落錘式彎沉儀工作原理及使用的范圍

喬 兵 張云燕

（駐馬店市公路規(guī)劃勘察設(shè)計院 河南 駐馬店 463000）

落錘式彎沉儀 (Falling Weight Deflectometer,FWD)是目前國際上最先進的路面彎沉檢測設(shè)備，它具有無破損、測速快、精度高等優(yōu)點，并很好地模擬了行車荷載作用，檢測結(jié)果為彎沉盆數(shù)據(jù)，因此在國際上的應用也日益廣泛。其應用范圍主要是在路面養(yǎng)護管理方面及后續(xù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

1 落錘式彎沉儀的工作原理

落錘式彎沉儀通過計算機系統(tǒng)控制下的液壓系統(tǒng)啟動落錘裝置，使一定質(zhì)量的落錘從一定高度自由落下，沖擊力作用于承載板上并傳遞到路面，從而對路面施加脈沖荷載，導致路面表面產(chǎn)生瞬時變形，分布于距測點不同距離的傳感器檢測結(jié)構(gòu)層表面的變形，記錄系統(tǒng)將信號傳輸至計算機，即測定在動態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的動態(tài)彎沉及彎沉盆。測試數(shù)據(jù)可用于反算路面結(jié)構(gòu)層模量，從而比較科學地評價路面的承載能力。

2 與常規(guī)檢測手段的比較

2.1 常規(guī)檢測方法我國現(xiàn)行的路面彎沉常規(guī)檢測手段采用的是貝克曼梁法，基本原理是杠桿原理。在規(guī)定的標準軸載作用下，路基或路面表面輪隙位置產(chǎn)生的垂直變形值（回彈彎沉），利用黃河載重汽車加載，人工讀取百分表的讀數(shù)，以此來測量路基或路面表面的回彈彎沉值。存在主要問題有：

（1）以人工操作為主，工作強度大，效率低，可靠性差；

（2）支點變形，影響檢測結(jié)果，對支點變形的修正很難測準；

（3）僅測得靜態(tài)汽車荷載作用下路基路面單點（最大）回彈彎沉值；

（4）沒有反映路面結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下的動力特性和整個彎沉盆形狀；

（5）不適用于對路網(wǎng)進行大范圍長期跟蹤觀測。

2.2 高效檢測方法

（1）數(shù)據(jù)采集傳輸通過高精度傳感器完成，路面結(jié)構(gòu)不同，彎沉盆半徑亦不同。路基或柔性基層瀝青路面?zhèn)鞲衅鞣植荚诰嗪奢d中心2.5米范圍內(nèi)即可。目前，我國高等級公路大多采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，彎沉影響半徑已達3－5米，傳感器分布范圍應布置在距荷載中心3－4米范圍內(nèi)，以量測路面彎沉盆形狀；

（2）FWD主要的技術(shù)特點是測速快（每測點約40多秒），精度高（分辯率為1微米），并較好地模擬了實地行車荷載對路面的動力作用，能根據(jù)上一錘荷載和壓強數(shù)值自動調(diào)整下一錘的荷載，向設(shè)定荷載逼近，從而能準確地測定較完整的彎沉盆信息。

（3）操作方式為計算機控制下的自動量測，所有測試數(shù)據(jù)均可顯示在屏幕上或打印出來或存儲在軟盤上?？奢敵鲎饔煤奢d、彎沉（盆）、路表溫度及測點間距等?？纱蛴澇疗骄?、標準差、變異系數(shù)及代表彎沉值等數(shù)據(jù)。

3 落錘式彎沉儀與貝克曼梁的相關(guān)性

落錘式彎沉儀（FWD）所測的彎沉為動態(tài)總彎沉，與貝克曼梁所測的靜態(tài)回彈彎沉不同?？赏ㄟ^對比試驗得到兩者之間的相關(guān)關(guān)系，并據(jù)此將落錘式彎沉儀測定的動態(tài)彎沉換算成貝克曼梁測定的靜態(tài)回彈彎沉值。

