高速公路路基落锤式弯沉仪与贝克曼梁测定弯沉值的对比分析

高速公路路基落锤式弯沉仪与贝克曼梁测定弯沉值的对比分析

赵润青

142227199001013618  山西 忻州  034000

摘要：弯沉是我国高速公路路基验收检测中的一个重要检测项目，目前一般使用贝克曼梁法检测路基的静态弯沉，使用落锤式弯沉仪（简称FWD）检测验收路基的动态弯沉，国内对高速公路路基弯沉的设计与检验，基本都是建立在贝克曼梁试验方法基础上，在工程实际应用中，需要将FWD动态弯沉测量值与贝克曼梁静态弯沉测量值进行对比换算，才能作为最终的评定依据。本文通过比对试验，将FWD与贝克曼梁两种试验仪器所测得弯沉值进行比较分析，研究其相关性，判定其在实际工程检测中可以互换。

关键词:公路；弯沉检测；落锤式弯沉仪；贝克曼梁；相关性

0 引言

弯沉是反应路基路面承载能力的重要检测指标，当前路基弯沉检测方法主要有2种:贝克曼梁法、落锤式弯沉仪法。目前常用的贝曼梁法操作简单、比较成熟，应用非常广泛，属于静态测试；而落锤式弯沉仪（简称FWD）为自动量测方法，属于动态弯沉，能够较好地模拟行车荷载作用，并能够快速、安全、准确采集到大量弯沉盆信息，能更好地评价路基路面整体强度，与常规的测试手段相比，其优越性是显而易见的，为推动 FWD技术在国内公路路基检测领域的推广应用，正确评估路面结构状态，选择同一地区同一路段、相同结构类型的路基试验段，进行了两种方法的比较试验，将FWD检测的动态弯沉变形量转换为贝克梁法的回弹弯沉，对 FWD和贝克曼梁之间的相关性进行分析比较，以判断二者是否可以在实际工程中互相替换。

1 贝克曼梁弯沉仪与落锤式弯沉仪的组成及工作原理

1.1 贝克曼梁弯沉仪的组成及工作原理

贝克曼梁：其采用铝合金材料制造，上有水准泡，前臂和后臂的长度之比是2:1，本试验采用贝克曼梁为长度5.4m（3.6m+1.8m）梁，其适用于测试各种类型的路面结构回弹弯沉。加载车：单后轴、单侧双轮组的载重车，两个轮胎之间轮隙必须能满足自由插入贝克曼梁测头的要求，加载车的轴载、轮胎气压等技术参数应符合下表T 0951的要求；百分表及表架。


表T0951加载车的参数要求

贝克曼梁法弯沉试验是利用杠杆原理进行的，通常是在规定的后轴标准轴载作用下，探测由路基或路面表面间隙引起的总体竖向或竖向反弹变形；用以评定路基整体承载能力，贝克曼梁法是我国现行的公路设计弯沉值的确定方法，操作简单方便、比较成熟，应用非常广泛，属于静态测试，但其缺点是工作效率很低、可靠性较差，人为因素对测试准确性的影响较大。

1.2 落锤式弯沉仪的组成及工作原理

FWD由荷载发生装置、弯沉检测装置、控制系统与牵引车等组成，其工作原理是在计算机控制下，把质量为200kg的重锤由液压传动装置提升至一定高度后自由落下，其冲击力作用于承载板上并传递到路面，从而对路面施加脉冲荷载，导致路基表面产生瞬时变形，分布于距测点不同距离的各个传感器分别能检测到结构层表面的变形，然后记录系统将信号传输至计算机上，即测定路表在动态冲击荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆。所测试数据可用于计算路面结构层的回弹模量，从而科学准确地评价路面的承载能力。

2 现场检测

2.1 对比试验段及测点位置的选择

本次重庆市南川西环线高速公路一标段路基弯沉交工验收前，选择K3+200～K3+500段左幅路基顶面进行弯沉对比试验。该段路基主要填筑含砂低液限黏土，每层压实厚度30cm，填筑22层，成型密实。分别采用FWD与贝克曼梁弯沉检测设备，每个车道的测点桩号间隔为20米，测点位置选择在车道轮迹带处，距路基边线2m。

2.2 工程实例

2.2.1 项目概况
南川西环线高速公路全长11.013km，起点设沿塘枢纽互通于南两高速相接，经会峰村、金台村，终点于兴隆镇设兴隆枢纽互通接包茂高速。本段高速公路为双向四车道，设计速度80km/h，路基宽度25.5m。我标段（一标段）负责南川西环线高速公路K0+000～K4+992（4.992km）范围内土建施工，标段内设1处沿塘互通枢纽、1处避险车道。其中主线路基2983m/3段；沿塘互通路基681.348m/3段；主要路基有挖方92万方，填方77.4万方。南川西环线高速公路作为重庆高速路网城市环线的重要组成部分，建成后能够进一步完善南川乃至重庆三环高速路网结构，切实提升区域路网转换效率，能够大幅缓解包茂高速南川段过境压力，有效改善现有包茂高速和南川城区交通拥堵状况，切实方便群众安全快捷出行，及大地改善区域交通条件，对推动当地经济社会发展有着重要的意义。
  2.2.2 主要检测仪器及设备如下表

