高速公路交（竣）工项目中沥青路面弯沉检测研究

摘要：为了研究落锤式弯沉仪在沥青路面弯沉检测中的有效性，提高道路交（竣）工验收的检测质量和效率，文章通过对比贝克曼梁法与落锤式弯沉仪法的检测原理，总结落锤式弯沉仪的应用优势；结合南宁—湛江公路No.1标段的检测段任务，分析Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪的结构组成、技术参数、工作原理、操作步骤等。经过应用检测，该标段所有沥青路面的代表弯沉值均小于设计弯沉值，满足道路交（竣）工验收标准。该研究可为道路沥青路面工程质量初步评价提供依据。

关键词：落锤式弯沉仪；弯沉检测；高速公路；沥青路面

中图分类号：U416.217" " "文献标识码：A" " " 文章编号：1674-0688（2024）04-0120-04

0 引言

路面弯沉是指在标准车载荷作用下，路面表面的竖向位移，主要用来表征道路路面结构强度，是评价路面综合承载能力的核心检测项目［1］。对新（改）建道路路面进行弯沉检测的目的是给工程项目交（竣）工验收提供数据资料，按照全线路面弯沉数据资料，分标段评定路面的综合承载能力。《公路沥青路面设计规范》（JTJ 014—1997） 中明确规定，在道路交（竣）工验收时，若以设计弯沉值作为交（竣）工验收的弯沉标准值，则路面代表弯沉值必须小于设计弯沉值。在路面弯沉检测中，常采用的传统检测方法为贝克曼梁法，该方法在实际应用中存在操作繁杂、检测效率低等问题。相比而言，落锤式弯沉仪法（FWD）具有操作简单、检测效率高等优势，因此已经逐渐成为道路交（竣）工验收采用的主要检测手段。在落锤式弯沉仪的应用研究中，刘淑琴［2］以某公路工程为例，详细分析落锤式弯沉仪的优势、工作原理以及应用步骤；金雄［3］在分析落锤式弯沉仪工作原理的基础上，探讨落锤式弯沉仪检测的应用优势及作业程序；谢荣辉［4］全面介绍落锤式弯沉仪在道路弯沉检测中的操作要点，并验证落锤式弯沉仪法比贝克曼梁法具有更大的优势。本文在前人研究的基础上，以具体的工程案例为依据，对Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪在路面弯沉检测中的应用进行研究，以验证该方法的优越性。

1 贝克曼梁法与落锤式弯沉仪法对比

在道路路面弯沉检测中，传统方法以贝克曼梁法为主，但随着科学技术的进步，落锤式弯沉仪法逐渐发展为成熟的弯沉检测技术，并广泛应用于各种等级道路路面的弯沉检测中。

1.1 贝克曼梁法

1953年，美国首次将贝克曼梁法应用于道路路面弯沉检测，该法属于最早的静力弯沉检测方法。贝克曼梁法在中国的应用始于20世纪60年代，并一直沿用至今［5］。贝克曼梁法采用的是杠杆原理，检测过程如下：在路段的测试位置上，放置符合标准轴载（100±1 kN）的汽车，汽车后轮置于道路行车轮迹带上；在后轮轮隙中插入贝克曼梁，柱臂不能碰到后车轮，并与汽车行驶方向保持一致；贝克曼梁后臂与百分表接触，测头位于轮隙中央前方3～5 cm处，读取百分表读数；随着汽车缓慢前进，百分表颠倒方向转动，当百分表终止转动后，读取百分表读数，以百分表前后2个读数之差的2倍作为道路路面的回弹弯沉值。路面回弹弯沉值的计算公式为

[lt=（l1-l2）×2]" " " " " " " " " " " " " （1）

其中：[l1]为贝克曼梁测头位于轮隙中央时百分表的读数，0.01mm；[l2]为百分表终止转动时百分表的读数，0.01mm。此时，求得的路面回弹弯沉值需按温度值进行修正计算，计算公式为

[l=lt×K]" " " " " " " " " " " " " （2）

其中：[l]为修正后的沥青路面弯沉值，0.01mm；[K]为温度修正系数。

弯沉值的计算公式为

[lj=l-+s]" " " " " " " " " " " " " "（3）

其中：[l-]为回弹弯沉值的算术平均值，0.01mm；[s]为回弹弯沉值的标准差，0.01mm。回弹弯沉值的算术平均值和标准差的计算公式分别为

[l-=lN]" " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

[s=（l-l-）N-1]" " " " " " " " " " " " " "（5）

其中，N为测点的总数。

通过上述贝克曼梁法的弯沉检测原理可以得出，贝克曼梁法存在一定的局限性，主要表现在以下几个方面：①贝克曼梁法以人工操作为主，可靠性不足，效率低，检测人员工作强度大。②支点变形的修正难以确定，检测结果的准确性易受支点变形的影响。③检测结果的全面性不够，仅反映了静载汽车荷载下道路路面的回弹弯沉值，无法评价道路路面在动载汽车载荷下整体弯沉盆的形状和动态特性。④对于大范围道路路面的长期跟踪观测的适用性较低。

