路基動態模量現場快速檢測技術特點分析

徐 芳

（海南省公路管理局定安公路分局，海南 定安 571200）

0 引 言

《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）和《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）等規范實施后，對路基設計模量的要求由原來的靜態模量轉變為動態模量。路基動態模量主要可以通過兩種方法獲得：一是室內試驗，二是現場檢測。目前路基動態模量的現場檢測尤其是快速檢測方法主要有落錘式彎沉儀法（簡稱FWD測試法）、動力錐貫入儀法（簡稱DCP測試法）和便攜式落錘式彎沉儀法（簡稱PFWD測試法）。本文就這三種檢測方法的工作原理、測試范圍和技術特點進行了全面分析，供相關檢測人員參考。

1 路基動態模量現場快速檢測技術特點分析

1.1 FWD測試法

20世紀80年代末，我國開始引進落錘式彎沉儀（簡稱FWD）。隨著實踐應用，FWD的價值已被廣泛認可，同時也普遍應用于相關領域。FWD的檢測技術不光局限于水泥混凝土路面或瀝青路的檢測工作，同時還應用在了路基彎沉方面的檢測活動。FWD的檢測技術十分優良，在進行新道路建設時，通過該技術能對路基面的施工質量進行把關，發現問題可以及時聯系人員解決，同時利用FWD作為依據，還可以提升路面結構設計的速度和效果。

利用計算機進行液壓系統控制質量的提升和釋放重錘自由落地，可以對路基或者路面造成一定的荷載，當脈沖荷載通過一剛性圓盤，可以通過在相應面上傳感器接收變形數據，這就是FWD的運行原理。因為在圓盤底部設置橡膠墊塊，所以路基面的荷載會無限接近均布荷載，這種釋放出的荷載值可以被儀器精準地測定到。調節荷載可以借助落錘的質量和高低數據完成。由于強烈的瞬間沖擊，受荷載作用的路面或者路基會發生變形，由此產生的變化可由傳感器測量到。FWD的測試裝置及測試原理如圖1、圖2所示。

圖1 FWD測試裝置

因為FWD有著巨大的測試優勢，所以被廣泛應用在很多新道路建設等基建環節上。FWD測試法方式簡單，不需各種繁復儀器到場，適用于填料路基以及各式路面結構。而且采用FWD技術進行檢測，還可以了解到路基填充和壓實情況，完全符合對道路建設檢測的需求。除此之外，FWD通過載荷檢測，會讓路基面發生形變，可以更好地了解到新建道路的承載能力。目前FWD測試法被普遍用在高等級的公路工程檢測活動中，其檢測數據為路面工程竣工提高了速度。不過從大方向上解析，FWD測試法還是存在一定的缺點和不足：

圖2 FWD測試原理

（1）FWD設備和租借使用費用高昂。如果采用普通的檢測技術和儀器進行路面檢測，所需花費的資金會少一些，但是采用FWD技術所需要投入的費用就比較昂貴，是普通工程隊伍難以承受的。

（2）測試的荷載比較大。在實際路基工作時，其車輪的載荷力并不是很大，但是FWD的荷載數值是偏高一些的，取值為50 kN。由于路基變形的非線性因素，如果使用這個數值的沖擊荷載進行檢測，測到的數據不一定符合需要，所以應該探索一些適合荷載大小的測試技術。

（3）造成的塑性變形的影響。采用FWD進行測試，測出的彎沉是種變形，其中涉及彈性變形和一定的塑性變形。因為FWD的沖擊荷載情況非常短暫，通常在10～30 s，因此面對剛度較大的路面結構，即使采用了FWD技術進行荷載檢測，但是由于來不及作用，路面結構并不產生明顯的塑性變形，實際測到的位置通常不會留下FWD承載板的印記。而對于剛度不高的土路基，FWD的檢測就能夠更到位一些。所以要合理分析使用何種檢測方式，更符合路基回彈模量的檢測情況。

（4）對動載情況的探討。現階段關于FWD彎沉盆反算的力學分析模式通常使用的是靜力分析模型，同時均使用峰值作為荷載和位移。即進行測試時，并沒有完全考慮到FWD的動載作用。

（5）進行反算的可靠性。作為基于最小二乘法基礎的優化方式，反算模型的適用度很高。不管是國內還是國外，對于實測和理論彎沉間的目標函數取舍，其反算結果都存在一定的不同。而且當優化計算方式時，對模量反算的精確程度也會造成一些影響，尤其是針對路面的彎沉盆反算時，這個過程就變得更加復雜了。

總之通過FWD測試法的分析，可以看出存在以下問題需要解決：

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（1）選取合理測試荷載大小；

（2）塑性變形的影響分析；

（3）動載作用分析；

（4）反算的可靠性分析。

同時建立FWD動彎沉與貝克曼梁靜彎沉和現場承載板回彈模量等之間的關系，對FWD測試結果的應用具有重要意義。

1.2 DCP測試法

動力錐貫入儀（DCP）是由上桿和下桿構成的。手柄與8 kg的落錘組成了上桿，同時經由鐵砧和下桿進行連接。而下桿則是通過鋼化貫入錐頭以及桿尺構成。跟之前的椎貫測試有著一定的區別，DCP是不會把錐頭以常規速率壓到土里面的，需要借助落錘施加一定的荷載，才能到相應位置，通過計算動力貫入得出結果。這種測試方法非常經濟快捷、適用度良好。此外，DCP還可用于結構層壓實度檢測方面（見圖3）。

