落锤弯沉与回弹弯沉的数值关系探讨

孙力虹

(张家口城投路桥工程有限公司)

1 概 述

FWD(落锤式弯沉仪)是目前国际上先进的路面强度无损检测设备之一。落锤式弯沉仪测定路面的动态弯沉,能够利用测得的弯沉盆反算路面结构层的模量,为路面使用状况的评定提供依据。另外,FWD在水泥混凝土路面板底脱空、接缝传荷能力评定及刚性路面基层顶面当量回弹模量的测试中也得到日益广泛的应用。

我国现行的路面弯沉常规检测手段采用的是贝克曼梁法,基本原理是杠杆原理。在规定的标准轴载作用下,路基或路面表面轮隙位置产生的垂直变形值(回弹弯沉),利用黄河载重汽车加载,人工读取百分表的读数,以此来测量路基或路面表面的回弹弯沉值。

落锤式弯沉仪的工作原理是落锤式弯沉仪通过计算机系统控制下的液压系统启动落锤装置,使一定质量的落锤从一定高度自由落下,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,导致路面表面产生瞬时变形,分布于距测点不同距离的传感器检测结构层表面的变形,记录系统将信号传输至计算机,即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆。测试数据可用于反算路面结构层模量,从而比较科学地评价路面的承载能力。

回弹弯沉和落锤弯沉在现行检测规程中都可以采用,采用落锤式弯沉时,需对比两者之间的关系,从而确定检测结果。为了探讨沥青路面落锤弯沉与回弹弯沉之间的关系,2008年对张家口东商线、京化高速公路的沥青混凝土路面分别进行路面回弹弯沉与落锤弯沉的测试,二次测试中回弹弯沉测试采用 5.4m贝克曼梁,落锤弯沉采用 Dynatest8002型落锤式弯沉仪。通过测试数据分析,找出两种测试方法检测结果的相关性,得到两者数值的规律性。

2 试验方法

在进行回弹弯沉与落锤弯沉的对比试验时,二条公路回弹弯沉检测车均采用 BZZ-100标准车。BZZ-100标准车满足《公路路基路面现场测试规程》的要求,并采用 5.4m贝克曼梁。测试时,回弹弯沉检测车在前,FWD弯沉车紧随其后,对于桥涵等构造物范围内的路面铺装不进行检测。贝克曼梁每测一点后,立即用自喷漆对测点进行标记。回弹弯沉检测车驶离后,FWD紧随其后对点测试落锤弯沉值。一般每 50m取一测点。选取路段详见表 1。

表 1 每条公路选取的对比试验路段及路段的路面结构

3 数据分析

3.1 落锤弯沉与回弹弯沉的大小关系

从理论分析而言,对于同一路面总弯沉即为落锤弯沉值比回弹弯沉值要大。但对大量的检测数据进行分析,发现落锤弯沉值与回弹弯沉值之间没有上述理论所推的明显规律,因此这里通过数据分析进行验证。对于测试所得数据,首先根据规程要求剔除异常值,然后对回弹弯沉(L)与落锤弯沉仪承载板中心弯沉(LD)进行数值大小比较。

在省道东商线对比试验中,测得84组有效弯沉数据,其中LD＞L的 83组,LD＜L的 1组,LD＞L点数占总点数的 98.8%。

对于京化高速公路,把各组的LD与 L按L从小到大的顺序排列分组,并统计点数占总点数的比例。其中 LD＞L,的点数占总点数的 64.1%;LD≤L的点数占检测总点数的35.9%。从表 2可以看出,京化高速的 LD与 L值大小关系与省道东商线具有不同的规律性,即落锤弯沉并不一定总是大于回弹弯沉,京化高速的LD与L值表现出了这样的一个趋势:随着 L值的增大,对应测试点 LD值虽然也是逐渐增大的,但是LD增大的幅度相对于L逐渐增大的幅度是逐渐变小的。当路面回弹弯沉值较小分布在一定范围内时,LD值一般大于 L值,但是随着路面回弹弯沉值的增大,这种关系越来越不明显。从表 2可以看出LD-L的差值随着 L增大由正值逐渐变化为负值,呈现逐渐减小的趋势。比较清楚地反映出了二种路面结构LD与L的大小关系变化规律。

表 2 京化高速公路LD与 L的大小比较统计表

续表2

省道东商线检测结果,基本上全线 LD＞L。但测值并没有明显的变化规律,但是京化高速 LD-L值则变化趋势比较明显,即随着 L值的增大LD-L值逐渐变小,并最终由正值变为负值。因此得出以下结论,不同的沥青混凝土路面结构,对静态荷载和动态荷载的响应规律不同,对于某些沥青路面结构来说,相同或相似的路面结构对静态荷载和动态荷载的响应具有一定的规律性,这种规律不是一成不变的固定的数量关系,而是一种相近的变化趋势。

3.2 落锤弯沉与回弹弯沉的相关性

在分析LD与 L间的相关关系时,只采用剔除异常值后的点弯沉值。对于省道东商线,选取了 5个路段进行对比试验,各路段的相关方程及相关系数见表 3。

表 3 省道东商线LD与L之间的相关性

从表 3可以看出,K1+000～K 2+000段落锤弯沉与回弹弯沉的相关系数太小,按保证率 99%要求,相关系数临界值0.798。表明LD与 L之间不是线性相关。其余路段相关性相当好,把这 5个路段的弯沉数据进行合并得到全部对比路段 LD与L的相关方程为 L=0.685 2LD-3.3857,r=0.922 1,见图 1。

图 1 东商线省道落锤弯沉与回弹弯沉的相关性散点图

在京化高速公路,对 4个路段的行车道与硬路肩进行了FWD与贝克曼梁的对比试验。总体来说LD与 L的相关性也是可以的,部分路段 LD与 L的相关系数有些偏低。这可能与检测时弯沉值受行车荷载干扰有关,最后把四个路段行车道与硬路肩的检测数据全部合在一起其相关方程为

从以上二条公路 LD与 L相关性分析可以看出,LD与L具有较好的相关性,而且二条公路LD与L的相关性具有一个共同的特点,就是同一条公路每个对比路段的测试数据合起来以后,LD与 L的相关性均比单个路段的相关性要好。其前提条件是每条公路各对比路段的结构是相同或基本相同的。

4 结 论

对于一条道路的同一次检测,落锤弯沉值不一定总比回弹弯沉值大,也不一定总比回弹弯沉值小。根据对文中二条道路检测结果的分析,在路面结构相同或相似的情况下,对于某些路面结构类型,二者的大小关系具有一定的规律性。即随着路面弯沉的增大,落锤弯沉的增大幅度相对于回弹弯沉的增大幅度逐渐变小。

落锤弯沉与回弹弯沉之间有较好的相关性。在对LD与L回归的过程中,也采用了多项式进行回归,计算表明采用多项式进行回归稍好于线性回归,且多项式的次数越高,相关系数就越高。但是鉴于多项式回归相对于线性回归相关系数的提高很微小,且增大了计算的复杂性,因此采用线性回归的方法。

在进行对比试验时,落锤弯沉的精度一般为 0.001mm,而回弹弯沉一般用百分表读数,精度为 0.01mm。对于新建的高等级路面结构其弯沉值可能很小,一个路段的落锤弯沉均有明显的变化,但回弹弯沉值可能没有多少改变。因此,这种情况可以用千分表读数,更利于数据分析。

[1] 公路工程质量检验评定标准(JTG F80/1-2004)[S].北京:人民交通出版社 .

[2] 公路路基路面现场测试规程(JTJ059-95).