落锤式弯沉仪在公路工程检测中的应用

张克永，欧东宝

（贵州省公路局试验检测中心，贵州 贵阳 550000）

0 引言

落锤式弯沉仪（Falling Weight Deflectometer，简称FWD）作为国际上较为通用的先进路面无损检测技术，能够准确测定路面的动态弯沉，同时还可以反算路面的回弹模量，因而应用较广。美国SHRP计划中也将FWD测定反算的回弹模量作为基准，用于研究公路工程材料回弹模量的室内试验方法。近年来，我国积极引进先进的公路工程路面试验检测技术，FWD因其一系列的技术优势，在我国公路工程试验检测中得到了广泛的应用。

1 落锤式弯沉仪的工作原理

落锤式弯沉仪的工作原理是：在试验检测过程中，利用计算机控制系统控制液压系统提升或者释放重锤，使得重锤作用在弹簧或者橡胶垫上，进而依靠与路面紧紧接触的承载板将重锤产生的冲击传递至路面，在计算机的控制下重锤对路面可以施加半正弦脉冲荷载，使公路路表产生瞬时变形，通过落锤式弯沉仪上在距测点不同位置上的传感器对变形进行检测，即可获得在动态荷载作用下产生的动态弯沉以及弯沉盆。图1为落锤式弯沉仪工作原理示意图。

落锤式弯沉仪作为公路工程动态弯沉的试验检测设备，由于其落锤半正弦荷载冲击与公路行车荷载类似，因而能够较好地模拟公路行车荷载，而且还可以调整加载级别。由于所有的检测数据都是通过计算机采集，因而数据采集和处理的速度快，同时能够保证测试的精度，特别适用于公路工程大规模弯沉试验检测。此外，利用落锤式弯沉仪还可以评价由多层路面结构组成的路面弯沉情况。

图1 落锤式弯沉仪工作原理示意图

落锤式弯沉仪的技术优势主要体现在以下几个方面：

（1）试验检测速度快，效率较高。弯沉仪单点测试时间均在30s(按规定锤击3次)以内，因而对于公路工程试验检测而言具有较高的效率。

（2）荷载控制准确度较高。由于落锤式弯沉仪采用目标荷载、目标高度及步长设定高度（用于脱空测试）进行试验控制，因而对于控制试验精度十分有利。

（3）试验结果的精度极高。落锤式弯沉仪荷载发生器产生的波形标准，由于使用了高性能的传感器以及高精度的仪表，因而能够控制公路工程试验检测的精度。

（4）数据处理速度快。由于落锤式弯沉仪具有专门的数据处理软件，通过数据分析软件能够实现弯沉数据归一化处理、各种误差计算、里程与桩号转化、温度修正等功能，而且还可以实现FWD与贝克曼梁法的转换，转换系数及转换后的数据精度较高，能够为公路工程路面结构以及材料设计提供准确的参数。

2 落锤式弯沉仪试验检测准备工作

（1）FWD拖车的检查

首先将落锤置于运输锁定的最高位置，然后检查中央位移传感器装置的测试杆是否伸出荷载盘底部的1～2cm左右。同时检查弹簧以及传感器装置，确保弹簧弹力适当，检查FWD加载板的提升以及下降是否顺畅，在确保能够正常操作之后，应当对FWD设备的落锤高度进行调整。通过调整落锤的重量及高度，确保落锤式弯沉仪在试验过程中能够产生满足要求的冲击荷载。

（2）FWD的试验检测准备

检查了落锤式弯沉仪的连接以及调整了落锤质量与高度之后，在前往试验检测场地之前，必须确保落锤式弯沉仪的轮胎压力适当，液压油面以及电池酸液面处于正常水平，荷载盘能够正常旋转，同时重点检查拖车与牵引车之间的锁定连接，确保落锤式弯沉仪处于运输锁定状态并将FWD拖车的手刹完全松开。在牵引行走过程中，应该将牵引行走速度控制在50km/h以下。

