回弹弯沉检测技术在公路承载力评估中的应用研究

张东琴

摘要 为研究回弹弯沉检测技术在公路承载力评估中的应用，提高公路承载力评估的准确性，文章针对回弹弯沉检测技术的基本情况，分析其应用现状，对比静态弯沉检测方法与动态弯沉检测方法，尤其是对其中的贝克曼梁装置与落锤式弯沉仪展开了性能分析，分析回弹弯沉检测技术在施工控制与验收、路面结构设计以及旧路补强设计方面的应用。

关键词 回弹弯沉检测；公路；承载力评估；贝克曼梁装置；落锤式弯沉仪；施工控制

中图分类号 U41文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0107-03

0 引言

各种车辆行驶产生的荷载以及公路路基的自身重量所产生的荷载均施加在公路路基上，所以公路路基必须具有较大的承载力，才能满足公路建设要求[1]。通过计算回弹弯沉值可以评估公路路基承载力，计算回弹弯沉值有静态与动态两种检测方法，静态弯沉检测方法包括自动弯沉仪、贝克曼梁装置等；动态弯沉检测方法包括稳态动态弯沉仪、落锤式弯沉仪等[2]。工程上广泛应用静态弯沉检测方法中的贝克曼梁装置，但是其存在速度慢、检测结果不准确等问题[3]。因此研究回弹弯沉检测技术在公路承载力评估中的应用研究，对落锤式弯沉仪进行深入研究，以提高公路承载力评估的速度与准确性。

1 回弹弯沉检测技术在公路承载力评估中的应用研究

1.1 回弹弯沉检测技术概述

车辆在运行过程中受车轮荷载作用而使公路路面出现垂直位移的现象，被称作弯沉。回弹弯沉检测值能够检测公路路面抗压强度，也可以评估公路承载力[4]。

车辆对公路施加的荷载会使公路产生沉降变形，当车辆离开公路路面时，公路不再承受车辆的荷载，因此路面会向上回弹，整个过程中公路产生的变形值即为回弹弯沉值[5]。

1.2 回弹弯沉检测技术在公路路基承载力评估的应用现状

公路施工人员能够通过回弹弯沉值对路基的刚度、强度以及承载力进行评估，以此为基础推断此时公路质量以及后续使用寿命。回弹弯沉值越大，说明此时公路路面变形程度较大，公路路基承载力降低，公路的运输能力也降低。影响公路路基的回弹弯沉值的因素如下：

1.2.1 弯沉标准

为满足新型运输形式的要求，对于车辆实行新的弯沉标准测试，检测车辆的单轮传压面与轴重等。在符合规定的基础上提高车辆的自身性能，提高最终回弹弯沉检测值的准确性。

1.2.2 温度影响系数

在计算回弹弯沉值时，要依据温度的变化时刻调整公式中的温度系数，以此提高回弹弯沉检测值的真实性。

1.2.3 人员因素

建设人员在公路路基路面施工过程中所采用的操作方法、步骤以及自身专业素质均会对回弹弯沉检测结果产生影响。若出现误差较大的情况，公路的路基质量将存在隐患，致使公路在运行过程中的安全性较低。

为确保公路路基承载力评估的准确性，要避免回弹弯沉值受弯沉标准、温度影响系数以及人员因素的影响，因此要明确回弹弯沉值的检测主要方法、作用原理以及实际应用控制等方法。

1.3 回弹弯沉主要检测方法

1.3.1 静态弯沉检测

（1）贝克曼梁装置。公路路基进行静态弯沉检测常采用的装置是贝克曼梁，该装置的具体检测方法为通过不同载重的车辆对公路路基进行分级加载，通过百分表来获得公路路面回弹弯沉值。该方法具有效率高、操作简单等优势。通常测定公路路面的总弯沉可以采用前进卸载法與后退加载法。车辆在公路上匀速行驶，当车辆经过贝克曼梁的端头时，记录此时百分表的最大值。当车辆驶出公路路面时，再次记录百分表的数值，将此时百分表的数值与最大值进行对比，两者的差值二倍即为公路路基的回弹弯沉值。

（2）自动弯沉仪。自动弯沉仪是在贝克曼梁的基础上研发而来，车辆在公路上缓慢前行，当后轴双轮经过自动弯沉仪的检测头时，位移传感器会实时记录公路路基的弯沉变化，将车速提到原来的二倍继续向下一个检测点前进，然后记录检测数据，对于其他静态弯沉检测设备来说，自动弯沉仪能够持续测定弯沉值，并能完成检测结果的自动记录。通常情况下，可将检测车辆的行驶速度控制在3～5 km/h。

