落锤式弯沉仪(FWD)在公路检测中的应用

落锤式弯沉仪(FWD)在公路检测中的应用

１.研究背景

近20年来,路面无损检测技术研究和开发在国内外受到日益广泛的重视。弯沉作为最普遍的路面结构状况评价指标,其量测设备及分析技术发展很快,自1953年发明粱式弯沉仪以来, 路面弯沉检测设备已从静力弯沉仪发展到模拟行车荷载作用的落锤式弯沉仪( FWD) ,从单点最大弯沉测试发展到对路面弯沉盆的测试,并将局限于柔性路面上的弯沉概念发展到刚性路面的结构评价与设计分析之中[1]。

由于我国高速公路建设起步较晚, 弯沉检测技术仍停留在一个较低的水平上, 各级公路部门通常采用的弯沉检测设备为贝克曼梁( Benkleman Beam,以下简称BB) , 尽管BB 法操作简单,但该方法存在着以下几点不足[2]:

(1)不能用于评价刚性路面;

(2)BB测试的荷载作用时间要比正常行车荷载作用时间长,因而所测的弯沉和实际行车状况下的弯沉有差异;

(3)不能测出弯沉盆的形状;

(4)不能对路面各结构层进行分析;

(5)耗时间。测试过程需要交通封闭或交通分流;

(6)精度差。整个过程基本上由人工操作,精度得不到保证,只能在广泛的经验修正的基础上用于路面承载能力的评定。

相比之下, FWD被认为是评价路面结构状况较为理想的弯沉检测设备, 其优点是:

(1)可同时用于评价刚性路面和柔性路面;

(2)能较好的模拟正常行车荷载的作用,其应力、应变和弯沉与实际交通荷载下的结果十分吻合;

(3)可测出弯沉盆的形状;

(4)可对路面各结构层进行分析;

(5)速度快,且无需交通封闭;

(6)精度高。整个过程均由电脑控制,无任何人为因素的影响。

尽管FWD 具有无可比拟的优越性,其应用也非常广泛,但在我国,其应用尚未步入规范化、标准化。我国的《路基规程》虽已将FWD 列为弯沉检测设备,但没有具体评定的标准,不能直接用于施工质量检测。因此,为了将FWD 弯沉数据直接用于施工质量检测中,需进行FWD 和BB 之间弯沉检测对比试验研究, 建立其相关性。

2.技术特性

与其它弯沉检测设备相比，FWD技术特点主要表现在测速快（每测点约40秒）、精度高（分辨率为1微米），并较好地模拟了行车荷载的动力作用，目前被认为是较理想的路面无损检测设备。特别是FWD能够准确测定多点弯沉，测定冲击和在作用下的弯沉盆，从而为路面结构分析提供了基础。自70年代以来，根据FWD检测结果反算路面结构层模量一直是国际上的前沿课题，其中主要困难是如何解决反演过程的稳定性和收敛性问题[3]。

FWD检测时由计算机控制加载并记录弯沉资料，这样也避免了人工操作的误差，检测系统构成主要有加载系统、传感器、信息处理系统和牵引系统构成。根据弹性层状连续体系每一结构弯沉可以进行叠加反映道路上来，FWD通过测定不同位置的弯沉并根据层厚和材料性质，就可以进行模量的反算，检测结果示意图如图2.1。

图2.1 FWD检测多点弯沉示意图

3.测试原理

对于一定的路面结构而言，其弯沉值的大小主要取决于作用荷载的性质，即荷载的大小、荷载作用的时间、加载过程等。FWD装置是通过计算机控制下的液压系统提升并释放一重锤而对路面施加脉冲荷载，荷载大小可通过改变锤重和提升高度来进行调整，并通过刚性圆盘作用到路面上[4]。路面的弯沉通过按一定规律布置的速度型传感器来测定。

FWD荷载作用的方式是：先将加载板和传感器置于路面，然后让带有缓冲器的重锤自由下落于加载板上，通过加载板均匀的将荷载施加于路面。荷载的主要性质有锤重、下落高度、缓冲器的动力性能及路面的强度确定。锤重、下落高度主要用于调整荷载的大小，缓冲器的动力性能主要用于调整荷载的波形和作用时间等。FWD时程资料可自动采集并记录，通常每0.1毫秒采集资料一次，总采集时间为60毫秒[5]。

4.FWD对比性研究

FWD的测试精度和可重复性是一个十分关键的问题，它直接影响模量反算的精确性和可靠性。国外通过将不同型号的FWD在相同路段、相同试验点进行

现场对比试验，研究每台设备的可重复性、同型号的FWD的可重复性，发现不同的FWD测试结果差别较大，反算的模量差别也很大[6]。本文通过对相同试验点进行多次加载研究荷载与弯沉值的变异性以及不同试验点加载研究荷载的变异性。

同一试验点对比试验选取弯沉值不同的点进行加载，每点连续加载十次分析荷载与各传感器弯沉值的变异性，本次试验共选取6点，具体分析资料如表2.1下：

表２.１FWD对比试验数据汇总

在上面数据中荷载采用值均为5吨，各点最大弯沉值也不相同，最大可达到1999.1μm，试验路面为沥青路面。通过对数据的分析可以初步得到如下结论：（1）针对同一点荷载的变异性很小，变异系数没有超过1%的。

（2）中心最大弯沉值的检测变异性也很小，变异系数也没有超过1%的。

（3）总体上看，距荷载中心位置越远弯沉值变异系数越大，这并不说明传感器的误差在增大，而是由于离荷载中心位置越远弯沉值越小，而传感器的误差是不变的，从而造成变异系数的增大，数据正好反映了这一点。

（4）综合上面几点，FWD的测试精度比较高而且可重现性比较好，检测数据是可靠的。

对于不同类型、不同弯沉值路面结构情况下，加载数据也是有变化的，为了进行对比试验选定了不同结构、不同弯沉值的路段进行了检测以研究荷载的变化情况。选定的路面结构有半刚性基层沥青路面、柔性路面、水泥路面以及地方道路等四种结构，每种结构测试点数各不相同，数据汇总结果如表2.2所示：

表２.２不同路段荷载变异性数据汇总

在上面四种结构中，半刚性基层路段为高速公路，荷载变异性也比较小；柔性路面和水泥路面均为国道，设计等级均为一级路，建设质量也比较高；地方道路为二级路，建设质量不高。通过对上面的数据进行分析，初步可以到到以下结论：

（1）荷载的变异性与所测路段结构以及弯沉值有关系，同是沥青路面或水泥路面，一般情况下弯沉值越大荷载的变异性也越大；

（2）相同弯沉值情况下水泥路面测试荷载变异性比沥青路面要大的多，因为刚性路面在冲击荷载下变形很小；

（3）由于荷载的变异性各不相同，在分析不同路段数据时要结合荷载的变