基于贝克曼梁法的高速公路路基路面强度检测方法

宋瑞蒿

(广西交科工程咨询有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

若高速公路施工中的路基路面强度未达到实际使用需求，易在使用过程中因各类因素导致路面产生裂缝、塌陷以及车辙等问题，导致车辆行驶不畅，甚至发生严重事故等[1]。因此，在高速公路的路面结构设计及施工验收等阶段中，均需对其路基路面的强度实施科学有效的检测，保障其施工质量满足实际使用需求，避免因路面问题导致车辆行驶事故的发生[2-3]。

回弹弯沉检测属于各类公路路基路面质量检测中的关键技术之一，其检测结果不仅能够反映出路基路面的强度，而且能反馈各类公路的实际应用状况，通过适度地调整回弹弯沉值，能够将各类公路的实际应用寿命延长[4]。

贝克曼梁法属于一种典型的回弹弯沉检测方法，主要针对低速或者静止加载情况下各类公路的路基路面回弹弯沉值实施检测，能够通过检测结果精准反馈各类公路的总体承重性能及整体强度[5]。其检测时所选取的基准为标准轴载的外作用力，在此基准下实现对路基路面垂直变形值及回弹弯沉值的测定。当所测定的弯沉值比设计值低时，代表所检测公路的路基路面强度较好，具有较高的承载力[6-7]；当所测定的弯沉值比设计值高时，代表所检测公路的路基路面强度差，存在较高的形变可能性，承重能力降低[8]。另外，路面沥青面层厚度也是决定路基路面强度的关键指标之一，二者之间具有直接的关联性，只有路面沥青面层厚度达到施工要求，方可更有效地保障公路的整体强度与使用寿命。因此，此项指标已成为当前各类公路路基路面强度检测中的主要检测指标[9]。

综合以上分析，本文研究一种基于贝克曼梁法的高速公路路基路面强度检测方法，结合贝克曼梁法与钻孔取芯法实现对待检测高速公路路基路面回弹弯沉与沥青面层厚度的检测，完成高速公路路基路面强度的检测，为保障高速公路的整体质量与使用寿命奠定基础。

1 高速公路路基路面强度检测方法

高速公路路基路面强度的检测主要是针对路基路面的回弹弯沉与沥青面层厚度的检测，其中路基路面回弹弯沉为主要检测指标，沥青面层厚度为辅助检测指标。回弹弯沉检测所用到的检测方法为贝克曼梁法；沥青面层厚度检测通过钻孔取芯法即可获得可靠检测结果。

1.1 贝克曼梁法检测原理

贝克曼梁法属于一种典型的回弹弯沉检测方法，其检测原理是运用承载重物的标准车辆对待检测路面实施加载，并通过弯沉仪中的百分表记录此过程中的路面回弹弯沉值，依据所记录的回弹弯沉值判定待测路面的强度[10-11]。此方法应用范围广，可实现对不同级别公路路基路面的检测。其检测方式为：在承载重物的标准车辆后轴的两轮轮隙前侧大概3 cm的检测点处布设贝克曼梁的其中一端，再将百分表设置于另外一端，实现对贝克曼梁端头升降值的测量；通过支撑贝克曼梁梁身1/3位置的方式，将贝克曼梁放置于底座处；当载重标准车前行时，及时读取并记录百分表的最高数值；待载重标准车驶出弯沉影响范围(约3 m以上)，百分表示值稳定后，再读取并记录最终数值。通过前后两种情况下所记录的数值，即可计算出待测路面的回弹弯沉值。期间，需通过修正路面温度与实测弯沉值，将弯沉值过高的检测点剔除[12]。

1.2 检测仪器

1.2.1 检测标准车

在所选取的高速公路路段上进行路基路面回弹弯沉检测时所使用的检测标准车型号为BZZ-100，其主要参数如表1所示。

表1 检测标准车主要参数表

1.2.2 检测弯沉仪

检测时所用到的仪器为弯沉仪。该仪器主要由表架、百分表及贝克曼梁三部分组线，通常有5.4 m和3.6 m两种臂长[13]，本文检测中选取前者，其前、后臂的长度分别为3.6 m和1.8 m。弯沉仪中所应用的贝克曼梁为铝合金制成，在其上方配备有水准泡，在弯沉仪的后臂设置百分表，弯沉仪的前臂需触碰到路面。

