各级公路FWD 与贝克曼梁弯沉检测相关性分析

梁志成

（山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030032）

引言

路基路面弯沉作为承载能力的检测指标，一般采用传统的贝克曼梁进行检测，但所需检测辅助人员多、检测速度慢，实际检测时需要耗费大量人力物力。落锤式弯沉仪（FWD）作为较成熟的弯沉检测技术，逐渐成为各级公路尤其是高等级公路交、竣工验收的主要检测手段[1-4]。但目前落锤式弯沉仪主要应用于高等级公路沥青路面上面层检测，对其它等级公路的应用研究相对较少，为了解落锤式弯沉仪在各等级公路上的适用性，对不同等级公路落锤式弯沉仪与贝克曼梁两种测试方法进行对比分析[5-9]。拟选取三种不同结构层组成公路试验段，分别进行贝克曼梁弯沉仪与落锤式弯沉仪两种方式的弯沉检测，并对不同检测方式下弯沉数据特点及数据相关性进行分析。

1 试验设备及方案设计

1.1 试验设备

1.1.1 贝克曼梁弯沉仪

目前路基路面弯沉检测大部分仍采用传统贝克曼梁法进行检测，常用5.4 m 贝克曼梁弯沉仪，并辅以精度不小于0.01 mm 百分表进行变形值测量。该方法为目前路基弯沉检测标准方法，检测弯沉为静态弯沉，检测需配备后轴载重100 kN（10 t，部分地区为提高施工质量保证率，将标准轴载提高至15 t）、单侧双轮组荷载50 kN、胎压0.7 MPa 的检测车。新修规范鼓励有条件的情况下优先采用自动化检测设备换算后进行弯沉评价，但鉴于各地路基路面原材料、结构层工况等存在较大差异，规范并无统一推荐的换算公式。

1.1.2 落锤式弯沉仪

落锤式弯沉仪（FWD）原理是采用一定质量落锤从设定高度落下，通过直径30 cm 承载板对检测路基路面产生冲击，形成在设定压力（一般设定为0.7 MPa）下的瞬时变形，以模拟行车荷载对路基路面作用。通过采集测定路基路面垂直变形，必要时可采集距离落锤中心不同距离的路基路面表层变形值得到弯沉数据。该方法方便快捷、测值精准，且所需检测人员较少，为新规范推荐的自动化测试方法。

1.2 方案设计

选取三种不同结构层组成的公路试验段，分别进行贝克曼梁弯沉仪与落锤式弯沉仪两种方式的弯沉检测，见表1。首先分析不同结构层、不同检测方式下弯沉数据特点，然后选取三种回归拟合方式对各公路下两种弯沉检测数据的相关性进行分析，最终对落锤式弯沉仪弯沉检测有效性进行综合分析。

表1 三种不同公路试验段结构层组成

2 检测数据特点分析

根据试验方案设计，分别对三段试验段进行两种方式弯沉检测。为保证检测数据的准确性，确保两种检测方式检测位置统一：（1）进行贝克曼梁法弯沉检测，并标记弯沉仪触头位置（即百分表放置端贝克曼梁对应位置），左、右轮分别进行标记。（2）贝克曼梁法弯沉检测后尽量在同一时间进行落锤式弯沉仪法弯沉检测，落锤承载板中心尽量与上述标记点重合。（3）落锤式弯沉仪每点锤击4 次，剔除第1 次数据后取后3 次测试均值作为该点检测数值。

为保证检测数据有效性，对特异数据进行剔除，然后每试验段选取各30 组数据进行平均值、标准差、变异系数等相关统计参数计算，结果见表2。

表2 三种不同公路试验段弯沉检测数据

分析可知：（1）两种检测方式下，三种路面结构弯沉大小分别为3# 试验段＞2# 试验段＞1#试验段。弯沉大小在一定程度上表明各路面结构承载力顺序，与各路面道路等级设计要求承载性能一致。（2）不管采用何种检测方式，三种路面结构变异系数大小顺序为3# 试验段＞2# 试验段＞1# 试验段。由于变异系数为标准差与平均值之比，是相对变化指标，表明三种路面的弯沉数据离散程度也呈现一定规律。①公路等级越高，原材料控制均匀性越好，施工质量控制更佳，弯沉变异性越小。②公路等级越高，运营养护措施越多，对道路损坏修复越及时，弯沉衰减变化程度及范围越小。③公路等级越低，上面层材料表层均匀性越差，如3# 试验段为级配砾石，表层松散集料会对数据采集造成一定影响，进而导致弯沉检测变异性较大。（3）比较两种检测方法下弯沉检测值变异系数，除1# 试验段落锤式弯沉仪测试值与贝克曼梁测试值变异系数基本相当外，贝克曼梁测值变异系数普遍比落锤式弯沉仪高。这是由于公路等级越高、路面状况越好，弯沉测试数据越稳定，受测试现场条件影响越小。当路面状况不佳时，两种检测方式的数据均受到一定影响，相较而言贝克曼梁法影响更大，落锤式弯沉仪法则相对稳定。表明落锤式弯沉仪较贝克曼梁法具有更高的稳定性与准确度，进行高等级公路弯沉测试时稳定性更佳。

