公路路面落錘式彎沉檢測技術(shù)應(yīng)用

周應(yīng)鳳

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112）

0 引言

在路面質(zhì)量檢測領(lǐng)域，傳統(tǒng)方法以貝克曼梁檢測法為主，但其實(shí)際應(yīng)用中存在流程復(fù)雜、精度低、速度慢等局限性。相比而言，落錘式彎沉檢測技術(shù)的流程更為精簡，在精度和速度方面均有所提升，因此在公路路面質(zhì)量檢測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。本文將分析落錘式彎沉檢測技術(shù)的原理與應(yīng)用要點(diǎn)，旨在加深對該項(xiàng)技術(shù)的認(rèn)識，以便更合理地應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)完成路面檢測工作。

1 落錘式彎沉檢測技術(shù)與貝克曼梁法的對比分析

1.1 貝克曼梁法

貝克曼梁法是常規(guī)的路面彎沉檢測手段（見圖1），其采用杠桿原理，向待檢驗(yàn)的路面施加標(biāo)準(zhǔn)軸載，檢測路面表面的車輪輪隙，進(jìn)而測定該處的垂直變形值，所得結(jié)果即為回彈彎沉。加載采用載重汽車完成，檢測人員讀取百分表讀數(shù)，獲得相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)。

圖1 貝克曼梁結(jié)構(gòu)圖

采用貝克曼梁法檢測回彈彎沉具有一定的局限性：

（1）以人工操作為主，試驗(yàn)檢測人員的工作強(qiáng)度較大，加之工作流程繁瑣，難以高效檢測；

（2）支點(diǎn)變形易影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性；

（3）檢測結(jié)果的全面性不足，僅反映了靜載汽車荷載下路面的回彈彎沉值，若只根據(jù)該數(shù)據(jù)對路面質(zhì)量作出評估則不夠全面，例如難以反映路面在行車荷載作用下的具體表現(xiàn)；

（4）不適用于對路網(wǎng)的長期跟蹤觀測。

1.2 落錘式彎沉檢測技術(shù)

落錘式彎沉儀檢測過程中，高精度傳感器負(fù)責(zé)采集并傳輸數(shù)據(jù)，不同路面的結(jié)構(gòu)形式存在差異，彎沉盆半徑不盡相同。我國的高等級公路普遍采用半剛性基層+瀝青路面，通常此類路面結(jié)構(gòu)的彎沉影響半徑為3～5m。根據(jù)該特點(diǎn)，宜在距荷載中心3～4m處布設(shè)傳感器，用于測量路面彎沉盆形狀。

落錘式彎沉儀是重要的檢測儀器，具有如下應(yīng)用優(yōu)勢：

（1）效率高。落錘式彎沉儀運(yùn)行精度和運(yùn)行效率均較高，單個(gè)測點(diǎn)可在30s內(nèi)完成測試，錘擊次數(shù)達(dá)到3次，因此在公路路面檢測尤其是大范圍的路面檢測中具有突出的應(yīng)用優(yōu)勢。

（2）荷載控制精度高。根據(jù)檢測要求，設(shè)定荷載、高度和步長，試驗(yàn)檢測階段能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)精準(zhǔn)控制荷載。

（3）數(shù)據(jù)精度高。落錘式彎沉儀的配套技術(shù)先進(jìn)，包含高精度的傳感器和儀表設(shè)備，試驗(yàn)檢測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)精度較高，更具有分析價(jià)值。

（4）數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。落錘式彎沉儀適配專門的數(shù)據(jù)處理軟件，可自行完成誤差計(jì)算和溫度修正等相關(guān)操作，以較快的速度處理數(shù)據(jù)。由于全程均以自動(dòng)化的方式進(jìn)行，減少了人員的參與，可避免因主觀因素而導(dǎo)致試驗(yàn)檢測結(jié)果失準(zhǔn)。

在落錘式彎沉儀的應(yīng)用中，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)控液壓設(shè)備，帶動(dòng)重錘做出提升或釋放的操作，產(chǎn)生的沖擊荷載經(jīng)由承載板傳遞至路面。根據(jù)試驗(yàn)檢測要求，向路面施加半正弦脈沖荷載，在其作用下路面出現(xiàn)瞬時(shí)變形，在此期間各傳感器采集測試數(shù)據(jù)，生成動(dòng)態(tài)瞬時(shí)荷載作用下的動(dòng)態(tài)彎沉值，工程技術(shù)人員可根據(jù)此項(xiàng)試驗(yàn)檢測結(jié)果對路面的強(qiáng)度作出判斷。

