落锤式弯沉仪在公路检测中的应用研究

张燕

摘 要： 在公路工程中，检测是不可缺的重要工作之一.如果公路结构出现病害问题，轻则会影响行车舒适性，严重时会引起交通安全事故。为此，应当定期对路面结构进行全面检查，借助无损检测技术，了解路面结构的实际状况，给病害问题的处理提供依据。借此，下面依托车载落锤式弯沉仪（FWD），展开其在公路工程检测中的运用探究。

关键词： 落锤式弯沉仪;公路检测;无损检测

【中图分类号】U412     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.30.157

引言：在公路建设里程不断增加的同时，受行车荷载、自然环境等多种因素限制，大量路面出现了不同程度的早期病害，如裂缝、坑槽、车辙等，严重影响了路面结构使用性能，导致路面过早进入维修养护期。为准确了解路面使用情况，路面强度检测成为检测工作的关键。无损检测是一种不破坏路面结构的检测技术，已成为路面结构性能检测的重要手段。弯沉检测是路面养护当中最重要的一项指标，其目的是为了检测路面强度，了解道路使用性能，为后期养护提供可靠的数据支持，从而保证行车舒适性和安全。

1 FWD应用原理

落锤式弯沉仪是指通过计算机控制液压系统，将其重锤提升至一定高度并自由下落，对路面施加脉冲荷载，此荷载脉冲可模拟行驶过程中车轮荷载的影响作用。由FWD测试原理可见，在一定范围内可通过改变重锤提升高度的方式来实现调整荷载大小的目的。利用重载荷载传感器能够测定出施加荷载的大小，由承载板（Ф300mm）向路面传递，产生路面变形，通过若干个传感器测定变形情况，并利用计算机系统采集，换算获取所有测点的弯沉值，此外，还应绘制“弯沉盆图”，最终对路面结构进行评价。相比其他检测仪器，落锤式弯沉仪的特点为精度高、测速快、可模拟行车荷载动力作用。同时，还能准确测定出多点弯沉，能够精确地将各级荷载作用下的路表面动态弯沉曲线测量出来，真实、客观地反映弯沉盆的情况。作为一种高效的无损检测设备，落锤式弯沉仪是较为理想的一种检测仪器，可以消除梁式弯沉仪存在的不足，由于其自身重量小，还能克服稳态动力弯沉仪存在的静力预载问题。在公路检测中，FWD的优越性主要体现在以下2点。1）按照弯沉盆进行路面结构各层模量反算，研究使用过程中路面材料的性能变化，提供技术参数。2）在路面强度测定和评价中，可将FWD的弯沉盆看作是一项重要指标，为公路后期养护维修提供数据支持。

2 弯沉盆的应用优势及几何特性

2.1 优势

在道路工程中检测挠度值的过程中，落锤挠度计是一种相对先进的测试设备。与传统的挠度检测设备相比，检测优势主要体现在以下几个方面：（1）检测效率高，速度快。下降的重量偏转器涉及以下过程：放置板，降低重量，抬起锤子和抬起板。检测时间通常为40秒左右，现有的检测时间为3分钟左右，因此大大提高了该方法的检测效率[1]。（2）检测精度高。在跌落过程中偏转设备的检测过程中，负载生成器的波形标准受诸如传感器，仪表等因素的影响。由于在跌落过程中偏转装置的传感器和仪表的高精度，因此该方法用于检测。该过程的波形标准也比较高，因此可以有效地提高检测精度。（3）负载控制精度高。落锤式弯沉仪中使用的目标载荷精度高，有效提高了载荷控制标准。（4）较少受到外界因素的干扰。在检测过程中，落锤偏转设备受人为因素和环境因素的干扰较小，属于自动检测装置。贝克曼梁手段在传感过程中则受到了人、风和其它环境因素的严重影响。（5）数据的重复性和再现性高。该特征使得在检测过程中下落的物体偏转设备的检测误差相对较小。

2.2 几何特性

FWD实测弯沉盆曲线内涵盖了大量路面结构强度数据，在现阶段FWD研究当中，FWD弯沉盆参数可直接用于路面结构状况评价[2]。然而，弯沉盆参数在建立中，将会遇到弯沉盆曲线拟合模型情况，模型是否合理，势必会对评价效果造成影响。为此，必须重视拟合模型。弯沉盆曲线基本等同于一个凹曲线，距离越远，弯沉值越小，据国内外大量研究分析，认为效果最好的为二次分式曲线拟合效果，即二次分式曲线y=a/（1+bx2）。除弯沉盆曲线拟合外，还可以通过其他弯沉盆几何尺寸指标，如面积指数（RAi）、形状系数（Fi）、表面曲率指数（SCI）、弯沉比（Qi）、曲度指数（Ci）、倾斜指数（Si）、倒数（Ii）等，从各个角度反映弯沉盆的不同特性，并用于统计分析路面结构强度的几何性质，用于路面强度评价。