3 相关性分析

3.1 1#试验段

3.1.1 回归分析结果

对1#试验段采用三种拟合方式进行相关性分析，结果见表3。

表3 1#试验段弯沉数据回归分析结果

结果分析显示，三种回归方程相关系数R均大于0.95，符合《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60—2008）有关拟合精度要求，表明三种回归形式下两种检测方式均具有较好的相关性，说明落锤式弯沉仪在高等级公路弯沉检测具有较好的准确性。

3.1.2 拟合结果

分析图3 表明，三种拟合结果线性拟合、二次多项式拟合比指数拟合具有更好的相关性，因此在相似路面结构组成路段，可采用线性、二次多项式两种拟合方式进行弯沉数据处理。同时，考虑线性拟合较二次多项式拟合更简洁方便，优先推荐采用线性拟合进行相关性分析。

图1 1#试验段线性拟合结果

图2 1#试验段二次多项式拟合结果

图3 1#试验段指数拟合结果

3.2 2#、3#试验段

对2#、3#试验段采用三种拟合方式进行相关性分析，结果见表4、表5。

表4 2#试验段弯沉数据回归分析结果

表5 3#试验段弯沉数据回归分析结果

分析可知：（1）由表4 可得，三种回归方程相关系数R均大于0.95，符合《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60—2008）有关拟合精度要求，表明三种回归形式下两种检测方式均具有较好的相关性，说明落锤式弯沉仪在相应等级公路弯沉检测时具有较好的准确性。但二次多项式拟合、指数拟合较线性拟合相关性更好，综合考虑拟合的简洁性及准确性，优先采用二次多项式拟合进行相关性分析。（2）由表5 可得，三种回归方程相关系数R均小于0.95，均不符合《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60—2008）有关拟合精度要求，表明三种回归形式下两种检测方式不具备较好的相关性，但拟合相关性较差并非表明落锤式弯沉仪检测数据的准确性较差。表明落锤式弯沉仪具有更高的准确性与稳定性，只是鉴于目前评价指标是以贝克曼梁法测试的静态弯沉为基准，落锤式弯沉仪测试的动态弯沉测值需进行其它更为可靠的换算后才能进行直接评价。

综合对比三种路面结构在两种不同方法下的检测结果，随着公路等级的降低，落锤式弯沉仪与贝克曼梁弯沉检测的相关性逐渐降低，特别是当面层为非沥青面层时，落锤式弯沉仪与贝克曼梁不具备较好的相关性，采用落锤式弯沉仪进行低等级公路弯沉测试时应进行更为广泛地数据采集及对比分析。

4 结语

选取三种不同结构层组成公路试验段，分别进行贝克曼梁弯沉仪与落锤式弯沉仪两种方式弯沉检测，对三种路面在不同检测方式下弯沉数据特点及两种弯沉检测数据相关性进行分析：（1）两种弯沉检测方式均显示，三种路面结构变异系数大小顺序为3#试验段＞2#试验段＞1#试验段。表明公路等级越高，原材料控制均匀性越好，施工质量控制更佳，弯沉变异性越小。（2）贝克曼梁测值变异系数普遍比落锤式弯沉仪高，表明落锤式弯沉仪较贝克曼梁法具有更高的稳定性与准确度，也表明落锤式弯沉仪进行高等级公路弯沉测试时稳定性更佳。（3）不同等级公路路面在两种弯沉检测方式下回归分析的相关性差别较大，沥青层较厚的高等级公路优先推荐采用线性拟合进行相关性分析，必要时可采用二次多项式拟合方式。（4）非沥青面层的低等级路面结构在两种弯沉检测方式下回归分析的相关性较差，采用落锤式弯沉仪进行弯沉测试时应进行更为广泛地数据采集及对比分析，以保证数据的准确性。