道路工程彎沉檢測技術(shù)探究

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摘要：介紹了彎沉檢測方法研究現(xiàn)狀及各種方法的優(yōu)劣。其中：貝克曼梁法和自動彎沉儀法技術(shù)簡便，所測結(jié)果為靜態(tài)彎沉，但效率低，目前研究主要集中在自動化改進以提高檢測效率方面；落錘式彎沉儀法和激光式高速路面彎沉測定儀法檢測結(jié)果為動態(tài)彎沉，檢測效率高，但設(shè)備造價高昂，目前研究主要集中在對比試驗相關(guān)性分析以及改進設(shè)備降低造價等方面。與落錘式彎沉儀相比，手持落錘式彎沉儀具有便攜、造價低等優(yōu)點，但主要用于科研，尚未列入規(guī)范中；二者的對比試驗相關(guān)性分析和針對路面靜態(tài)彎沉的預(yù)測模型還較少，因此對其進行相關(guān)方面的研究具有一定的實踐意義。

關(guān)鍵詞：回彈彎沉；動態(tài)彎沉；檢測；自動化；相關(guān)性

道路工程中的路基或路面，受到外界荷載作用時，表面在垂直路基或路面方向產(chǎn)生的總變形值大小，稱為總彎沉，或垂直方向的回彈變形值稱為回彈彎沉?；貜棌澇潦锹坊⒙访娉休d能力的最重要的表征參數(shù)之一，也是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計控制指標，又是道路工程施工質(zhì)量控制及驗收的重要檢驗項目，同時也是既有現(xiàn)狀道路改造項目中路面結(jié)構(gòu)強度評定的依據(jù)和舊路補強設(shè)計中的重要參數(shù)［1-6］。因此，準確、快速、簡便檢測道路工程的彎沉值，對于路基路面工程有重要作用和意義。按使用的儀器設(shè)備種類的不同，當(dāng)前道路工程彎沉檢測標準方法可分為貝克曼梁法、自動彎沉儀法、落錘式彎沉儀法（FWD）和激光式高速路面彎沉測試儀法。按檢測過程中，位移傳感器是否需要和測試表面接觸，又可分為接觸式彎沉測試法和非接觸式彎沉測試法。其中激光式高速路面彎沉測試儀屬于非接觸式，其余均屬于接觸式。按彎沉檢測結(jié)果的類型，可分為靜態(tài)彎沉和動態(tài)彎沉，其中貝克曼梁法和自動彎沉儀法所測結(jié)果為靜態(tài)彎沉值，其余屬于動態(tài)彎沉值。按彎沉檢測過程自動化程度，可分為非自動化彎沉檢測和自動化彎沉檢測，其中貝克曼梁法屬于非自動化彎沉檢測，其他檢測方法均屬自動化彎沉檢測。各種方法所使用的儀器設(shè)備、適用范圍、檢測原理、結(jié)果表征參數(shù)和優(yōu)缺點各不相同，針對各種方法的研究和改進也一直在進行，因此有必要針對各種方法進行總結(jié)和對比分析，以為進一步的研究和工程實踐提供參考。

1靜態(tài)彎沉檢測

1.1貝克曼梁法

貝克曼梁法在我國應(yīng)用廣泛，是現(xiàn)階段路面設(shè)計和施工質(zhì)量驗收的標準方法，檢測結(jié)果以回彈彎沉值來表示，屬于靜態(tài)彎沉。使用該方法雖然需投入較多的人力和物力，一般需6～8人同時配合進行，且工作效率低，工作強度大，測試精度不易保證［7］，但仍具有操作簡單成熟、設(shè)備價格便宜，所檢測結(jié)果為回彈彎沉值，可直接用于當(dāng)前道路設(shè)計，也可普遍用于彎沉驗收等明顯優(yōu)勢。目前主要用于短距離的公路和市政道路檢測。針對該方法的改進研究方向主要為采用自動化輔助機械設(shè)備代替人工進行貝克曼梁的移動和到達測點后的定位放置。目前關(guān)于回彈彎沉檢測方法的研究，多集中在非貝克曼梁法的改進上，對貝克曼梁法檢測路基、路面彎沉的改進較少，且存在不能實現(xiàn)完全自動化和操作繁瑣的缺陷?；貜棌澇磷鳛闉r青路面設(shè)計的重要指標之一，要求施工后必須通過貝克曼梁法測得實際靜態(tài)彎沉值，并以此作為道路施工質(zhì)量的評價依據(jù)。JTG3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》［8］規(guī)定，用其他幾種彎沉檢測方法，如自動彎沉儀法或落錘式彎沉儀法檢測的彎沉結(jié)果須通過大量對比試驗，再和貝克曼梁法測得的結(jié)果確立相關(guān)關(guān)系。因此，貝克曼梁法的檢測結(jié)果是其他彎沉檢測方法結(jié)果的基準，足可看出貝克曼梁法在檢測中的重要性。綜上所述，貝克曼梁法是不能輕易摒棄的，但對其進行優(yōu)化改進，以適應(yīng)路基、路面檢測技術(shù)智能化、高效化的發(fā)展趨勢是具有較大理論和實際意義的。