3.1 路段的選擇選擇結(jié)構(gòu)類型完全相同的路段，針對不同地區(qū)選擇某種路面結(jié)構(gòu)代表性路段，進行兩種測定方法的對比試驗，選擇對比路段的長度理論上應是越長越好，但在實際應用中，每種相同結(jié)構(gòu)、每次對比試驗不應少于50個測試點，彎沉值應有一定的變化幅度。

3.2 根據(jù)量測數(shù)據(jù)計算兩者間相關(guān)關(guān)系；我們在G107國道西平段進行了對比試驗，以65個實測點進行回歸分析，求出回歸參數(shù)R2=0.9801后，得出相關(guān)性方程為LB=1.0956*LFWD-63.488（式中LB、LFWD分別為貝克曼梁、落錘式彎沉儀測量的彎沉值）。對比試驗彎沉分布以及FWD與貝克曼梁檢測的相關(guān)分析FWD與貝克曼梁的測試結(jié)果具有良好的對應關(guān)系，F(xiàn)WD測得的彎沉值越大，貝克曼梁測得的彎沉值也越大，反之亦然，兩種檢測結(jié)果也很接近。但FWD測試精度遠高于貝克曼。

兩種方法存在良好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)R達到99%。如果對比試驗結(jié)果相關(guān)性較差，應對結(jié)果進行分析比較，以確定合理檢測方案?？梢娫诠こ虣z測中，完全可以根據(jù)實際情況選擇一種檢測方法，而不必對于每個路段檢測時均需進行對比試驗。

4 在工程檢測中的實際應用

利用FWD能夠快速、準確地檢測和評價路面各結(jié)構(gòu)層或路基的強度，在施工過程中通過逐層檢測和結(jié)構(gòu)層的模量反算可及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患，并迅速采取處理措施，從而在根本上控制了工程質(zhì)量。

4.1 施工過程控制檢測實例某段公路路基工程施工結(jié)束并經(jīng)檢測交工后，轉(zhuǎn)入路面底基層施工，該段路面結(jié)構(gòu)底基層為厚度15cm、8%的石灰土。在底基層施工結(jié)束后，我們利用DynatestFWD對該層進行了彎沉檢測，發(fā)現(xiàn)其中400m路段底基層頂面彎沉值較大，通過采集的彎沉盆資料進行路面結(jié)構(gòu)層模量反算，反算結(jié)果顯示底基層的模量值極不均勻且數(shù)值大部分比土基模量值小。根據(jù)路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計模量值自上而下遞減的規(guī)律，判定該層施工質(zhì)量存在問題。建設(shè)單位據(jù)此檢測結(jié)果及時責令施工單位進行返工，杜絕了質(zhì)量隱患，避免了不良的社會影響和更大的經(jīng)濟損失。

4.2 交（竣）工驗收檢測利用FWD可以對新（改）建公路的路基、路面綜合承載能力進行檢測和評定，為工程的交（竣）工驗收提供數(shù)據(jù)資料和評定質(zhì)量等級的依據(jù)。根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》對已竣工的路面進行彎沉檢測，采集全線路面彎沉（盆）信息資料，根據(jù)路面彎沉資料，分標段對路基路面的綜合承載能力、施工質(zhì)量進行評定。

5 總結(jié)

通過本文分析，可以得出如下結(jié)論：

5.1 FWD與貝克曼梁的測試結(jié)果具有良好的相關(guān)性，工程檢測中可任選一種方法，在正常情況下，不必每次測試都進行對比試驗。

5.2 由于FWD測試消除了認為讀表誤差、氣壓隨氣溫變化產(chǎn)生誤差等多種因素的影響，加之位移傳感器精度高，故其測試結(jié)果具有較高的精度，其測試數(shù)據(jù)可用于路面結(jié)構(gòu)的模量反算，以此用于對各層質(zhì)量進行分析。