落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉儀在路面檢測中的相關性研究

李 濤

(衡水市公路勘測設計所)

路面檢測技術作為公路建設與管理中的關鍵性、基礎性技術,它不僅對于檢驗和控制施工質量是重要的,而且還直接影響路網養護決策的科學性和養路資金分配的合理性。近 20年來,無損檢測技術由于具有不損害路面的獨特優勢而在國內外得到了迅速發展。

路面彎沉是公路檢測中最普遍的路面結構狀況評價指標之一。彎沉是指在規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構層及土層的整體強度和剛度,而且與路面的使用狀態存在一定的內在聯系,反映了路面的整體強度質量。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),即在規定的標準軸載作用下,路基或路面表面輪隙位置產生的垂直變形值(回彈彎沉),利用載重汽車加載,人工讀取百分表的讀數,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;計算參數受多種主觀因素影響及所測結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備。它是在標準質量的重錘落下一定高度發生的沖擊荷載作用下,測定路基或路面表面所產生的瞬時變形,即測定在動態荷載作用下產生的動態彎沉及彎沉盆,并由此反算路基路面各層材料的動態彈性,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,因而比起其他靜態檢測技術具有明顯優勢,再加上其所測彎沉盆蘊含著豐富的路面結構強度的信息,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的貝克曼梁彎沉檢測。目前我國交通部《公路路基路面現場測試規程》(59-95)也已將其列入彎沉檢測設備,這對科學,準確地評價路面結構狀態,合理地制訂公路養護計劃有著重要的意義。

由于我國路面設計和檢測以貝克曼梁回彈彎沉值為準,故《路基規程》要求落錘式彎沉儀測試值必須根據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換公式,且相關系數不得小于 0.9。所以需要在實際應用前研究落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉檢測方法的相關性。

2009年 7月至8月,衡水市交通局質監站與江蘇省交通科學研究院有關技術人員,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《公路路基路面現場測試規程》(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,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果,落錘式彎沉儀數據選擇兩次落錘的平均值為有效落錘數據。

2 對比試驗路段的選擇

按照《公路路基路面現場測試規程》(JTGE60-2008)關于對比檢測的要求,衡水市交通局質監站在全市范圍內根據公路結構、道路使用齡期、道路使用環境等不同,分別選擇了“市區南出口(2008年建設,兩層水泥穩定碎石基層)”、“西環(2006年建設,二灰碎石和水泥穩定碎石基層)”、“肅臨線棗強段(2005年建設,二灰碎石基層)”、“鄭昔線(2006年建設,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,水穩和二灰碎石基層)”“肅臨線深州段(2002年建設,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 樣本數據的處理

本次對比試驗共采集 312個樣本,對兩種方法檢測結果分析發現,西環路對比檢測中,落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉檢測結果數據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。結合該段道路修建時間和所用結構層,以及現場路況分析,貝克曼梁彎沉所測數據存在較大誤差。隨即對該路段用貝克曼梁彎沉進行了復測,復測結果貝克曼梁彎沉平均值為 13.8。復測結果與落錘式彎沉儀結果接近,所以西環路面彎沉檢測中貝克曼梁彎沉檢測數據存在誤差,我們在分析相關關系時舍棄了西環路面檢測中采集的 58個對比數據。

4 樣本數據分析

對所有采集的樣本進行對比檢測總體趨勢分析(剔除有問題的西環路面檢測數據后 6個道路路面結構層對比),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構的測量結果具有較好的趨勢。

對路面檢測的數據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性關系散點圖,見圖 2。

圖1 落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉值測量結果趨勢分析圖

圖2 貝克曼梁彎沉與落錘式彎沉儀相關性分析

由圖 2看出,綜合檢測路段的總體數據,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。其相關性系數R為 0.964(R2=0.93),符合(JTGE60-2008)規范要求(R應不小于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 落錘式彎沉儀的優點

與貝克曼梁彎沉儀相比落錘式彎沉儀有如下優點:

(1)應力應變和彎沉與實際交通荷載下的結果較吻合;

(2)實驗過程數據由微機自動存儲,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,檢測數據由軟件評定,荷載進行歸一化處理,檢測結果快速準確;

(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果優于貝克曼梁彎沉儀。

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,改變了傳統靜態測試系統的缺陷,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性。但對于不同的結構層,在工程檢測應用中,可分別統計其相關關系,根據結構層的不同選擇適合的相關關系。

隨著人們對落錘式彎沉儀的不斷開發應用,可逐步形成一種以彈性理論為基礎,動態彎沉儀為工具,由路表實測彎沉盆現場評定路面結構剛度組成的新方法。

[1] 公路路基路面現場試驗規程(JTJ059-95)[S].