落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉儀在路面檢測中的相關(guān)性研究

李 濤

(衡水市公路勘測設(shè)計所)

路面檢測技術(shù)作為公路建設(shè)與管理中的關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性技術(shù),它不僅對于檢驗和控制施工質(zhì)量是重要的,而且還直接影響路網(wǎng)養(yǎng)護決策的科學性和養(yǎng)路資金分配的合理性。近 20年來,無損檢測技術(shù)由于具有不損害路面的獨特優(yōu)勢而在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。

路面彎沉是公路檢測中最普遍的路面結(jié)構(gòu)狀況評價指標之一。彎沉是指在規(guī)定的汽車標準軸載作用下,路基或路面表面汽車輪隙位置產(chǎn)生的垂直變形,它反映路基路面的綜合承載能力。彎沉不僅反映路面結(jié)構(gòu)層及土層的整體強度和剛度,而且與路面的使用狀態(tài)存在一定的內(nèi)在聯(lián)系,反映了路面的整體強度質(zhì)量。目前,我國各級公路部門彎沉檢測,多采用貝克曼梁(BenklemanBeam,簡稱BB),即在規(guī)定的標準軸載作用下,路基或路面表面輪隙位置產(chǎn)生的垂直變形值(回彈彎沉),利用載重汽車加載,人工讀取百分表的讀數(shù),來測量路基或路面表面的回彈彎沉值。該方法操作簡單,但存在以人工操作工作強度大,效率低;計算參數(shù)受多種主觀因素影響及所測結(jié)果不能反映行車荷載作用下的動力特性和整個彎沉盆形狀等缺點。

落錘式彎沉儀(FallingWeightDeflectometer,簡稱FWD)是目前國際上比較流行的先進的路面強度無破損檢測設(shè)備。它是在標準質(zhì)量的重錘落下一定高度發(fā)生的沖擊荷載作用下,測定路基或路面表面所產(chǎn)生的瞬時變形,即測定在動態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的動態(tài)彎沉及彎沉盆,并由此反算路基路面各層材料的動態(tài)彈性,用于評定道路承載能力。由于其能很好地模擬行車荷載對路面的作用,因而比起其他靜態(tài)檢測技術(shù)具有明顯優(yōu)勢,再加上其所測彎沉盆蘊含著豐富的路面結(jié)構(gòu)強度的信息,愈來愈受到公路研究者們的重視。落錘式彎沉儀以精度高,測速快,可靠性好等特點正逐步取代傳統(tǒng)的貝克曼梁彎沉檢測。目前我國交通部《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(59-95)也已將其列入彎沉檢測設(shè)備,這對科學,準確地評價路面結(jié)構(gòu)狀態(tài),合理地制訂公路養(yǎng)護計劃有著重要的意義。

由于我國路面設(shè)計和檢測以貝克曼梁回彈彎沉值為準,故《路基規(guī)程》要求落錘式彎沉儀測試值必須根據(jù)對比試驗換算貝克曼梁彎沉法測試值,建立兩種方法之間的轉(zhuǎn)換公式,且相關(guān)系數(shù)不得小于 0.9。所以需要在實際應(yīng)用前研究落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉檢測方法的相關(guān)性。

2009年 7月至8月,衡水市交通局質(zhì)監(jiān)站與江蘇省交通科學研究院有關(guān)技術(shù)人員,使用落錘彎沉儀與貝克曼梁彎沉儀共同對衡水市部分道路代表路段進行了點對點的對比檢測。

1 FWD與貝克曼梁彎沉儀對比試驗方法

按照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTGE60-2008),首先采用貝克曼梁彎沉儀進行測試,然后以測點為圓心描繪半徑為 150mm的圓,仔細將落錘式彎沉儀加載盤與圓對中,偏差控制在30mm內(nèi),每個測點以50kN±2.5kN的荷載進行兩次落錘檢測,分別實時記錄貝克曼梁彎沉與落錘式彎沉儀的測量結(jié)果,落錘式彎沉儀數(shù)據(jù)選擇兩次落錘的平均值為有效落錘數(shù)據(jù)。

2 對比試驗路段的選擇

按照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTGE60-2008)關(guān)于對比檢測的要求,衡水市交通局質(zhì)監(jiān)站在全市范圍內(nèi)根據(jù)公路結(jié)構(gòu)、道路使用齡期、道路使用環(huán)境等不同,分別選擇了“市區(qū)南出口(2008年建設(shè),兩層水泥穩(wěn)定碎石基層)”、“西環(huán)(2006年建設(shè),二灰碎石和水泥穩(wěn)定碎石基層)”、“肅臨線棗強段(2005年建設(shè),二灰碎石基層)”、“鄭昔線(2006年建設(shè),二灰碎石基層)”、“衡井線前磨頭段(2009年 6月新建、二灰碎石基層)”、“保衡路西出口段(2009年新建段,水穩(wěn)和二灰碎石基層)”“肅臨線深州段(2002年建設(shè),二灰碎石基層)”等七個道路的路面代表路段,每段長度在 600～1000m。

