公路路基回弹模量现场检测技术对比研究

2016-11-29刘剑

公路与汽运 2016年5期

关键词：瑞利模量静态

刘剑

（驻马店市公路管理局，河南驻马店 463000）

公路路基回弹模量现场检测技术对比研究

刘剑

（驻马店市公路管理局，河南驻马店 463000）

结合路基回弹模量检测工程实践，分析了现场承载板法、贝克曼梁（BB）法等静态检测技术与FWD（PFWD）法、瑞利波法、实时在线检测等动态检测技术的特点，并对不同方法测得的路基回弹模量进行了相关性分析。结果表明，静态检测技术难以反映路基在行车荷载作用下的力学响应，动态检测技术能较好地反映路基在动荷载作用下的变形特性，且具有快速、便捷、高效的特性；路基动态回弹模量与静态回弹模量的相关性显著，可用于路基回弹模量的快速检测和评价。

公路；路基；回弹模量；静态模量；动态模量；相关性分析

路基是道路的支撑结构物，为保证道路使用性能，路基设计与施工除要满足整体稳定性要求外，还要严格控制其变形量，从而为路面提供坚实的支撑。中国沥青砼及水泥砼道路设计、施工及使用性能评价中，通常采用路基回弹模量反映路基的抗变形能力。因此，路基回弹模量检测技术研究对道路施工质量控制和提高有着重大意义。

目前道路工程中应用较多的路基回弹模量检测方法主要有现场承载板法、贝克曼梁（BB）弯沉法、FWD法、瑞利波法等。为了实现路基回弹模量的同步检测，浅层面波测试法、动力连续同步检测技术在道路工程中也逐渐得到应用。上述方法中，现场承载板法与BB法为静态检测方法，所测路基回弹模量为静态模量；FWD法、瑞利波法、浅层面波测试法及动力连续同步检测技术为动态检测方法，所测路基回弹模量为动态模量。该文通过总结各现场检测方法在路基回弹模量测试中的应用，分析和评价不同测试方法的优缺点，并初步建立各测量值间的关系，为路基工程设计和施工提供参考。

1 静态检测方法的工程应用

1.1现场承载板法

现场承载板法利用承载板对路基逐级加载、卸载，测定各级荷载所对应的回弹变形值，进而求得路基回弹模量，该回弹模量可用于路面设计。该方法是路基回弹模量测定的标准方法之一，在公路工程中应用广泛。表1为现场承载板法在部分公路工程路基回弹模量检测中的应用。

从表1可以看出：采用现场承载板法进行检测时，随着回弹变形的增加，路基回弹模量测量值有所降低，最大可达14.0 MPa。这是由于加载上限的增加导致路基发生部分塑性变形，使其回弹模量测量值减小。

表1　承载板法测试路基回弹模量示例

路基弹性模量的较小变化就会对路面结构设计产生显著影响，导致设计浪费或不满足安全要求。采用现场承载板法检测路基回弹模量的难点在于合理确定试验加载上限，使其与道路路基实际受力和变形特性相一致，从而避免或降低路面设计偏差。此外，现场承载板法较繁琐，效率低，难以满足公路工程中快速检测的需要；该方法所测回弹模量为静态模量，难以完全反映路基在车辆动荷载作用下的变形特性，尤其是高速公路路基在车辆荷载作用下的动力变形特性。

1.2BB法

BB法是利用弯沉仪测量路面在标准差作用下的回弹弯沉值，通过公式反算求得路基回弹模量。该方法加载方式直观，测点位置改变方便，在公路工程路基回弹模量检测中也得到广泛应用。

采用BB法检测路基回弹模量的关键在于路基弯沉值的测量。表2为BB法在部分公路工程中所测得的路基弯沉值。

表2　BB法测试路基弯沉值检测结果

从表2可以看出：BB法测量路基回弹模量时，其弯沉值测量结果变异性较大，最大可达25%。这可能是由路基施工中压实度不均匀造成的，也可能是检测误差造成的。

另外，BB法应用中影响因素较多，弯沉车轮胎荷载与充气压力、车速、BB侧头垂直度、测点位置、支点变形、环境因素、人为因素及现场管理等都会对其检测精度带来影响。与现场承载板法一样，BB法所测路基回弹模量为静态模量，难以反映路基在行车动荷载作用下的变形特性。

2 动态检测方法的工程应用

2.1FWD法与PFWD法

FWD法利用落锤式弯沉仪测量路基在冲击荷载下的动态弯沉值，通过弯沉值反算路基回弹模量。该方法是国外公路工程中评定路基回弹模量的主要方法，中国JTG E60-2008《公路路基路面形成测试规程》也将FWD法列为弯沉检测方法。

FWD法检测路基回弹模量能施加动态荷载，可快速、可靠地检测路基在动荷载作用下的变形特性。但FWD法现场检测时所施加的荷载往往明显大于实际工程中路基可能承受的行车荷载，导致路基发生塑性变形，影响回弹模量测量结果。此外，FWD法现场检测成本较高，设备运输费时、费力。为克服FWD法的不足，在FWD的基础上开发了便携式落锤弯沉仪（PFWD），该仪器具有便于携带、操作简单、精度高、自动记录等特点。利用PFWD法检测路基回弹模量时，能模拟行车荷载作用，并实时检测路基弯沉值和动弹性模量，能反映路基在实际工况下的变形特性，从而有效控制路基施工质量。近年来，FWD及PFWD法在中国公路工程施工中均得到广泛应用。表3为FWD与PFWD法在部分路段检测路基回弹模量的结果。表3所示路基回弹模量变异系数较大，这可能是由于路基压实度不均匀造成的。

