道路工程彎沉檢測技術探究

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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簡便，所測結果為靜態(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果為動態(tài)彎沉，檢測效率高，但設備造價高昂，目前研究主要集中在對比試驗相關性分析以及改進設備降低造價等方面。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性分析和針對路面靜態(tài)彎沉的預測模型還較少，因此對其進行相關方面的研究具有一定的實踐意義。

關鍵詞：回彈彎沉；動態(tài)彎沉；檢測；自動化；相關性

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。回彈彎沉是路基、路面承載能力的最重要的表征參數(shù)之一，也是瀝青路面結構設計控制指標，又是道路工程施工質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構強度評定的依據(jù)和舊路補強設計中的重要參數(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。按使用的儀器設備種類的不同，當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備、適用范圍、檢測原理、結果表征參數(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用廣泛，是現(xiàn)階段路面設計和施工質量驗收的標準方法，檢測結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、設備價格便宜，所檢測結果為回彈彎沉值，可直接用于當前道路設計，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。回彈彎沉作為瀝青路面設計的重要指標之一，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果須通過大量對比試驗，再和貝克曼梁法測得的結果確立相關關系。因此，貝克曼梁法的檢測結果是其他彎沉檢測方法結果的基準，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，以適應路基、路面檢測技術智能化、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。但檢測結果是路面結構總彎沉，和貝克曼梁法的回彈彎沉性質不同，必須通過約500m長度試驗段，進行對比試驗，建立二者相關關系式，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構設計。當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性試驗，得到二者相關性關系，轉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。關于FWD的研究方向多集中于檢測過程中的自動化和檢測結果準確性的提高措施，即FWD和貝克曼梁法對比試驗相關性研究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，導致檢測機構使用相對較少，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)絡智能方法構建了和貝克曼梁法所測靜態(tài)彎沉關系，提供了利用PFWD預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的測值相關性，發(fā)現(xiàn)當路基較平整時，二者具有較好的線性關系，可互相轉換；PFWD便攜操作簡便的優(yōu)點抵消了FWD對應的缺點。但鑒于當前最新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性與受檢道路條件相關，只有溫度、水文情況、路面結構、材料和土基等條件相同時，二者才有良好的相關關系。文獻［14］研究了不同等級市政道路路面結構條件下，二者的對比試驗發(fā)現(xiàn)，路面結構一定時，二者所測彎沉值雖有差異，但線性關系良好。文獻［15］針對不同等級公路上的二者相關性分析進行探究發(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性分析，低等級路面的二者回歸分析相關性較差。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系，發(fā)現(xiàn)兩者檢測結果大小間有一定規(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果的相關性進行了分析，拓寬了FWD的應用范圍，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性進行了對比研究試驗，得出兩者之間存在較好相關性的結論。

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，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備的檢測結果準確度和實用性，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構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性，相關系數(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，但目前國內存在理論和數(shù)據(jù)分析方法簡單、測試結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集中在：完善適合國內路面結構的高速激光彎沉儀檢測技術理論研究；基于大數(shù)據(jù)分析手段持續(xù)改進現(xiàn)有理論模型；深化在實踐應用中的推廣研究；進一步研究與其他彎沉測試方法的關系及可靠性。

3結論

1）貝克曼梁法簡便成熟，所測靜態(tài)彎沉在現(xiàn)階段舊路補強設計和施工質量驗收中不可或缺，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，檢測結果穩(wěn)定性和準確度更高，應用廣泛，但所測結果為動態(tài)彎沉，無法直接用于新建道路質量驗收；與貝克曼梁法進行對比相關性試驗時，受檢測條件影響程度大，特別是在低等級路面時其相關性較差，因此應進行更為廣泛的數(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，但設備造價高，國內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理論研究和實踐應用。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)檢測道路結構層回彈模量等，且與落錘式彎沉儀法的對比試驗相關性研究較少，所以需增加對二者的相關性研究和手持落錘式彎沉儀對路面靜態(tài)彎沉的預測研究，其研究成果將具有較大的學術和實踐意義。

作者:李鵬 單位:廣州市市政工程設計研究總院有限公司