提高落锤式弯沉仪与贝克曼梁检测相关性的方法探讨

2019-08-31■高丹

福建交通科技 2019年4期

■高丹

(福州路港交通工程试验检测中心，福州 350002)

1 引言

弯沉值是公路工程检测中的一个重要控制及评价指标，无论是公路的新建、改建、扩建，其工作的开展都离不开弯沉数据的支持，它能客观有力的反映出路基路面的整体强度分布情况。落锤式弯沉仪(简称FWD，下同)作为弯沉值检测的一种重要方法，近年随着我国公路事业的高速发展，不论是产品品种还是应用技术都得到了较快发展，但在实际使用中，还存在着一定的制约因素。这些制约因素很大程度上影响了新技术的推广与应用，同时也与我国蓬勃发展的公路事业不相适应。

2 落锤式弯沉仪应用现状

我国目前路面弯沉的设计与验收标准方法仍普遍采用贝克曼梁法(简称BB，下同)。交通主管部门为新技术的应用与推广做了大量工作：(1)《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60—2008)明确了落锤式弯沉仪FWD 的测试方法；(2) 现行《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1—2017)与旧标准(JTG F80/1—2004)相比，增加了落锤式弯沉仪FWD 的检测方法；(3)2004 年3 号令 “公路工程竣(交)工验收办法”和2010 年3 月发布的《公路工程竣(交)工验收办法实施细则》明确提出，弯沉测量应优先选用自动化测量设备；(4)2005 年交通部 “公路水运工程试验检测管理办法，简称12 号令，在此明确提出，甲级实验室应配自动弯沉测量设备。

3 目前检测中存在的问题及原因分析

近年根据交通部的有关文件精神及公路检测发展的现状，各省有实力的检测机构陆续采购了自动化弯沉检测设备，但在实际工作中，往往遇到一些矛盾与疑惑，最大的困惑是：用自动弯沉测量设备得到的测量数据怎么分析，用这些数据怎样评价路面的质量。在《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60-2008)中规定：用FWD 对路面评价时需与贝克曼梁进行比对,其相关系数应大于0.95，FWD 的测量数据应转换成相对应的等效贝克曼梁的测量数据，经转换的数据可以做为路基、路面工程质量的评判依据。

众所周知，相关系数越大，两种方法的关联度越大，转换后的数据可信度越大。在FWD 与贝克曼梁的比对试验中，相关系数能否达到0.95,怎样才能达到0.95,是检测机构急待解决的一个关键问题。

国内许多单位在应用FWD 做检测工作时，与贝克曼梁做了大量对比实验，也进行了相关性的计算，结论是：二者的相关系数很难达到0.95；相关系数的高低除了受材料的均质性、材料的回弹模量、压实度等因素影响外，其中最主要原因是：贝克曼梁的检测数据精度不高，同一个测量点多次重复测量的数据离散性较大，导致相关性偏低。这就给我们提出了一个问题：在现有条件下，能否找出某种方法提高FWD 与贝克曼梁的相关系数，进而提高FWD 等效贝克曼梁的数据精度。

4 现场实测数据相关性分析

本文提出一个较为简便的方法，即用FWD 和贝克曼梁在比对实验测点上各自分别重复测量两遍(FWD每遍每测量点重复测量2～3 次，BB 每遍每测量点测量1 次)，经数据分析后剔除误差较大的测量点后，再将两遍测量的平均值进行相关系数计算，这样可较大提高FWD 与贝克曼梁的相关系数，具体比对实验操作与分析如下：

比对背景：由本检测中心对沥青路面面层用国产JGFWD—5T 型落锤式弯沉仪与贝克曼梁(5.4m)做比对实验，现场选8 个测点，首先贝克曼梁依次测量，并在测量点画上记号，FWD 紧随其后在有标记的测量点上重复测量三次；当测量完8 个测点后贝克曼梁测量车重新开到第一个测量点对8 个测点依次重复测量，FWD 再次紧随其后依次测量。在两次重复测量中有两个测量点(第3 测点与第5 测点)没有重合，距离相差约0.6m。原始测量数据见表1。

表1 FWD 与BB 测量原始数据

表1 中各种数据的说明如下：

⑴FWD 的冲击荷载与路面的软硬有关，在落锤高度相同的情况下，被测路面偏硬(强度大)对应的荷载偏高；路面偏软(如土基)对应的荷载偏低，所以在测量前应适当调整落锤高度。为便于在同一基准(5t)轮荷下进行弯沉比较，将实测弯沉转换成5t 荷载下的等效弯沉(X)。

⑵FWD 荷载与弯沉在同一测量点重复测量了三次，三次落锤的高度均相同。为提高测量速度，一般也可以在第一次预测量中落锤的高度偏低一些，对应5t 高度的三分之一即可，此预测量是为了消除一些不稳定因素，此不稳定因素在路基测量中较多，在路面(面层)测量中较少。经过预测量后，至少正式测量2 次。 2 次(或3 次)的重复精度应在2%以内。如超差应分析原因并补充测量次数，一般土基变化较大。在与贝克曼梁比对实验中进行同点的多次测量的主要目的是：确保FWD 测量数据的准确和可靠，它是后续数据分析的基础。表1 中三次测量的原始数据说明，FWD 荷载与弯沉测量数据是可信的，满足精度要求。

从表1 中将两遍重复测量的FWD5 吨等效弯沉值与贝克曼梁弯沉值重新汇成表2 和表3。

表2 FWD 测量的弯沉

从表2 中可看出，第3、5 点两遍测量的重复误差较大，这与比对背景中的说明是吻合的，即第3、5 点两遍测量点不是重合的，是有偏差的(相差约0.6m)，这两个测量点的数据不能进入比对实验的相关系数及转换系数的各种计算中，这也是比对各测量点重复测量两遍的意义所在。在实际比对实验中，存在许多不确定因素，这些因素都将造成误差，问题是我们能否通过可信的技术手段将误差因素在进入计算之前剔除，使之不对我们期待的最终结果造成影响。

表2 中剔除奇异点后，其它测量点的重复精度较高，这也从另一个角度说明FWD 的测量精度较高。剔除奇异点的误差标准怎么定，目前尚无统一标准，综合考虑各种因素，特别是贝克曼梁测量的分辨率本文推荐三个指标综合考虑：一是小于贝克曼梁的分辨率10um；二是小于FWD 测量弯沉值的5%～10%(因FWD 自身的精度为2%，还应考虑被测对象的不稳定性)。具体误差标准还应视具体被测对象(路基、路面等)而定。三是推荐剔除奇异值后FWD 两遍测量值的相关系数应大于0.95。三个指标中，第三个指标应该是主要控制指标。

表3 是贝克曼梁对8 个测量点重复测量两遍的数据，它的重复误差是较大的，基本上比FWD 大十几倍。贝克曼梁测量精度低，重复性差导致自身两遍测量数据相关性较差，相关系数仅为0.446，剔除奇异值后相关系数达到0.802。此次数据样本较少，如数据量较大，可剔除奇异值的余地就较大，这样可进一步保证参与计算转换系数的测量数据精度，提高转换系数的精度。换算系数的剔除奇异值的原则应该二条：一是表2 中FWD 的原则；二是贝克曼梁测量两遍的相关性适当提高，本文推荐相关系数应大于0.85，越大越好。原始数据数量应适当加大，以便有挑选的余地。以上两个原则应同时采用，即首先用FWD 剔除原则，对原始数据进行筛选，将筛选后保留下来的原始数据再用贝克曼梁剔除原则进一步筛选。