1.2自動彎沉儀法

自動彎沉儀法利用了貝克曼梁法的檢測原理，檢測過程中采用位移傳感器替代了貝克曼梁法使用的百分表，能夠自動連續(xù)進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、記錄和處理，工作效率相比貝克曼梁法有很大提高。但檢測結(jié)果是路面結(jié)構(gòu)總彎沉，和貝克曼梁法的回彈彎沉性質(zhì)不同，必須通過約500m長度試驗段，進行對比試驗，建立二者相關(guān)關(guān)系式，將總彎沉換算為回彈彎沉，才能用于路面承載能力評定或路面結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)前針對自動彎沉儀法的研究集中在測試速度和橫坡對測試結(jié)果的影響［12］。

2動態(tài)彎沉檢測

2.1落錘式彎沉儀法（FWD）

該方法的工作原理是：標準質(zhì)量重錘從一定高度落下發(fā)生的沖擊荷載，施加到路基或路面表面，自動量測荷載中心及其一定范圍內(nèi)若干個點所產(chǎn)生的瞬時變形，即測定在動態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的動態(tài)總彎沉及彎沉盆數(shù)據(jù)。FWD所測彎沉盆數(shù)據(jù)常被用以反算路基、路面各層材料動態(tài)彈性模量，作為設(shè)計參數(shù)使用［3］；所測動態(tài)總彎沉通過與貝克曼梁法對比相關(guān)性試驗，得到二者相關(guān)性關(guān)系，轉(zhuǎn)換至回彈彎沉值后可用于評定路基、路面承載能力［9］，也可調(diào)查水泥混凝土路面接縫傳力效果，探查路面板下脫空病害等。關(guān)于FWD的研究方向多集中于檢測過程中的自動化和檢測結(jié)果準確性的提高措施，即FWD和貝克曼梁法對比試驗相關(guān)性研究2個方向。針對FWD造價高昂、需配備專用拖車、傳感器探頭離地間隙小等缺陷，導(dǎo)致檢測機構(gòu)使用相對較少，且不適用于道路改擴建工程中出現(xiàn)較多坑槽病害的路面檢測，使手持式落錘彎沉儀（PFWD）得到了較多的研究和關(guān)注［10-13］。如：文獻［10］利用PFWD為平臺，通過回歸分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能方法構(gòu)建了和貝克曼梁法所測靜態(tài)彎沉關(guān)系，提供了利用PFWD預(yù)測貝克曼梁法檢測的回彈彎沉的檢測思路。文獻［11］研究了PFWD與FWD的測值相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)路基較平整時，二者具有較好的線性關(guān)系，可互相轉(zhuǎn)換；PFWD便攜操作簡便的優(yōu)點抵消了FWD對應(yīng)的缺點。但鑒于當(dāng)前最新JTG3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》［8］未將PFWD列入規(guī)范，僅用于科研探究，所以未來對PFWD也需要作進一步的理論和實踐研究。FWD和貝克曼梁法測定的彎沉值間相關(guān)性與受檢道路條件相關(guān)，只有溫度、水文情況、路面結(jié)構(gòu)、材料和土基等條件相同時，二者才有良好的相關(guān)關(guān)系。文獻［14］研究了不同等級市政道路路面結(jié)構(gòu)條件下，二者的對比試驗發(fā)現(xiàn)，路面結(jié)構(gòu)一定時，二者所測彎沉值雖有差異，但線性關(guān)系良好。文獻［15］針對不同等級公路上的二者相關(guān)性分析進行探究發(fā)現(xiàn)，不同等級公路路面上二者回歸分析相關(guān)性差別較大，瀝青層較厚的高等級路面適合采用線性擬合進行相關(guān)性分析，低等級路面的二者回歸分析相關(guān)性較差。貝克曼梁測值變異系數(shù)普遍比FWD高，表明FWD具有更高的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性更佳［14-15］。文獻［9，12］分析了瀝青混凝土路面彎沉測試中FWD與貝克曼梁法之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者檢測結(jié)果大小間有一定規(guī)律性，即：隨著路面彎沉的增大，F(xiàn)WD所測試出的動態(tài)彎沉結(jié)果的增大幅度，與貝克曼梁法測出的回彈彎沉的增大幅度相比，是逐漸變小的；文獻［9，16］針對FWD與貝克曼梁法檢測結(jié)果的相關(guān)性進行了分析，拓寬了FWD的應(yīng)用范圍，提高了道路彎沉檢測方法的自動化水平。文獻［9，17］針對FWD與貝克曼梁法的相關(guān)性進行了對比研究試驗，得出兩者之間存在較好相關(guān)性的結(jié)論。

