道路工程弯沉检测技术探究

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摘要：介绍了弯沉检测方法研究现状及各种方法的优劣。其中：贝克曼梁法和自动弯沉仪法技术简便，所测结果为静态弯沉，但效率低，目前研究主要集中在自动化改进以提高检测效率方面；落锤式弯沉仪法和激光式高速路面弯沉测定仪法检测结果为动态弯沉，检测效率高，但设备造价高昂，目前研究主要集中在对比试验相关性分析以及改进设备降低造价等方面。与落锤式弯沉仪相比，手持落锤式弯沉仪具有便携、造价低等优点，但主要用于科研，尚未列入规范中；二者的对比试验相关性分析和针对路面静态弯沉的预测模型还较少，因此对其进行相关方面的研究具有一定的实践意义。

关键词：回弹弯沉；动态弯沉；检测；自动化；相关性

道路工程中的路基或路面，受到外界荷载作用时，表面在垂直路基或路面方向产生的总变形值大小，称为总弯沉，或垂直方向的回弹变形值称为回弹弯沉。回弹弯沉是路基、路面承载能力的最重要的表征参数之一，也是沥青路面结构设计控制指标，又是道路工程施工质量控制及验收的重要检验项目，同时也是既有现状道路改造项目中路面结构强度评定的依据和旧路补强设计中的重要参数［1-6］。因此，准确、快速、简便检测道路工程的弯沉值，对于路基路面工程有重要作用和意义。按使用的仪器设备种类的不同，当前道路工程弯沉检测标准方法可分为贝克曼梁法、自动弯沉仪法、落锤式弯沉仪法（FWD）和激光式高速路面弯沉测试仪法。按检测过程中，位移传感器是否需要和测试表面接触，又可分为接触式弯沉测试法和非接触式弯沉测试法。其中激光式高速路面弯沉测试仪属于非接触式，其余均属于接触式。按弯沉检测结果的类型，可分为静态弯沉和动态弯沉，其中贝克曼梁法和自动弯沉仪法所测结果为静态弯沉值，其余属于动态弯沉值。按弯沉检测过程自动化程度，可分为非自动化弯沉检测和自动化弯沉检测，其中贝克曼梁法属于非自动化弯沉检测，其他检测方法均属自动化弯沉检测。各种方法所使用的仪器设备、适用范围、检测原理、结果表征参数和优缺点各不相同，针对各种方法的研究和改进也一直在进行，因此有必要针对各种方法进行总结和对比分析，以为进一步的研究和工程实践提供参考。

1静态弯沉检测

1.1贝克曼梁法

贝克曼梁法在我国应用广泛，是现阶段路面设计和施工质量验收的标准方法，检测结果以回弹弯沉值来表示，属于静态弯沉。使用该方法虽然需投入较多的人力和物力，一般需6～8人同时配合进行，且工作效率低，工作强度大，测试精度不易保证［7］，但仍具有操作简单成熟、设备价格便宜，所检测结果为回弹弯沉值，可直接用于当前道路设计，也可普遍用于弯沉验收等明显优势。目前主要用于短距离的公路和市政道路检测。针对该方法的改进研究方向主要为采用自动化辅助机械设备代替人工进行贝克曼梁的移动和到达测点后的定位放置。目前关于回弹弯沉检测方法的研究，多集中在非贝克曼梁法的改进上，对贝克曼梁法检测路基、路面弯沉的改进较少，且存在不能实现完全自动化和操作繁琐的缺陷。回弹弯沉作为沥青路面设计的重要指标之一，要求施工后必须通过贝克曼梁法测得实际静态弯沉值，并以此作为道路施工质量的评价依据。JTG3450—2019《公路路基路面现场测试规程》［8］规定，用其他几种弯沉检测方法，如自动弯沉仪法或落锤式弯沉仪法检测的弯沉结果须通过大量对比试验，再和贝克曼梁法测得的结果确立相关关系。因此，贝克曼梁法的检测结果是其他弯沉检测方法结果的基准，足可看出贝克曼梁法在检测中的重要性。综上所述，贝克曼梁法是不能轻易摒弃的，但对其进行优化改进，以适应路基、路面检测技术智能化、高效化的发展趋势是具有较大理论和实际意义的。

1.2自动弯沉仪法

自动弯沉仪法利用了贝克曼梁法的检测原理，检测过程中采用位移传感器替代了贝克曼梁法使用的百分表，能够自动连续进行数据采集、传输、记录和处理，工作效率相比贝克曼梁法有很大提高。但检测结果是路面结构总弯沉，和贝克曼梁法的回弹弯沉性质不同，必须通过约500m长度试验段，进行对比试验，建立二者相关关系式，将总弯沉换算为回弹弯沉，才能用于路面承载能力评定或路面结构设计。当前针对自动弯沉仪法的研究集中在测试速度和横坡对测试结果的影响［12］。

