落錘式彎沉儀在公路工程檢測中的應(yīng)用

張克永，歐東寶

（貴州省公路局試驗檢測中心，貴州 貴陽 550000）

0 引言

落錘式彎沉儀（Falling Weight Deflectometer，簡稱FWD）作為國際上較為通用的先進(jìn)路面無損檢測技術(shù)，能夠準(zhǔn)確測定路面的動態(tài)彎沉，同時還可以反算路面的回彈模量，因而應(yīng)用較廣。美國SHRP計劃中也將FWD測定反算的回彈模量作為基準(zhǔn)，用于研究公路工程材料回彈模量的室內(nèi)試驗方法。近年來，我國積極引進(jìn)先進(jìn)的公路工程路面試驗檢測技術(shù)，F(xiàn)WD因其一系列的技術(shù)優(yōu)勢，在我國公路工程試驗檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 落錘式彎沉儀的工作原理

落錘式彎沉儀的工作原理是：在試驗檢測過程中，利用計算機(jī)控制系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)提升或者釋放重錘，使得重錘作用在彈簧或者橡膠墊上，進(jìn)而依靠與路面緊緊接觸的承載板將重錘產(chǎn)生的沖擊傳遞至路面，在計算機(jī)的控制下重錘對路面可以施加半正弦脈沖荷載，使公路路表產(chǎn)生瞬時變形，通過落錘式彎沉儀上在距測點不同位置上的傳感器對變形進(jìn)行檢測，即可獲得在動態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的動態(tài)彎沉以及彎沉盆。圖1為落錘式彎沉儀工作原理示意圖。

落錘式彎沉儀作為公路工程動態(tài)彎沉的試驗檢測設(shè)備，由于其落錘半正弦荷載沖擊與公路行車荷載類似，因而能夠較好地模擬公路行車荷載，而且還可以調(diào)整加載級別。由于所有的檢測數(shù)據(jù)都是通過計算機(jī)采集，因而數(shù)據(jù)采集和處理的速度快，同時能夠保證測試的精度，特別適用于公路工程大規(guī)模彎沉試驗檢測。此外，利用落錘式彎沉儀還可以評價由多層路面結(jié)構(gòu)組成的路面彎沉情況。

圖1 落錘式彎沉儀工作原理示意圖

落錘式彎沉儀的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）試驗檢測速度快，效率較高。彎沉儀單點測試時間均在30s(按規(guī)定錘擊3次)以內(nèi)，因而對于公路工程試驗檢測而言具有較高的效率。

（2）荷載控制準(zhǔn)確度較高。由于落錘式彎沉儀采用目標(biāo)荷載、目標(biāo)高度及步長設(shè)定高度（用于脫空測試）進(jìn)行試驗控制，因而對于控制試驗精度十分有利。

（3）試驗結(jié)果的精度極高。落錘式彎沉儀荷載發(fā)生器產(chǎn)生的波形標(biāo)準(zhǔn)，由于使用了高性能的傳感器以及高精度的儀表，因而能夠控制公路工程試驗檢測的精度。

（4）數(shù)據(jù)處理速度快。由于落錘式彎沉儀具有專門的數(shù)據(jù)處理軟件，通過數(shù)據(jù)分析軟件能夠?qū)崿F(xiàn)彎沉數(shù)據(jù)歸一化處理、各種誤差計算、里程與樁號轉(zhuǎn)化、溫度修正等功能，而且還可以實現(xiàn)FWD與貝克曼梁法的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換系數(shù)及轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)精度較高，能夠為公路工程路面結(jié)構(gòu)以及材料設(shè)計提供準(zhǔn)確的參數(shù)。

2 落錘式彎沉儀試驗檢測準(zhǔn)備工作

（1）FWD拖車的檢查

首先將落錘置于運(yùn)輸鎖定的最高位置，然后檢查中央位移傳感器裝置的測試桿是否伸出荷載盤底部的1～2cm左右。同時檢查彈簧以及傳感器裝置，確保彈簧彈力適當(dāng)，檢查FWD加載板的提升以及下降是否順暢，在確保能夠正常操作之后，應(yīng)當(dāng)對FWD設(shè)備的落錘高度進(jìn)行調(diào)整。通過調(diào)整落錘的重量及高度，確保落錘式彎沉儀在試驗過程中能夠產(chǎn)生滿足要求的沖擊荷載。

（2）FWD的試驗檢測準(zhǔn)備

檢查了落錘式彎沉儀的連接以及調(diào)整了落錘質(zhì)量與高度之后，在前往試驗檢測場地之前，必須確保落錘式彎沉儀的輪胎壓力適當(dāng)，液壓油面以及電池酸液面處于正常水平，荷載盤能夠正常旋轉(zhuǎn)，同時重點檢查拖車與牽引車之間的鎖定連接，確保落錘式彎沉儀處于運(yùn)輸鎖定狀態(tài)并將FWD拖車的手剎完全松開。在牽引行走過程中，應(yīng)該將牽引行走速度控制在50km/h以下。