3 樣本數(shù)據(jù)的處理

本次對比試驗共采集 312個樣本,對兩種方法檢測結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),西環(huán)路對比檢測中,落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉檢測結(jié)果數(shù)據(jù)平均值和代表值相差較大。落錘式彎沉儀平均值為 12.8,而貝克曼梁彎沉平均值為 23.9。結(jié)合該段道路修建時間和所用結(jié)構(gòu)層,以及現(xiàn)場路況分析,貝克曼梁彎沉所測數(shù)據(jù)存在較大誤差。隨即對該路段用貝克曼梁彎沉進行了復測,復測結(jié)果貝克曼梁彎沉平均值為 13.8。復測結(jié)果與落錘式彎沉儀結(jié)果接近,所以西環(huán)路面彎沉檢測中貝克曼梁彎沉檢測數(shù)據(jù)存在誤差,我們在分析相關(guān)關(guān)系時舍棄了西環(huán)路面檢測中采集的 58個對比數(shù)據(jù)。

4 樣本數(shù)據(jù)分析

對所有采集的樣本進行對比檢測總體趨勢分析(剔除有問題的西環(huán)路面檢測數(shù)據(jù)后 6個道路路面結(jié)構(gòu)層對比),得出兩種檢測方法的趨勢分析圖,見圖 1。

由圖 1可見貝克曼梁彎沉與落錘式彎沉儀在路面結(jié)構(gòu)的測量結(jié)果具有較好的趨勢。

對路面檢測的數(shù)據(jù)進行落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉的對比分析得出其相關(guān)性關(guān)系散點圖,見圖 2。

圖1 落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉值測量結(jié)果趨勢分析圖

圖2 貝克曼梁彎沉與落錘式彎沉儀相關(guān)性分析

由圖 2看出,綜合檢測路段的總體數(shù)據(jù),在路面彎沉對比試驗中,貝克曼梁彎沉與落錘式彎沉儀具有較好的相關(guān)性,通過對比試驗得出回歸方程

式中:LFWD、LBB分別為落錘式彎沉儀、貝克曼梁彎沉儀測定的彎沉值。其相關(guān)性系數(shù)R為 0.964(R2=0.93),符合(JTGE60-2008)規(guī)范要求(R應(yīng)不小于0.9),落錘式彎沉儀可以替代貝克曼梁彎沉進行彎沉測試。

5 落錘式彎沉儀的優(yōu)點

與貝克曼梁彎沉儀相比落錘式彎沉儀有如下優(yōu)點:

(1)應(yīng)力應(yīng)變和彎沉與實際交通荷載下的結(jié)果較吻合;

(2)實驗過程數(shù)據(jù)由微機自動存儲,減少了人為造成檢測錯誤的可能;

(3)減少了勞動強度,提高了檢測效率,檢測數(shù)據(jù)由軟件評定,荷載進行歸一化處理,檢測結(jié)果快速準確;

(4)可以檢測出彎沉盆的形狀;

(5)隨車配有精確的距離傳感器,使檢測樁號更準確,還可以同時記錄具體車道位置,空氣溫度和路面溫度等環(huán)境信息;

(6)落錘式彎沉儀對路面上同一點進行幾次重復性檢測的試驗結(jié)果優(yōu)于貝克曼梁彎沉儀。

落錘式彎沉儀模擬快速運動的汽車輪載進行路面彎沉測試,改變了傳統(tǒng)靜態(tài)測試系統(tǒng)的缺陷,能夠反映出路面在動載作用下的實際變形情況。而且精度更高、測試速度更快。落錘式彎沉儀與貝克曼梁在相同條件下測得的彎沉值具有良好的相關(guān)性。但對于不同的結(jié)構(gòu)層,在工程檢測應(yīng)用中,可分別統(tǒng)計其相關(guān)關(guān)系,根據(jù)結(jié)構(gòu)層的不同選擇適合的相關(guān)關(guān)系。

隨著人們對落錘式彎沉儀的不斷開發(fā)應(yīng)用,可逐步形成一種以彈性理論為基礎(chǔ),動態(tài)彎沉儀為工具,由路表實測彎沉盆現(xiàn)場評定路面結(jié)構(gòu)剛度組成的新方法。

[1] 公路路基路面現(xiàn)場試驗規(guī)程(JTJ059-95)[S].