高速公路交（竣）工項目中瀝青路面彎沉檢測研究

摘要：為了研究落錘式彎沉儀在瀝青路面彎沉檢測中的有效性，提高道路交（竣）工驗收的檢測質量和效率，文章通過對比貝克曼梁法與落錘式彎沉儀法的檢測原理，總結落錘式彎沉儀的應用優(yōu)勢；結合南寧—湛江公路No.1標段的檢測段任務，分析Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀的結構組成、技術參數(shù)、工作原理、操作步驟等。經(jīng)過應用檢測，該標段所有瀝青路面的代表彎沉值均小于設計彎沉值，滿足道路交（竣）工驗收標準。該研究可為道路瀝青路面工程質量初步評價提供依據(jù)。

關鍵詞：落錘式彎沉儀；彎沉檢測；高速公路；瀝青路面

中圖分類號：U416.217" " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）04-0120-04

0 引言

路面彎沉是指在標準車載荷作用下，路面表面的豎向位移，主要用來表征道路路面結構強度，是評價路面綜合承載能力的核心檢測項目［1］。對新（改）建道路路面進行彎沉檢測的目的是給工程項目交（竣）工驗收提供數(shù)據(jù)資料，按照全線路面彎沉數(shù)據(jù)資料，分標段評定路面的綜合承載能力?！豆窞r青路面設計規(guī)范》（JTJ 014—1997） 中明確規(guī)定，在道路交（竣）工驗收時，若以設計彎沉值作為交（竣）工驗收的彎沉標準值，則路面代表彎沉值必須小于設計彎沉值。在路面彎沉檢測中，常采用的傳統(tǒng)檢測方法為貝克曼梁法，該方法在實際應用中存在操作繁雜、檢測效率低等問題。相比而言，落錘式彎沉儀法（FWD）具有操作簡單、檢測效率高等優(yōu)勢，因此已經(jīng)逐漸成為道路交（竣）工驗收采用的主要檢測手段。在落錘式彎沉儀的應用研究中，劉淑琴［2］以某公路工程為例，詳細分析落錘式彎沉儀的優(yōu)勢、工作原理以及應用步驟；金雄［3］在分析落錘式彎沉儀工作原理的基礎上，探討落錘式彎沉儀檢測的應用優(yōu)勢及作業(yè)程序；謝榮輝［4］全面介紹落錘式彎沉儀在道路彎沉檢測中的操作要點，并驗證落錘式彎沉儀法比貝克曼梁法具有更大的優(yōu)勢。本文在前人研究的基礎上，以具體的工程案例為依據(jù)，對Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀在路面彎沉檢測中的應用進行研究，以驗證該方法的優(yōu)越性。

1 貝克曼梁法與落錘式彎沉儀法對比

在道路路面彎沉檢測中，傳統(tǒng)方法以貝克曼梁法為主，但隨著科學技術的進步，落錘式彎沉儀法逐漸發(fā)展為成熟的彎沉檢測技術，并廣泛應用于各種等級道路路面的彎沉檢測中。

1.1 貝克曼梁法

1953年，美國首次將貝克曼梁法應用于道路路面彎沉檢測，該法屬于最早的靜力彎沉檢測方法。貝克曼梁法在中國的應用始于20世紀60年代，并一直沿用至今［5］。貝克曼梁法采用的是杠桿原理，檢測過程如下：在路段的測試位置上，放置符合標準軸載（100±1 kN）的汽車，汽車后輪置于道路行車輪跡帶上；在后輪輪隙中插入貝克曼梁，柱臂不能碰到后車輪，并與汽車行駛方向保持一致；貝克曼梁后臂與百分表接觸，測頭位于輪隙中央前方3～5 cm處，讀取百分表讀數(shù)；隨著汽車緩慢前進，百分表顛倒方向轉動，當百分表終止轉動后，讀取百分表讀數(shù)，以百分表前后2個讀數(shù)之差的2倍作為道路路面的回彈彎沉值。路面回彈彎沉值的計算公式為