1.3.2 动态弯沉检测

动态弯沉检测是一种无损检测技术，目前常见的动态弯沉检测装置为脉冲动力弯沉仪，脉冲动力弯沉仪也被称作落锤式弯沉仪。动态弯沉检测通过压力传感器可以检测到准确的荷载时程与大小，若改变重锤的高度与重量能够调节荷载的大小。公路路面或路基受到冲击荷载时会瞬间变形，而时间与路程的变化、动态弯沉盆的变换均可通过所对应的弯沉传感器检测到。

可通过落锤式弯沉仪检测到的回弹弯沉对公路路面的回弹模量进行反算，评估公路承载力可以将回弹模量作为标准。现阶段落锤式弯沉仪的主要构成部分包括拖车体与牵引车，拖车体由承载板、弯沉盆测梁、液压升降架、传感器以及落锤等装置组成，用于对公路路面的回弹弯沉进行检测。在牵引车上安装电源控制系统与计算机控制系统，能够远程操控牵引车。拖车体中的弯沉盆测梁上共安装9个速度型传感器，总梁长大约3.5 m，其与承载板的距离分别为0 cm、15 cm、30 cm、50 cm、75 cm、100 cm、130 cm、175 cm、210 cm，因此每次落锤式弯沉仪检测均可获得9个弯沉值。落锤重为50±2.5 kN，承载板是由两块对称的橡胶板与钢板组成的复合板。

当公路路面温度为t时，落锤式弯沉仪检测到的回弹弯沉值lt的计算公式为：

lt=2（L1?L2） （1）

式中，L1——车辆经过贝克曼梁的端头时百分表的最大读数；L2——车辆驶出公路路面时百分表的最终读数。公路检测路段的计算弯沉值l0为：

l0=lt+ZaS （2）

式中，Za——保证率系数；S——公路检测路段内实测弯沉的标准差。

落锤式弯沉仪检测到的公路路面的回弹模量E0的计算公式为：

式中，a——弯沉系数；P——车辆车轮对公路路面施加的平均垂直荷载（MPa）；δ——车辆双圆荷载单轮传压面当量圆的半径（cm）；μ——路基的泊松比。不同传感器下路基的回弹模量E1的计算公式为：

式中，b——落锤式弯沉仪荷载盘半径（mm）；σ0——荷载板下落锤式弯沉仪冲击荷载的压力最大值（kPa）；dr——与落锤式弯沉仪荷载盘中心相距r的传感器最大弯沉值（μm）。

通过式（1）～（4）能够计算出公路路面的弯沉值与回弹模量，通过最终回弹模量结果评估公路承载力。

1.4 回弹弯沉检测的应用

1.4.1 施工控制与验收的应用

回弹弯沉检测技术在施工控制的应用主要体现在，公路建设者为定期检测公路工程的质量，在公路施工过程中采用回弹弯沉检测技术对公路承载力进行评估，最终通过评估结果对公路的整体状态有一个完整的了解。对于满足合同要求刚度、强度的公路准予通过；未满足道路建设要求的公路，则进行返工修复，以此提高公路整体质量。回弹弯沉检测技术在施工验收的应用主要体现在，公路项目完成后，还需采用回弹弯沉检测技术进行进一步检测。通过在施工控制与验收过程中的两次检测，能够完全把控公路的整体质量，为后期公路是否开放使用以及后期管理提供依据。经过多次严谨的检验与测试，能够建设出满足国家质量标准要求的公路，其具有较高的安全性与较长的使用寿命。

1.4.2 路面结构设计中的应用

公路质量检测包括许多方面，其中对公路进行回弹值测量与垂直变形检测是极为重要的。基于实际案例进行分析：该公路为四车道，且该公路的交通量在使用期内迅速上升，年平均增长率已达到10%，因此需要基于该公路行驶车辆的车型与交通量计算公路路基的回弹弯沉，来评估该公路的承载力是否能够满足交通量与车型的要求，公路路基的回弹弯沉即为公路的强度与刚度，若所计算的回弹弯沉值正好符合公路的塑性要求，那么说明设计的公路具有较大的可承受性与抗疲劳性。因此将回弹弯沉测量技术应用于路面设计中是极为重要的，能够更加准确地反映该公路的使用情况，并为建设人员设计更高水平公路提供参考。

