落锤式弯沉仪（FWD）应用于市政道路合理性分析

范彦军 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

随着市政道路每年不断增加，各地区改建及维修等路段屡见不鲜，道路运行一段时间后，出现不同的病害，如纵横向开裂、沉陷、车辙及拥包等，严重影响道路行驶的安全性、舒适性，如果由于道路承载能力低，导致路段损坏的维修成本将更高。因此，相关部门对市政道路的质量提出了更高的要求，传统的检测方法也日渐改变，采用自动化检测手段，不仅能提高检测速度，而且能更客观、准确地反映现场的实际质量。

弯沉作为评价道路承载能力指标之一，广泛应用于道路现场检测。目前落锤式弯沉仪多用于高等级公路的路面质量评价及验收，交通部已将该设备检测方法作为公路交、竣工验收的主要技术措施，然而对市政道路的验收多采用贝克曼梁弯沉检测，未大量推广。

1 概述

弯沉即在规定的荷载作用下，路基或路面表面产生的总垂直变形值（总弯沉）或者垂直回弹变形弯沉（回弹弯沉），以0.01mm 为单位表示。目前弯沉检测方法包括贝克曼梁法、落锤式弯沉仪法、自动弯沉仪法及激光式高速路面弯沉测定仪，目前国内主要采用贝克曼梁（BB）法及落锤式弯沉仪（FWD）法检测。

贝克曼梁法开展道路弯沉检测成本高、耗时多，已不能适应技术发展要求。该检测方法需要荷载车配合、前期准备工作多，检测数据受人员、设备、环境等诸多因素影响，主要局限范围如下：

①仅反映静态作用下，路基路面垂直变形下最大回弹弯沉；

②以人为主，工作强度较大，工作时间较长，在通车的道路进行弯沉检测，安全风险大；

③不能反映在行车作用下道路的动力特性；

④不适合对道路的长期质量状况定期跟踪；

⑤对道路面层质量检测，在非标准温度或者厚度情况下，需要进行温度修正，温度测量或估算误差较大，对结果造成一定影响；

⑥采用3.6m 贝克曼梁弯沉仪进行检测时，检测过程需进行支点修正，修正系数计算方法较为复杂，影响修正结果准确性。

落锤式弯沉仪检测属于动态弯沉，能很好地模拟车辆运行后影响状况，替代人工检测，不仅能极大提高工作效率，亦能减少检测过程中的人为性影响因素，保证检测结果的客观、公正，具有很好的优势。同时人员在车内进行操作，安全性较好，适应不同的交通运营环境。分析落锤式弯沉仪检测方法适应各种市政道路结构，分别选取不同结构层进行合理性分析，判断贝克曼梁与落锤式弯沉检测数据的相关性，进而更好地分析不同情况下，落锤式弯沉仪的适用范围。

2 现场检测设备性能及要求

2.1 贝克曼梁弯沉仪

贝克曼梁弯沉是利用杠杆原理测定各类路基路面的回弹弯沉，适用于各结构层弯沉检测，作为公路工程、市政工程弯沉验收方法，用于道路整体承载能力评价。本次试验选取设备具体参数如下。

①加载车：双轴，后轴标准轴载P 为100kN；单侧双轮荷载50±0.5kN。

②贝克曼梁：配件含百分表及表架组成（采用5.4m）。

③路表温度计：分辨力不大于1℃。④轮胎气压：0.7MPa。

2.2 落锤式弯沉仪

落锤式弯沉仪（FWD）是利用液压系统，使标准落锤落下一定高度，发生的冲击荷载使路基或路面表面产生瞬时变形，即测定其在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆，并由此反算路基路面各结构层的动态弹性模量，科学地评价道路承载能力。

落锤式弯沉仪分为拖挂式和内置式，本次试验选取北京今谷神剑落锤式弯沉设备，采用内置式，主要构成包括荷载发生装置、弯沉检测装置、运算控制系统与车辆牵引系统等，操作主要依靠计算机自动记录和控制，数据依据高精度的传感器完成。选取设备参数如下。

①冲击荷载：50kN；荷载测量精度：≤1%。

②位移测量范围：±3.5mm；弯沉分辨率：0.1μm。

③位移传感器个数：7 只；每点测试速度：＜20s/点（测量三次）。.

