路基動態模量現場測試技術對比分析

王一舟

摘要：針對目前路基動態模量現場測試技術的現狀，文章對FWD測試法、DCP測試法、PFWD測試法三種現場快速檢測方法的工作原理、測試范圍和技術特點進行全面分析，供相關檢測人員參考。

關鍵詞：路基工程;動態模量;FWD測試法;DCP測試法;PFWD測試法

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.006

文章編號：1673-4874（2019）07-0017-03

0引言

《公路路基設計規范》（JTGD30-2015）和《公路瀝青設計規范》（JTGD50—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。路基動態模量主要通過兩種方法獲得：（1）室內試驗;（2）現場檢測。現場檢測尤其是快速檢測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）和便攜式落錘彎沉儀法（簡稱PFWD測試法）。本文針對上述三種檢測方法的工作原理、測試范圍和技術特點進行對比分析，供相關檢測人員參考。

1現場測試技術對比分析

1.1FWD測試法

20世紀80年代末，國內開始引進落錘式彎沉儀（簡稱FWD）。隨著不斷的實踐應用，FWD的價值已經被廣泛認可，同時也普遍應用到相關領域當中。FWD的檢測技術不只是局限于水泥混凝土路面或者是瀝青路的檢測工作，同時還應用在路基彎沉方面的檢測活動中。FWD的檢測技術十分優良，在進行新道路建設的時候，通過該技術能夠對路基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的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，可以表現在相應面上，這就是FWD的運行原理。因為在圓盤底部會設置橡膠墊塊，所以路基或路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來完成。由于強烈的瞬間沖擊，受荷載作用的路面或路基會發生變形，由此產生的變化會由傳感器測量到。FWD的測試原理如圖1所示。

因為FWD有著巨大的測試優勢，所以被廣泛應用于新道路建設等基建環節上：（1）測試方式簡單，無須各種繁復儀器到場，適用于填料路基以及各式的路面結構;（2）可以了解到路基填充和壓實情況，完全符合對道路建設進行檢測的需求;（3）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彎沉盆檢測法被普遍用在高等級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，從大方向上解析的話，FWD測試還是存在一定的缺點和不足的：

（1）FWD設備購買和租借使用的費用高昂，普通的工程隊伍難以承受。

（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50kN。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的話，測到的數據不一定會符合需要，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，其測出的彎沉是中變形，其中涉及到了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10～30s之間，因此面對剛度比較大的路面結構，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。

（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。換句話說，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的取舍，其反算結果都存在一定的不同。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。

因此解決上述問題，并建立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。

1.2DCP測試法

動力錐貫入儀（DCP），是由上桿和下桿構成的。手柄與8kg的落錘組成了上桿，同時經由鐵砧和下桿進行連接，而下桿則是由鋼化貫入錐頭以及桿尺構成，見圖2。跟之前的錐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。

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ASTMD6951和AASHT093規范。我國與DCP有關的規范為《公路路基路面現場測試規程》（JTGE60-2008）。該規范首次引入DCP測試的規范，但試驗規程中僅簡略地介紹了試驗儀器、試驗方法、試驗步驟、計算等相關試驗情況，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測試因簡單、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。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的差距，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。

1.3PFWD測試法

便攜式落錘彎沉儀英文名為PFWD，或稱手持式落錘彎沉儀（HFWD：Handhold Falling Weight De-flectometer），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測試是經由數據采集程式、加載系統以及數據傳輸三個方面構成的。數據采集程式是由傳感器和位移傳感器以及采集裝置構成;而加載系統則由滑桿、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。

這種測試方式的運作原理是把一個10kg的落錘提升到相應高度之后，再進行自由落體，當落錘跟承載板產生作用，出現沖擊荷載之后，在這股力的作用下，承載板會產生豎向位移，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）PFWD具有輕便快速的特點

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

從表1可以看出，PFWD檢測路基回彈模量在所需時間上要比承載板測試的方法和CBR的測試方法更好一些;同時也要比FWD法和貝克曼梁法要更加迅速。因為使用PFWD可以直接得到路基回彈模量，而使用FWD要經過反算才能夠獲得答案。同時，除PFWD外，其它的檢測方法要通過多人的參與才能夠完成，并且在檢測時需要較高的配合度才能檢測到精確的答案，所需要花費的時間要更多。因此PFWD測試法更受青睞一些。

（2）PFWD測試技術擴展了檢測范圍

盡管PFWD儀器十分輕巧，造型不大，但是其能夠更輕松地達到其它儀器難以檢測到的范圍。例如現場承載板法和貝克曼梁法都需要通過加載車提供載荷，需要足夠的場地才能夠完成測試，最少用到10m×3m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由牽引拖行，到實際檢測地點也是需要足夠的空間的。但是如果使用PFWD，則能夠對任意場地進行檢測，只要檢測人員到位即可;檢測點也不需要十分寬闊，能容納PFWD承載板就可以了，同時其還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的測試方法適用在很多方面，測試方法快捷，對于各種路面結構以及物料填充情況，都能夠很好地應用。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需要解決。

（2）DCP測試具有簡單、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測試具有輕便快速的特點，且造型輕巧、使用便利，具有其它測試儀器所沒有的優勢。