道路工程彎沉檢測(cè)技術(shù)探究
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摘要：介紹了彎沉檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀及各種方法的優(yōu)劣。其中：貝克曼梁法和自動(dòng)彎沉儀法技術(shù)簡(jiǎn)便，所測(cè)結(jié)果為靜態(tài)彎沉，但效率低，目前研究主要集中在自動(dòng)化改進(jìn)以提高檢測(cè)效率方面；落錘式彎沉儀法和激光式高速路面彎沉測(cè)定儀法檢測(cè)結(jié)果為動(dòng)態(tài)彎沉，檢測(cè)效率高，但設(shè)備造價(jià)高昂，目前研究主要集中在對(duì)比試驗(yàn)相關(guān)性分析以及改進(jìn)設(shè)備降低造價(jià)等方面。與落錘式彎沉儀相比，手持落錘式彎沉儀具有便攜、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但主要用于科研，尚未列入規(guī)范中；二者的對(duì)比試驗(yàn)相關(guān)性分析和針對(duì)路面靜態(tài)彎沉的預(yù)測(cè)模型還較少，因此對(duì)其進(jìn)行相關(guān)方面的研究具有一定的實(shí)踐意義。
關(guān)鍵詞：回彈彎沉；動(dòng)態(tài)彎沉；檢測(cè)；自動(dòng)化；相關(guān)性
道路工程中的路基或路面，受到外界荷載作用時(shí)，表面在垂直路基或路面方向產(chǎn)生的總變形值大小，稱(chēng)為總彎沉，或垂直方向的回彈變形值稱(chēng)為回彈彎沉?；貜棌澇潦锹坊?、路面承載能力的最重要的表征參數(shù)之一，也是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，又是道路工程施工質(zhì)量控制及驗(yàn)收的重要檢驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)也是既有現(xiàn)狀道路改造項(xiàng)目中路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定的依據(jù)和舊路補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)［1-6］。因此，準(zhǔn)確、快速、簡(jiǎn)便檢測(cè)道路工程的彎沉值，對(duì)于路基路面工程有重要作用和意義。按使用的儀器設(shè)備種類(lèi)的不同，當(dāng)前道路工程彎沉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法可分為貝克曼梁法、自動(dòng)彎沉儀法、落錘式彎沉儀法（FWD）和激光式高速路面彎沉測(cè)試儀法。按檢測(cè)過(guò)程中，位移傳感器是否需要和測(cè)試表面接觸，又可分為接觸式彎沉測(cè)試法和非接觸式彎沉測(cè)試法。其中激光式高速路面彎沉測(cè)試儀屬于非接觸式，其余均屬于接觸式。按彎沉檢測(cè)結(jié)果的類(lèi)型，可分為靜態(tài)彎沉和動(dòng)態(tài)彎沉，其中貝克曼梁法和自動(dòng)彎沉儀法所測(cè)結(jié)果為靜態(tài)彎沉值，其余屬于動(dòng)態(tài)彎沉值。按彎沉檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)化程度，可分為非自動(dòng)化彎沉檢測(cè)和自動(dòng)化彎沉檢測(cè)，其中貝克曼梁法屬于非自動(dòng)化彎沉檢測(cè)，其他檢測(cè)方法均屬自動(dòng)化彎沉檢測(cè)。各種方法所使用的儀器設(shè)備、適用范圍、檢測(cè)原理、結(jié)果表征參數(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，針對(duì)各種方法的研究和改進(jìn)也一直在進(jìn)行，因此有必要針對(duì)各種方法進(jìn)行總結(jié)和對(duì)比分析，以為進(jìn)一步的研究和工程實(shí)踐提供參考。
1靜態(tài)彎沉檢測(cè)
1.1貝克曼梁法