除此之外，检测中所用到的仪器还有皮尺、粉笔及路面接触式温度计等。

1.3 检测前准备工作与检测过程

1.3.1 检测前准备工作

检测前所需准备的主要工作内容包括百分表的安装、标准车的刹车、轮压及轮胎接地面检测等。具体准备工作内容如图1所示。

图1 检测前准备工作框架图

具体准备工作如下：

(1)百分表的安装：通常百分表的数量需要两块以上。在检测前安装百分表时，需通过提拉其传感轴的方式，检验其检测的灵敏度，待符合需求后完成百分表的安装，另外，需通过轻敲弯沉仪确定百分表内指针正常归位。

(2)标准车轮胎压力检测：利用压力表对标准车的轮胎压力实施检测，若轮胎压力不符合使用需求，可适度调整，避免因轮胎压力对接地面而对检测结果造成干扰。

(3)标准车轮胎接地面检测：将标准车停放于平滑的路面，通过千斤顶支撑起其后轴，并将复写纸放于后轮下方，缓慢放下千斤顶后，通过复写纸获得轮胎的印迹，结合相关运算方式计算出轮胎的接地面积。

(4)标准车配重检测：将重量较大的物体装入标准车内，对其前后轴的整体质量实施测定，并保证左侧与右侧的前后轴质量达到平衡。

(5)标准车其他性能检测：整体检测标准车的刹车与其他方面性能，均通过检测后方可使用。

1.3.2 检测过程

通过贝克曼梁法检测高速公路路基路面回弹弯沉的整体过程如图2所示。

图2 贝克曼梁法的路基路面强度检测过程示意图

具体检测过程如下：

(1)确定待检测高速公路路段，通过自动化持续检测仪器，以间隔25 m的距离，在该路段左右两侧以错开的方式，为每排车道各布设100个检测点，对布设好的各个检测点通过白色粉笔实施标记。其中检测点的布设方式如图3所示。

图3 检测点布设情况示意图

(2)将标准车的后轮轮隙和待检测点后侧4 cm位置对准；依据标准车的行驶方向将弯沉仪安装于标准车的后轮间隙位置，其中弯沉仪的贝克曼梁布设于待检测点处，且不可触碰到标准车的轮胎。

(3)接收到检测指令后，标准车在待检测高速公路路段上以5 km/h匀速向前行驶，当行驶路面的变形幅度升高，百分表的指针将保持前转，当其转至最高数值时，及时读取此时的数值并记录为W1；此时当标准车继续前行时，百分表的指针将会与之前保持相反的方向转动，若标准车的弯沉值干扰到曲率半径时，车辆停止前行，这种情况下，百分表的指针未恢复平稳，需待其指针平稳之后方可对此时的数值实施读取，并记录为W2。

1.4 弯沉值计算及相关修正方法

1.4.1 弯沉值计算方法

在标准车的轴载作用下，待测高速公路路段的路基路面表面轮隙处所形成的竖向回弹变形值即为回弹弯沉值[14]，通过读取弯沉仪上所安装百分表的变化数值可推算出该变形值。影响检测结果的关键因素有行驶车速、轮胎压力及轮胎载荷等，需在检测之前，重点针对此类因素能否达到需求实施检验。运用贝克曼梁法的弯沉仪所检测到的只是单个检测点的回弹弯沉值，因对路基路面强度存在影响的变量较多，所测得的不同检测点的弯沉值差异较大，故需统计处理各车道各个分路段的弯沉值，同时运用分路段的代表弯沉值对此分路段的路基路面强度予以表征。

其中，单个检测点的实际测得弯沉值可表示为：

Wa=2×(W1-W2)

(1)

分路段各个检测点的算术平均值可表示为：

(2)

式中：m——所检测分路段的检测点数量。

所检测分路段的代表弯沉值可表示为：

(3)

式中：S——标准偏差；

Yβ——保证率系数。

标准偏差的运算式为：

(4)

1.4.2 路面温度与实测弯沉值修正方法

为将弯沉值过高的检测点剔除，需对路面温度与实测弯沉值实施修正。这两种修正方法如下：

(1)路面温度修正：若所检测路面的沥青面层>5.0 cm，且当该路面的温度不在18 ℃～22 ℃时，应修正路面温度。在此选用经验运算与查图相结合的修正方法，其方程式为：

w=wa×K

(5)

式中：K——温度修正系数。

检测过程中，待检测路面的沥青层平均温度可表示为：

T=δ+σT0

(6)

式中：T0——待检测路面沥青层平均温度与检测的前阶段数个小时气温平均值的总和；

δ与σ——系数，且二者可表示为：

(7)

式中：d——待检测路面沥青层的厚度。

路面沥青面层厚度也是决定路基路面强度的关键指标之一，二者存在直接的关联性，当路面沥青面层厚度达到施工要求，方可更有效地保障公路的整体质量、强度及使用寿命，此项指标已成为当前各类公路施工验收中的主要检测指标[15]。为更直观地检测出高速公路路面沥青面层的厚度，获得精准可靠的检测结果，在此选用钻孔取芯方法检测出高速公路路段的沥青面层厚度d。