1.2 落锤式弯沉仪法

20世纪70年代后期，丹麦与瑞典首先研制与应用落锤式弯沉仪法。发展至今，落锤式弯沉仪法已成为路面状况无损检测的主要手段［6］。应用落锤式弯沉仪时，落锤能产生半正弦波荷载，该荷载能真实地模拟动载汽车载荷对路面的作用，并且半正弦波荷载的级别可以根据路面通行状况进行调整。落锤式弯沉仪法按落锤形式的不同，可分为单锤和双锤2类。单锤落锤式弯沉仪可产生双峰荷载时程曲线，双锤落锤式弯沉仪可产生抛物线荷载时程曲线，数据的可靠性更高。落锤式弯沉仪法按运载形式的不同，可分为拖车和车载2类。拖车落锤式弯沉仪需适配牵引车，电能由车架上的蓄电池提供，此类落锤式弯沉仪在路面弯沉检测中较为常见；车载落锤式弯沉仪以中型面包车为主，在车内安装各类检测仪器。

落锤式弯沉仪弯沉检测原理如下：当落锤撞击路面的一瞬间，传感器会采集路面各个部位的变化量，经过汇总后由计算机对变化量进行自动运算分析，再经过反算得到动态模量，获得反映路面强度的检测结果。其中，路面顶面当量回弹模量反算公式为

[Ed=176prl0]" " " " " " " " " " " " " " " " "（6）

其中：[Ed]为当量回弹模量； [p]为承载板施加荷载，MPa；[r]为承载板半径，mm；[l0]为落承载板中心点弯沉值，0.01mm。

从落锤式弯沉仪的弯沉检测原理可以看出，落锤式弯沉仪法克服了贝克曼梁法存在的局限，具有更明显的优势：①落锤式弯沉仪可以自动化地完成温度修正计算，减少了人为因素造成的偏差，作业效率更高，较大程度地降低了检测人员的工作强度。②路面各个部位的变化量由高精度的传感器直接获取，检测数据准确性高，更具有分析价值。③采用动态弯沉检测的方式能有效地模仿动载汽车载荷的动力作用，并且可以进行多点弯沉检测，信息量更全面。④针对单个检测点而言，可在30 s内完成检测，并且能够准确评价检测点的强度和刚性指标；针对整个路面而言，能全方位、综合性地评估路面的整体特性，在大范围道路路面检测中更具适用性。

2 落锤式弯沉仪在沥青路面弯沉检测中的应用

2.1 工程概况

南宁—湛江公路起点位于南宁市邕宁区蒲庙镇附近，主线路线起点桩号为K-1+289.103，终点桩号为K185+262.480，设计技术标准为一级公路。本项目标段为南宁至博白那卜段№.1标段，主线范围为K-1+289.103～K115+260，全线共有89座桥梁，3座隧道，317道涵洞和通道，9个互通；全线为双向四车道，主线设计行车速度为120 km/h，路基宽度为26.5 m。南宁—湛江公路№.1标段主线路面结构设计指标见表1。

本标段项目于2021年05月开工建设，计划于2023年12月31日通车，本次交工验收检测段桩号为K-1+289.103～K25+000，沥青路面检测项目及频率见表2，其中将弯沉值作为重要的路面质量检测指标。

2.2 沥青路面弯沉检测方案

采用落锤式弯沉仪进行检测，具体检测方案如下：①检测车辆的工作范围必须处在安全区域内，检测前要求施工单位做好检测路段的安全警示及疏导工作。②将检测路段的桩号填入检测记录表格。③检查检测仪器的各项指标是否正常。④按每公里双车道60个点进行检测，各车道交替检测。⑤计算每一个评定路段各测点弯沉的平均值、标准差、代表值。

2.3 落锤弯沉仪选型

本检测段沥青路面弯沉值检测选用Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪［7］，该检测仪能检测各级动载汽车载荷作用下的道路表面动弯沉，可准确地反映弯沉盆的形状。

2.3.1 Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪的结构

Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪由拖挂体和牵引车组成，拖挂体和牵引车用5条电缆相连，为了便于维修与存放，两者工作时挂上，完工时脱开。

（1）拖挂体。拖挂体由落锤、承载板、传感器、弯沉盆测梁、液压升降架等组成，是Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪的检测装置的组成部分。落锤作用于橡胶垫上，可通过改变锤重和高度调整荷载大小；承载板整体为圆形，被平均分割成4块，落锤的冲击荷载通过橡皮垫传递给沥青路面；传感器包括速度传感器、距离传感器、压力传感器、位移传感器4种类型，其中速度传感器的数量有9个，一次能测9个弯沉值；弯沉盆测梁的长度为3.5 m；液压升降架被固定在拖挂体上，由电磁铁、升降架、液压筒组成，液压筒负责升降控制。