2.2激光式高速路面彎沉測定儀法

該方法是目前世界上最先進的道路彎沉檢測手段，采用的是非接觸式的檢測方式，能夠以我國絕大多數(shù)行車速度，即30～90km/h的速度精確測試路面彎沉，且具有自動化程度高、不影響交通和安全性好等優(yōu)點。該方法解決了前3種彎沉測試方法因行駛速度慢、在高速上測試時危險性高、效率低，且須確保檢測時周圍無車輛干擾的缺點。但由于該方法采用了非接觸檢測方式，且檢測工作速度較快，所以只能用于路面工程的彎沉檢測，以評價路基、路面承載能力。該方法測試原理是：測試系統(tǒng)在高速行駛過程中通過激光多普勒效應(yīng)，來測試路面在荷載作用下的垂直下沉速度，然后通過一套慣性系統(tǒng)實時記錄多普勒激光傳感器的振動情況和運行姿態(tài)修正，再通過分析程序計算路面實際彎沉變化的速度，并能計算出路表的最大彎沉及彎沉盆數(shù)據(jù)。目前針對該方法的研究主要集中在對測量部件的改進來提高設(shè)備的檢測結(jié)果準確度和實用性，以及實際使用的探究分析［18-19］。文獻［18］發(fā)明了一種用于路面彎沉測量的激光束平行調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有方法造價高、工作量大等缺點。文獻［19］通過在陜西省XB高速公路使用激光式高速路面檢測測定儀，并與西太一級路路面結(jié)構(gòu)相似的路段進行與落錘式彎沉儀測值對比試驗，發(fā)現(xiàn)二者具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達0.998，且檢測效率大大提升。文獻［20］針對激光式高速路面彎沉測定儀的數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用方面研究成果與進展進行了綜述，認為該方法相對其他彎沉測試方法，具有較大優(yōu)勢，但目前國內(nèi)存在理論和數(shù)據(jù)分析方法簡單、測試結(jié)果利用率低和彎沉指標過于單一等問題與不足，并建議今后研究方向應(yīng)集中在：完善適合國內(nèi)路面結(jié)構(gòu)的高速激光彎沉儀檢測技術(shù)理論研究；基于大數(shù)據(jù)分析手段持續(xù)改進現(xiàn)有理論模型；深化在實踐應(yīng)用中的推廣研究；進一步研究與其他彎沉測試方法的關(guān)系及可靠性。

3結(jié)論

1）貝克曼梁法簡便成熟，所測靜態(tài)彎沉在現(xiàn)階段舊路補強設(shè)計和施工質(zhì)量驗收中不可或缺，作為一種標準檢測方法不能輕易摒棄，但檢測中存在需要大量的人力和物力、效率低的缺點，因此未來研究應(yīng)集中在實現(xiàn)自動化檢測方向。落錘式彎沉儀法具有較高的自動化和效率，檢測結(jié)果穩(wěn)定性和準確度更高，應(yīng)用廣泛，但所測結(jié)果為動態(tài)彎沉，無法直接用于新建道路質(zhì)量驗收；與貝克曼梁法進行對比相關(guān)性試驗時，受檢測條件影響程度大，特別是在低等級路面時其相關(guān)性較差，因此應(yīng)進行更為廣泛的數(shù)據(jù)采集與對比分析，以保證數(shù)據(jù)的準確度。激光式高速路面彎沉測定儀檢測效率最高，但設(shè)備造價高，國內(nèi)的理論研究和模型尚未完全成熟，且目前實用較少，故需進一步進行相關(guān)理論研究和實踐應(yīng)用。2）與現(xiàn)行標準中落錘式彎沉儀法相比，手持式落錘儀法具有造價低、使用簡便快捷的優(yōu)點，但未列入現(xiàn)行檢測規(guī)范中，多用于科研探究，研究方向多為利用彎沉盆數(shù)據(jù)檢測道路結(jié)構(gòu)層回彈模量等，且與落錘式彎沉儀法的對比試驗相關(guān)性研究較少，所以需增加對二者的相關(guān)性研究和手持落錘式彎沉儀對路面靜態(tài)彎沉的預(yù)測研究，其研究成果將具有較大的學(xué)術(shù)和實踐意義。

作者:李鵬 單位:廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司