3 落锤式弯沉仪检测路基路面弯沉值

（1）测点的布置

在需要测试的公路路基或者路面表面层布置测点。测点的位置应该根据实际需要确定。对于公路工程路面表面的弯沉测定，宜将测点布置在路面的行车道轮迹带上，同时也可以采用距离传感器进行定位。在将落锤式弯沉仪牵引至测定地点之后，即可打开仪器设备进入工作状态，同时再次对设备的使用性能进行现场检查，确保各项技术指标满足要求。

（2）FWD的试验检测

在试验过程中，调整落锤式弯沉仪的承载板中心位置使其对准测试点，在承载板自动落下之后，将落锤式弯沉仪的各个传感器放下。之后开启落锤装置，落锤瞬时自由下落并对承载板产生一定的冲击力，之后便会自动提升至原来的高度。传感器能够自动检测到落锤冲击产生的荷载引起的路面结构层表面的变形，同时还可以及时将路面结构层表面的位移变形情况输入至控制计算机之中，即可得到变形峰值并获得路面的动态弯沉盆。在试验过程中，应该对同一测点进行至少三次的冲击试验，并将除第一次之外的测试值的平均值作为计算依据。在对某一测点完成试验检测之后，便可提升落锤式弯沉仪的传感器以及承载板，继续其他测点的试验检测。

（3）FWD试验结果对比

为了确保落锤式弯沉仪试验检测的精度，在利用落锤式弯沉仪进行公路的弯沉试验检测过程中，应该选择贝克曼梁弯沉仪进行对比试验分析。需要注意的是，必须确保落锤式弯沉仪的冲击荷载与贝克曼梁弯沉仪测定车的后轴双轮荷载相同。首先在落锤式弯沉仪试验拖车离开之后，对测点位置进行标定，然后按照试验检测技术规程规定的方法采用贝克曼梁进行同一测点的试验检测。在试验过程中，应该准确控制同一测点的位置，将偏差控制在3cm以内。为了提高对比的准确性，落锤式弯沉仪试验检测与贝克曼梁测试之间时间间隔应该控制在10min以内。在获得试验结果数据之后，按照公式Lb=a+BLFWD（Lb为贝克曼梁完成值，LFWD为FWD弯沉值）进行回归分析，确保相关系数在90%以内。

4 水泥混凝土路面的落锤式弯沉仪试验检测

在进行水泥混凝土路面调查时，同样可以采用落锤式弯沉仪进行试验检测。如果是对水泥混凝土路面的接缝传荷能力进行调查，则可以将测点布置在水泥混凝土路面面板接缝一侧，传感器布置在接缝两侧。如果是对水泥混凝土路面的板底脱空进行调查时，测试点的位置则应该随机选择，以确保测试的全面性。在测试过程中要准确记录测点的弯沉及弯沉盆数据，同时对测试结果的平均值、标准差以及变异系数等进行分析，然后按照传感器测定的变形值的差异以及弯沉盆的形状，对水泥混凝土路面的接缝传荷能力以及板底脱空进行准确的评价判断。

5 结语

FWD作为国际上先进的路面无损检测设备，尤其是在对路面结构承载能力指标的测定上，相比传统的贝克曼梁等静态检测设备，具有显著的精度优势。因此，在公路工程试验检测中，应该优先选用FWD作为试验检测手段，同时严格按照相关技术规程要求进行操作，为公路工程质量评定提供准确的试验检测数据。

[1] 姬亦工，王复明，郭忠印.基于落锤式弯沉仪（FWD）动态数据的路面模量反演方法[J].土木工程学报，2002（3）：31-36.

[2] 裴飞鹏，王雪枫，王东翀.便携式落锤弯沉仪与贝克曼梁在路基检测中的相关关系研究[J].内蒙古公路与运输，2007（2）：12-13.

[3]张向阳，王光明.FWD和贝克曼梁在路基弯沉检测中的相关性分析[J].中南公路工程，2004（2）：76-78.