各級公路FWD 與貝克曼梁彎沉檢測相關性分析

梁志成

（山西省交通新技術發(fā)展有限公司，山西 太原 030032）

引言

路基路面彎沉作為承載能力的檢測指標，一般采用傳統(tǒng)的貝克曼梁進行檢測，但所需檢測輔助人員多、檢測速度慢，實際檢測時需要耗費大量人力物力。落錘式彎沉儀（FWD）作為較成熟的彎沉檢測技術，逐漸成為各級公路尤其是高等級公路交、竣工驗收的主要檢測手段[1-4]。但目前落錘式彎沉儀主要應用于高等級公路瀝青路面上面層檢測，對其它等級公路的應用研究相對較少，為了解落錘式彎沉儀在各等級公路上的適用性，對不同等級公路落錘式彎沉儀與貝克曼梁兩種測試方法進行對比分析[5-9]。擬選取三種不同結構層組成公路試驗段，分別進行貝克曼梁彎沉儀與落錘式彎沉儀兩種方式的彎沉檢測，并對不同檢測方式下彎沉數(shù)據(jù)特點及數(shù)據(jù)相關性進行分析。

1 試驗設備及方案設計

1.1 試驗設備

1.1.1 貝克曼梁彎沉儀

目前路基路面彎沉檢測大部分仍采用傳統(tǒng)貝克曼梁法進行檢測，常用5.4 m 貝克曼梁彎沉儀，并輔以精度不小于0.01 mm 百分表進行變形值測量。該方法為目前路基彎沉檢測標準方法，檢測彎沉為靜態(tài)彎沉，檢測需配備后軸載重100 kN（10 t，部分地區(qū)為提高施工質量保證率，將標準軸載提高至15 t）、單側雙輪組荷載50 kN、胎壓0.7 MPa 的檢測車。新修規(guī)范鼓勵有條件的情況下優(yōu)先采用自動化檢測設備換算后進行彎沉評價，但鑒于各地路基路面原材料、結構層工況等存在較大差異，規(guī)范并無統(tǒng)一推薦的換算公式。

1.1.2 落錘式彎沉儀

落錘式彎沉儀（FWD）原理是采用一定質量落錘從設定高度落下，通過直徑30 cm 承載板對檢測路基路面產生沖擊，形成在設定壓力（一般設定為0.7 MPa）下的瞬時變形，以模擬行車荷載對路基路面作用。通過采集測定路基路面垂直變形，必要時可采集距離落錘中心不同距離的路基路面表層變形值得到彎沉數(shù)據(jù)。該方法方便快捷、測值精準，且所需檢測人員較少，為新規(guī)范推薦的自動化測試方法。

1.2 方案設計

選取三種不同結構層組成的公路試驗段，分別進行貝克曼梁彎沉儀與落錘式彎沉儀兩種方式的彎沉檢測，見表1。首先分析不同結構層、不同檢測方式下彎沉數(shù)據(jù)特點，然后選取三種回歸擬合方式對各公路下兩種彎沉檢測數(shù)據(jù)的相關性進行分析，最終對落錘式彎沉儀彎沉檢測有效性進行綜合分析。

表1 三種不同公路試驗段結構層組成

2 檢測數(shù)據(jù)特點分析

根據(jù)試驗方案設計，分別對三段試驗段進行兩種方式彎沉檢測。為保證檢測數(shù)據(jù)的準確性，確保兩種檢測方式檢測位置統(tǒng)一：（1）進行貝克曼梁法彎沉檢測，并標記彎沉儀觸頭位置（即百分表放置端貝克曼梁對應位置），左、右輪分別進行標記。（2）貝克曼梁法彎沉檢測后盡量在同一時間進行落錘式彎沉儀法彎沉檢測，落錘承載板中心盡量與上述標記點重合。（3）落錘式彎沉儀每點錘擊4 次，剔除第1 次數(shù)據(jù)后取后3 次測試均值作為該點檢測數(shù)值。

為保證檢測數(shù)據(jù)有效性，對特異數(shù)據(jù)進行剔除，然后每試驗段選取各30 組數(shù)據(jù)進行平均值、標準差、變異系數(shù)等相關統(tǒng)計參數(shù)計算，結果見表2。

表2 三種不同公路試驗段彎沉檢測數(shù)據(jù)