2动态弯沉检测

2.1落锤式弯沉仪法（FWD）

该方法的工作原理是：标准质量重锤从一定高度落下发生的冲击荷载，施加到路基或路面表面，自动量测荷载中心及其一定范围内若干个点所产生的瞬时变形，即测定在动态荷载作用下产生的动态总弯沉及弯沉盆数据。FWD所测弯沉盆数据常被用以反算路基、路面各层材料动态弹性模量，作为设计参数使用［3］；所测动态总弯沉通过与贝克曼梁法对比相关性试验，得到二者相关性关系，转换至回弹弯沉值后可用于评定路基、路面承载能力［9］，也可调查水泥混凝土路面接缝传力效果，探查路面板下脱空病害等。关于FWD的研究方向多集中于检测过程中的自动化和检测结果准确性的提高措施，即FWD和贝克曼梁法对比试验相关性研究2个方向。针对FWD造价高昂、需配备专用拖车、传感器探头离地间隙小等缺陷，导致检测机构使用相对较少，且不适用于道路改扩建工程中出现较多坑槽病害的路面检测，使手持式落锤弯沉仪（PFWD）得到了较多的研究和关注［10-13］。如：文献［10］利用PFWD为平台，通过回归分析和人工神经网络智能方法构建了和贝克曼梁法所测静态弯沉关系，提供了利用PFWD预测贝克曼梁法检测的回弹弯沉的检测思路。文献［11］研究了PFWD与FWD的测值相关性，发现当路基较平整时，二者具有较好的线性关系，可互相转换；PFWD便携操作简便的优点抵消了FWD对应的缺点。但鉴于当前最新JTG3450—2019《公路路基路面现场测试规程》［8］未将PFWD列入规范，仅用于科研探究，所以未来对PFWD也需要作进一步的理论和实践研究。FWD和贝克曼梁法测定的弯沉值间相关性与受检道路条件相关，只有温度、水文情况、路面结构、材料和土基等条件相同时，二者才有良好的相关关系。文献［14］研究了不同等级市政道路路面结构条件下，二者的对比试验发现，路面结构一定时，二者所测弯沉值虽有差异，但线性关系良好。文献［15］针对不同等级公路上的二者相关性分析进行探究发现，不同等级公路路面上二者回归分析相关性差别较大，沥青层较厚的高等级路面适合采用线性拟合进行相关性分析，低等级路面的二者回归分析相关性较差。贝克曼梁测值变异系数普遍比FWD高，表明FWD具有更高的稳定性，稳定性更佳［14-15］。文献［9，12］分析了沥青混凝土路面弯沉测试中FWD与贝克曼梁法之间的关系，发现两者检测结果大小间有一定规律性，即：随着路面弯沉的增大，FWD所测试出的动态弯沉结果的增大幅度，与贝克曼梁法测出的回弹弯沉的增大幅度相比，是逐渐变小的；文献［9，16］针对FWD与贝克曼梁法检测结果的相关性进行了分析，拓宽了FWD的应用范围，提高了道路弯沉检测方法的自动化水平。文献［9，17］针对FWD与贝克曼梁法的相关性进行了对比研究试验，得出两者之间存在较好相关性的结论。

2.2激光式高速路面弯沉测定仪法

该方法是目前世界上最先进的道路弯沉检测手段，采用的是非接触式的检测方式，能够以我国绝大多数行车速度，即30～90km/h的速度精确测试路面弯沉，且具有自动化程度高、不影响交通和安全性好等优点。该方法解决了前3种弯沉测试方法因行驶速度慢、在高速上测试时危险性高、效率低，且须确保检测时周围无车辆干扰的缺点。但由于该方法采用了非接触检测方式，且检测工作速度较快，所以只能用于路面工程的弯沉检测，以评价路基、路面承载能力。该方法测试原理是：测试系统在高速行驶过程中通过激光多普勒效应，来测试路面在荷载作用下的垂直下沉速度，然后通过一套惯性系统实时记录多普勒激光传感器的振动情况和运行姿态修正，再通过分析程序计算路面实际弯沉变化的速度，并能计算出路表的最大弯沉及弯沉盆数据。目前针对该方法的研究主要集中在对测量部件的改进来提高设备的检测结果准确度和实用性，以及实际使用的探究分析［18-19］。文献［18］发明了一种用于路面弯沉测量的激光束平行调节系统，以解决现有方法造价高、工作量大等缺点。文献［19］通过在陕西省XB高速公路使用激光式高速路面检测测定仪，并与西太一级路路面结构相似的路段进行与落锤式弯沉仪测值对比试验，发现二者具有很好的相关性，相关系数高达0.998，且检测效率大大提升。文献［20］针对激光式高速路面弯沉测定仪的数据分析及应用方面研究成果与进展进行了综述，认为该方法相对其他弯沉测试方法，具有较大优势，但目前国内存在理论和数据分析方法简单、测试结果利用率低和弯沉指标过于单一等问题与不足，并建议今后研究方向应集中在：完善适合国内路面结构的高速激光弯沉仪检测技术理论研究；基于大数据分析手段持续改进现有理论模型；深化在实践应用中的推广研究；进一步研究与其他弯沉测试方法的关系及可靠性。

3结论

1）贝克曼梁法简便成熟，所测静态弯沉在现阶段旧路补强设计和施工质量验收中不可或缺，作为一种标准检测方法不能轻易摒弃，但检测中存在需要大量的人力和物力、效率低的缺点，因此未来研究应集中在实现自动化检测方向。落锤式弯沉仪法具有较高的自动化和效率，检测结果稳定性和准确度更高，应用广泛，但所测结果为动态弯沉，无法直接用于新建道路质量验收；与贝克曼梁法进行对比相关性试验时，受检测条件影响程度大，特别是在低等级路面时其相关性较差，因此应进行更为广泛的数据采集与对比分析，以保证数据的准确度。激光式高速路面弯沉测定仪检测效率最高，但设备造价高，国内的理论研究和模型尚未完全成熟，且目前实用较少，故需进一步进行相关理论研究和实践应用。2）与现行标准中落锤式弯沉仪法相比，手持式落锤仪法具有造价低、使用简便快捷的优点，但未列入现行检测规范中，多用于科研探究，研究方向多为利用弯沉盆数据检测道路结构层回弹模量等，且与落锤式弯沉仪法的对比试验相关性研究较少，所以需增加对二者的相关性研究和手持落锤式弯沉仪对路面静态弯沉的预测研究，其研究成果将具有较大的学术和实践意义。

作者:李鹏 单位:广州市市政工程设计研究总院有限公司