[lt=（l1-l2）×2]" " " " " " " " " " " " " （1）

其中：[l1]為貝克曼梁測頭位于輪隙中央時百分表的讀數(shù)，0.01mm；[l2]為百分表終止轉動時百分表的讀數(shù)，0.01mm。此時，求得的路面回彈彎沉值需按溫度值進行修正計算，計算公式為

[l=lt×K]" " " " " " " " " " " " " （2）

其中：[l]為修正后的瀝青路面彎沉值，0.01mm；[K]為溫度修正系數(shù)。

彎沉值的計算公式為

[lj=l-+s]" " " " " " " " " " " " " "（3）

其中：[l-]為回彈彎沉值的算術平均值，0.01mm；[s]為回彈彎沉值的標準差，0.01mm?；貜棌澇林档乃阈g平均值和標準差的計算公式分別為

[l-=lN]" " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

[s=（l-l-）N-1]" " " " " " " " " " " " " "（5）

其中，N為測點的總數(shù)。

通過上述貝克曼梁法的彎沉檢測原理可以得出，貝克曼梁法存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①貝克曼梁法以人工操作為主，可靠性不足，效率低，檢測人員工作強度大。②支點變形的修正難以確定，檢測結果的準確性易受支點變形的影響。③檢測結果的全面性不夠，僅反映了靜載汽車荷載下道路路面的回彈彎沉值，無法評價道路路面在動載汽車載荷下整體彎沉盆的形狀和動態(tài)特性。④對于大范圍道路路面的長期跟蹤觀測的適用性較低。

1.2 落錘式彎沉儀法

20世紀70年代后期，丹麥與瑞典首先研制與應用落錘式彎沉儀法。發(fā)展至今，落錘式彎沉儀法已成為路面狀況無損檢測的主要手段［6］。應用落錘式彎沉儀時，落錘能產(chǎn)生半正弦波荷載，該荷載能真實地模擬動載汽車載荷對路面的作用，并且半正弦波荷載的級別可以根據(jù)路面通行狀況進行調整。落錘式彎沉儀法按落錘形式的不同，可分為單錘和雙錘2類。單錘落錘式彎沉儀可產(chǎn)生雙峰荷載時程曲線，雙錘落錘式彎沉儀可產(chǎn)生拋物線荷載時程曲線，數(shù)據(jù)的可靠性更高。落錘式彎沉儀法按運載形式的不同，可分為拖車和車載2類。拖車落錘式彎沉儀需適配牽引車，電能由車架上的蓄電池提供，此類落錘式彎沉儀在路面彎沉檢測中較為常見；車載落錘式彎沉儀以中型面包車為主，在車內(nèi)安裝各類檢測儀器。

落錘式彎沉儀彎沉檢測原理如下：當落錘撞擊路面的一瞬間，傳感器會采集路面各個部位的變化量，經(jīng)過匯總后由計算機對變化量進行自動運算分析，再經(jīng)過反算得到動態(tài)模量，獲得反映路面強度的檢測結果。其中，路面頂面當量回彈模量反算公式為

[Ed=176prl0]" " " " " " " " " " " " " " " " "（6）

其中：[Ed]為當量回彈模量； [p]為承載板施加荷載，MPa；[r]為承載板半徑，mm；[l0]為落承載板中心點彎沉值，0.01mm。

從落錘式彎沉儀的彎沉檢測原理可以看出，落錘式彎沉儀法克服了貝克曼梁法存在的局限，具有更明顯的優(yōu)勢：①落錘式彎沉儀可以自動化地完成溫度修正計算，減少了人為因素造成的偏差，作業(yè)效率更高，較大程度地降低了檢測人員的工作強度。②路面各個部位的變化量由高精度的傳感器直接獲取，檢測數(shù)據(jù)準確性高，更具有分析價值。③采用動態(tài)彎沉檢測的方式能有效地模仿動載汽車載荷的動力作用，并且可以進行多點彎沉檢測，信息量更全面。④針對單個檢測點而言，可在30 s內(nèi)完成檢測，并且能夠準確評價檢測點的強度和剛性指標；針對整個路面而言，能全方位、綜合性地評估路面的整體特性，在大范圍道路路面檢測中更具適用性。

