路基动态模量现场测试技术对比分析

王一舟

摘要：针对目前路基动态模量现场测试技术的现状，文章对FWD测试法、DCP测试法、PFWD测试法三种现场快速检测方法的工作原理、测试范围和技术特点进行全面分析，供相关检测人员参考。

关键词：路基工程;动态模量;FWD测试法;DCP测试法;PFWD测试法

中图分类号：U416.1 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.006

文章编号：1673-4874（2019）07-0017-03

0引言

《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）和《公路沥青设计规范》（JTGD50—2017）等规范实施后，对路基设计模量的要求由原来的静态模量转变为动态模量。路基动态模量主要通过两种方法获得：（1）室内试验;（2）现场检测。现场检测尤其是快速检测主要有落锤式弯沉仪法（简称FWD测试法）、动力锥贯入仪法（简称DCP测试法）和便携式落锤弯沉仪法（简称PFWD测试法）。本文针对上述三种检测方法的工作原理、测试范围和技术特点进行对比分析，供相关检测人员参考。

1现场测试技术对比分析

1.1FWD测试法

20世纪80年代末，国内开始引进落锤式弯沉仪（简称FWD）。随着不断的实践应用，FWD的价值已经被广泛认可，同时也普遍应用到相关领域当中。FWD的检测技术不只是局限于水泥混凝土路面或者是沥青路的检测工作，同时还应用在路基弯沉方面的检测活动中。FWD的检测技术十分优良，在进行新道路建设的时候，通过该技术能够对路基的施工质量进行把关，发现问题可以及时联系人员解决，同时利用FWD作为依据，还可以提升路面结构设计的速度和效果。

利用计算机进行液压系统的控制质量的提升和释放重锤自由落地，可以对路基或者路面造成一定的荷载，当脉冲荷载通过一刚性圆盘，可以表现在相应面上，这就是FWD的运行原理。因为在圆盘底部会设置橡胶垫块，所以路基或路面的荷载会无限接近均布荷载，这种释放出的荷载值可以被仪器精准地测定到。调节荷载可以借助落锤的质量和高低数据来完成。由于强烈的瞬间冲击，受荷载作用的路面或路基会发生变形，由此产生的变化会由传感器测量到。FWD的测试原理如图1所示。

因为FWD有着巨大的测试优势，所以被广泛应用于新道路建设等基建环节上：（1）测试方式简单，无须各种繁复仪器到场，适用于填料路基以及各式的路面结构;（2）可以了解到路基填充和压实情况，完全符合对道路建设进行检测的需求;（3）通过载荷检测，会让路基面发生形变，可以更好地了解到新建道路的承载能力。目前FWD弯沉盆检测法被普遍用在高等级公路工程检测活动中，其检测数据为路面工程竣工提高了速度。不过，从大方向上解析的话，FWD测试还是存在一定的缺点和不足的：

（1）FWD设备购买和租借使用的费用高昂，普通的工程队伍难以承受。

（2）测试的荷载比较大。在实际路基工作时，其车轮的载荷力并不是很大，但是FWD的荷载数值是偏高一些的，取值为50kN。由于路基变形的非线性因素，如果使用这个数值的冲击荷载进行检测的话，测到的数据不一定会符合需要，所以应该探索一些适合荷载大小的测试技术。

（3）造成的塑性变形的影响。采用FWD進行测试，其测出的弯沉是中变形，其中涉及到了弹性变形和一定的塑性变形。因为FWD的冲击荷载情况非常短暂，通常在10～30s之间，因此面对刚度比较大的路面结构，即使采用了FWD技术进行荷载检测，但是由于来不及作用，路面结构并不产生明显的塑性变形，实际测到的位置通常不会留下FWD承载板的印记。而对于刚度不高的土路基，FWD的检测就能够更到位一些。

（4）对动载情况的探讨。现阶段，关于FWD弯沉盆反算的力学分析模式通常使用的是静力分析模型，同时均使用峰值作为荷载和位移。换句话说，进行测试时，并没有完全考虑到FWD的动载作用。

（5）进行反算的可靠性。作为基于最小二乘法基础的优化方式，反算模型的适用度很高。不管是国内还是国外，对于实测和理论弯沉间的目标函数的取舍，其反算结果都存在一定的不同。当优化计算方式时，对模量反算的精确程度也会造成一些影响，尤其是针对路面的弯沉盆反算时，这个过程就变得更加复杂。

因此解决上述问题，并建立FWD动弯沉与贝克曼梁静弯沉和现场承载板回弹模量等之间的关系，对FWD测试结果的应用具有重要意义。

1.2DCP测试法

动力锥贯入仪（DCP），是由上杆和下杆构成的。手柄与8kg的落锤组成了上杆，同时经由铁砧和下杆进行连接，而下杆则是由钢化贯入锥头以及杆尺构成，见图2。跟之前的锥贯测试有着一定的区别，DCP是不会把锥头以常规速率压到土里面的，需要借助落锤施加一定的荷载，才能到相应位置，通过计算动力贯入得出结果。这种测试方法非常经济快捷，适用度良好。此外，DCP还可用于结构层压实度检测。

