落锤式弯沉检测技术在市政道路检测中的应用研究

阮廷辉

（广东大道检测技术有限公司，广东中山 528400）

0 引言

市政道路是城市基础设施中至关重要的组成部分，它们承担着大量交通和人员流动的压力。然而，由于长期使用、环境变化和自然损耗等原因，道路表面可能会出现弯沉问题，如凹陷、裂缝和坑洼等。这些结构问题不仅影响驾驶者的舒适度和安全性，还对车辆的操控性能和道路寿命产生不利影响。因此，在市政道路维护和管理中进行定期检测和评估就显得尤为重要。落锤式弯沉检测技术作为一种常用方法被广泛应用于道路结构评估中。通过在特定位置上施加冲击并测量挠度来判断道路表面的稳定性，并提供及时修复或维护建议。

1 落锤式弯沉检测技术的基本原理

当涉及结构的变形和稳定性评估时，落锤式弯沉检测技术是一种常用的方法。它基于以下基本原理。

（1）冲击力施加。在待测结构上施加冲击力是该技术的核心步骤之一。采用重锤来产生冲击力，重锤可以通过释放或下降方式施加在结构上方[1]。

（2）结构响应记录。传感器系统被安装在待测结构的适当位置，以记录结构对冲击力产生的响应。传感器可以包括位移传感器、倾角仪、加速度计等。这些传感器会捕捉到相应引起的物理量变化。

（3）数据采集与分析。通过传感器捕获到的数据，在实时或事后进行采集和存储。这些数据可以表示为时间序列或频域信号，并且提供关于结构响应特征的信息。

（4）参数计算与分析。经过数据采集后，需要对获取到的数据进行处理和分析。根据不同的测试需求，可以计算出相关参数，例如位移、挠度、弯曲变形等指标。常见的分析方法包括傅里叶变换、滤波和频谱分析等。

（5）结果解读与评估。根据参数计算和分析的结果，对结构的变形和稳定性进行评估。这些结果可以与设计规范、标准或基准值进行比较，以确定结构是否满足安全要求。

2 落锤式弯沉检测技术在市政道路检测中的应用优势

当涉及市政道路检测时，落锤式弯沉检测技术具有以下应用优势。

（1）非破坏性测试。与传统的方法相比，如核心钻孔或现场加载试验，落锤式弯沉检测技术是一种非破坏性的测试方法。它不需要对道路进行切割或取样，减少了对道路使用的干扰，并节省了时间和成本。

（2）快速高效。该技术能够快速施加冲击力并记录结构响应。数据采集和分析通常耗时较短，因此可以在相对较短的时间内完成整个测试过程。这使得它特别适合于大面积道路网络的快速检测。

（3）实时监测。落锤式弯沉检测技术提供了实时监测能力，即可以即时获取到结构响应信息。这使得工程师或监督人员能够及时获知道路变形情况，并根据需要采取必要的维修措施[2]。

（4）大范围覆盖。市政道路网络通常涵盖广泛的区域。由于落锤式弯沉检测技术具备移动性和便携性，可以在不同位置和道路段进行测试。这使得它能够有效地覆盖整个道路网络，并提供全面的结构变形信息。

（5）准确可靠。该技术利用传感器系统采集的数据进行分析，可以计算出准确的结构参数，如挠度、弯曲变形等。这些结果反映了道路的实际状况，并为后续工程决策提供可靠依据。

（6）安全评估。落锤式弯沉检测技术能够对道路结构的稳定性进行评估。通过分析获得的参数数据，可以判断道路是否存在安全隐患或需要维修加固。这有助于保障行车安全并延长道路使用寿命。

落锤式弯沉检测技术在市政道路检测中具有非破坏性、快速高效、实时监测、大范围覆盖、准确可靠和安全评估等优势。它是一种重要的工具，用于帮助城市管理部门及时发现和解决道路结构问题，以保证交通安全和基础设施可靠性。

3 落锤式弯沉检测技术在市政道路检测中的应用策略

3.1 工程概况

案例工程为某市内部道路，长度为5.788km，宽度为4m。为保证交通安全，相关管理人员选择使用落锤式弯沉检测技术对道路的结构进行检测。技术人员在每块水泥板上设置2 个测试点位，现场水泥板每5m 设置预裂缝，共设置2316 个测试点，采用型号为JGFWD-200 落锤弯沉仪。

