路基动态模量现场快速检测技术特点分析

徐 芳

（海南省公路管理局定安公路分局，海南 定安 571200）

0 引 言

《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）和《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）等规范实施后，对路基设计模量的要求由原来的静态模量转变为动态模量。路基动态模量主要可以通过两种方法获得：一是室内试验，二是现场检测。目前路基动态模量的现场检测尤其是快速检测方法主要有落锤式弯沉仪法（简称FWD测试法）、动力锥贯入仪法（简称DCP测试法）和便携式落锤式弯沉仪法（简称PFWD测试法）。本文就这三种检测方法的工作原理、测试范围和技术特点进行了全面分析，供相关检测人员参考。

1 路基动态模量现场快速检测技术特点分析

1.1 FWD测试法

20世纪80年代末，我国开始引进落锤式弯沉仪（简称FWD）。随着实践应用，FWD的价值已被广泛认可，同时也普遍应用于相关领域。FWD的检测技术不光局限于水泥混凝土路面或沥青路的检测工作，同时还应用在了路基弯沉方面的检测活动。FWD的检测技术十分优良，在进行新道路建设时，通过该技术能对路基面的施工质量进行把关，发现问题可以及时联系人员解决，同时利用FWD作为依据，还可以提升路面结构设计的速度和效果。

利用计算机进行液压系统控制质量的提升和释放重锤自由落地，可以对路基或者路面造成一定的荷载，当脉冲荷载通过一刚性圆盘，可以通过在相应面上传感器接收变形数据，这就是FWD的运行原理。因为在圆盘底部设置橡胶垫块，所以路基面的荷载会无限接近均布荷载，这种释放出的荷载值可以被仪器精准地测定到。调节荷载可以借助落锤的质量和高低数据完成。由于强烈的瞬间冲击，受荷载作用的路面或者路基会发生变形，由此产生的变化可由传感器测量到。FWD的测试装置及测试原理如图1、图2所示。

图1 FWD测试装置

因为FWD有着巨大的测试优势，所以被广泛应用在很多新道路建设等基建环节上。FWD测试法方式简单，不需各种繁复仪器到场，适用于填料路基以及各式路面结构。而且采用FWD技术进行检测，还可以了解到路基填充和压实情况，完全符合对道路建设检测的需求。除此之外，FWD通过载荷检测，会让路基面发生形变，可以更好地了解到新建道路的承载能力。目前FWD测试法被普遍用在高等级的公路工程检测活动中，其检测数据为路面工程竣工提高了速度。不过从大方向上解析，FWD测试法还是存在一定的缺点和不足：

图2 FWD测试原理

（1）FWD设备和租借使用费用高昂。如果采用普通的检测技术和仪器进行路面检测，所需花费的资金会少一些，但是采用FWD技术所需要投入的费用就比较昂贵，是普通工程队伍难以承受的。

（2）测试的荷载比较大。在实际路基工作时，其车轮的载荷力并不是很大，但是FWD的荷载数值是偏高一些的，取值为50 kN。由于路基变形的非线性因素，如果使用这个数值的冲击荷载进行检测，测到的数据不一定符合需要，所以应该探索一些适合荷载大小的测试技术。

（3）造成的塑性变形的影响。采用FWD进行测试，测出的弯沉是种变形，其中涉及弹性变形和一定的塑性变形。因为FWD的冲击荷载情况非常短暂，通常在10～30 s，因此面对刚度较大的路面结构，即使采用了FWD技术进行荷载检测，但是由于来不及作用，路面结构并不产生明显的塑性变形，实际测到的位置通常不会留下FWD承载板的印记。而对于刚度不高的土路基，FWD的检测就能够更到位一些。所以要合理分析使用何种检测方式，更符合路基回弹模量的检测情况。

（4）对动载情况的探讨。现阶段关于FWD弯沉盆反算的力学分析模式通常使用的是静力分析模型，同时均使用峰值作为荷载和位移。即进行测试时，并没有完全考虑到FWD的动载作用。

（5）进行反算的可靠性。作为基于最小二乘法基础的优化方式，反算模型的适用度很高。不管是国内还是国外，对于实测和理论弯沉间的目标函数取舍，其反算结果都存在一定的不同。而且当优化计算方式时，对模量反算的精确程度也会造成一些影响，尤其是针对路面的弯沉盆反算时，这个过程就变得更加复杂了。

总之通过FWD测试法的分析，可以看出存在以下问题需要解决：

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（1）选取合理测试荷载大小；

（2）塑性变形的影响分析；

（3）动载作用分析；

（4）反算的可靠性分析。

同时建立FWD动弯沉与贝克曼梁静弯沉和现场承载板回弹模量等之间的关系，对FWD测试结果的应用具有重要意义。

1.2 DCP测试法

动力锥贯入仪（DCP）是由上杆和下杆构成的。手柄与8 kg的落锤组成了上杆，同时经由铁砧和下杆进行连接。而下杆则是通过钢化贯入锥头以及杆尺构成。跟之前的椎贯测试有着一定的区别，DCP是不会把锥头以常规速率压到土里面的，需要借助落锤施加一定的荷载，才能到相应位置，通过计算动力贯入得出结果。这种测试方法非常经济快捷、适用度良好。此外，DCP还可用于结构层压实度检测方面（见图3）。