随着对DCP研究的深入，有的科研人员试图将DCP的试验结果与CBR试验结果建立相应的回归关系;也有科研人员将DCP的试验结果和回弹模量建立回归关系。目前，美国与DCP有关的规范主要有ASTMD6951和AASHT093规范。我国与DCP有关的规范为《公路路基路面现场测试规程》（JTGE60-2008）。该规范首次引入DCP测试的规范，但试验规程中仅简略地介绍了试验仪器、试验方法、试验步骤、计算等相关试验情况，没有提供关系式，只是在条文中规定须通过现场CBR试验建立与DPI的关系式。因现场开展CBR试验条件有限，要形成适合我国典型土质的回归关系式，还需进行大量现场数据积累与相关研究。鉴于当前我国针对DCP开展的研究相对较少，在实体工程试验受限时，可直接应用较为成熟的AASHTO关系式进行计算。

总之，DCP测试因简单、可靠、快捷、费用低等优点在国外路基土和基层材料现场质量检测中得到广泛应用。其中美国、英国、南非是应用DCP较多的国家，也是技术和经验较为丰富的国家。我国DCP测试水平距国外发达国家还有一定的差距，总体上还处于初期应用阶段，只有在少数几条高速公路上得到应用，离大面积推广和应用还有很长一段距离。

1.3PFWD测试法

便携式落锤弯沉仪英文名为PFWD，或称手持式落锤弯沉仪（HFWD：Handhold Falling Weight De-flectometer），或称微型落锤式弯沉仪（MFWD），属于动力检测的新式仪器，这种技术是比FWD技术更新的路基与地基承载检测方式。

PFWD测试是经由数据采集程式、加载系统以及数据传输三个方面构成的。数据采集程式是由传感器和位移传感器以及采集装置构成;而加载系统则由滑杆、鎖定杆和橡胶块等构成;数据传输需要利用到有线数据传输设备和电脑等配置。

这种测试方式的运作原理是把一个10kg的落锤提升到相应高度之后，再进行自由落体，当落锤跟承载板产生作用，出现冲击荷载之后，在这股力的作用下，承载板会产生竖向位移，而传感器就将收集到的数据记录下来，按照压力和位移的峰值得到相应的结果。

与其他现场模量测试方法相比，PFWD测试法具有以下几个优点：

（1）PFWD具有轻便快速的特点

通过一定的试验和分析后，得出PFWD室内测试和承载板以及CBR检测所用到的比率。同时也得到了其它相关检测所需的对比数值，详细情况可以通过表1查看。

从表1可以看出，PFWD检测路基回弹模量在所需时间上要比承载板测试的方法和CBR的测试方法更好一些;同时也要比FWD法和贝克曼梁法要更加迅速。因为使用PFWD可以直接得到路基回弹模量，而使用FWD要经过反算才能够获得答案。同时，除PFWD外，其它的检测方法要通过多人的参与才能够完成，并且在检测时需要较高的配合度才能检测到精确的答案，所需要花费的时间要更多。因此PFWD测试法更受青睐一些。

（2）PFWD测试技术扩展了检测范围

尽管PFWD仪器十分轻巧，造型不大，但是其能够更轻松地达到其它仪器难以检测到的范围。例如现场承载板法和贝克曼梁法都需要通过加载车提供载荷，需要足够的场地才能够完成测试，最少用到10m×3m的场地，且贝克曼梁测试的弯沉受贝克曼梁支点影响。FWD现场检测需要一辆牵引车牵引并提供动力，FWD由牵引拖行，到实际检测地点也是需要足够的空间的。但是如果使用PFWD，则能够对任意场地进行检测，只要检测人员到位即可;检测点也不需要十分宽阔，能容纳PFWD承载板就可以了，同时其还包括各种构造物的台背与路肩等特殊填土场地。因此，PFWD降低了对检测场地的要求，大大扩展了检测范围。

2结语

（1）FWD的测试方法适用在很多方面，测试方法快捷，对于各种路面结构以及物料填充情况，都能够很好地应用。但在选取合理测试荷载大小、塑性变形的影响分析、动载作用分析、反算的可靠性分析等方面的问题需要解决。

（2）DCP测试具有简单、可靠、快捷、费用低等优点，在国外路基土和基层材料现场质量检测中得到广泛应用，在我国总体上还处于初期应用阶段。

（3）PFWD测试具有轻便快速的特点，且造型轻巧、使用便利，具有其它测试仪器所没有的优势。