(dòng)態(tài)彎沉檢測(cè)是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，目前常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)彎沉檢測(cè)裝置為脈沖動(dòng)力彎沉儀，脈沖動(dòng)力彎沉儀也被稱作落錘式彎沉儀。動(dòng)態(tài)彎沉檢測(cè)通過(guò)壓力傳感器可以檢測(cè)到準(zhǔn)確的荷載時(shí)程與大小，若改變重錘的高度與重量能夠調(diào)節(jié)荷載的大小。公路路面或路基受到?jīng)_擊荷載時(shí)會(huì)瞬間變形，而時(shí)間與路程的變化、動(dòng)態(tài)彎沉盆的變換均可通過(guò)所對(duì)應(yīng)的彎沉傳感器檢測(cè)到。

可通過(guò)落錘式彎沉儀檢測(cè)到的回彈彎沉對(duì)公路路面的回彈模量進(jìn)行反算，評(píng)估公路承載力可以將回彈模量作為標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段落錘式彎沉儀的主要構(gòu)成部分包括拖車體與牽引車，拖車體由承載板、彎沉盆測(cè)梁、液壓升降架、傳感器以及落錘等裝置組成，用于對(duì)公路路面的回彈彎沉進(jìn)行檢測(cè)。在牽引車上安裝電源控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能夠遠(yuǎn)程操控牽引車。拖車體中的彎沉盆測(cè)梁上共安裝9個(gè)速度型傳感器，總梁長(zhǎng)大約3.5 m，其與承載板的距離分別為0 cm、15 cm、30 cm、50 cm、75 cm、100 cm、130 cm、175 cm、210 cm，因此每次落錘式彎沉儀檢測(cè)均可獲得9個(gè)彎沉值。落錘重為50±2.5 kN，承載板是由兩塊對(duì)稱的橡膠板與鋼板組成的復(fù)合板。

當(dāng)公路路面溫度為t時(shí)，落錘式彎沉儀檢測(cè)到的回彈彎沉值lt的計(jì)算公式為：

lt=2（L1?L2） （1）

式中，L1——車輛經(jīng)過(guò)貝克曼梁的端頭時(shí)百分表的最大讀數(shù)；L2——車輛駛出公路路面時(shí)百分表的最終讀數(shù)。公路檢測(cè)路段的計(jì)算彎沉值l0為：

l0=lt+ZaS （2）

式中，Za——保證率系數(shù)；S——公路檢測(cè)路段內(nèi)實(shí)測(cè)彎沉的標(biāo)準(zhǔn)差。

落錘式彎沉儀檢測(cè)到的公路路面的回彈模量E0的計(jì)算公式為：

式中，a——彎沉系數(shù)；P——車輛車輪對(duì)公路路面施加的平均垂直荷載（MPa）；δ——車輛雙圓荷載單輪傳壓面當(dāng)量圓的半徑（cm）；μ——路基的泊松比。不同傳感器下路基的回彈模量E1的計(jì)算公式為：

式中，b——落錘式彎沉儀荷載盤半徑（mm）；σ0——荷載板下落錘式彎沉儀沖擊荷載的壓力最大值（kPa）；dr——與落錘式彎沉儀荷載盤中心相距r的傳感器最大彎沉值（μm）。

通過(guò)式（1）～（4）能夠計(jì)算出公路路面的彎沉值與回彈模量，通過(guò)最終回彈模量結(jié)果評(píng)估公路承載力。

1.4 回彈彎沉檢測(cè)的應(yīng)用

1.4.1 施工控制與驗(yàn)收的應(yīng)用

回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)在施工控制的應(yīng)用主要體現(xiàn)在，公路建設(shè)者為定期檢測(cè)公路工程的質(zhì)量，在公路施工過(guò)程中采用回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)對(duì)公路承載力進(jìn)行評(píng)估，最終通過(guò)評(píng)估結(jié)果對(duì)公路的整體狀態(tài)有一個(gè)完整的了解。對(duì)于滿足合同要求剛度、強(qiáng)度的公路準(zhǔn)予通過(guò)；未滿足道路建設(shè)要求的公路，則進(jìn)行返工修復(fù)，以此提高公路整體質(zhì)量?；貜棌澇翙z測(cè)技術(shù)在施工驗(yàn)收的應(yīng)用主要體現(xiàn)在，公路項(xiàng)目完成后，還需采用回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。通過(guò)在施工控制與驗(yàn)收過(guò)程中的兩次檢測(cè)，能夠完全把控公路的整體質(zhì)量，為后期公路是否開放使用以及后期管理提供依據(jù)。經(jīng)過(guò)多次嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z驗(yàn)與測(cè)試，能夠建設(shè)出滿足國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的公路，其具有較高的安全性與較長(zhǎng)的使用壽命。

1.4.2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

公路質(zhì)量檢測(cè)包括許多方面，其中對(duì)公路進(jìn)行回彈值測(cè)量與垂直變形檢測(cè)是極為重要的?；趯?shí)際案例進(jìn)行分析：該公路為四車道，且該公路的交通量在使用期內(nèi)迅速上升，年平均增長(zhǎng)率已達(dá)到10%，因此需要基于該公路行駛車輛的車型與交通量計(jì)算公路路基的回彈彎沉，來(lái)評(píng)估該公路的承載力是否能夠滿足交通量與車型的要求，公路路基的回彈彎沉即為公路的強(qiáng)度與剛度，若所計(jì)算的回彈彎沉值正好符合公路的塑性要求，那么說(shuō)明設(shè)計(jì)的公路具有較大的可承受性與抗疲勞性。因此將回彈彎沉測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于路面設(shè)計(jì)中是極為重要的，能夠更加準(zhǔn)確地反映該公路的使用情況，并為建設(shè)人員設(shè)計(jì)更高水平公路提供參考。