1.4.3 旧路补强设计的应用

经过长年累月的使用后，旧公路的刚度和强度有所降低，路面会遭受一定程度的损坏，且其在车辆外力作用下，承受力也大幅下降，很有可能不再符合人们对于公路的使用要求，因此需要对旧公路进行修补改进。通过回弹弯沉检测方法能够判定旧公路的损害情况，若最终计算获得的回弹弯沉检测值极大，说明该公路的受损程度较大，需要进行大面积的修补；若最终计算获得的回弹弯沉检测值较小，说明该公路的受损程度较小，仅需要进行小范围的修补。通过回弹弯沉检测技术能够准确检测公路受损情况，为后续补救措施提供参考，避免浪费人力与物力。

2 实验结果

对比贝克曼梁装置与落锤式弯沉仪之间的性能发现，在技术方面，落锤式弯沉仪的优越性更多且应用范围更广，但长期以来我国公路回弹弯沉检测经常采用贝克曼梁装置，而该文采用无损的落锤式弯沉仪，因此采用实际案例对上述两种方法进行对比分析。

以我国东部沿海地区某高速公路为例，这条公路全长约150 km，连接A市和B市，是双向六车道，设计时速高达120 km/h。路面材料选用的是高质量的沥青混凝土，确保了良好的防滑性和耐久性。自2018年通车以来，这条公路一直承载着大量的车流，包括频繁的重型货车。由于车流量大且运营多年，部分路段出现了一定的损坏，需要进行全面的承载力评估。考虑其在我国东部沿海地区的战略地位和重要性，对该高速公路进行承载力评估是至关重要的。通过对路段的实地考察和检测，可以更准确地评估其实际承载能力，为未来的维护和改造提供科学依据。同时，这也将有助于保障车辆行驶的安全和顺畅，提升该地区的交通运营效率。

实验方法：采用贝克曼梁装置对公路的回弹弯沉值进行检测，然后对公路进行落锤式弯沉仪测试，测试要求必须以公路检测点为圆心画出一个半径为150 mm的圆，并使落锤式弯沉仪的加载盘与圆相对齐，并对每个测点施加50 kN的力，进行三次落锤测定，实时记录落锤数据。

在水泥稳定层进行对比试验，该文共选择公路中的六段进行对比分析，即K0+220～K0+620段、K1+340～K1+740段、K2+100～K2+500段、K3+240～K3+640段、K4+240～K4+640段以及K5+200～K5+600段。最终对比结果相关性分析如表1所示。

根据表1可知，在这六个路段中，贝克曼梁装置与落锤式弯沉仪之间具有较高的相关性，且相关性均高于0.902 5，符合相关要求，因此可以采用落锤式弯沉仪代替贝克曼梁装置，模拟车辆在公路路面上的行驶状态，不会对公路路面与路基造成损坏。

3 结论

弯沉是公路建设中极为重要的指标，目前大多数研究均通过回弹弯沉值评估公路承载力，回弹弯沉值与公路承载力成反比例关系，因此回弹弯沉值越大，说明该公路承载力越小；反之回弹弯沉值越小，说明该公路承载力越大。回弹弯沉检测技术在公路建设中有广泛的应用，多用于施工控制与验收、路面结构设计以及旧路补强设计等方面，因此需要合理选择回弹弯沉检测方法。贝克曼梁装置与落锤式弯沉仪的相关度极高，说明落锤式弯沉仪能达到贝克曼梁装置的检测效果，但是落锤式弯沉仪的速度更快，所以该文选择落锤式弯沉仪作为回弹弯沉检测的方法。随着科技的进步，回弹弯沉检测技术有望进一步智能化，减少人为操作的误差。例如，可以利用机器视觉和人工智能技术对路面进行实时、自动的检测和分析，提高检测的准确性和效率。同时，由于单纯依赖回弹弯沉值来评估公路承载力可能不够全面，未来可能会结合其他相关参数，如路面的材料性质、车流量、载荷分布等，进行多参数综合评估，以更准确地反映公路的实际承载能力。通过持续的研究和创新，可以期待这一技术在保障道路安全、提高交通效率以及促进环境保护方面发挥更大的作用。

参考文献

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