貝克曼梁法在我國(guó)應(yīng)用廣泛，是現(xiàn)階段路面設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)方法，檢測(cè)結(jié)果以回彈彎沉值來(lái)表示，屬于靜態(tài)彎沉。使用該方法雖然需投入較多的人力和物力，一般需6～8人同時(shí)配合進(jìn)行，且工作效率低，工作強(qiáng)度大，測(cè)試精度不易保證［7］，但仍具有操作簡(jiǎn)單成熟、設(shè)備價(jià)格便宜，所檢測(cè)結(jié)果為回彈彎沉值，可直接用于當(dāng)前道路設(shè)計(jì)，也可普遍用于彎沉驗(yàn)收等明顯優(yōu)勢(shì)。目前主要用于短距離的公路和市政道路檢測(cè)。針對(duì)該方法的改進(jìn)研究方向主要為采用自動(dòng)化輔助機(jī)械設(shè)備代替人工進(jìn)行貝克曼梁的移動(dòng)和到達(dá)測(cè)點(diǎn)后的定位放置。目前關(guān)于回彈彎沉檢測(cè)方法的研究，多集中在非貝克曼梁法的改進(jìn)上，對(duì)貝克曼梁法檢測(cè)路基、路面彎沉的改進(jìn)較少，且存在不能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化和操作繁瑣的缺陷。回彈彎沉作為瀝青路面設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，要求施工后必須通過(guò)貝克曼梁法測(cè)得實(shí)際靜態(tài)彎沉值，并以此作為道路施工質(zhì)量的評(píng)價(jià)依據(jù)。JTG3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》［8］規(guī)定，用其他幾種彎沉檢測(cè)方法，如自動(dòng)彎沉儀法或落錘式彎沉儀法檢測(cè)的彎沉結(jié)果須通過(guò)大量對(duì)比試驗(yàn)，再和貝克曼梁法測(cè)得的結(jié)果確立相關(guān)關(guān)系。因此，貝克曼梁法的檢測(cè)結(jié)果是其他彎沉檢測(cè)方法結(jié)果的基準(zhǔn)，足可看出貝克曼梁法在檢測(cè)中的重要性。綜上所述，貝克曼梁法是不能輕易摒棄的，但對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以適應(yīng)路基、路面檢測(cè)技術(shù)智能化、高效化的發(fā)展趨勢(shì)是具有較大理論和實(shí)際意義的。
1.2自動(dòng)彎沉儀法
自動(dòng)彎沉儀法利用了貝克曼梁法的檢測(cè)原理，檢測(cè)過(guò)程中采用位移傳感器替代了貝克曼梁法使用的百分表，能夠自動(dòng)連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、記錄和處理，工作效率相比貝克曼梁法有很大提高。但檢測(cè)結(jié)果是路面結(jié)構(gòu)總彎沉，和貝克曼梁法的回彈彎沉性質(zhì)不同，必須通過(guò)約500m長(zhǎng)度試驗(yàn)段，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，建立二者相關(guān)關(guān)系式，將總彎沉換算為回彈彎沉，才能用于路面承載能力評(píng)定或路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)前針對(duì)自動(dòng)彎沉儀法的研究集中在測(cè)試速度和橫坡對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響［12］。
2動(dòng)態(tài)彎沉檢測(cè)
2.1落錘式彎沉儀法（FWD）
該方法的工作原理是：標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量重錘從一定高度落下發(fā)生的沖擊荷載，施加到路基或路面表面，自動(dòng)量測(cè)荷載中心及其一定范圍內(nèi)若干個(gè)點(diǎn)所產(chǎn)生的瞬時(shí)變形，即測(cè)定在動(dòng)態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)總彎沉及彎沉盆數(shù)據(jù)。FWD所測(cè)彎沉盆數(shù)據(jù)常被用以反算路基、路面各層材料動(dòng)態(tài)彈性模量，作為設(shè)計(jì)參數(shù)使用［3］；所測(cè)動(dòng)態(tài)總彎沉通過(guò)與貝克曼梁法對(duì)比相關(guān)性試驗(yàn)，得到二者相關(guān)性關(guān)系，轉(zhuǎn)換至回彈彎沉值后可用于評(píng)定路基、路面承載能力［9］，也可調(diào)查水泥混凝土路面接縫傳力效果，探查路面板下脫空病害等。關(guān)于FWD的研究方向多集中于檢測(cè)過(guò)程中的自動(dòng)化和檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的提高措施，即FWD和貝克曼梁法對(duì)比試驗(yàn)相關(guān)性研究2個(gè)方向。針對(duì)FWD造價(jià)高昂、需配備專(zhuān)用拖車(chē)、傳感器探頭離地間隙小等缺陷，導(dǎo)致檢測(cè)機(jī)構(gòu)使用相對(duì)較少，且不適用于道路改擴(kuò)建工程中出現(xiàn)較多坑槽病害的路面檢測(cè)，使手持式落錘彎沉儀（PFWD）得到了較多的研究和關(guān)注［10-13］。