1.4.3 舊路補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年累月的使用后，舊公路的剛度和強(qiáng)度有所降低，路面會(huì)遭受一定程度的損壞，且其在車輛外力作用下，承受力也大幅下降，很有可能不再符合人們對(duì)于公路的使用要求，因此需要對(duì)舊公路進(jìn)行修補(bǔ)改進(jìn)。通過(guò)回彈彎沉檢測(cè)方法能夠判定舊公路的損害情況，若最終計(jì)算獲得的回彈彎沉檢測(cè)值極大，說(shuō)明該公路的受損程度較大，需要進(jìn)行大面積的修補(bǔ)；若最終計(jì)算獲得的回彈彎沉檢測(cè)值較小，說(shuō)明該公路的受損程度較小，僅需要進(jìn)行小范圍的修補(bǔ)。通過(guò)回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)公路受損情況，為后續(xù)補(bǔ)救措施提供參考，避免浪費(fèi)人力與物力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比貝克曼梁裝置與落錘式彎沉儀之間的性能發(fā)現(xiàn)，在技術(shù)方面，落錘式彎沉儀的優(yōu)越性更多且應(yīng)用范圍更廣，但長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)公路回彈彎沉檢測(cè)經(jīng)常采用貝克曼梁裝置，而該文采用無(wú)損的落錘式彎沉儀，因此采用實(shí)際案例對(duì)上述兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析。

以我國(guó)東部沿海地區(qū)某高速公路為例，這條公路全長(zhǎng)約150 km，連接A市和B市，是雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速高達(dá)120 km/h。路面材料選用的是高質(zhì)量的瀝青混凝土，確保了良好的防滑性和耐久性。自2018年通車以來(lái)，這條公路一直承載著大量的車流，包括頻繁的重型貨車。由于車流量大且運(yùn)營(yíng)多年，部分路段出現(xiàn)了一定的損壞，需要進(jìn)行全面的承載力評(píng)估?？紤]其在我國(guó)東部沿海地區(qū)的戰(zhàn)略地位和重要性，對(duì)該高速公路進(jìn)行承載力評(píng)估是至關(guān)重要的。通過(guò)對(duì)路段的實(shí)地考察和檢測(cè)，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估其實(shí)際承載能力，為未來(lái)的維護(hù)和改造提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，這也將有助于保障車輛行駛的安全和順暢，提升該地區(qū)的交通運(yùn)營(yíng)效率。

實(shí)驗(yàn)方法：采用貝克曼梁裝置對(duì)公路的回彈彎沉值進(jìn)行檢測(cè)，然后對(duì)公路進(jìn)行落錘式彎沉儀測(cè)試，測(cè)試要求必須以公路檢測(cè)點(diǎn)為圓心畫出一個(gè)半徑為150 mm的圓，并使落錘式彎沉儀的加載盤與圓相對(duì)齊，并對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)施加50 kN的力，進(jìn)行三次落錘測(cè)定，實(shí)時(shí)記錄落錘數(shù)據(jù)。

在水泥穩(wěn)定層進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，該文共選擇公路中的六段進(jìn)行對(duì)比分析，即K0+220～K0+620段、K1+340～K1+740段、K2+100～K2+500段、K3+240～K3+640段、K4+240～K4+640段以及K5+200～K5+600段。最終對(duì)比結(jié)果相關(guān)性分析如表1所示。

根據(jù)表1可知，在這六個(gè)路段中，貝克曼梁裝置與落錘式彎沉儀之間具有較高的相關(guān)性，且相關(guān)性均高于0.902 5，符合相關(guān)要求，因此可以采用落錘式彎沉儀代替貝克曼梁裝置，模擬車輛在公路路面上的行駛狀態(tài)，不會(huì)對(duì)公路路面與路基造成損壞。

3 結(jié)論

彎沉是公路建設(shè)中極為重要的指標(biāo)，目前大多數(shù)研究均通過(guò)回彈彎沉值評(píng)估公路承載力，回彈彎沉值與公路承載力成反比例關(guān)系，因此回彈彎沉值越大，說(shuō)明該公路承載力越??；反之回彈彎沉值越小，說(shuō)明該公路承載力越大。回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)在公路建設(shè)中有廣泛的應(yīng)用，多用于施工控制與驗(yàn)收、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及舊路補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)等方面，因此需要合理選擇回彈彎沉檢測(cè)方法。貝克曼梁裝置與落錘式彎沉儀的相關(guān)度極高，說(shuō)明落錘式彎沉儀能達(dá)到貝克曼梁裝置的檢測(cè)效果，但是落錘式彎沉儀的速度更快，所以該文選擇落錘式彎沉儀作為回彈彎沉檢測(cè)的方法。隨著科技的進(jìn)步，回彈彎沉檢測(cè)技術(shù)有望進(jìn)一步智能化，減少人為操作的誤差。例如，可以利用機(jī)器視覺(jué)和人工智能技術(shù)對(duì)路面進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)的檢測(cè)和分析，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。同時(shí)，由于單純依賴回彈彎沉值來(lái)評(píng)估公路承載力可能不夠全面，未來(lái)可能會(huì)結(jié)合其他相關(guān)參數(shù)，如路面的材料性質(zhì)、車流量、載荷分布等，進(jìn)行多參數(shù)綜合評(píng)估，以更準(zhǔn)確地反映公路的實(shí)際承載能力。通過(guò)持續(xù)的研究和創(chuàng)新，可以期待這一技術(shù)在保障道路安全、提高交通效率以及促進(jìn)環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮更大的作用。

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