3.2 设置测试仪器

在市政道路检测中使用落锤式弯沉检测技术，需要进行以下步骤来设置测试仪器。

（1）选择合适的测试仪器。选择适用于落锤式弯沉检测的测试仪器。这些仪器通常包括一个冲击装置（如落锤）和一个振动传感器（如加速度计或位移传感器）。确保选购的设备符合实际检测需求，并具备高精度、稳定性和可靠性。

（2）安装传感器。根据测试要求，在道路表面或结构物上安装振动传感器。一般情况下，传感器会被固定在特定位置，并与地面或结构紧密接触以保证有效信号采集[3]。

（3）设置数据记录参数。根据具体的测试需求，设置数据记录参数。这包括采样频率、采样时长等。确保设置的参数能满足所需的数据精度和信号分析要求。

（4）校准系统。对测试仪器进行校准，以确保得到准确可靠的数据。校准可以通过专业机构或参考标准规程进行。

（5）进行试验前准备。在进行实际测试之前，需要做好试验前准备工作。这包括清理测试区域，确保测试环境的稳定性和安全性。

（6）进行冲击试验。使用落锤或冲击装置对道路表面进行冲击。通常，冲击力可以通过控制落锤的质量和下降高度来调节。

3.3 施加冲击力

（1）选择合适的冲击荷载。案例工程使用设备可产生的冲击荷载范围0～90kN，如无特殊需要，重锤的质量为（200±10）kg，产生（50±2.5）kN 的冲击荷载。

（2）确定冲击点位。根据需要测试的区域和结构特点，在道路表面确定冲击点位。这些点位可以是不同位置、不同距离或具有特殊结构特征的地方。

（3）准备测试区域。在进行实际测试之前，需要准备好测试区域。这包括清理工作，确保测试区域没有障碍物，并且平整稳定[4]。

（4）安装冲击装置。将落锤固定在柄上，并确保柄与落锤连接紧密可靠。并调节冲击力，根据具体要求和试验目标，调节冲击力大小。冲击力可以通过控制落锤质量和下降高度来实现。一般情况下，较大质量和更高高度会产生更大的冲击力。

（5）控制冲击位置和频率。根据测试计划，控制冲击的位置和频率。可以按照固定的间距依次在不同点位进行冲击，或者根据需要选择特定的冲击点位。

（6）进行冲击试验。将落锤从一定高度自由下落，使其与道路表面产生冲击。确保在每个点位上重复多次以获得可靠的数据。

（7）数据采集与记录。在进行冲击试验时，振动传感器会采集到结构物的响应信号。测试仪器会将这些信号数据记录下来供后续分析使用。

需要注意的是，在施加冲击力时要遵循安全操作规程，并确保周围人员不受伤害。此外，在设计测试方案时，应考虑到测试区域的特殊需求或限制条件，并合理确定落锤的质量、高度和频率等参数。

3.4 结构参数计算及分析

案例工程道路类型为刚性路面，落锤质量：200kg，弯曲挠度测量位置：距离落锤中心点0.25m 处。

3.4.1 挠度计算

式中：δ——挠度；w——施加到道路上的冲击力；L——道路宽度；E——材料的弹性模量；I——截面惯性矩。

施加到道路上的冲击力w=1960N，道路宽度L=4m，水泥材料的弹性模量假设为40GPa，截面惯性矩假设为0.00000127m4（水泥板宽度取值4m，长度取值5m，厚度取值22mm）。挠度δ=（5×1960×44）/（384×40×109×0.00000127）=0.128608924mm≈0.128m。。

3.4.2 回弹模量计算

根据落锤式弯沉检测的原理来计算回弹模量。回弹模量（E）是一种描述材料刚度或弹性特性的指标。其估算如式（2）所示。

式中：E——回弹模量，MPa；m——落锤的质量，kg；g——重力加速度（取值为9.8m/s）；h——落锤自由下落的垂直高度，m；δ——最大挠度，m，根据上节计算取值为0.128m。

已知案例工程中水泥板的宽度为4m，假设长度为5m，厚度为22mm（取值为22mm）（水泥密度按照1440kg/m3取值），则每块水泥板的质量为633.6kg。将落锤质量200kg，最大挠度为7.548mm，落锤质量为200kg，落锤下降高度为0.25m，代入式（2）：E=（mgh）/δ=（200kg×9.8m/s2×0.25m）/0.128≈3828.125MPa。

