车载落锤式弯沉仪在公路检测中的应用研究

付彩霞

(河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

目前，我国公路建设规模持续扩大，截至2019年，全国公路总里程已达484.65 万km、高速公路达14.26 万km，居世界第一。然而，在公路建设里程不断增加的同时，受行车荷载、自然环境等多种因素限制，大量路面出现了不同程度的早期病害，如裂缝、坑槽、车辙等，严重影响了路面结构使用性能，导致路面过早进入维修养护期。为准确了解路面使用情况，路面强度检测成为了关键。无损检测是一种不破坏路面结构的检测技术，已成为路面结构性能检测的重要手段。弯沉检测是路面养护当中最重要的一项指标，其目的是为了检测路面强度，了解道路使用性能，为后期养护提供可靠的数据支持，从而保证行车舒适性和安全。FWD是一种测速快、精度高，可模拟行车荷载动力作用的先进检测仪器，将其用于路面强度检测，可获取客观的检测数据，保证路面强度评价的真实性。

1 FWD的测试原理

落锤式弯沉仪是指通过计算机控制液压系统，将其重锤提升至一定高度并自由下落，对路面施加脉冲荷载，此荷载脉冲可模拟行驶过程中车轮荷载的影响作用。由FWD测试原理可见，在一定范围内可通过改变重锤提升高度的方式来实现调整荷载大小的目的。利用重载荷载传感器能够测定出施加荷载的大小，由承载板(Ф300 mm)向路面传递，产生路面变形，通过若干个传感器测定变形情况，并利用计算机系统采集，换算获取所有测点的弯沉值，此外，还应绘制“弯沉盆图”，最终对路面结构进行评价。

相比其他检测仪器，落锤式弯沉仪的特点为精度高、测速快、可模拟行车荷载动力作用。同时，还能准确测定出多点弯沉，能够精确地将各级荷载作用下的路表面动态弯沉曲线测量出来，真实、客观地反映弯沉盆的情况。

作为一种高效的无损检测设备，落锤式弯沉仪是较为理想的一种检测仪器，可以消除梁式弯沉仪存在的不足，由于其自身重量小，还能克服稳态动力弯沉仪存在的静力预载问题。在公路检测中，FWD的优越性主要体现在以下2点。

1)按照弯沉盆进行路面结构各层模量反算，研究使用过程中路面材料的性能变化，提供技术参数。

2)在路面强度测定和评价中，可将FWD的弯沉盆看作是一项重要指标，为公路后期养护维修提供数据支持。

2 弯沉盆的几何特性

FWD实测弯沉盆曲线内涵盖了大量路面结构强度数据，在现阶段FWD研究当中，FWD弯沉盆参数可直接用于路面结构状况评价。然而，弯沉盆参数在建立中，将会遇到弯沉盆曲线拟合模型情况，模型是否合理，势必会对评价效果造成影响。为此，必须重视拟合模型。

弯沉盆曲线基本等同于一个凹曲线，距离越远，弯沉值越小，据国内外大量研究分析，认为效果最好的为二次分式曲线拟合效果，即二次分式曲线y=a/(1+bx2)。

除弯沉盆曲线拟合外，还可以通过其他弯沉盆几何尺寸指标，如面积指数(RAi)、形状系数(Fi)、表面曲率指数(SCI)、弯沉比(Qi)、曲度指数(Ci)、倾斜指数(Si)、倒数(Ii)等，从各个角度反映弯沉盆的不同特性，并用于统计分析路面结构强度的几何性质，用于路面强度评价。

3 FWD检测实例分析

为了验证FWD在公路路面结构强度中的检测效果，本文采用落锤式弯沉仪进行检测，按照现行检验评定标准，以每公里对测试路段的平均弯沉、标准差、代表弯沉进行准确计算，下式为代表弯沉计算的公式：

评定路段代表弯沉可由L表示。

评定路段内全部测点弯沉的标准差可由S表示。

与保证率相关的系数由Za表示。

不同等级公路，则系数Za存有一定差异，具体如表1所示。

表1 不同等级公路的系数Za值

选取其中一个路段，起讫桩号为K10+000-K20+000，根据现场检测数据按公里分段对FWD测试的中央弯沉(D1)进行分析。本工程左右幅车道FWD弯沉测试结果如表1、表2所示。

表2 公路左幅车道FWD弯沉测试结果统计值

由表2可知，公路左幅车道FWD弯沉测试结果中，按每公里测点数均为20个，K10+000-K20+000段平均值为65.4～189.3 μm，标准差为22.6～121.7 μm；最大值为152.0～618.0 μm；最小值为42.0～92.0 μm；代表值为118.1～502.8 μm。其中K17+000-K18+000路段代表弯沉值在500 μm，说明本路面强度较低。

由表3可知，公路右幅车道FWD弯沉测试结果中，按每公里测点数均为20个，K10+000-K20+000段平均值为79.5～169.9 μm，标准差25.9～83.4 μm；最大值为158.0～441.0 μm；最小值为48.0～105.0 μm；代表值为131.3～366.5 μm。

表3 公路右幅车道FWD弯沉测试结果统计值

由此可知，本路段弯沉变化较大，65.4～189.3 μm为弯沉平均值变化，其中136.4 μm为左幅车道弯沉平均值，126.66 μm为右幅车道弯沉平均值，明显可见，本路段左幅强度较低。

4 结语

当前，我国公路建设事业已步入“建养并重”的阶段，很多路面面临着大中修施工。在路面结构强度和路用性能评价中，通过FWD可精确判断路面实际情况，了解路面服务水平，衡量路网的整体质量。为此，必须全面了解FWD的测试原理，掌握弯沉盆几何特性，结合具体工程案例，通过检测数据统计情况，客观分析路面强度状况，为公路养护维修提供可靠的数据依据。