路基動態(tài)模量現(xiàn)場快速檢測技術(shù)特點分析

徐 芳

（海南省公路管理局定安公路分局，海南 定安 571200）

0 引 言

《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）和《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）等規(guī)范實施后，對路基設(shè)計模量的要求由原來的靜態(tài)模量轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)模量。路基動態(tài)模量主要可以通過兩種方法獲得：一是室內(nèi)試驗，二是現(xiàn)場檢測。目前路基動態(tài)模量的現(xiàn)場檢測尤其是快速檢測方法主要有落錘式彎沉儀法（簡稱FWD測試法）、動力錐貫入儀法（簡稱DCP測試法）和便攜式落錘式彎沉儀法（簡稱PFWD測試法）。本文就這三種檢測方法的工作原理、測試范圍和技術(shù)特點進(jìn)行了全面分析，供相關(guān)檢測人員參考。

1 路基動態(tài)模量現(xiàn)場快速檢測技術(shù)特點分析

1.1 FWD測試法

20世紀(jì)80年代末，我國開始引進(jìn)落錘式彎沉儀（簡稱FWD）。隨著實踐應(yīng)用，F(xiàn)WD的價值已被廣泛認(rèn)可，同時也普遍應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。FWD的檢測技術(shù)不光局限于水泥混凝土路面或瀝青路的檢測工作，同時還應(yīng)用在了路基彎沉方面的檢測活動。FWD的檢測技術(shù)十分優(yōu)良，在進(jìn)行新道路建設(shè)時，通過該技術(shù)能對路基面的施工質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，發(fā)現(xiàn)問題可以及時聯(lián)系人員解決，同時利用FWD作為依據(jù)，還可以提升路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的速度和效果。

利用計算機進(jìn)行液壓系統(tǒng)控制質(zhì)量的提升和釋放重錘自由落地，可以對路基或者路面造成一定的荷載，當(dāng)脈沖荷載通過一剛性圓盤，可以通過在相應(yīng)面上傳感器接收變形數(shù)據(jù)，這就是FWD的運行原理。因為在圓盤底部設(shè)置橡膠墊塊，所以路基面的荷載會無限接近均布荷載，這種釋放出的荷載值可以被儀器精準(zhǔn)地測定到。調(diào)節(jié)荷載可以借助落錘的質(zhì)量和高低數(shù)據(jù)完成。由于強烈的瞬間沖擊，受荷載作用的路面或者路基會發(fā)生變形，由此產(chǎn)生的變化可由傳感器測量到。FWD的測試裝置及測試原理如圖1、圖2所示。

圖1 FWD測試裝置

因為FWD有著巨大的測試優(yōu)勢，所以被廣泛應(yīng)用在很多新道路建設(shè)等基建環(huán)節(jié)上。FWD測試法方式簡單，不需各種繁復(fù)儀器到場，適用于填料路基以及各式路面結(jié)構(gòu)。而且采用FWD技術(shù)進(jìn)行檢測，還可以了解到路基填充和壓實情況，完全符合對道路建設(shè)檢測的需求。除此之外，F(xiàn)WD通過載荷檢測，會讓路基面發(fā)生形變，可以更好地了解到新建道路的承載能力。目前FWD測試法被普遍用在高等級的公路工程檢測活動中，其檢測數(shù)據(jù)為路面工程竣工提高了速度。不過從大方向上解析，F(xiàn)WD測試法還是存在一定的缺點和不足：

圖2 FWD測試原理

（1）FWD設(shè)備和租借使用費用高昂。如果采用普通的檢測技術(shù)和儀器進(jìn)行路面檢測，所需花費的資金會少一些，但是采用FWD技術(shù)所需要投入的費用就比較昂貴，是普通工程隊伍難以承受的。

（2）測試的荷載比較大。在實際路基工作時，其車輪的載荷力并不是很大，但是FWD的荷載數(shù)值是偏高一些的，取值為50 kN。由于路基變形的非線性因素，如果使用這個數(shù)值的沖擊荷載進(jìn)行檢測，測到的數(shù)據(jù)不一定符合需要，所以應(yīng)該探索一些適合荷載大小的測試技術(shù)。