④提锤方式：液压；行走速度：0～120km/h（视路面状况而定）。

⑤动态力测量范围：0～250kN；荷载脉冲形状：半正弦波。

设备功能满足目前现行规范要求，具体如下：

①测量数据与标准轴荷的归一化处理；

②可与贝克曼梁进行比对转换；

③自动获取与贝克曼梁转换的最佳转换系数；

④可根据交通部的有关规定自动计算均值、方差、弯沉代表值及生成相关表格；

⑤可进行数据格式转换，把各测点的公里数据转换为桩号数据；

⑥可进行温度修正。

3 现场试验检测

3.1 试验段选取

本次试验选取中新苏滁高新区现代产业园2020 年度第二批市政工程项目友谊路工程（主干道），该项目位于滁州市东部，设计范围为徽州路-滁州大道，道路西起徽州路交叉口东，东至滁州大道交叉口西，路线全长2.5km，标准路幅宽37.4m，设计时速60km/h。

由于检测数据受路面状况、路基状况、温度、路面材料等因素影响，为了更好地分析弯沉检测数据，提高数据的准确性、合理性，本次试验选取桩号K0+150-K0+500 左幅双车道，长度350m，分别对路基6%灰土、水泥稳定碎石基层（5%）、AC-13C 沥青面层三种不同类型的结构层进行试验。

3.2 试验过程及要求

①本次试验每20m 为一个测点，测点均匀布置在行车道。

②先进行贝克曼梁弯沉检测，将测试车放置在试验段，后轮一般置于道路行车轨迹带上，将贝克曼梁放置于轮隙中心前方约30mm～50mm 处，检测过程中避免弯沉设备接触轮胎，以免影响检测结果；测试车缓慢移动后，测读百分表前后的数值，同时标记出测点，画出一个半径150mm 的圆，确保位置偏差不超过30mm。

③采用贝克曼梁检测完成后，立即进行落锤式弯沉仪进行检测，尽量不超过10min，以免外界环境对测点造成影响。每一测点重复测定不少于3 次，舍弃第1个测定值，取后2次测定值的平均值作为测定值。

④测点完成测试，车辆系统自动提起承载板和落锤，车辆进行下一个测点的检测，以此类推，完成剩余点数的检测。

⑤全部试验结束，关闭测试软件，保存测试数据，将保险装置安装到位。

⑥检测时尽量选取天气较稳定的时间，路面保持清洁，避免在大风等不利因素下进行检测。

3.3 试验结果分析

经较长时间跟踪检测，对路基6%灰土、水泥稳定碎石基层（5%）、AC-13C沥青面层3 种不同结构层进行两种方法弯沉检测，确保检测车辆及设备、检测环境、操作人员尽可能一致，采集相关数据。具体数据回归分析如表1所示。

落锤式弯沉（FWD）与贝克曼梁（BB）回归分析一览表 表1

将2 种方法采集的弯沉数据进行拟合，各结构层拟合曲线（含线性关系、二次多项式）见图1、图2、图3所示。

图1 路基6%灰土弯沉相关性分析

图2 水泥稳定碎石基层（5%）弯沉相关性分析

图3 AC-13C沥青面层弯沉相关性分析

4 合理性分析

由上述数据比对及回归分析，各结构层相关性较好，采用线性拟合及二次多项式拟合，相关系数均大于0.95，满足国家现行规范要求，具体情况分析如下：

①路面弯沉检测结果直接反映道路承载能力，对承载能力较低的结构层，检测影响因素较多，采用落锤式弯沉仪与贝克曼梁检测，数据波动性较大，但不影响数据相关性分析；

②经数据拟合后，AC-13C 沥青面层相关性优于水泥稳定碎石基层（5%），水泥稳定碎石基层（5%）相关性优于6%灰土，说明针对相同路段进行检测，相关性受道路密实程度、强度、材料状况以及承载能力影响，承载能力越好，相关性也越来越好；

③各结构层分别进行线性、二次多项式拟合，二次多项式拟合后相关系数略优于线性拟合，二者均满足拟合精度要求，在实际工作中，由于二次多项式拟合方程较为复杂，多采用线形拟合方程进行分析；

④对施工状况良好的城市主干道，通过对柔性结构层及半刚性结构层进行分析后，均适用落锤式弯沉（FWD）检测仪；

⑤各结构层落锤式弯沉数据不一定较贝克曼梁弯沉数据大，但是各结构层变异系数较贝克曼梁小，数据稳定性较好。

5 结语

近年来，省内市区市政道路维修次数不断增多，无论是建设单位还是管养单位都已充分认识到道路承载能力的重要性。部分地区建设单位在招标的过程中，对道路承载能力检测做了特殊要求，即必须采用落锤式弯沉仪进行检测。由此可见，建设单位对市政道路的要求也在逐渐提高。尤其在滁州地区、六安地区等采用落锤式弯沉仪检测市政道路日益增多，检测效果较好，得到建设单位、质监站等的一致认可。

落锤式弯沉仪作为国内目前最为普遍的、有效的检测方式，检测速度快，稳定性及准确性较高。为了更好地保证检测数据有效性、持续性，落锤式弯沉检测设备必须经专业机构进行校准，一般建议一年一次，确保各项性能符合现行规范要求。

经大量数据分析，针对高速公路、市政快速路及主干道等承载能力要求较高的路段，相关性较好，均可以适用。但是对乡镇等道路，由于承载能力较低，影响因素较多，对其等级较低的路段的研究也很有必要。