（2）牵引车。牵引车最大行驶速度约80 km/h，车上装有电源控制系统和计算机控制系统。电源控制系统负责控制落锤弯沉仪的电能；计算机控制系统由便携式电脑、系统软件、主系统处理器组成，能够操纵落锤的提升与下落，还能对数据进行处理、存储、显示及打印等操作。

2.3.2 Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪技术参数

根据使用要求，确定Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪的技术参数（见表3）。

2.4 Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪工作原理及操作

2.4.1 工作原理

将Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪的拖挂体牵引到测点位置，待准备工作一切就绪后，将检测路面的温度值、桩位等参数输入便携式电脑中。启动操作系统，利用液压筒放下液压升降架，解除液压升降架上电磁铁的磁力，使测架与液压升降架脱钩，测架上的传感器处于待测状态。与此同时，系统程序控制承载板落到地面，解除吸铁上电磁铁的磁力，使落锤与吸铁脱钩。落锤从一定高度自由落下，锤击承载板，承载板给沥青路面施加正弦脉冲力，作用时间为25～30 ms，模拟标准测试车后轴单侧的动荷载。传感器自动采集路面变形量，并通过计算显示弯沉盆及弯沉最大值等参数。Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪工作原理见图1。

2.4.2 操作步骤

在正式检测开始前，需做好以下准备工作：①将路面表面的松散颗粒物清扫干净。②检查车胎的清洁度，车胎不得黏附杂物。③检查车胎气压，确保其符合规定的标准气压。④按照操作手册安装各个设备，并确保紧固件安装牢固。⑤打开系统电源、保险装置、控制开关，检查各部件是否处于正常的工作状态。

沥青路面弯沉检测开始后，应按照以下步骤进行操作：①将承载板中心位置与测点对准，并将路面温度及桩位号导入便携式电脑。②点击“开始检测”按钮，承载板与传感器自动落下，落锤瞬间自由下落锤击承载板后提升至原位置。③传感器自动采集沥青路面变形量，并将信号传入计算机，计算出弯沉值。④每一个测点重复检测不少于3次，取最后2次检测的平均值作为测定值。⑤当该测点检测完成后，将承载板及传感器完全提起，牵引车继续前行至下一个测点。⑥重复上述检测步骤，直至检测完所有测点。⑦确认所有测点的数据完整后关闭检测系统，卸压并确保保险装置处于关闭状态，结束测试。

3 检测结果

K-1+289.103～K25+000检测段左、右幅车道沥青路面设计弯沉值为19.6/（0.01 mm），左、右辐车道各测点的弯沉平均值、标准差、代表值结果见表4和表5。该检测段沥青路面弯沉检测共1 816个，检测合格数为1 816个，合格率为100%。

4 结论

路面弯沉是道路交（竣）工检测中的重要指标，本文采用Dynatest 8002拖车式落锤弯沉仪对南宁—湛江公路№.1标段K-1+289.103～K25+000段进行路面弯沉检测，得出的结论如下。

（1）相比传统的贝克曼梁法，落锤式弯沉仪具有操作简单、检测效率高等优势，满足道路交（竣）工验收中大量检测任务的需求。

（2）在路面弯沉检测过程中，应充分掌握落锤式弯沉仪的应用原理，重点做好前期准备工作，并严格按照操作步骤进行检测，以提高落锤式弯沉仪的应用效果。

（3）K-1+289.103～K25+000检测段路面弯沉检测数据显示，1 816个弯沉检测点的代表弯沉值均小于设计弯沉值，合格率为100%，说明该检测段沥青路面施工质量良好。

5 参考文献

［1］罗菁，杨川福，张建.落锤式弯沉仪在高速公路工程检测中的应用［J］.四川水泥，2023（4）：218-220.

［2］刘淑琴.落锤式弯沉仪在公路工程检测中的应用［J］.低碳世界，2020，10（12）：193-194.

［3］金雄.落锤式弯沉仪在公路检测中的应用［J］.交通世界，2020（8）：93-94.

［4］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（6）：68-69.

［5］黄瑾斌.基于贝克曼梁法检测路基路面回弹弯沉的影响因素及质量管理分析［J］.福建建设科技，2023（3）：99-101.

［6］赵为天.基于三维探地雷达和落锤式弯沉仪的路面结构状况无损评估［D］.广州：华南理工大学，2020.

［7］印朝辉，王兵，梁伟伟，等.一种多点拖车式落锤弯沉仪设计［J］.宇航计测技术，2016，36（4）：44-50.