2.2.3 检测内容及方法
根据《公路路基路面现场测试规程》JTG 3450-2019中T0951的方法先用贝克曼梁定点测试回弹弯沉；①将后轴轴重100KN的弯沉加载车开到测点位置，后轮位于车道行车轮迹带上，将贝克曼梁插入后轮的轮隙处，测头位于轮隙中心前方30～50mm 处的测点上，与加载车行车方向一致，梁臂不得接触轮胎。②将百分表安装在表架上，并将百分表的测头安放在贝克曼梁的测定杆顶面，轻轻叩击贝克曼梁，确保百分表正常归位。③指挥加载车5km/h左右的速度前进，百分表示值随路面变形持续增加。当示值最大时，迅速读取初读数 L1。加载车仍继续前进，示值开始反向变化，待加载车驶出弯沉影响范围约3m以上，百分表示值稳定后，读取终读数 L2。④指挥加载车沿轮迹带前行，驶向下一测试位置，重复①-②的步骤，完成下一点位的回弹弯沉测试。⑤待贝克曼梁弯沉加载车开走后，以测点为中心，画一个半径150mm的圆圈，标出测点的位置。⑥把全自动落锤式弯沉车开到标出的测试位置，并输入试验位置信息，设定好状态参数，将FWD的承载板对准画好的圆圈，位置偏差不超过30mm，承载板中心对中测点。⑦落下承载板，放下弯沉检测装置的各传感器，启动荷载发生装置，落锤瞬即自由落下，冲击力作用于承载板上，然后立即自动提升至原来位置并固定在此，通过各个位移传感器对路基表面的变形进行观测和记录，得到的最大变形量就是弯沉值，每个测点重复测试应不少于3 次（因为第1锤测定的结果往往不稳定故必须打第2 锤和第3 锤，然后舍去第1锤的结果）。⑧收起各传感器和承载板，将落锤式弯沉车开到下一个标记好的测点进行检测，两种仪器对同一测点之间的时间间隔不大于10min，按上述方法完成试验路段各测点的弯沉测试。

2.2.4 逐点对应测试
通过逐点对应的测试方法，比较分析，计算两种仪器之间的相关性关系。通过对比试验得出回归方程式分别为落锤式弯沉仪、贝克曼梁测试的弯沉值；回归方程式的相关系数R 应不小于0.95。

2.2.5 检测项目及频率如下表

2.2.6 检测照片如下：
           
 

3 检测数据分析

贝克曼梁与FWD试验数据及对比结果汇总表


3.1使用贝克曼梁和FWD两种方法对试验段路基顶面标记点处进行了弯沉测试，然后汇总分析，详见上图贝克曼梁与FWD弯沉试验数据及对比结果汇总表。

3.2本次所检测共43个弯沉测试点，回弹弯沉值(单位:0.01mm)。
3.3贝克曼梁弯沉仪所测回弹弯沉值与FWD(换算后)所得回弹弯沉值的各项指标对比如下：

3.4依据《公路路基路面现场测试规程》JTG 3450-2019 中的方法进行比对分析，得到FWD与贝克曼梁弯沉仪所测弯沉值之间呈线性相关关系，回归换算公式为LB=0.6224LFWD-9.9612，式中LFWD为落锤式弯沉仪所测弯沉值；LB为贝克曼梁弯沉仪所测回弹弯沉值。计算得到其相关系数R为0.9761，满足规范0.95以上的要求，表明两者之间具有良好的相关性。
4 结论
本文在首先分析两种仪器的组成以及应用原理，随后采用贝克曼梁法和FWD分别在本标段完全相同结构类型的试验段路基表面进行了弯沉检测，所测贝克曼梁回弹弯沉值与FWD弯沉值两者之间具有良好的相关性，数据结果可靠。最终试验结果证实在同一地区，当结构类型完全相同的路基段，FWD与贝克曼梁在实际工程检测中可以互换，所测弯沉值可作为最终评定的依据；整个试验过程表明，与贝克曼梁法相比，落锤弯沉仪具有更高的检测效率和精度，并能及时发现路面中的问题和缺陷；随着我国公路事业的发展，落锤式弯沉仪将会越来越受到人们的重视，应用也将越来越广泛。

参考文献

[1]交通运输部公路科学研究院：JTG 3450-2019《公路路基路面现场测试规程》.北京：人民交通出版社,2019

[2]重庆南川至两江新区高速公路支线(南川西环线）两阶段施工图设计.

[3]陈岳峰,曹玉坤.落锤式弯沉仪在高速公路路基工程检测中的系统应用.公路交通科技(应用技术版),2007(2).

[4]张美颖.落锤式与贝克曼梁式弯沉仪的对比试验．中国市政工程，2013( 4) : 83－85，88．

[5]张向阳，王光明．FWD和贝克曼梁在路基弯沉检测中的相关性分析［Ｊ］．中南公路工程，2004（2）：76-78．