（3）造成的塑性變形的影響。采用FWD進(jìn)行測試，測出的彎沉是種變形，其中涉及彈性變形和一定的塑性變形。因為FWD的沖擊荷載情況非常短暫，通常在10～30 s，因此面對剛度較大的路面結(jié)構(gòu)，即使采用了FWD技術(shù)進(jìn)行荷載檢測，但是由于來不及作用，路面結(jié)構(gòu)并不產(chǎn)生明顯的塑性變形，實際測到的位置通常不會留下FWD承載板的印記。而對于剛度不高的土路基，F(xiàn)WD的檢測就能夠更到位一些。所以要合理分析使用何種檢測方式，更符合路基回彈模量的檢測情況。

（4）對動載情況的探討。現(xiàn)階段關(guān)于FWD彎沉盆反算的力學(xué)分析模式通常使用的是靜力分析模型，同時均使用峰值作為荷載和位移。即進(jìn)行測試時，并沒有完全考慮到FWD的動載作用。

（5）進(jìn)行反算的可靠性。作為基于最小二乘法基礎(chǔ)的優(yōu)化方式，反算模型的適用度很高。不管是國內(nèi)還是國外，對于實測和理論彎沉間的目標(biāo)函數(shù)取舍，其反算結(jié)果都存在一定的不同。而且當(dāng)優(yōu)化計算方式時，對模量反算的精確程度也會造成一些影響，尤其是針對路面的彎沉盆反算時，這個過程就變得更加復(fù)雜了。

總之通過FWD測試法的分析，可以看出存在以下問題需要解決：

陳小華：10個O2O大敗，9個是因為充值，至少有十幾二十家來找過58到家。最近有一個主流的基金投資公司，我曾經(jīng)勸他，今年你正好是0的時候，把公司賣了還有機會，但他跟我說，有投資人的壓力，要撐下去?？墒荗2O別看公司很強大，很多公司規(guī)模很大，但其實非常脆弱，只要給提供服務(wù)的人開不出工資，無論你原來有多少單，都瞬間沒了。

（1）選取合理測試荷載大小；

（2）塑性變形的影響分析；

（3）動載作用分析；

（4）反算的可靠性分析。

同時建立FWD動彎沉與貝克曼梁靜彎沉和現(xiàn)場承載板回彈模量等之間的關(guān)系，對FWD測試結(jié)果的應(yīng)用具有重要意義。

1.2 DCP測試法

動力錐貫入儀（DCP）是由上桿和下桿構(gòu)成的。手柄與8 kg的落錘組成了上桿，同時經(jīng)由鐵砧和下桿進(jìn)行連接。而下桿則是通過鋼化貫入錐頭以及桿尺構(gòu)成。跟之前的椎貫測試有著一定的區(qū)別，DCP是不會把錐頭以常規(guī)速率壓到土里面的，需要借助落錘施加一定的荷載，才能到相應(yīng)位置，通過計算動力貫入得出結(jié)果。這種測試方法非常經(jīng)濟(jì)快捷、適用度良好。此外，DCP還可用于結(jié)構(gòu)層壓實度檢測方面（見圖3）。

圖3 DCP結(jié)構(gòu)示意圖

隨著對DCP研究的深入，有的科研人員試圖將DCP的試驗結(jié)果與CBR試驗結(jié)果建立相應(yīng)的回歸關(guān)系，也有科研人員將DCP的試驗結(jié)果和回彈模量建立回歸關(guān)系。目前美國與DCP有關(guān)的規(guī)范主要有ASTM D6951和AASHTO93規(guī)范。我國與DCP有關(guān)的規(guī)范為《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60—2008），該規(guī)范首次引入DCP測試的規(guī)范，但試驗規(guī)程中僅簡略介紹了試驗儀器、試驗方法、試驗步驟、計算等相關(guān)試驗情況，并沒有提供關(guān)系式，只是在條文中規(guī)定須通過現(xiàn)場CBR試驗建立與DPI的關(guān)系式。因現(xiàn)場開展CBR試驗條件有限，要形成適合我國典型土質(zhì)的回歸關(guān)系式，還需進(jìn)行大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)積累與相關(guān)研究。鑒于當(dāng)前我國針對DCP開展的研究相對較少，在實體工程試驗受限時，可直接應(yīng)用較為成熟的AASHTO關(guān)系式進(jìn)行計算。