3 落锤式弯沉仪在公路检测中的作业程序

3.1 前期準备

准备工作是后期落锤式弯沉仪顺利进行的关键，主要包括两个方面。（1）用落锤式弯沉仪检查拖车。在此过程中，相关人员必须将下降的重量放在运输锁的最高点。检查中央位移传感器装置的测试杆与压板底部之间的距离，并检查测试杆距地面的距离是否超过1-2 cm。检查弹簧和传感器。设备的特定位置可确保弹簧在感应过程中对弹力有良好的控制。确保下降重量偏转机构的加载板的升降平稳。在确认这些检查项目能够满足落重偏转装置的实际要求之后，有必要科学地调整落落物体的高度和重量，以确保测试过程中冲击载荷的科学性[3]。（2）测试和测试准备。调整落锤偏转仪的高度和质量后，需要在到达测试地点之前测试轮胎压力，以确保电池酸液位保持在正常检测水平并且压板旋转良好。

3.2 测试步骤

落锤式弯沉仪的测试过程主要包括三个步骤：（1）安装并放置负载支撑板和传感器。在放置轴承板的过程中，必须使轴承板的中心点与测量点保持一致，以使其可以自由落下，并且在此过程中，还必须放置传感器设备。（2）启动落锤装置。在启动设备之前，相关人员必须根据下落高度的特定要求逐渐增加重量。激活落锤装置后，跌落附加功能逐渐显示为自由落体状态。在这种运动状态下，沉重的锤子会在轴承板上产生一定的冲击载荷，并且沉重的锤子会在掉落之前逐渐提升到位。重锤将重锤返回其原始位置，并且经历了三次自由落体运动后，重锤的工作状态逐渐稳定，此时相关人员必须立即固定重锤[4]。（3）记录检测值。由于重锤将恒定的冲击载荷施加到轴承板上，因此传感器可以获取实时数据，例如当重锤移动时在冲击的影响下结构层的表面变形。最终，所获取的传感数据以位移数据信号的形式传输到计算机系统，并且路面挠度是这些数据的峰值。每次测量应进行3次。最终检测数据是第三次检测结果或第一次清除。测试数据后，我们取两次测试的平均值。完成一个测量点的检测后，需要提起负载支撑板和传感器，并将下降的重量挠度计移动到另一个测量点以进行检测。

3.3 数据分析和评估

落锤偏转设备的检测包括相对多的点检测，以便相关人员可以根据数据分析和评估结果分析路面曲率，并在检测过程中对路面偏转数据进行综合评估。沉指标是综合衡量的，为了保证测试结果的准确性和有效性，可以对贝克曼梁和落锤式弯沉仪的测试结果进行全面比较[5]。这意味着贝克曼梁偏转测试仪可用于测量车辆后轮的双轴载荷。它与下降量偏转计的重量的冲击力保持相同。如果载荷参数一致，则校正先前的液滴偏转仪的测量区域，然后使用贝克曼梁法测量同一点以确定检测误差，并将检测误差控制在合理范围内。

4 落锤式弯沉仪在公路检测中的应用

4.1 沥青混凝土路面的应用

4.1.1 测点布置

在检测沥青混凝土路面的挠度值的过程中，必须首先对测量点进行科学的布置。测量点的放置应根据项目的实际情况而定，通常放置在道路车道的车轮履带上。检测过程使用传感器来查找和获取道路偏转指标。

4.1.2 测试工作

调试期间，必须根据实际调试情况实时调整下落重量偏斜规轴承板的位置，以使其位置与测试点匹配。当支撑板的位置与测试点对齐时，降低传感器并启动下落装置，以实现下落重物的自由下落运动[6]。如果在落锤移动时产生冲击力，请抬起并调整落锤。落锤移动时，传感器可以实时获取结构层的位移和变形，然后获取路面的动态挠度盆地。

4.1.3 结果比较

在使用落锤式弯沉仪检测变形值的过程中，有必要提高测试结果的准确性，因此需要与贝克曼梁测试进行同步比较。在比较过程中，有必要保持后桥双轮载荷和冲击载荷的一致性，只有在证明载荷相同的情况下，试验结果才会更加相似。

