PFWD在高速公路路基檢測中的應用

摘 要：PFWD是近年來新興的一種技術設備，具有諸多的優點，目前在公路路基檢測中得到廣泛的應用。本文結合工程實例，在介紹PFWD設備工作原理的基礎上，探討了PFWD在高速公路路基壓實質量檢測中的應用，并對不同檢測方法進行對比分析，為其進一步推廣應用提供了借鑒與參考。

關鍵字：PFWD；工作原理；路基檢測；回彈模量

隨著我國城市化進程的不斷加快，國家加大了對公路交通基礎設施建設的投資力度，高速公路建設正以前所未有的速度迅速發展。在高速公路等基礎設施的建設過程中，一般會遇到大量的填土、石等填方工程，若這些填方工程中土石填料的壓實質量不過關，很有可能影響到高速公路的整體性能和質量安全。因此，高速公路路基壓實質量的檢測工作就顯得十分重要了。

路基壓實質量的檢測指標有很多，主要包括壓實度、彎沉值、承壓板試驗等，其中回彈彎沉值是公路路基工程設計中的重要參數之一。現行測量彎沉值或回彈模量的方法主要有PFWD法、貝克曼梁法和FWD法等。PFWD作為一種新興的技術設備，具有操作安全可靠，精度高，攜帶簡便等優點，能夠快速檢測路基回彈彎沉值，是一種值得推廣的檢測技術。

1 PFWD簡介

1.1 PFWD工作原理

PFWD是基于普通落錘式彎沉儀的改進設備，又稱手持式落錘彎沉儀（Handhold FWD），由于體積比普通落錘式彎沉儀小很多，也被稱作微型落錘彎沉儀（Mini FWD），是當今國際上普遍采用的路基路面結構強度無損檢測儀器，在國外運用較廣。與傳統的檢測方法相比，PFWD具有操作安全可靠，精度高，攜帶簡便，操作簡單，自動記錄并能模擬汽車荷載作用等優點，是繼常規拖車式落錘彎沉儀（FWD）后的又1種新的動力模量快速無損檢測設備，可用來快速檢測路基回彈模量值。

PFWD由加載系統、數據采集系統和數據傳輸系統組成。各系統有獨立的裝置，每一次測試中，各系統協同工作，通過落錘加載，數據由壓力傳感器、位移傳感器量測并采集，通過計算機中的數據處理軟件完成數據處理工作。PFWD的基本原理是將一固定重的落錘提升至一固定高度，然后釋放自由下落，落錘沖擊置放在路基（或路面）表面的承載板及底座上產生沖擊荷載，在沖擊荷載作用下，承載板與路基（或路面）表面產生豎向位移。由此，壓力傳感器和位移傳感器將荷載和位移的時程數據記錄下來，并傳輸到計算機數據處理軟件中，從而根據壓力和位移的峰值確定路基動彈性模量。

PFWD的荷載施加方式和FWD一致，均為動荷載，且加載時間極短，可認為瞬時加載，加載以后20ms內即完成卸載，雖然路基填料屬于彈塑性材料，并非理想的線彈性材料，但荷載施加瞬間，路基變形主要為彈性變形，塑性變形可忽略不計，因此根據PFWD測得的最大壓力值p和最大彎沉值l，采用圓形垂直彈性半空間體的剛性承載板理論公式進行計算可以得到路基模量EP為：

（1）

式中：p為實測的承載板最大單位壓力；δ為承載板半徑，現場通常采用半徑為15cm的承載板；μ為泊松系數，對于路基通常取0.35；l為實測的承載板中心彎沉；Ep為路基回彈模量。本文采用式（1）對PFWD測得的彎沉值進行路基回彈模量反算。

2 現場試驗

2.1 試驗場地概況

試驗依托某高速公路東北段，路基填料為砂礫卵石土，填料屬于粗粒土，級配曲線見圖1。試樣場地選取現場某段路基，試驗每隔5m選取1個點進行觀測，共10點。將貝克曼梁法、FWD法測得的彎沉值與PFWD法進行比較，并得出相應的回歸公式，本文將PFWD與壓實度、沉降差進行比較。一般來說，靜力壓實方式只能增加路基中的應力，而無助于顆粒之間阻力的減小。振動壓實方式則對于土石混填路基兼有增加應力與減少阻力的雙重作用，因此，該試驗選用三一重工生產的型振動壓路機，壓路機的額定功率為128kW，工作質量22000kg，振幅取2.1mm檔，頻率使用32Hz檔。

2.2 試驗過程

填料運至現場，在振動碾壓之前，需去除填料中粒徑過大的卵石，保證填料級配良好，并取試樣進行顆粒分析、含水率試驗，填料的級配曲線見圖1。從曲線中可以看出，填料中大于5mm顆粒均在50%以上，細粒組顆粒分布不均勻，試樣含水率為5.8%，含水率偏低。現場分別測定路基在碾壓2、3、4、5遍后的回彈模量值、壓實度、沉降差，回彈模量采用PFWD法，壓實度采用灌砂法，沉降差用水準儀測量。為保證數據的準確性，每碾壓1遍后首先進行PFWD試驗，用水準儀測出路基表面高程，最后做灌砂試驗，保證3個壓實指標處在同一點。壓實度作為路基最常用的檢測指標，將其與PFWD量測的回彈模量進行對比，找出PFWD所測得的回彈模量與壓實度、沉降差的關系。