總之，DCP測試法簡單、可靠、快捷、費用低，在國外路基土和基層材料現(xiàn)場質(zhì)量檢測中得到廣泛應(yīng)用。其中美國、英國、南非是應(yīng)用DCP較多的國家，也是技術(shù)和經(jīng)驗較為豐富的國家。我國DCP測試水平距國外發(fā)達(dá)國家還有一定差距，總體上還處于初期應(yīng)用階段，只有在少數(shù)幾條高速公路上得到應(yīng)用，離大面積推廣和應(yīng)用還有很長一段距離。

1.3 PFWD測試法

便攜式落錘式彎沉儀（PFWD），或稱手持式落錘彎沉儀（handhold falling weight deflectometer，HFWD），或稱微型落錘式彎沉儀（MFWD），屬于動力檢測的新式儀器。這種技術(shù)是比FWD技術(shù)更新的路基與地基承載檢測方式。

PFWD測試法是經(jīng)由數(shù)據(jù)采集程式和加載系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸三個方面構(gòu)成的。首先，數(shù)據(jù)采集程式是通過傳感器和位移傳感器以及采集裝置構(gòu)成，而加載系統(tǒng)則通過滑桿、鎖定桿和橡膠塊等構(gòu)成。數(shù)據(jù)傳輸需要利用到有線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和電腦等配置構(gòu)成。

這種測試方式的運作原理是把一個10 kg的落錘提升到相應(yīng)高度后，再進(jìn)行自由落體。當(dāng)落錘跟承載板產(chǎn)生作用出現(xiàn)沖擊荷載后，在這股力的作用下承載板會發(fā)生豎向位移，而傳感器就將收集到的數(shù)據(jù)記錄下來，按照壓力和位移的峰值得到相應(yīng)的結(jié)果。

與其他現(xiàn)場模量測試方法相比，PFWD測試法具有以下幾個優(yōu)點。

1.3.1 輕便快速

通過一定的試驗和分析后，發(fā)現(xiàn)了PFWD室內(nèi)測試和承載板以及CBR檢測所用到的比率。同時也得到了其他相關(guān)檢測所需的對比數(shù)值，詳細(xì)情況可通過表1查看。

從表1可以看出，PFWD檢測路基回彈模量在需時上比承載板測試法和CBR測試法更好一些，同時也比FWD測試法和貝克曼梁法更迅速，因為使用PFWD可以直接得到路基回彈模量，而使用FWD要經(jīng)過反算才能獲得答案。同時除PFWD外，其他檢測方法要通過多人參與才能完成，并且在檢測時需要較高的配合度才能檢測到精確的答案，所需花費的時間更多。因此PFWD測試法更受青睞。

表1 各種路基模量測試方法測試時間對比

1.3.2 擴(kuò)展了檢測范圍

盡管PFWD儀器十分輕巧、造型不大，但其能更輕松地完成其他儀器難以檢測到的范圍。例如，現(xiàn)場承載板和貝克曼梁都需要通過加載車提供荷載，需要足夠的場地才能夠完成測試，最少用到10 m×3 m的場地，且貝克曼梁測試的彎沉受貝克曼梁支點影響。FWD現(xiàn)場檢測需要一輛牽引車牽引并提供動力，F(xiàn)WD由牽引車拖行，到實際檢測地點也需要足夠的空間。但是使用PFWD則能夠?qū)θ我鈭龅剡M(jìn)行檢測，只要檢測人員到位即可，檢測點不需要十分寬闊，能容納PFWD承載板即可，包括各種構(gòu)造物的臺背與路肩等特殊填土場地。因此PFWD降低了對檢測場地的要求，大大擴(kuò)展了檢測范圍。

2 結(jié)語

（1）FWD測試法適合用在很多地方，測試方法快捷，對于各種路面結(jié)構(gòu)以及物料填充情況都能很好地掌握，但在選取合理測試荷載大小、塑性變形的影響分析、動載作用分析、反算的可靠性分析等方面的問題仍需解決。

（2）DCP測試法具有簡單、可靠、快捷、費用低等優(yōu)點。在國外路基土和基層材料現(xiàn)場質(zhì)量檢測中得到廣泛應(yīng)用，在我國總體上還處于初期應(yīng)用階段。

（3）PFWD測試法具有輕便快速的特點，此外這種測試用具還具備了造型輕巧、使用便利，能到達(dá)其他測試儀器無法到達(dá)的地點的優(yōu)勢。