各級(jí)公路FWD 與貝克曼梁彎沉檢測(cè)相關(guān)性分析

梁志成

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030032）

引言

路基路面彎沉作為承載能力的檢測(cè)指標(biāo)，一般采用傳統(tǒng)的貝克曼梁進(jìn)行檢測(cè)，但所需檢測(cè)輔助人員多、檢測(cè)速度慢，實(shí)際檢測(cè)時(shí)需要耗費(fèi)大量人力物力。落錘式彎沉儀（FWD）作為較成熟的彎沉檢測(cè)技術(shù)，逐漸成為各級(jí)公路尤其是高等級(jí)公路交、竣工驗(yàn)收的主要檢測(cè)手段[1-4]。但目前落錘式彎沉儀主要應(yīng)用于高等級(jí)公路瀝青路面上面層檢測(cè)，對(duì)其它等級(jí)公路的應(yīng)用研究相對(duì)較少，為了解落錘式彎沉儀在各等級(jí)公路上的適用性，對(duì)不同等級(jí)公路落錘式彎沉儀與貝克曼梁兩種測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比分析[5-9]。擬選取三種不同結(jié)構(gòu)層組成公路試驗(yàn)段，分別進(jìn)行貝克曼梁彎沉儀與落錘式彎沉儀兩種方式的彎沉檢測(cè)，并對(duì)不同檢測(cè)方式下彎沉數(shù)據(jù)特點(diǎn)及數(shù)據(jù)相關(guān)性進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 貝克曼梁彎沉儀

目前路基路面彎沉檢測(cè)大部分仍采用傳統(tǒng)貝克曼梁法進(jìn)行檢測(cè)，常用5.4 m 貝克曼梁彎沉儀，并輔以精度不小于0.01 mm 百分表進(jìn)行變形值測(cè)量。該方法為目前路基彎沉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法，檢測(cè)彎沉為靜態(tài)彎沉，檢測(cè)需配備后軸載重100 kN（10 t，部分地區(qū)為提高施工質(zhì)量保證率，將標(biāo)準(zhǔn)軸載提高至15 t）、單側(cè)雙輪組荷載50 kN、胎壓0.7 MPa 的檢測(cè)車。新修規(guī)范鼓勵(lì)有條件的情況下優(yōu)先采用自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備換算后進(jìn)行彎沉評(píng)價(jià)，但鑒于各地路基路面原材料、結(jié)構(gòu)層工況等存在較大差異，規(guī)范并無統(tǒng)一推薦的換算公式。

1.1.2 落錘式彎沉儀

落錘式彎沉儀（FWD）原理是采用一定質(zhì)量落錘從設(shè)定高度落下，通過直徑30 cm 承載板對(duì)檢測(cè)路基路面產(chǎn)生沖擊，形成在設(shè)定壓力（一般設(shè)定為0.7 MPa）下的瞬時(shí)變形，以模擬行車荷載對(duì)路基路面作用。通過采集測(cè)定路基路面垂直變形，必要時(shí)可采集距離落錘中心不同距離的路基路面表層變形值得到彎沉數(shù)據(jù)。該方法方便快捷、測(cè)值精準(zhǔn)，且所需檢測(cè)人員較少，為新規(guī)范推薦的自動(dòng)化測(cè)試方法。

1.2 方案設(shè)計(jì)

選取三種不同結(jié)構(gòu)層組成的公路試驗(yàn)段，分別進(jìn)行貝克曼梁彎沉儀與落錘式彎沉儀兩種方式的彎沉檢測(cè)，見表1。首先分析不同結(jié)構(gòu)層、不同檢測(cè)方式下彎沉數(shù)據(jù)特點(diǎn)，然后選取三種回歸擬合方式對(duì)各公路下兩種彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行分析，最終對(duì)落錘式彎沉儀彎沉檢測(cè)有效性進(jìn)行綜合分析。