2 落錘式彎沉儀的工作原理

落錘式彎沉儀產(chǎn)生的半正弦波荷載能夠較為真實(shí)地模擬公路行車作用下對路面的作用，并且可以根據(jù)公路通行狀況調(diào)整半正弦荷載的級別。傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過匯總后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，建立起集數(shù)據(jù)采集、處理于一體的流程化作業(yè)模式，能夠以相對較快的速度精準(zhǔn)計(jì)算，獲得可反映路面強(qiáng)度的試驗(yàn)檢測結(jié)果。

按落錘形式的不同，落錘式彎沉儀包含單錘和雙錘兩類。其中，單錘的特點(diǎn)在于錘體直接沖擊路面，經(jīng)過試驗(yàn)檢測后產(chǎn)生的是雙峰曲線形式的荷載時(shí)程曲線；雙錘則通過橡膠緩沖器作用在路面的重塊上，進(jìn)而聯(lián)合該重塊共同作用于路面，可產(chǎn)生拋物線形式的荷載時(shí)程曲線，整個(gè)曲線更為光滑，數(shù)據(jù)也更具可靠性。

根據(jù)運(yùn)載形式的不同，落錘式彎沉儀可分為車載式和拖車式兩類。其中，車載式以中型面包車為原型改裝而成，在車內(nèi)安裝試驗(yàn)所需的各類儀器；拖車式則需適配牽引車，搭設(shè)在車架上的蓄電池和牽引車提供電能，以滿足測控系統(tǒng)的電力需求，測量數(shù)據(jù)則以網(wǎng)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)入車內(nèi)筆記本電腦中，此類形式在路面檢測中較為常見，工作示意圖見圖2。

圖2 拖車式落錘式彎沉儀工作示意圖

3 工程概況

某城市主干路為雙向六車道，設(shè)計(jì)寬度為36m，機(jī)動(dòng)車道寬22m。機(jī)動(dòng)車道路面面層為4cm厚的SMA-13細(xì)粒式改性瀝青混凝土。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此類路面壓實(shí)度≥97%，面層平整度≤5mm，面層厚度偏差在-5～10mm，路面彎沉值≤24mm。在路面的質(zhì)量檢驗(yàn)中，將彎沉值作為重要的指標(biāo)。

4 落錘式彎沉檢測技術(shù)的應(yīng)用流程

4.1 準(zhǔn)備工作

在運(yùn)輸鎖定的最高位置配套落錘，檢查中央位移傳感器的測試桿，明確其布設(shè)位置，合理狀態(tài)是伸出荷載盤底部1～2cm；檢查彈簧裝置，要求其具備合適的彈力；檢查加載板的運(yùn)行狀態(tài)，上升和下降均要順暢；根據(jù)試驗(yàn)檢測要求，靈活調(diào)整落錘的重量和高度，確保適配的落錘可產(chǎn)生合適的沖擊荷載，以便試驗(yàn)檢測工作的有效開展；檢測落錘式彎沉儀的輪胎壓力是否合理；電池酸液面和液壓油面均不可出現(xiàn)異常波動(dòng)。

4.2 檢測過程

本工程采用FWDPRIMAX1500落錘式彎沉檢測儀檢測路面彎沉，包含9個(gè)傳感器，測點(diǎn)間距統(tǒng)一控制在20m。將試驗(yàn)檢測所需的拖車牽引落錘式彎沉儀轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場后啟動(dòng)設(shè)備。彎沉檢測期間，啟用GPS測量系統(tǒng)，以便采集車輛的位置、速度及溫度信息，車載控制系統(tǒng)在接收到此部分信息后，發(fā)送給服務(wù)器。彎沉測量時(shí)，落錘式彎沉儀承載板的位置準(zhǔn)確與否將直接影響到測試結(jié)果的精度，因此需加以調(diào)整，使其對準(zhǔn)測試點(diǎn)。在液壓泵的作用下將落錘提升至指定高度，向下釋放時(shí)產(chǎn)生的沖擊力作用于承載板，然后繼續(xù)提升至初始高度。在落錘沖擊承載板的過程中，傳感器及時(shí)采集路面的變形信息，完整地匯總至彎沉儀控制系統(tǒng)。為消除偶然誤差，各測點(diǎn)分別測量3次，根據(jù)檢測結(jié)果求平均值，將其作為最終的彎沉結(jié)果。

