車載落錘式彎沉儀在公路檢測中的應用研究

付彩霞

(河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

目前，我國公路建設規模持續擴大，截至2019年，全國公路總里程已達484.65 萬km、高速公路達14.26 萬km，居世界第一。然而，在公路建設里程不斷增加的同時，受行車荷載、自然環境等多種因素限制，大量路面出現了不同程度的早期病害，如裂縫、坑槽、車轍等，嚴重影響了路面結構使用性能，導致路面過早進入維修養護期。為準確了解路面使用情況，路面強度檢測成為了關鍵。無損檢測是一種不破壞路面結構的檢測技術，已成為路面結構性能檢測的重要手段。彎沉檢測是路面養護當中最重要的一項指標，其目的是為了檢測路面強度，了解道路使用性能，為后期養護提供可靠的數據支持，從而保證行車舒適性和安全。FWD是一種測速快、精度高，可模擬行車荷載動力作用的先進檢測儀器，將其用于路面強度檢測，可獲取客觀的檢測數據，保證路面強度評價的真實性。

1 FWD的測試原理

落錘式彎沉儀是指通過計算機控制液壓系統，將其重錘提升至一定高度并自由下落，對路面施加脈沖荷載，此荷載脈沖可模擬行駛過程中車輪荷載的影響作用。由FWD測試原理可見，在一定范圍內可通過改變重錘提升高度的方式來實現調整荷載大小的目的。利用重載荷載傳感器能夠測定出施加荷載的大小，由承載板(Ф300 mm)向路面傳遞，產生路面變形，通過若干個傳感器測定變形情況，并利用計算機系統采集，換算獲取所有測點的彎沉值，此外，還應繪制“彎沉盆圖”，最終對路面結構進行評價。

相比其他檢測儀器，落錘式彎沉儀的特點為精度高、測速快、可模擬行車荷載動力作用。同時，還能準確測定出多點彎沉，能夠精確地將各級荷載作用下的路表面動態彎沉曲線測量出來，真實、客觀地反映彎沉盆的情況。

作為一種高效的無損檢測設備，落錘式彎沉儀是較為理想的一種檢測儀器，可以消除梁式彎沉儀存在的不足，由于其自身重量小，還能克服穩態動力彎沉儀存在的靜力預載問題。在公路檢測中，FWD的優越性主要體現在以下2點。

1)按照彎沉盆進行路面結構各層模量反算，研究使用過程中路面材料的性能變化，提供技術參數。

2)在路面強度測定和評價中，可將FWD的彎沉盆看作是一項重要指標，為公路后期養護維修提供數據支持。

2 彎沉盆的幾何特性

FWD實測彎沉盆曲線內涵蓋了大量路面結構強度數據，在現階段FWD研究當中，FWD彎沉盆參數可直接用于路面結構狀況評價。然而，彎沉盆參數在建立中，將會遇到彎沉盆曲線擬合模型情況，模型是否合理，勢必會對評價效果造成影響。為此，必須重視擬合模型。

彎沉盆曲線基本等同于一個凹曲線，距離越遠，彎沉值越小，據國內外大量研究分析，認為效果最好的為二次分式曲線擬合效果，即二次分式曲線y=a/(1+bx2)。

除彎沉盆曲線擬合外，還可以通過其他彎沉盆幾何尺寸指標，如面積指數(RAi)、形狀系數(Fi)、表面曲率指數(SCI)、彎沉比(Qi)、曲度指數(Ci)、傾斜指數(Si)、倒數(Ii)等，從各個角度反映彎沉盆的不同特性，并用于統計分析路面結構強度的幾何性質，用于路面強度評價。

3 FWD檢測實例分析

為了驗證FWD在公路路面結構強度中的檢測效果，本文采用落錘式彎沉儀進行檢測，按照現行檢驗評定標準，以每公里對測試路段的平均彎沉、標準差、代表彎沉進行準確計算，下式為代表彎沉計算的公式：

評定路段代表彎沉可由L表示。

評定路段內全部測點彎沉的標準差可由S表示。

與保證率相關的系數由Za表示。

不同等級公路，則系數Za存有一定差異，具體如表1所示。

表1 不同等級公路的系數Za值

選取其中一個路段，起訖樁號為K10+000-K20+000，根據現場檢測數據按公里分段對FWD測試的中央彎沉(D1)進行分析。本工程左右幅車道FWD彎沉測試結果如表1、表2所示。

表2 公路左幅車道FWD彎沉測試結果統計值

由表2可知，公路左幅車道FWD彎沉測試結果中，按每公里測點數均為20個，K10+000-K20+000段平均值為65.4～189.3 μm，標準差為22.6～121.7 μm；最大值為152.0～618.0 μm；最小值為42.0～92.0 μm；代表值為118.1～502.8 μm。其中K17+000-K18+000路段代表彎沉值在500 μm，說明本路面強度較低。

由表3可知，公路右幅車道FWD彎沉測試結果中，按每公里測點數均為20個，K10+000-K20+000段平均值為79.5～169.9 μm，標準差25.9～83.4 μm；最大值為158.0～441.0 μm；最小值為48.0～105.0 μm；代表值為131.3～366.5 μm。

表3 公路右幅車道FWD彎沉測試結果統計值

由此可知，本路段彎沉變化較大，65.4～189.3 μm為彎沉平均值變化，其中136.4 μm為左幅車道彎沉平均值，126.66 μm為右幅車道彎沉平均值，明顯可見，本路段左幅強度較低。

4 結語

當前，我國公路建設事業已步入“建養并重”的階段，很多路面面臨著大中修施工。在路面結構強度和路用性能評價中，通過FWD可精確判斷路面實際情況，了解路面服務水平，衡量路網的整體質量。為此，必須全面了解FWD的測試原理，掌握彎沉盆幾何特性，結合具體工程案例，通過檢測數據統計情況，客觀分析路面強度狀況，為公路養護維修提供可靠的數據依據。