圖1 顆粒級配曲線

2.3 試驗結果分析

試驗得到了不同碾壓遍數下彎沉值、回彈模量、沉降差、壓實度的數值，舍去異常值后得到了各指標的平均值，見表1。由表中數據可知，當碾壓遍數小于4遍時，回彈模量、壓實度隨著碾壓遍數的增加而增加；彎沉值、沉降差隨著碾壓遍數的增加而減小；隨著碾壓遍數的增加，其變化幅度均逐漸變小；當碾壓遍數繼續增加，回彈模量、壓實度反而降低，彎沉值較碾壓4遍時增加，沉降差出現負值，說明路基出現了回彈。以上結果表明，路基在碾壓4遍時能夠取得較好的壓實效果。根據現場觀察，碾壓5遍后填料中的粗顆粒出現破碎的情況，土體結構遭到破壞，級配發生變化，從而產生了更多的空隙，使得砂礫卵石土路基壓實效果變差，為能定量地描述彼此之間的關系，對碾壓遍數小于4遍時的各檢測指標進行線性擬合。

表1 不同碾壓遍數下的各指標值

沉降差與回彈模量擬合后的方程為：

y=-0.472x+37.65 R2=0.999 （2）

壓實度與回彈模量擬合后的方程為：

y=-0.304x+73.63 R2=0.989 （3）

沉降差與彎沉值擬合后的方程為：

y=-0.020x+11.68 R2=0.976 （4）

壓實度與彎沉值擬合后的方程為：

y=-0.013x+105.1 R2=0.929 （5）

從各線性擬合方程可以看出，4個擬合方程的相關系數均大于0.9，壓實度與回彈模量擬合方程的相關系數達到了0.993，說明PFWD得到的彎沉值、回彈模量與壓實度、沉降差有較好的線性相關性。

由于路面模型、材料的非線性、非均勻性，荷載作用形式的不同，不同方法反算結果往往差異較大，所以在反算模量時，應該注意幾個方面的問題：（1）建立起彎沉盆-各層模量-路面狀況之間的數值關系，甚至直接建立彎沉盆與路面狀況之間的關系，從而使反算方法更加簡單；（2）對PFWD測試技術標準化，定期標定儀器，使檢測數據更加有效，并找到1種對現有各路面結構反算方法合理的評價方法，使反算方法標準化。

2.4 不同檢測方法對比分析

由上節可知砂礫卵石土路基在碾壓4遍時可以取得較好的壓實效果，于是采用PFWD法、貝克曼梁法和FWD法對碾壓4遍的砂礫卵石土路基進行彎沉檢測，其檢測結果見圖2。

圖2 3種不同檢測方法的彎沉值對比

從圖2中可以看出，PFWD法測出的彎沉值是最大的，貝克曼梁法測出的彎沉值最小，從而可知，PFWD法測得的路基回彈模量最小。此外，還可以知道，3種方法測得的彎沉值變化趨勢基本一致，表明3種均可以較好地檢測路基的回彈模量。

PFWD作為路基彎沉值、回彈模量檢測設備與貝克曼梁法、FWD法相比，具有諸多優點，貝克曼梁法的基本原理是杠桿原理，將路基彎沉值放大，以便使用百分表量測出路基的彎沉值，但是貝克曼梁法僅測得靜態汽車荷載作用下的路基回彈彎沉值，不能反映路基在行車動荷載下的路基變形；PFWD用落錘的自由落體模擬汽車行駛中的動荷載，與道路使用過程中的荷載相符，能夠有效地檢測公路路基的壓實效果；貝克曼梁法使用的標準車已越來越少，且整個測試過程基本依靠人工操作，測試結果受人為因素影響較大，PFWD的數據采集采用傳感器，數據處理由計算機內置程序完成，考慮各種因素，數據精確度達0.001mm，相對誤差較貝克曼梁法小很多。FWD是一種較為先進的回彈模量檢測設備，各系統與PFWD相似，但設備體積較大，需要專用機動車輛。PFWD與FWD相比，具有攜帶方便的特點，標準配置的PFWD只有17kg，有專用的包裝箱，可很自由地移動。只要測試人員能到達的施工現場，都可以攜帶PFWD進入現場測試，所以PFWD不受測試場地和運輸的影響，可用于路基施工過程的路基檢測，但PFWD只能測出荷載作用下的最大彎沉，并不能得到彎沉盆的數據。

3 結論

通過對PFWD在高速公路路基壓實質量檢測中的應用進行分析，可以得出以下幾點結論：①回彈彎沉值是路基檢測中的重要指標，是反映路基承載能力的重要參數；②結合現場試驗分析，得出PFWD量測的各個量與壓實度、沉降差有良好的線性相關性；③PFWD法與貝克曼梁、FWD法相比，具有攜帶方便、測試精度高等優點；是一種值得大范圍推廣的路基檢測方法。

參考文獻

[1] 楊恒.PFWD在紅砂巖路基回彈模量快速檢測中的應用[J].黑龍江交通科技.2010年第07期

[2] 鄒俊濤.路基壓實度的檢測方法與評價[J].現代商貿工業.2012年第12期