如：文獻(xiàn)［10］利用PFWD為平臺(tái)，通過(guò)回歸分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能方法構(gòu)建了和貝克曼梁法所測(cè)靜態(tài)彎沉關(guān)系，提供了利用PFWD預(yù)測(cè)貝克曼梁法檢測(cè)的回彈彎沉的檢測(cè)思路。文獻(xiàn)［11］研究了PFWD與FWD的測(cè)值相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)路基較平整時(shí)，二者具有較好的線性關(guān)系，可互相轉(zhuǎn)換；PFWD便攜操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)抵消了FWD對(duì)應(yīng)的缺點(diǎn)。但鑒于當(dāng)前最新JTG3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》［8］未將PFWD列入規(guī)范，僅用于科研探究，所以未來(lái)對(duì)PFWD也需要作進(jìn)一步的理論和實(shí)踐研究。FWD和貝克曼梁法測(cè)定的彎沉值間相關(guān)性與受檢道路條件相關(guān)，只有溫度、水文情況、路面結(jié)構(gòu)、材料和土基等條件相同時(shí)，二者才有良好的相關(guān)關(guān)系。文獻(xiàn)［14］研究了不同等級(jí)市政道路路面結(jié)構(gòu)條件下，二者的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，路面結(jié)構(gòu)一定時(shí)，二者所測(cè)彎沉值雖有差異，但線性關(guān)系良好。文獻(xiàn)［15］針對(duì)不同等級(jí)公路上的二者相關(guān)性分析進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn)，不同等級(jí)公路路面上二者回歸分析相關(guān)性差別較大，瀝青層較厚的高等級(jí)路面適合采用線性擬合進(jìn)行相關(guān)性分析，低等級(jí)路面的二者回歸分析相關(guān)性較差。貝克曼梁測(cè)值變異系數(shù)普遍比FWD高，表明FWD具有更高的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性更佳［14-15］。文獻(xiàn)［9，12］分析了瀝青混凝土路面彎沉測(cè)試中FWD與貝克曼梁法之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者檢測(cè)結(jié)果大小間有一定規(guī)律性，即：隨著路面彎沉的增大，F(xiàn)WD所測(cè)試出的動(dòng)態(tài)彎沉結(jié)果的增大幅度，與貝克曼梁法測(cè)出的回彈彎沉的增大幅度相比，是逐漸變小的；文獻(xiàn)［9，16］針對(duì)FWD與貝克曼梁法檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)性進(jìn)行了分析，拓寬了FWD的應(yīng)用范圍，提高了道路彎沉檢測(cè)方法的自動(dòng)化水平。文獻(xiàn)［9，17］針對(duì)FWD與貝克曼梁法的相關(guān)性進(jìn)行了對(duì)比研究試驗(yàn)，得出兩者之間存在較好相關(guān)性的結(jié)論。
2.2激光式高速路面彎沉測(cè)定儀法
該方法是目前世界上最先進(jìn)的道路彎沉檢測(cè)手段，采用的是非接觸式的檢測(cè)方式，能夠以我國(guó)絕大多數(shù)行車(chē)速度，即30～90km/h的速度精確測(cè)試路面彎沉，且具有自動(dòng)化程度高、不影響交通和安全性好等優(yōu)點(diǎn)。該方法解決了前3種彎沉測(cè)試方法因行駛速度慢、在高速上測(cè)試時(shí)危險(xiǎn)性高、效率低，且須確保檢測(cè)時(shí)周?chē)鸁o(wú)車(chē)輛干擾的缺點(diǎn)。但由于該方法采用了非接觸檢測(cè)方式，且檢測(cè)工作速度較快，所以只能用于路面工程的彎沉檢測(cè)，以評(píng)價(jià)路基、路面承載能力。該方法測(cè)試原理是：測(cè)試系統(tǒng)在高速行駛過(guò)程中通過(guò)激光多普勒效應(yīng)，來(lái)測(cè)試路面在荷載作用下的垂直下沉速度，然后通過(guò)一套慣性系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄多普勒激光傳感器的振動(dòng)情況和運(yùn)行姿態(tài)修正，再通過(guò)分析程序計(jì)算路面實(shí)際彎沉變化的速度，并能計(jì)算出路表的最大彎沉及彎沉盆數(shù)據(jù)。