2 落錘式彎沉儀在瀝青路面彎沉檢測中的應用

2.1 工程概況

南寧—湛江公路起點位于南寧市邕寧區(qū)蒲廟鎮(zhèn)附近，主線路線起點樁號為K-1+289.103，終點樁號為K185+262.480，設計技術標準為一級公路。本項目標段為南寧至博白那卜段№.1標段，主線范圍為K-1+289.103～K115+260，全線共有89座橋梁，3座隧道，317道涵洞和通道，9個互通；全線為雙向四車道，主線設計行車速度為120 km/h，路基寬度為26.5 m。南寧—湛江公路№.1標段主線路面結構設計指標見表1。

本標段項目于2021年05月開工建設，計劃于2023年12月31日通車，本次交工驗收檢測段樁號為K-1+289.103～K25+000，瀝青路面檢測項目及頻率見表2，其中將彎沉值作為重要的路面質量檢測指標。

2.2 瀝青路面彎沉檢測方案

采用落錘式彎沉儀進行檢測，具體檢測方案如下：①檢測車輛的工作范圍必須處在安全區(qū)域內(nèi)，檢測前要求施工單位做好檢測路段的安全警示及疏導工作。②將檢測路段的樁號填入檢測記錄表格。③檢查檢測儀器的各項指標是否正常。④按每公里雙車道60個點進行檢測，各車道交替檢測。⑤計算每一個評定路段各測點彎沉的平均值、標準差、代表值。

2.3 落錘彎沉儀選型

本檢測段瀝青路面彎沉值檢測選用Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀［7］，該檢測儀能檢測各級動載汽車載荷作用下的道路表面動彎沉，可準確地反映彎沉盆的形狀。

2.3.1 Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀的結構

Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀由拖掛體和牽引車組成，拖掛體和牽引車用5條電纜相連，為了便于維修與存放，兩者工作時掛上，完工時脫開。

（1）拖掛體。拖掛體由落錘、承載板、傳感器、彎沉盆測梁、液壓升降架等組成，是Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀的檢測裝置的組成部分。落錘作用于橡膠墊上，可通過改變錘重和高度調整荷載大?。怀休d板整體為圓形，被平均分割成4塊，落錘的沖擊荷載通過橡皮墊傳遞給瀝青路面；傳感器包括速度傳感器、距離傳感器、壓力傳感器、位移傳感器4種類型，其中速度傳感器的數(shù)量有9個，一次能測9個彎沉值；彎沉盆測梁的長度為3.5 m；液壓升降架被固定在拖掛體上，由電磁鐵、升降架、液壓筒組成，液壓筒負責升降控制。

（2）牽引車。牽引車最大行駛速度約80 km/h，車上裝有電源控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。電源控制系統(tǒng)負責控制落錘彎沉儀的電能；計算機控制系統(tǒng)由便攜式電腦、系統(tǒng)軟件、主系統(tǒng)處理器組成，能夠操縱落錘的提升與下落，還能對數(shù)據(jù)進行處理、存儲、顯示及打印等操作。

2.3.2 Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀技術參數(shù)

根據(jù)使用要求，確定Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀的技術參數(shù)（見表3）。

2.4 Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀工作原理及操作

2.4.1 工作原理

將Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀的拖掛體牽引到測點位置，待準備工作一切就緒后，將檢測路面的溫度值、樁位等參數(shù)輸入便攜式電腦中。啟動操作系統(tǒng)，利用液壓筒放下液壓升降架，解除液壓升降架上電磁鐵的磁力，使測架與液壓升降架脫鉤，測架上的傳感器處于待測狀態(tài)。與此同時，系統(tǒng)程序控制承載板落到地面，解除吸鐵上電磁鐵的磁力，使落錘與吸鐵脫鉤。落錘從一定高度自由落下，錘擊承載板，承載板給瀝青路面施加正弦脈沖力，作用時間為25～30 ms，模擬標準測試車后軸單側的動荷載。傳感器自動采集路面變形量，并通過計算顯示彎沉盆及彎沉最大值等參數(shù)。Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀工作原理見圖1。