圖3 DCP結構示意圖

隨著對DCP研究的深入，有的科研人員試圖將DCP的試驗結果與CBR試驗結果建立相應的回歸關系，也有科研人員將DCP的試驗結果和回彈模量建立回歸關系。目前美國與DCP有關的規范主要有ASTM D6951和AASHTO93規范。我國與DCP有關的規范為《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60—2008），該規范首次引入DCP測試的規范，但試驗規程中僅簡略介紹了試驗儀器、試驗方法、試驗步驟、計算等相關試驗情況，并沒有提供關系式，只是在條文中規定須通過現場CBR試驗建立與DPI的關系式。因現場開展CBR試驗條件有限，要形成適合我國典型土質的回歸關系式，還需進行大量現場數據積累與相關研究。鑒于當前我國針對DCP開展的研究相對較少，在實體工程試驗受限時，可直接應用較為成熟的AASHTO關系式進行計算。

總之，DCP測試法簡單、可靠、快捷、費用低，在國外路基土和基層材料現場質量檢測中得到廣泛應用。其中美國、英國、南非是應用DCP較多的國家，也是技術和經驗較為豐富的國家。我國DCP測試水平距國外發達國家還有一定差距，總體上還處于初期應用階段，只有在少數幾條高速公路上得到應用，離大面積推廣和應用還有很長一段距離。

1.3 PFWD測試法

便攜式落錘式彎沉儀（PFWD），或稱手持式落錘彎沉儀（handhold falling weight deflectometer，HFWD），或稱微型落錘式彎沉儀（MFWD），屬于動力檢測的新式儀器。這種技術是比FWD技術更新的路基與地基承載檢測方式。

PFWD測試法是經由數據采集程式和加載系統以及數據傳輸三個方面構成的。首先，數據采集程式是通過傳感器和位移傳感器以及采集裝置構成，而加載系統則通過滑桿、鎖定桿和橡膠塊等構成。數據傳輸需要利用到有線數據傳輸設備和電腦等配置構成。

這種測試方式的運作原理是把一個10 kg的落錘提升到相應高度后，再進行自由落體。當落錘跟承載板產生作用出現沖擊荷載后，在這股力的作用下承載板會發生豎向位移，而傳感器就將收集到的數據記錄下來，按照壓力和位移的峰值得到相應的結果。

與其他現場模量測試方法相比，PFWD測試法具有以下幾個優點。

1.3.1 輕便快速

通過一定的試驗和分析后，發現了PFWD室內測試和承載板以及CBR檢測所用到的比率。同時也得到了其他相關檢測所需的對比數值，詳細情況可通過表1查看。

從表1可以看出，PFWD檢測路基回彈模量在需時上比承載板測試法和CBR測試法更好一些，同時也比FWD測試法和貝克曼梁法更迅速，因為使用PFWD可以直接得到路基回彈模量，而使用FWD要經過反算才能獲得答案。同時除PFWD外，其他檢測方法要通過多人參與才能完成，并且在檢測時需要較高的配合度才能檢測到精確的答案，所需花費的時間更多。因此PFWD測試法更受青睞。

表1 各種路基模量測試方法測試時間對比

1.3.2 擴展了檢測范圍

盡管PFWD儀器十分輕巧、造型不大，但其能更輕松地完成其他儀器難以檢測到的范圍。例如，現場承載板和貝克曼梁都需要通過加載車提供荷載，需要足夠的場地才能夠完成測試，最少用到10 m×3 m的場地，且貝克曼梁測試的彎沉受貝克曼梁支點影響。FWD現場檢測需要一輛牽引車牽引并提供動力，FWD由牽引車拖行，到實際檢測地點也需要足夠的空間。但是使用PFWD則能夠對任意場地進行檢測，只要檢測人員到位即可，檢測點不需要十分寬闊，能容納PFWD承載板即可，包括各種構造物的臺背與路肩等特殊填土場地。因此PFWD降低了對檢測場地的要求，大大擴展了檢測范圍。

2 結語

（1）FWD測試法適合用在很多地方，測試方法快捷，對于各種路面結構以及物料填充情況都能很好地掌握，但在選取合理測試荷載大小、塑性變形的影響分析、動載作用分析、反算的可靠性分析等方面的問題仍需解決。

（2）DCP測試法具有簡單、可靠、快捷、費用低等優點。在國外路基土和基層材料現場質量檢測中得到廣泛應用，在我國總體上還處于初期應用階段。

（3）PFWD測試法具有輕便快速的特點，此外這種測試用具還具備了造型輕巧、使用便利，能到達其他測試儀器無法到達的地點的優勢。