3 落錘式彎沉儀檢測路基路面彎沉值

（1）測點的布置

在需要測試的公路路基或者路面表面層布置測點。測點的位置應(yīng)該根據(jù)實際需要確定。對于公路工程路面表面的彎沉測定，宜將測點布置在路面的行車道輪跡帶上，同時也可以采用距離傳感器進(jìn)行定位。在將落錘式彎沉儀牽引至測定地點之后，即可打開儀器設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，同時再次對設(shè)備的使用性能進(jìn)行現(xiàn)場檢查，確保各項技術(shù)指標(biāo)滿足要求。

（2）FWD的試驗檢測

在試驗過程中，調(diào)整落錘式彎沉儀的承載板中心位置使其對準(zhǔn)測試點，在承載板自動落下之后，將落錘式彎沉儀的各個傳感器放下。之后開啟落錘裝置，落錘瞬時自由下落并對承載板產(chǎn)生一定的沖擊力，之后便會自動提升至原來的高度。傳感器能夠自動檢測到落錘沖擊產(chǎn)生的荷載引起的路面結(jié)構(gòu)層表面的變形，同時還可以及時將路面結(jié)構(gòu)層表面的位移變形情況輸入至控制計算機(jī)之中，即可得到變形峰值并獲得路面的動態(tài)彎沉盆。在試驗過程中，應(yīng)該對同一測點進(jìn)行至少三次的沖擊試驗，并將除第一次之外的測試值的平均值作為計算依據(jù)。在對某一測點完成試驗檢測之后，便可提升落錘式彎沉儀的傳感器以及承載板，繼續(xù)其他測點的試驗檢測。

（3）FWD試驗結(jié)果對比

為了確保落錘式彎沉儀試驗檢測的精度，在利用落錘式彎沉儀進(jìn)行公路的彎沉試驗檢測過程中，應(yīng)該選擇貝克曼梁彎沉儀進(jìn)行對比試驗分析。需要注意的是，必須確保落錘式彎沉儀的沖擊荷載與貝克曼梁彎沉儀測定車的后軸雙輪荷載相同。首先在落錘式彎沉儀試驗拖車離開之后，對測點位置進(jìn)行標(biāo)定，然后按照試驗檢測技術(shù)規(guī)程規(guī)定的方法采用貝克曼梁進(jìn)行同一測點的試驗檢測。在試驗過程中，應(yīng)該準(zhǔn)確控制同一測點的位置，將偏差控制在3cm以內(nèi)。為了提高對比的準(zhǔn)確性，落錘式彎沉儀試驗檢測與貝克曼梁測試之間時間間隔應(yīng)該控制在10min以內(nèi)。在獲得試驗結(jié)果數(shù)據(jù)之后，按照公式Lb=a+BLFWD（Lb為貝克曼梁完成值，LFWD為FWD彎沉值）進(jìn)行回歸分析，確保相關(guān)系數(shù)在90%以內(nèi)。

4 水泥混凝土路面的落錘式彎沉儀試驗檢測

在進(jìn)行水泥混凝土路面調(diào)查時，同樣可以采用落錘式彎沉儀進(jìn)行試驗檢測。如果是對水泥混凝土路面的接縫傳荷能力進(jìn)行調(diào)查，則可以將測點布置在水泥混凝土路面面板接縫一側(cè)，傳感器布置在接縫兩側(cè)。如果是對水泥混凝土路面的板底脫空進(jìn)行調(diào)查時，測試點的位置則應(yīng)該隨機(jī)選擇，以確保測試的全面性。在測試過程中要準(zhǔn)確記錄測點的彎沉及彎沉盆數(shù)據(jù)，同時對測試結(jié)果的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)等進(jìn)行分析，然后按照傳感器測定的變形值的差異以及彎沉盆的形狀，對水泥混凝土路面的接縫傳荷能力以及板底脫空進(jìn)行準(zhǔn)確的評價判斷。

5 結(jié)語

FWD作為國際上先進(jìn)的路面無損檢測設(shè)備，尤其是在對路面結(jié)構(gòu)承載能力指標(biāo)的測定上，相比傳統(tǒng)的貝克曼梁等靜態(tài)檢測設(shè)備，具有顯著的精度優(yōu)勢。因此，在公路工程試驗檢測中，應(yīng)該優(yōu)先選用FWD作為試驗檢測手段，同時嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求進(jìn)行操作，為公路工程質(zhì)量評定提供準(zhǔn)確的試驗檢測數(shù)據(jù)。

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[2] 裴飛鵬，王雪楓，王東翀.便攜式落錘彎沉儀與貝克曼梁在路基檢測中的相關(guān)關(guān)系研究[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2007（2）：12-13.

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