4.3 檢測數(shù)據(jù)處理

為檢驗(yàn)落錘式彎沉儀試驗(yàn)檢測的精度，與貝克曼梁彎沉儀測得的結(jié)果進(jìn)行對比分析。實(shí)際操作中，將落錘式彎沉儀試驗(yàn)拖車駛離現(xiàn)場，準(zhǔn)確標(biāo)定各測點(diǎn)的位置，再于同一測點(diǎn)安排貝克曼梁彎沉儀進(jìn)行試驗(yàn)檢測，全程測點(diǎn)位置的偏差必須控制在3cm以內(nèi)，否則試驗(yàn)結(jié)果缺乏可比性。兩種檢測方法的間隔時(shí)間在10min以內(nèi)為宜。試驗(yàn)期間記錄數(shù)據(jù)，并按如下公式計(jì)算：

式（1）中：LBB為貝克曼梁彎沉值（0.01mm）；LFWD為落錘式彎沉檢測值（0.01mm）；A,B為常數(shù)。

以K0+110—K0+490段作為試驗(yàn)路段，單車道間距20m檢測1點(diǎn)，共144個(gè)檢測點(diǎn)。結(jié)果顯示，貝克曼梁法的檢測結(jié)果均值為17.5（0.01mm），標(biāo)準(zhǔn)差為1.88；落錘式彎沉儀檢測結(jié)果均值為19.1（0.01mm），標(biāo)準(zhǔn)差為1.36，彎沉值超50（0.01mm）的有36點(diǎn)。結(jié)果表明，彎沉數(shù)據(jù)具有離散性，屬于奇異值。根據(jù)兩種試驗(yàn)檢測方法的結(jié)果，確定未剔除奇異值的擬合公式如下：

相關(guān)性系數(shù)R2=0.575，不存在過強(qiáng)的相關(guān)性。根據(jù)落錘式彎沉檢測代表值計(jì)算，可以確定貝克曼梁彎沉值為9.28（0.01mm）。為盡可能保證彎沉數(shù)據(jù)有足夠的可靠性和參考價(jià)值，有必要將試驗(yàn)結(jié)果中的奇異值剔除，在此基礎(chǔ)上做數(shù)據(jù)擬合，此時(shí)有：

在剔除奇異值后，相關(guān)性系數(shù)R2=0.92，有顯著的相關(guān)性。此時(shí)，貝克曼梁法測得的彎沉值為17.0（0.01mm）。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，按照先剔除奇異值、再擬合的方式所產(chǎn)生的彎沉值更趨近于貝克曼梁檢測法的彎沉值，兩者的差異僅為2.86%。從這一角度來看，落錘式彎沉檢測方法的可行性較高，檢測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

經(jīng)過前述有關(guān)落錘式彎沉檢測和貝克曼梁檢測的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，落錘式彎沉檢測結(jié)果有較高的準(zhǔn)確性，且經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合后，可確定兩種方法檢測結(jié)果的關(guān)系。從試驗(yàn)操作的角度來看，落錘式檢測技術(shù)的自動(dòng)化水平更高，能夠減少人力投入，以自動(dòng)化的方式檢測動(dòng)態(tài)模量，可以高效完成彎沉檢測作業(yè)。

4.4 在水泥混凝土路面檢測中的應(yīng)用

落錘式彎沉儀也可用于水泥混凝土路面檢測，此時(shí)需做好測點(diǎn)布置、試驗(yàn)測試、數(shù)據(jù)采集與處理等相關(guān)工作。根據(jù)測試對象合理布設(shè)測點(diǎn)，若檢測路面接縫的傳荷能力，測點(diǎn)位置可考慮在路面接縫一側(cè)，并在接縫的兩側(cè)布設(shè)傳感器。測試期間，加強(qiáng)對各測點(diǎn)彎沉值、彎沉盆數(shù)據(jù)的采集與記錄，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等，從而綜合評價(jià)水泥混凝土路面接縫的傳荷能力。若將落錘式彎沉儀應(yīng)用于水泥混凝土板的板底脫空檢測中，試驗(yàn)檢測結(jié)果可較為準(zhǔn)確地反映路面的實(shí)際情況，以便工程人員針對存在的缺陷做有效的修復(fù)，使水泥混凝土板更加穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié)語

綜上所述，落錘式彎沉檢測技術(shù)是路面強(qiáng)度檢驗(yàn)中的重要手段，具有操作便捷、檢測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、效率高等多項(xiàng)優(yōu)勢。本文分析總結(jié)了落錘式彎沉檢測技術(shù)的關(guān)鍵流程及各環(huán)節(jié)的作業(yè)要點(diǎn)。作為工程技術(shù)人員，需要高度重視落錘式彎沉檢測技術(shù)并予以合理應(yīng)用，將檢測數(shù)據(jù)用以指導(dǎo)路面施工、日常維護(hù)等工作，以提高路面的質(zhì)量和使用性能。