表1 三種不同公路試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)層組成

2 檢測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析

根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，分別對(duì)三段試驗(yàn)段進(jìn)行兩種方式彎沉檢測(cè)。為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，確保兩種檢測(cè)方式檢測(cè)位置統(tǒng)一：（1）進(jìn)行貝克曼梁法彎沉檢測(cè)，并標(biāo)記彎沉儀觸頭位置（即百分表放置端貝克曼梁對(duì)應(yīng)位置），左、右輪分別進(jìn)行標(biāo)記。（2）貝克曼梁法彎沉檢測(cè)后盡量在同一時(shí)間進(jìn)行落錘式彎沉儀法彎沉檢測(cè)，落錘承載板中心盡量與上述標(biāo)記點(diǎn)重合。（3）落錘式彎沉儀每點(diǎn)錘擊4 次，剔除第1 次數(shù)據(jù)后取后3 次測(cè)試均值作為該點(diǎn)檢測(cè)數(shù)值。

為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)有效性，對(duì)特異數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，然后每試驗(yàn)段選取各30 組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 三種不同公路試驗(yàn)段彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)

分析可知：（1）兩種檢測(cè)方式下，三種路面結(jié)構(gòu)彎沉大小分別為3# 試驗(yàn)段＞2# 試驗(yàn)段＞1#試驗(yàn)段。彎沉大小在一定程度上表明各路面結(jié)構(gòu)承載力順序，與各路面道路等級(jí)設(shè)計(jì)要求承載性能一致。（2）不管采用何種檢測(cè)方式，三種路面結(jié)構(gòu)變異系數(shù)大小順序?yàn)?# 試驗(yàn)段＞2# 試驗(yàn)段＞1# 試驗(yàn)段。由于變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比，是相對(duì)變化指標(biāo)，表明三種路面的彎沉數(shù)據(jù)離散程度也呈現(xiàn)一定規(guī)律。①公路等級(jí)越高，原材料控制均勻性越好，施工質(zhì)量控制更佳，彎沉變異性越小。②公路等級(jí)越高，運(yùn)營養(yǎng)護(hù)措施越多，對(duì)道路損壞修復(fù)越及時(shí)，彎沉衰減變化程度及范圍越小。③公路等級(jí)越低，上面層材料表層均勻性越差，如3# 試驗(yàn)段為級(jí)配礫石，表層松散集料會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集造成一定影響，進(jìn)而導(dǎo)致彎沉檢測(cè)變異性較大。（3）比較兩種檢測(cè)方法下彎沉檢測(cè)值變異系數(shù)，除1# 試驗(yàn)段落錘式彎沉儀測(cè)試值與貝克曼梁測(cè)試值變異系數(shù)基本相當(dāng)外，貝克曼梁測(cè)值變異系數(shù)普遍比落錘式彎沉儀高。這是由于公路等級(jí)越高、路面狀況越好，彎沉測(cè)試數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，受測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)條件影響越小。當(dāng)路面狀況不佳時(shí)，兩種檢測(cè)方式的數(shù)據(jù)均受到一定影響，相較而言貝克曼梁法影響更大，落錘式彎沉儀法則相對(duì)穩(wěn)定。表明落錘式彎沉儀較貝克曼梁法具有更高的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度，進(jìn)行高等級(jí)公路彎沉測(cè)試時(shí)穩(wěn)定性更佳。

3 相關(guān)性分析

3.1 1#試驗(yàn)段

3.1.1 回歸分析結(jié)果

對(duì)1#試驗(yàn)段采用三種擬合方式進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。

表3 1#試驗(yàn)段彎沉數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果

結(jié)果分析顯示，三種回歸方程相關(guān)系數(shù)R均大于0.95，符合《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG E60—2008）有關(guān)擬合精度要求，表明三種回歸形式下兩種檢測(cè)方式均具有較好的相關(guān)性，說明落錘式彎沉儀在高等級(jí)公路彎沉檢測(cè)具有較好的準(zhǔn)確性。

3.1.2 擬合結(jié)果

分析圖3 表明，三種擬合結(jié)果線性擬合、二次多項(xiàng)式擬合比指數(shù)擬合具有更好的相關(guān)性，因此在相似路面結(jié)構(gòu)組成路段，可采用線性、二次多項(xiàng)式兩種擬合方式進(jìn)行彎沉數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，考慮線性擬合較二次多項(xiàng)式擬合更簡潔方便，優(yōu)先推薦采用線性擬合進(jìn)行相關(guān)性分析。

