落锤式弯沉仪与贝克曼梁弯沉仪在路面检测中的相关性研究

李 涛

(衡水市公路勘测设计所)

路面检测技术作为公路建设与管理中的关键性、基础性技术,它不仅对于检验和控制施工质量是重要的,而且还直接影响路网养护决策的科学性和养路资金分配的合理性。近 20年来,无损检测技术由于具有不损害路面的独特优势而在国内外得到了迅速发展。

路面弯沉是公路检测中最普遍的路面结构状况评价指标之一。弯沉是指在规定的汽车标准轴载作用下,路基或路面表面汽车轮隙位置产生的垂直变形,它反映路基路面的综合承载能力。弯沉不仅反映路面结构层及土层的整体强度和刚度,而且与路面的使用状态存在一定的内在联系,反映了路面的整体强度质量。目前,我国各级公路部门弯沉检测,多采用贝克曼梁(BenklemanBeam,简称BB),即在规定的标准轴载作用下,路基或路面表面轮隙位置产生的垂直变形值(回弹弯沉),利用载重汽车加载,人工读取百分表的读数,来测量路基或路面表面的回弹弯沉值。该方法操作简单,但存在以人工操作工作强度大,效率低;计算参数受多种主观因素影响及所测结果不能反映行车荷载作用下的动力特性和整个弯沉盆形状等缺点。

落锤式弯沉仪(FallingWeightDeflectometer,简称FWD)是目前国际上比较流行的先进的路面强度无破损检测设备。它是在标准质量的重锤落下一定高度发生的冲击荷载作用下,测定路基或路面表面所产生的瞬时变形,即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆,并由此反算路基路面各层材料的动态弹性,用于评定道路承载能力。由于其能很好地模拟行车荷载对路面的作用,因而比起其他静态检测技术具有明显优势,再加上其所测弯沉盆蕴含着丰富的路面结构强度的信息,愈来愈受到公路研究者们的重视。落锤式弯沉仪以精度高,测速快,可靠性好等特点正逐步取代传统的贝克曼梁弯沉检测。目前我国交通部《公路路基路面现场测试规程》(59-95)也已将其列入弯沉检测设备,这对科学,准确地评价路面结构状态,合理地制订公路养护计划有着重要的意义。

由于我国路面设计和检测以贝克曼梁回弹弯沉值为准,故《路基规程》要求落锤式弯沉仪测试值必须根据对比试验换算贝克曼梁弯沉法测试值,建立两种方法之间的转换公式,且相关系数不得小于 0.9。所以需要在实际应用前研究落锤式弯沉仪与贝克曼梁弯沉检测方法的相关性。

2009年 7月至8月,衡水市交通局质监站与江苏省交通科学研究院有关技术人员,使用落锤弯沉仪与贝克曼梁弯沉仪共同对衡水市部分道路代表路段进行了点对点的对比检测。

1 FWD与贝克曼梁弯沉仪对比试验方法

按照《公路路基路面现场测试规程》(JTGE60-2008),首先采用贝克曼梁弯沉仪进行测试,然后以测点为圆心描绘半径为 150mm的圆,仔细将落锤式弯沉仪加载盘与圆对中,偏差控制在30mm内,每个测点以50kN±2.5kN的荷载进行两次落锤检测,分别实时记录贝克曼梁弯沉与落锤式弯沉仪的测量结果,落锤式弯沉仪数据选择两次落锤的平均值为有效落锤数据。

2 对比试验路段的选择

按照《公路路基路面现场测试规程》(JTGE60-2008)关于对比检测的要求,衡水市交通局质监站在全市范围内根据公路结构、道路使用龄期、道路使用环境等不同,分别选择了“市区南出口(2008年建设,两层水泥稳定碎石基层)”、“西环(2006年建设,二灰碎石和水泥稳定碎石基层)”、“肃临线枣强段(2005年建设,二灰碎石基层)”、“郑昔线(2006年建设,二灰碎石基层)”、“衡井线前磨头段(2009年 6月新建、二灰碎石基层)”、“保衡路西出口段(2009年新建段,水稳和二灰碎石基层)”“肃临线深州段(2002年建设,二灰碎石基层)”等七个道路的路面代表路段,每段长度在 600～1000m。

3 样本数据的处理

本次对比试验共采集 312个样本,对两种方法检测结果分析发现,西环路对比检测中,落锤式弯沉仪与贝克曼梁弯沉检测结果数据平均值和代表值相差较大。落锤式弯沉仪平均值为 12.8,而贝克曼梁弯沉平均值为 23.9。结合该段道路修建时间和所用结构层,以及现场路况分析,贝克曼梁弯沉所测数据存在较大误差。随即对该路段用贝克曼梁弯沉进行了复测,复测结果贝克曼梁弯沉平均值为 13.8。复测结果与落锤式弯沉仪结果接近,所以西环路面弯沉检测中贝克曼梁弯沉检测数据存在误差,我们在分析相关关系时舍弃了西环路面检测中采集的 58个对比数据。

4 样本数据分析

对所有采集的样本进行对比检测总体趋势分析(剔除有问题的西环路面检测数据后 6个道路路面结构层对比),得出两种检测方法的趋势分析图,见图 1。

由图 1可见贝克曼梁弯沉与落锤式弯沉仪在路面结构的测量结果具有较好的趋势。

对路面检测的数据进行落锤式弯沉仪与贝克曼梁弯沉的对比分析得出其相关性关系散点图,见图 2。

图1 落锤式弯沉仪与贝克曼梁弯沉值测量结果趋势分析图

图2 贝克曼梁弯沉与落锤式弯沉仪相关性分析

由图 2看出,综合检测路段的总体数据,在路面弯沉对比试验中,贝克曼梁弯沉与落锤式弯沉仪具有较好的相关性,通过对比试验得出回归方程

式中:LFWD、LBB分别为落锤式弯沉仪、贝克曼梁弯沉仪测定的弯沉值。其相关性系数R为 0.964(R2=0.93),符合(JTGE60-2008)规范要求(R应不小于0.9),落锤式弯沉仪可以替代贝克曼梁弯沉进行弯沉测试。

5 落锤式弯沉仪的优点

与贝克曼梁弯沉仪相比落锤式弯沉仪有如下优点:

(1)应力应变和弯沉与实际交通荷载下的结果较吻合;

(2)实验过程数据由微机自动存储,减少了人为造成检测错误的可能;

(3)减少了劳动强度,提高了检测效率,检测数据由软件评定,荷载进行归一化处理,检测结果快速准确;

(4)可以检测出弯沉盆的形状;

(5)随车配有精确的距离传感器,使检测桩号更准确,还可以同时记录具体车道位置,空气温度和路面温度等环境信息;

(6)落锤式弯沉仪对路面上同一点进行几次重复性检测的试验结果优于贝克曼梁弯沉仪。

落锤式弯沉仪模拟快速运动的汽车轮载进行路面弯沉测试,改变了传统静态测试系统的缺陷,能够反映出路面在动载作用下的实际变形情况。而且精度更高、测试速度更快。落锤式弯沉仪与贝克曼梁在相同条件下测得的弯沉值具有良好的相关性。但对于不同的结构层,在工程检测应用中,可分别统计其相关关系,根据结构层的不同选择适合的相关关系。

随着人们对落锤式弯沉仪的不断开发应用,可逐步形成一种以弹性理论为基础,动态弯沉仪为工具,由路表实测弯沉盆现场评定路面结构刚度组成的新方法。

[1] 公路路基路面现场试验规程(JTJ059-95)[S].