表3　FWD（PFWD）法测试路基回弹模量示例

2.2瑞利波法

瑞利波传播速度与传播介质的弹性参数理论关系明确，且在均匀介质中瑞利波传播速度与频率无关，即无频散性，这种基本特性使其可用于路基施工质量检测。理论上，路基动弹性模量Ed与瑞利波波速vR存在以下关系：

式中：ρ为路基密度；μ为泊松比。

表4为芜马（马鞍山—芜湖）高速公路工程采用瑞利波法测定路基回弹模量的结果。工程应用中可通过统计分析求得路基动、静回弹模量的转换系数α=E0/Ed，将瑞利波法测得的动弹性模量转换为工程中常用的静弹性模量。

表4　瑞利波法测试路基回弹模量示例

2.3实时在线检测技术

上述路基回弹模量现场检测方法均为点式检测法，工程应用中存在“以点代面”问题，且均须在路基碾压完成后方可进行检测，难以实时控制路基施工质量。为快速、可靠、方便、及时、全面地检测路基回弹模量，开发了实时在线检测技术和动力连续同步检测技术（CCC）等。

实时在线检测技术利用振动压路机碾压路基土时压路机振动轮与路基土的动力响应服从双自由度动力学数学模型的原理，当压路机的振动频率、振幅不变时，可认为振动轮的加速度只与路基土的刚度和阻尼相关，若能测定压路机碾压过程中振动轮的加速度，通过分析换算即可得到反映路基刚度的力学参数R，进而由R与路基回弹模量的拟合关系求得路基回弹模量。图1为叶为民等通过现场试验得到的路基回弹模量与实时在线检测反算动刚度R的关系。

图1　实时在线检测回弹模量-动刚度关系

从图1可以看出：路基动刚度R与回弹模量基本呈线性关系，实时在线检测技术可用于路基回弹模量测试。

需注意的是，运用实时在线检测技术进行路基回弹模量测试时，首先要做好参数标定，否则测量结果可靠性将大大降低。

3 路基回弹模量相关性分析

3.1BB法与承载板法

图2为京沪（北京—上海）和瑞赣（瑞金—赣州）高速公路采用承载板法和BB法所测路基回弹模量及其相关性分析。

图2　BB试验与承载板试验路基回弹模量关系

由图2可知：尽管路基土材料不同，采用BB法反算得到的路基回弹模量与承载板试验结果均具有良好的一致性。对于同种路基，由于施工过程中压实度均匀性存在偏差，所测路基回弹模量呈现出较明显的离散性。

3.2PFWD与BB法

图3为瑞赣高速公路采用PFWD法与BB法检测路基回弹模量的结果及其相关性分析。

图3　瑞赣高速公路路基回弹模量PFWD与BB试验结果相关性分析

由图3可知：路基回弹模量检测中，PFWD法与BB法所得路基弯沉值具有较好的线性相关性，尤其是碎石土和隧道矿渣路基。但需注意的是，对于图3所给出的3种路基条件，无论是采用PFWD法还是BB法，所测路基弯沉值均呈现出显著的离散性。这是由于路基弯沉值与压实均匀性密切相关，路基施工均匀性越好，则其弯沉值变异系数越小；反之，路基施工均匀性越差，则路基弯沉值变异系数越大。

3.3瑞利波与承载板试验

图4为芜马高速公路和通惠大道采用瑞利波和承载板法所测路基回弹模量及其相关性分析。

图4　路基回弹模量瑞利波法与承载板试验结果相关性分析

由图4可以看出：瑞利波法所测路基动回弹模量与承载板所测静回弹模量之间存在较好的相关性。相比承载板试验，瑞利波法检测路基回弹模量快捷、高效、经济，能有效用于路基施工质量和力学性能评价。

4 结论

（1）现场承载板法及贝克曼梁法所测路基回弹模量均为静态回弹模量，难以反映路基在行车荷载作用下的变形特性。现场承载板法难以合理确定加载上限，可能导致测量结果与实际偏差较大；贝克曼梁法的测量结果受弯沉车轮胎荷载、充气压力等因素的影响，可能产生较大测量误差。

（2）FWD（PFWD）法能模拟行车荷载特性，反映路基在动荷载作用下的力学响应；瑞利波法能有效检测路基的分层回弹模量，有利于保证路基施工质量；实时在线检测技术可克服传统检测方法“以点带面”和滞后性等不足，将回弹模量检测与路基填筑相结合，实现路基碾压时同步检测回弹模量，控制路基填筑质量。与静态检测方法相比，动态检测方法具有快速、便捷、高效等特性，值得在公路路基检测中推广应用。

（3）现场承载板试验与BB试验所测路基静态回弹模量间、动态检测方法所测路基动态回弹模量与静态回弹模量间的相关性较好，说明进行路基回弹模量动态检测能很好地反映路基的回弹模量，可用于路基施工质量控制。

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