完成计算后，可以对结果进行分析。回弹模量代表了道路材料的刚度和弹性性能。较高的回弹模量通常表示道路材料更为坚硬和刚性，结构不存在问题。通过与相似类型的道路或设计要求进行比较，可以评估测得的回弹模量满足预期标准。

3.5 降低环境影响

（1）控制测试时间。选择合适的测试时间段进行检测。避免在恶劣天气条件下进行测试，如大雨、大风或极端温度等情况。尽量选择气候稳定、无明显自然干扰的时段[5]。

（2）考虑环境因素。记录并监测测试过程中的环境因素，例如温度、湿度和风力等。在数据处理和结果分析时，对这些因素进行校正或修正，以减小其对测量结果的影响。

（3）设备保护。确保弯沉测试仪器和设备处于良好状态，并采取适当的防护措施来减少外部环境对设备造成的损坏或影响。例如，使用防水罩保护设备在雨水中工作，使用风挡屏隔离仪器免受强风干扰等。

（4）定位传感器优化。正确安装和定位传感器是关键步骤之一。确保传感器与被测点之间没有空隙，并严密固定传感器以减少外部振动或干扰对测量结果的影响。如果可能，可以考虑使用抗震技术来降低地面振动对测试的影响。

（5）数据处理和分析。在数据处理和结果分析过程中，采用适当的算法和校正方法来排除环境因素引起的误差。通过记录环境条件并与测量数据进行关联，可以更好地理解环境因素对测量结果的影响，并进行相应的修正。

（6）校准和维护。定期进行仪器的校准和维护工作是保证测试精度和可靠性的重要措施。遵循制造商提供的操作手册和建议，及时校准设备并检查故障或损坏部件。维护良好的仪器状态有助于降低环境影响带来的测试误差。

（7）多次测试取平均值。为了增加数据稳定性和准确性，可以进行多次测试并取平均值。这样可以降低单次测试中环境因素产生的随机误差对最终结果所造成的影响。同时在测试过程中，尽量避免不必要的人为干扰，如人员或车辆的频繁通过、施工活动等。这些干扰可能会对测试结果产生额外的变异性和误差。

3.6 保证测试的全面性

（1）多点采集数据。在每个测试位置上进行多次数据采集，以获取更准确和可靠的结果。通过重复测试并计算平均值来减小因环境变化或操作误差引起的偏差。同时，在整个路段上选择多个代表性点进行测试，以获取更全面的数据覆盖。

（2）量化分析指标。除了弯曲挠度外，还应考虑其他相关指标来评估道路质量。例如，可以将纵向坡度、横向坡度以及纵横向不平整度等指标纳入分析。通过综合考虑这些指标，可以更全面地评估道路的结构状况和安全性。

（3）结合其他测试方法。落锤式弯沉检测技术作为一种补充手段，应与其他道路检测方法相结合，如无损检测技术（如地面雷达、红外成像）和视觉检查等。多种测试方法的综合应用可以提供更全面的道路信息，并增加对道路结构问题的准确性和可靠性评估。

（4）数据解释与比较。在数据处理过程中，将落锤式弯沉测试结果与历史数据、设计规范或基准值进行比较。通过与参考值进行对比和分析，可以更好地了解道路结构变化情况，并判断是否存在异常或需进一步调查的区域。

（5）定期监测。市政道路是一个动态体系，在时间推移中会发生变化。因此，定期监测是保证全面性的重要手段。建立长期监测计划，周期性地对道路进行检测，并记录数据以供后续比较和分析。

4 结语

综上所述，落锤式弯沉检测技术具有高精度和实时性的优势，可以准确测量市政道路的变形情况。这为城市规划者和道路维护人员提供了宝贵的信息，使他们能够及时采取必要的维修和改进措施，以确保道路的安全性和可持续性。还显示出了较低的成本和使用便利性。同时，也认识到落锤式弯沉检测技术在某些方面仍存在局限性。例如，在特殊地形或恶劣环境条件下，可能会受到干扰或误差。因此，建议在实际应用中对这些因素进行更加全面的考虑，并结合其他测量方法进行综合分析。本文为落锤式弯沉检测技术在市政道路检测中的应用提供了有力的支持和验证。相信随着技术的不断发展和改进，该技术将在城市道路管理和维护领域发挥越来越重要的作用，为建设安全、高效的城市交通环境做出贡献。