目前針對(duì)該方法的研究主要集中在對(duì)測(cè)量部件的改進(jìn)來(lái)提高設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度和實(shí)用性，以及實(shí)際使用的探究分析［18-19］。文獻(xiàn)［18］發(fā)明了一種用于路面彎沉測(cè)量的激光束平行調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有方法造價(jià)高、工作量大等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［19］通過(guò)在陜西省XB高速公路使用激光式高速路面檢測(cè)測(cè)定儀，并與西太一級(jí)路路面結(jié)構(gòu)相似的路段進(jìn)行與落錘式彎沉儀測(cè)值對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二者具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.998，且檢測(cè)效率大大提升。文獻(xiàn)［20］針對(duì)激光式高速路面彎沉測(cè)定儀的數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用方面研究成果與進(jìn)展進(jìn)行了綜述，認(rèn)為該方法相對(duì)其他彎沉測(cè)試方法，具有較大優(yōu)勢(shì)，但目前國(guó)內(nèi)存在理論和數(shù)據(jù)分析方法簡(jiǎn)單、測(cè)試結(jié)果利用率低和彎沉指標(biāo)過(guò)于單一等問(wèn)題與不足，并建議今后研究方向應(yīng)集中在：完善適合國(guó)內(nèi)路面結(jié)構(gòu)的高速激光彎沉儀檢測(cè)技術(shù)理論研究；基于大數(shù)據(jù)分析手段持續(xù)改進(jìn)現(xiàn)有理論模型；深化在實(shí)踐應(yīng)用中的推廣研究；進(jìn)一步研究與其他彎沉測(cè)試方法的關(guān)系及可靠性。
3結(jié)論
1）貝克曼梁法簡(jiǎn)便成熟，所測(cè)靜態(tài)彎沉在現(xiàn)階段舊路補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量驗(yàn)收中不可或缺，作為一種標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法不能輕易摒棄，但檢測(cè)中存在需要大量的人力和物力、效率低的缺點(diǎn)，因此未來(lái)研究應(yīng)集中在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)方向。落錘式彎沉儀法具有較高的自動(dòng)化和效率，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度更高，應(yīng)用廣泛，但所測(cè)結(jié)果為動(dòng)態(tài)彎沉，無(wú)法直接用于新建道路質(zhì)量驗(yàn)收；與貝克曼梁法進(jìn)行對(duì)比相關(guān)性試驗(yàn)時(shí)，受檢測(cè)條件影響程度大，特別是在低等級(jí)路面時(shí)其相關(guān)性較差，因此應(yīng)進(jìn)行更為廣泛的數(shù)據(jù)采集與對(duì)比分析，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。激光式高速路面彎沉測(cè)定儀檢測(cè)效率最高，但設(shè)備造價(jià)高，國(guó)內(nèi)的理論研究和模型尚未完全成熟，且目前實(shí)用較少，故需進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)理論研究和實(shí)踐應(yīng)用。2）與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中落錘式彎沉儀法相比，手持式落錘儀法具有造價(jià)低、使用簡(jiǎn)便快捷的優(yōu)點(diǎn)，但未列入現(xiàn)行檢測(cè)規(guī)范中，多用于科研探究，研究方向多為利用彎沉盆數(shù)據(jù)檢測(cè)道路結(jié)構(gòu)層回彈模量等，且與落錘式彎沉儀法的對(duì)比試驗(yàn)相關(guān)性研究較少，所以需增加對(duì)二者的相關(guān)性研究和手持落錘式彎沉儀對(duì)路面靜態(tài)彎沉的預(yù)測(cè)研究，其研究成果將具有較大的學(xué)術(shù)和實(shí)踐意義。
作者:李鵬 單位:廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司