分析可知：（1）兩種檢測方式下，三種路面結構彎沉大小分別為3# 試驗段＞2# 試驗段＞1#試驗段。彎沉大小在一定程度上表明各路面結構承載力順序，與各路面道路等級設計要求承載性能一致。（2）不管采用何種檢測方式，三種路面結構變異系數(shù)大小順序為3# 試驗段＞2# 試驗段＞1# 試驗段。由于變異系數(shù)為標準差與平均值之比，是相對變化指標，表明三種路面的彎沉數(shù)據(jù)離散程度也呈現(xiàn)一定規(guī)律。①公路等級越高，原材料控制均勻性越好，施工質量控制更佳，彎沉變異性越小。②公路等級越高，運營養(yǎng)護措施越多，對道路損壞修復越及時，彎沉衰減變化程度及范圍越小。③公路等級越低，上面層材料表層均勻性越差，如3# 試驗段為級配礫石，表層松散集料會對數(shù)據(jù)采集造成一定影響，進而導致彎沉檢測變異性較大。（3）比較兩種檢測方法下彎沉檢測值變異系數(shù)，除1# 試驗段落錘式彎沉儀測試值與貝克曼梁測試值變異系數(shù)基本相當外，貝克曼梁測值變異系數(shù)普遍比落錘式彎沉儀高。這是由于公路等級越高、路面狀況越好，彎沉測試數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，受測試現(xiàn)場條件影響越小。當路面狀況不佳時，兩種檢測方式的數(shù)據(jù)均受到一定影響，相較而言貝克曼梁法影響更大，落錘式彎沉儀法則相對穩(wěn)定。表明落錘式彎沉儀較貝克曼梁法具有更高的穩(wěn)定性與準確度，進行高等級公路彎沉測試時穩(wěn)定性更佳。

3 相關性分析

3.1 1#試驗段

3.1.1 回歸分析結果

對1#試驗段采用三種擬合方式進行相關性分析，結果見表3。

表3 1#試驗段彎沉數(shù)據(jù)回歸分析結果

結果分析顯示，三種回歸方程相關系數(shù)R均大于0.95，符合《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60—2008）有關擬合精度要求，表明三種回歸形式下兩種檢測方式均具有較好的相關性，說明落錘式彎沉儀在高等級公路彎沉檢測具有較好的準確性。

3.1.2 擬合結果

分析圖3 表明，三種擬合結果線性擬合、二次多項式擬合比指數(shù)擬合具有更好的相關性，因此在相似路面結構組成路段，可采用線性、二次多項式兩種擬合方式進行彎沉數(shù)據(jù)處理。同時，考慮線性擬合較二次多項式擬合更簡潔方便，優(yōu)先推薦采用線性擬合進行相關性分析。

圖1 1#試驗段線性擬合結果

圖2 1#試驗段二次多項式擬合結果

圖3 1#試驗段指數(shù)擬合結果

3.2 2#、3#試驗段

對2#、3#試驗段采用三種擬合方式進行相關性分析，結果見表4、表5。

表4 2#試驗段彎沉數(shù)據(jù)回歸分析結果

表5 3#試驗段彎沉數(shù)據(jù)回歸分析結果

分析可知：（1）由表4 可得，三種回歸方程相關系數(shù)R均大于0.95，符合《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60—2008）有關擬合精度要求，表明三種回歸形式下兩種檢測方式均具有較好的相關性，說明落錘式彎沉儀在相應等級公路彎沉檢測時具有較好的準確性。但二次多項式擬合、指數(shù)擬合較線性擬合相關性更好，綜合考慮擬合的簡潔性及準確性，優(yōu)先采用二次多項式擬合進行相關性分析。（2）由表5 可得，三種回歸方程相關系數(shù)R均小于0.95，均不符合《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60—2008）有關擬合精度要求，表明三種回歸形式下兩種檢測方式不具備較好的相關性，但擬合相關性較差并非表明落錘式彎沉儀檢測數(shù)據(jù)的準確性較差。表明落錘式彎沉儀具有更高的準確性與穩(wěn)定性，只是鑒于目前評價指標是以貝克曼梁法測試的靜態(tài)彎沉為基準，落錘式彎沉儀測試的動態(tài)彎沉測值需進行其它更為可靠的換算后才能進行直接評價。

綜合對比三種路面結構在兩種不同方法下的檢測結果，隨著公路等級的降低，落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉檢測的相關性逐漸降低，特別是當面層為非瀝青面層時，落錘式彎沉儀與貝克曼梁不具備較好的相關性，采用落錘式彎沉儀進行低等級公路彎沉測試時應進行更為廣泛地數(shù)據(jù)采集及對比分析。

4 結語

選取三種不同結構層組成公路試驗段，分別進行貝克曼梁彎沉儀與落錘式彎沉儀兩種方式彎沉檢測，對三種路面在不同檢測方式下彎沉數(shù)據(jù)特點及兩種彎沉檢測數(shù)據(jù)相關性進行分析：（1）兩種彎沉檢測方式均顯示，三種路面結構變異系數(shù)大小順序為3#試驗段＞2#試驗段＞1#試驗段。表明公路等級越高，原材料控制均勻性越好，施工質量控制更佳，彎沉變異性越小。（2）貝克曼梁測值變異系數(shù)普遍比落錘式彎沉儀高，表明落錘式彎沉儀較貝克曼梁法具有更高的穩(wěn)定性與準確度，也表明落錘式彎沉儀進行高等級公路彎沉測試時穩(wěn)定性更佳。（3）不同等級公路路面在兩種彎沉檢測方式下回歸分析的相關性差別較大，瀝青層較厚的高等級公路優(yōu)先推薦采用線性擬合進行相關性分析，必要時可采用二次多項式擬合方式。（4）非瀝青面層的低等級路面結構在兩種彎沉檢測方式下回歸分析的相關性較差，采用落錘式彎沉儀進行彎沉測試時應進行更為廣泛地數(shù)據(jù)采集及對比分析，以保證數(shù)據(jù)的準確性。