(2)实测弯沉值修正：检测中实测弯沉值的修正公式为：

(8)

R——标准车的当量半径；

P——轮胎接地压强；

λ——理论弯沉系数；

E0——土基的回弹模量。

2 试验结果与分析

以某高速公路施工工程路段为例，运用本文方法对其路基路面回弹弯沉值与沥青面层厚度实施检测，以此分析其路基路面强度，完成该路段工程的路基路面强度检测及施工验收。

该高速公路施工工程路段为双向八车道，单车道的宽度为3.75 m，双向车道的最外侧均为3.5 m的应急车道，双向车道中间间隔带的宽度为3 m。车道路面的各层依次采用沥青混凝土、中粒沥青混凝土、石灰沙砾，其中，混凝土的塑性需≤13.8，选取0.4 cm粒径的沙砾与高于三级的石灰。

将试验路段随机划分为A、B 两个分路段，每个分路段均具备左、右双向八车道，各车道分别布设100个检测点。试验路段的设计弯沉值[Wa]为125(0.01 mm)，设计沥青面层厚度为15 cm，保证率系数Yβ为1.65。

以试验路段左侧方向4条车道为例，检测2个分路段4条车道(A1～A4、B1～B4)各个检测点的路基路面回弹弯沉值，由每排车道的检测点中各随机抽取5个检测点，得出路基路面变形值读取结果，如下页表2所示。

表2 各分路段不同车道抽取检测点的变形值读取结果表

结合表2中所得数值与各分路段左侧4条车道全部检测点的路基路面变形值读取结果，能够获取各检测点的实测弯沉值Wa及各分路段的左侧各车道的代表弯沉值W′a，通过对比各车道代表弯沉值与设计弯沉值，检验各分路段不同车道的路基路面强度，所得结果如表3所示。

表3 检测点实测弯沉值与各车道代表弯沉值对比表

通过表3能够得出，A2-2、A3-1、A3-3、A4-2、B1-3、B2-2、B3-2、B3-3这8个检测点的实测弯沉值高于试验路段的设计弯沉值，说明这些检测点位置的路基路面密实度欠佳，其强度不能达到实验路段的质量需求，而其他检测点的实测弯沉值均比试验路段的设计弯沉值低。由此可见，其他检测点位置的路基路面强度能够满足试验路段的质量需求。两个分路段中4条车道的代表弯沉值由低到高排序分别为A1

最后通过本文方法检测出试验路段两个分路段左侧4条车道各个检测点的沥青面层厚度，经运算后得到每条车道全部检测点的平均沥青面层厚度，与试验路段的沥青面层设计厚度相对比，实现试验路段不同车道强度的进一步检验。运算与对比结果如图4所示。

图4 各分路段左侧各车道的沥青面层厚度平均值与设计值对比曲线图

由图4可看出，试验路段左侧4条车道的沥青面层厚度均高于该路段的施工设计厚度，可见，该高速公路施工工程路段左侧4条车道的路面厚度能够达到该路段的施工质量需求。

综合分析可知，高速公路施工工程试验路段中，左侧4条车道的综合强度都能够满足该高速公路的实际强度需求，其中除了A2-2、A3-1、A3-3、A4-2、B1-3、B2-2、B3-2、B3-3这8个检测点位置的路基路面回弹弯沉稍差，不符合施工验收标准外，其余检测点位置的路基路面回弹弯沉均能够达到施工质量需求，之后需重点针对回弹弯沉稍差的检测点位置所在路面重新施工。

3 结语

在高速公路的结构设计与施工验收中，路基路面强度的检测是关键阶段，而路基路面强度检测中的主要指标包括沥青面层厚度与路面回弹弯沉值。因此，本文针对一种基于贝克曼梁法的高速公路路基路面强度检测方法展开研究，通过贝克曼梁法实现对高速公路路基路面回弹弯沉值的检测，并结合钻孔取芯法检测出其沥青面层厚度，实现高速公路路基路面整体强度的检测。试验结果表明，所选取的高速公路路段的左侧各车道路面厚度均能够达到该路段的施工质量需求，且各车道的代表弯沉值也都比该路段的设计弯沉值低，综合分析各车道的整体路基路面强度能够满足施工验收需求。但需注意其中A2-2、A3-1、B3-2、B3-3等部分检测点的实测弯沉值高于该路段的设计弯沉值，需重点针对此部分检测点位置的路基路面实施进一步检验。