2.4.2 操作步驟

在正式檢測開始前，需做好以下準備工作：①將路面表面的松散顆粒物清掃干凈。②檢查車胎的清潔度，車胎不得黏附雜物。③檢查車胎氣壓，確保其符合規(guī)定的標準氣壓。④按照操作手冊安裝各個設備，并確保緊固件安裝牢固。⑤打開系統(tǒng)電源、保險裝置、控制開關，檢查各部件是否處于正常的工作狀態(tài)。

瀝青路面彎沉檢測開始后，應按照以下步驟進行操作：①將承載板中心位置與測點對準，并將路面溫度及樁位號導入便攜式電腦。②點擊“開始檢測”按鈕，承載板與傳感器自動落下，落錘瞬間自由下落錘擊承載板后提升至原位置。③傳感器自動采集瀝青路面變形量，并將信號傳入計算機，計算出彎沉值。④每一個測點重復檢測不少于3次，取最后2次檢測的平均值作為測定值。⑤當該測點檢測完成后，將承載板及傳感器完全提起，牽引車繼續(xù)前行至下一個測點。⑥重復上述檢測步驟，直至檢測完所有測點。⑦確認所有測點的數(shù)據(jù)完整后關閉檢測系統(tǒng)，卸壓并確保保險裝置處于關閉狀態(tài)，結束測試。

3 檢測結果

K-1+289.103～K25+000檢測段左、右幅車道瀝青路面設計彎沉值為19.6/（0.01 mm），左、右輻車道各測點的彎沉平均值、標準差、代表值結果見表4和表5。該檢測段瀝青路面彎沉檢測共1 816個，檢測合格數(shù)為1 816個，合格率為100%。

4 結論

路面彎沉是道路交（竣）工檢測中的重要指標，本文采用Dynatest 8002拖車式落錘彎沉儀對南寧—湛江公路№.1標段K-1+289.103～K25+000段進行路面彎沉檢測，得出的結論如下。

（1）相比傳統(tǒng)的貝克曼梁法，落錘式彎沉儀具有操作簡單、檢測效率高等優(yōu)勢，滿足道路交（竣）工驗收中大量檢測任務的需求。

（2）在路面彎沉檢測過程中，應充分掌握落錘式彎沉儀的應用原理，重點做好前期準備工作，并嚴格按照操作步驟進行檢測，以提高落錘式彎沉儀的應用效果。

（3）K-1+289.103～K25+000檢測段路面彎沉檢測數(shù)據(jù)顯示，1 816個彎沉檢測點的代表彎沉值均小于設計彎沉值，合格率為100%，說明該檢測段瀝青路面施工質量良好。

5 參考文獻

［1］羅菁，楊川福，張建.落錘式彎沉儀在高速公路工程檢測中的應用［J］.四川水泥，2023（4）：218-220.

［2］劉淑琴.落錘式彎沉儀在公路工程檢測中的應用［J］.低碳世界，2020，10（12）：193-194.

［3］金雄.落錘式彎沉儀在公路檢測中的應用［J］.交通世界，2020（8）：93-94.

［4］謝榮輝.FWD落錘式彎沉儀在道路檢測中的運用研究［J］.人民交通，2019（6）：68-69.

［5］黃瑾斌.基于貝克曼梁法檢測路基路面回彈彎沉的影響因素及質量管理分析［J］.福建建設科技，2023（3）：99-101.

［6］趙為天.基于三維探地雷達和落錘式彎沉儀的路面結構狀況無損評估［D］.廣州：華南理工大學，2020.

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