4.2 水泥混凝土路面的应用

落锤式弯沉仪还可用于测试水泥混凝土路面的板底脱空，为水泥混凝土路面的养护处置提供依据。水泥混凝土路面板底脱空存在严重影响其使用性能和疲劳寿命，也是沥青层加铺前旧水泥混凝土路面处治中最难处治的一类病害，为做好路面的脱空处治需完成路面水泥板脱空的测试和判别。公路水泥混凝土路面设计规范要求利用落锤式弯沉仪进行多级加载测试脱空，弯沉测试期间的温度状况，对于脱空测试来说尤为重要。试验证明，当板块表面温度高于板底温度时，板中会出现凸起，板角下挠，板角下挠中和了板角脱空，弯沉值随着温差的增大而变小，从而影响脱空的判定;当板块表面温度明显低于板底温度时，板块会发生翘曲，即使没有任何地基问题，大量的脱空还是会在板角处出现，从而增加了脱空的误判。因此，进行脱空测试时，要选择合适的天气很重要。本试验可采用截距值判断板底脱空时，应测试板角弯沉，并对同一测点施加3级荷载进行测试;采用弯沉比值判定板底脱空时，应采用同一恒定荷载对板角、板中和板边进行弯沉测试。

4.3 路基方面的应用

市政工程在市区内作业，影响因素很多，有时需要分块分段施工，对道路的整体性带来了很多挑战，漏压欠压拌和不均匀等现象时有发生，怎样控制其质量呢？FWD就起到了质量卫士的作用。对已完工的路段做弯沉检测，在某地方弯沉值突然变大有可能就是欠压漏压的地方;弯沉值波动比较大或时大时小，有可能是拌合不均匀或布料不均匀或有夹层引起的（夹层是道路最大的隐患）;弯沉值整个施工路段都很大，有可能是偷工减料或养护不当造成的。影响道路质量的因素错综复杂，怎样逐一排除呢，部分企业在这方面遵循着一个原则是：无机结合料的含量滴定合格后再碾压，压实度检测合格后再做弯沉，弯沉不合格处必返工。“弯沉不合格处必返工”很有震慑力的，能潜意识地激发工作人员的积极性、责任心。这几年道路质量明显提高，FWD起到了关键作用。

5 落锤式挠度计的应用前景

落锤偏转仪可以很好地模拟实际行驶在路面上的效果，因此可以获得真实的道路承载能力，并且可以在项目建设以及运营和维护中发挥重要作用。

5.1 路面施工质量检查

道路施工完工后，应检查施工质量，以确保施工符合设计要求和操作要求。可以对每一层铺装道路的施工质量进行检查和评估，并及时发现质量低下的隐患，可以快速，准确地识别路面强度，并可以有效地管理施工质量。

5.2 养护检查

在道路运维过程中，定期对路网系统进行全面检查和结构性能分析，积累养护管理数据，科学制定养护技术计划，并投入各种养护资金。并合理分配资金。有效地应用它并充分利用正确的效果。

5.3 路面改造检测

最初在中国建造的许多道路和铺装道路已经运营了很多年，其中大多数患有严重的病害。这些病害无法通过简单的维修来解决，但必须完全重建和翻新[8]。落锤挠度测试仪可让准确测试路面强度并确定剩余承载力，因此可以根据道路运输要求确定合理的道路重建计划并优化人行道结构设计，以减少工程成本并保证最佳道路性能。

5.4 基于动力的道路路面研究

当前的道路路面设计方法仍然采用静态设计概念，没有考虑运行载荷对具有明显缺陷的道路路面的动态影响。落锤式挠度仪直接模拟了行驶的静态和动态效果，与实际效果更加吻合，可以考虑动态效果，更加科学合理。

结语：近年来，随着公路工程项目的增多，落锤式弯沉仪在公路检测中得到了日益广泛的应用。作为一种新型的检测设备，落锤式弯沉仪具有较高的检测效率和检测精度，其检测结果可用于弯沉值的有效控制。

参考文献

[1] 谢荣辉.FWD落锤式弯沉仪在道路检测中的运用研究[J].人民交通，2019（06）：68-69.

[2] 谢振华.落锤式弯沉仪在水泥混凝土路面检测中的应用[J].建筑技术开发，2019，46（10）：130-131.

[3] 楼骏翔.手持式落锤弯沉仪用于路基彎沉验收的初步探究[J].广东建材，2019，35（01）：21-22.

[4] 王海春，胡超.落锤式弯沉仪传感技术的开发与应用[J].科技经济导刊，2018，26（34）：32-34.

[5] 黄建东，谷丰，陈洁，洪陈杰.车载落锤式弯沉仪在公路无损检测中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2018（15）：84-85.

[6] 梁慧男.落锤式弯沉仪（FWD）在市政道路检测中的应用[J].绿色环保建材，2018（04）：112+114.

[7] 吴娟，陈化祥，杨世峰.高速激光弯沉仪与落锤式弯沉仪的对比分析[J].公路交通科技（应用技术版），2018，14（03）：73-74+192.

[8] 王伟.落锤式弯沉仪在公路基层施工质量检测中的应用[J].华东公路，2018（01）：51-52.