圖1 1#試驗(yàn)段線性擬合結(jié)果

圖2 1#試驗(yàn)段二次多項(xiàng)式擬合結(jié)果

圖3 1#試驗(yàn)段指數(shù)擬合結(jié)果

3.2 2#、3#試驗(yàn)段

對(duì)2#、3#試驗(yàn)段采用三種擬合方式進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4、表5。

表4 2#試驗(yàn)段彎沉數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果

表5 3#試驗(yàn)段彎沉數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果

分析可知：（1）由表4 可得，三種回歸方程相關(guān)系數(shù)R均大于0.95，符合《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG E60—2008）有關(guān)擬合精度要求，表明三種回歸形式下兩種檢測(cè)方式均具有較好的相關(guān)性，說明落錘式彎沉儀在相應(yīng)等級(jí)公路彎沉檢測(cè)時(shí)具有較好的準(zhǔn)確性。但二次多項(xiàng)式擬合、指數(shù)擬合較線性擬合相關(guān)性更好，綜合考慮擬合的簡潔性及準(zhǔn)確性，優(yōu)先采用二次多項(xiàng)式擬合進(jìn)行相關(guān)性分析。（2）由表5 可得，三種回歸方程相關(guān)系數(shù)R均小于0.95，均不符合《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG E60—2008）有關(guān)擬合精度要求，表明三種回歸形式下兩種檢測(cè)方式不具備較好的相關(guān)性，但擬合相關(guān)性較差并非表明落錘式彎沉儀檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較差。表明落錘式彎沉儀具有更高的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，只是鑒于目前評(píng)價(jià)指標(biāo)是以貝克曼梁法測(cè)試的靜態(tài)彎沉為基準(zhǔn)，落錘式彎沉儀測(cè)試的動(dòng)態(tài)彎沉測(cè)值需進(jìn)行其它更為可靠的換算后才能進(jìn)行直接評(píng)價(jià)。

綜合對(duì)比三種路面結(jié)構(gòu)在兩種不同方法下的檢測(cè)結(jié)果，隨著公路等級(jí)的降低，落錘式彎沉儀與貝克曼梁彎沉檢測(cè)的相關(guān)性逐漸降低，特別是當(dāng)面層為非瀝青面層時(shí)，落錘式彎沉儀與貝克曼梁不具備較好的相關(guān)性，采用落錘式彎沉儀進(jìn)行低等級(jí)公路彎沉測(cè)試時(shí)應(yīng)進(jìn)行更為廣泛地?cái)?shù)據(jù)采集及對(duì)比分析。

4 結(jié)語

選取三種不同結(jié)構(gòu)層組成公路試驗(yàn)段，分別進(jìn)行貝克曼梁彎沉儀與落錘式彎沉儀兩種方式彎沉檢測(cè)，對(duì)三種路面在不同檢測(cè)方式下彎沉數(shù)據(jù)特點(diǎn)及兩種彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性進(jìn)行分析：（1）兩種彎沉檢測(cè)方式均顯示，三種路面結(jié)構(gòu)變異系數(shù)大小順序?yàn)?#試驗(yàn)段＞2#試驗(yàn)段＞1#試驗(yàn)段。表明公路等級(jí)越高，原材料控制均勻性越好，施工質(zhì)量控制更佳，彎沉變異性越小。（2）貝克曼梁測(cè)值變異系數(shù)普遍比落錘式彎沉儀高，表明落錘式彎沉儀較貝克曼梁法具有更高的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度，也表明落錘式彎沉儀進(jìn)行高等級(jí)公路彎沉測(cè)試時(shí)穩(wěn)定性更佳。（3）不同等級(jí)公路路面在兩種彎沉檢測(cè)方式下回歸分析的相關(guān)性差別較大，瀝青層較厚的高等級(jí)公路優(yōu)先推薦采用線性擬合進(jìn)行相關(guān)性分析，必要時(shí)可采用二次多項(xiàng)式擬合方式。（4）非瀝青面層的低等級(jí)路面結(jié)構(gòu)在兩種彎沉檢測(cè)方式下回歸分析的相關(guān)性較差，采用落錘式彎沉儀進(jìn)行彎沉測(cè)試時(shí)應(yīng)進(jìn)行更為廣泛地?cái)?shù)據(jù)采集及對(duì)比分析，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。