图3 DCP结构示意图

随着对DCP研究的深入，有的科研人员试图将DCP的试验结果与CBR试验结果建立相应的回归关系，也有科研人员将DCP的试验结果和回弹模量建立回归关系。目前美国与DCP有关的规范主要有ASTM D6951和AASHTO93规范。我国与DCP有关的规范为《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60—2008），该规范首次引入DCP测试的规范，但试验规程中仅简略介绍了试验仪器、试验方法、试验步骤、计算等相关试验情况，并没有提供关系式，只是在条文中规定须通过现场CBR试验建立与DPI的关系式。因现场开展CBR试验条件有限，要形成适合我国典型土质的回归关系式，还需进行大量现场数据积累与相关研究。鉴于当前我国针对DCP开展的研究相对较少，在实体工程试验受限时，可直接应用较为成熟的AASHTO关系式进行计算。

总之，DCP测试法简单、可靠、快捷、费用低，在国外路基土和基层材料现场质量检测中得到广泛应用。其中美国、英国、南非是应用DCP较多的国家，也是技术和经验较为丰富的国家。我国DCP测试水平距国外发达国家还有一定差距，总体上还处于初期应用阶段，只有在少数几条高速公路上得到应用，离大面积推广和应用还有很长一段距离。

1.3 PFWD测试法

便携式落锤式弯沉仪（PFWD），或称手持式落锤弯沉仪（handhold falling weight deflectometer，HFWD），或称微型落锤式弯沉仪（MFWD），属于动力检测的新式仪器。这种技术是比FWD技术更新的路基与地基承载检测方式。

PFWD测试法是经由数据采集程式和加载系统以及数据传输三个方面构成的。首先，数据采集程式是通过传感器和位移传感器以及采集装置构成，而加载系统则通过滑杆、锁定杆和橡胶块等构成。数据传输需要利用到有线数据传输设备和电脑等配置构成。

这种测试方式的运作原理是把一个10 kg的落锤提升到相应高度后，再进行自由落体。当落锤跟承载板产生作用出现冲击荷载后，在这股力的作用下承载板会发生竖向位移，而传感器就将收集到的数据记录下来，按照压力和位移的峰值得到相应的结果。

与其他现场模量测试方法相比，PFWD测试法具有以下几个优点。

1.3.1 轻便快速

通过一定的试验和分析后，发现了PFWD室内测试和承载板以及CBR检测所用到的比率。同时也得到了其他相关检测所需的对比数值，详细情况可通过表1查看。

从表1可以看出，PFWD检测路基回弹模量在需时上比承载板测试法和CBR测试法更好一些，同时也比FWD测试法和贝克曼梁法更迅速，因为使用PFWD可以直接得到路基回弹模量，而使用FWD要经过反算才能获得答案。同时除PFWD外，其他检测方法要通过多人参与才能完成，并且在检测时需要较高的配合度才能检测到精确的答案，所需花费的时间更多。因此PFWD测试法更受青睐。

表1 各种路基模量测试方法测试时间对比

1.3.2 扩展了检测范围

尽管PFWD仪器十分轻巧、造型不大，但其能更轻松地完成其他仪器难以检测到的范围。例如，现场承载板和贝克曼梁都需要通过加载车提供荷载，需要足够的场地才能够完成测试，最少用到10 m×3 m的场地，且贝克曼梁测试的弯沉受贝克曼梁支点影响。FWD现场检测需要一辆牵引车牵引并提供动力，FWD由牵引车拖行，到实际检测地点也需要足够的空间。但是使用PFWD则能够对任意场地进行检测，只要检测人员到位即可，检测点不需要十分宽阔，能容纳PFWD承载板即可，包括各种构造物的台背与路肩等特殊填土场地。因此PFWD降低了对检测场地的要求，大大扩展了检测范围。

2 结语

（1）FWD测试法适合用在很多地方，测试方法快捷，对于各种路面结构以及物料填充情况都能很好地掌握，但在选取合理测试荷载大小、塑性变形的影响分析、动载作用分析、反算的可靠性分析等方面的问题仍需解决。

（2）DCP测试法具有简单、可靠、快捷、费用低等优点。在国外路基土和基层材料现场质量检测中得到广泛应用，在我国总体上还处于初期应用阶段。

（3）PFWD测试法具有轻便快速的特点，此外这种测试用具还具备了造型轻巧、使用便利，能到达其他测试仪器无法到达的地点的优势。