落锤式弯沉仪工作原理及检测应用

收稿日期 2005 06 13 落锤式弯沉仪工作原理及检测应用 易文成 1 徐继欣2 1 安徽省公路管理局 合肥 230022 2 安徽省公路工程检测中心 合肥 230022 摘 要 落锤式弯沉仪是目前国际上最先进的路面强度无破损检测设备之一 通过与传统检测设备的对比 系统全 面地介绍了该设备的工作原理及其在公路路基路面检测中的实际应用 关键词 落锤式弯沉仪 工作原理 无损检测 应用 文章编号 1009 6477 2006 01 0049 04 中图分类号 U416 文献标识码 B Drop Hammer Type Deflectometer Operation Principle and Detection Application Yi Wencheng 1 Xu Jixin2 随着我国高速公路里程数的逐年增长 对高速 公路实现科学的管理 已越来越受到人们的重视 目前我国路面检测技术总体上比较落后 各级公路 管理部门主要根据对现有状况的直观或定性了解 采用经验方法制定路网养护对策 难免受主观因素 的影响 另一方面 我国沥青路面技术设计的重要指 标是容许弯沉值 用贝克曼梁测量其现有弯沉值 计算参数受主观因素影响和室内实验条件的限制比 较大 因此 研究和开发新型的检测工具和评价方 法受到日益广泛的重视 新一代路面无损检测设备 及其相应的检测技术也得到了迅速的发展 落锤式弯沉仪 FWD 这种动态检测设备代替传 统的贝克曼梁 BB 来实现对弯沉的无损检测已越 来越得到人们的认可 对 FWD的开发和应用也取得 了大量的成果 FWD 测定路面的动态弯沉 并可以 反算路面的回弹模量 我国 公路路基路面现场测 试规程 JTJ 059 95 也已将 FWD 列为弯沉检测设 备 对更深一步的开发使用 FWD 充分发挥 FWD 的 优点 准确的评价路面的结构状况具有重要的现实 意义 1 弯沉检测技术的发展现状及应用前景 弯沉即指在规定的汽车标准轴载作用下 路基 或路面表面汽车轮隙位置产生的垂直变形 根据对 路面加载方式的不同 路面弯沉检测技术的发展大 致经过了 3 个阶段 静力弯沉检测 稳态动力弯沉检 测和脉冲动力弯沉检则 静力弯沉检测的主要代表 产品有传统的贝克曼梁式弯沉仪 自动弯沉检测仪 稳态动力弯沉检测阶段的产品多产于美国 常用的 有德州 HPIDG 公司制造的振动弯沉仪 Dynaflect 其测试原理为利用动荷发生器对路面施加周期性荷 载 然后由分布于路面的一组传感器采集弯沉盆信 息 脉冲动力弯沉检测阶段的主要产品为落锤式弯 沉仪 2 FWD 总体评价 美国是各类弯沉检测设备拥有数量较多 型号 较为齐全的国家 下面是美国公路合作研究计划 NCHPR 项目对几种路面弯沉检测设备的造价 使 用特点 数据质量 适用性及可靠性等指标进行的综 合评价 综合评价结果见表 1 表 1 弯沉检测设备总评结果 设 备 设备 类型 用于项目观 测的评价 排名 总评结果 用于路网观 测的评价 排名 总评结果 Dynatest 8000FWD脉冲10 74810 713 Pave Tech KUAB FWD 脉冲20 69330 658 Road Rater 400B稳态30 67020 664 Dynaflect稳态40 65950 649 Road Rater 2000稳态50 65240 652 Phonix FWD脉冲60 65170 628 Road Rater 2008稳态70 65060 648 Benkelman Beam静力80 55080 554 从表 1可以看出动力弯沉检测设备明显优于静 力弯沉检测设备 公路交通技术 2006 年 2月 第 1 期 Technology of Highway and Transport Feb 2006 No 1 3 FWD测试原理 3 1 FWD 的组成 1 FWD 拖车 包括加载系统和位移传感器 2 微机控制系统 包括控制及数据采集处理 部分 3 2 FWD 的工作原理 FWD的工作原理是通过计算机控制下把一定 质量的重锤由液压传动装置提升至一定高度 然后 释放 使其自由下落 落在一刚性圆盘上 荷载盘 对路面产生一个脉冲荷载 其作用时间和振幅值非 常接近于运动着的汽车轮载 在该荷载作用下 路 面产生变形 形成弯沉盆 弯沉盆各处的变形或者 最大位移值 由分布在弯沉盆不同位置上的数个位 移传感器测定 荷载的大小通过改变锤重的提升高 度可在相当大的范围内调整 并通过刚性圆盘作用 到路面上 路面的变形由 5 9 个位移传感器测出 3 3 测试系统及测试要求 根据需求 对测试系统确定了如下技术指标 1 荷载范围 3 7 10 4N 2 位移传感器分辨力 1 m 3 位移传感器系统扩展不确定度 5 4 系统测速 每点3 次 共约 1 min 5 位移传感器数量9 个 弯沉盆半径 1 829 m 6 脉冲荷载形态 近似半正弦波 脉宽 50 ms 4 相比于传统检测方法的优点 我国检测路面弯沉传统的方法是采用贝克曼梁 法 与之相比 FWD 具有以下优点 1 FWD模拟快速运动着的汽车轮载进行路面 弯沉测试 改变了传统静态弯沉测试系统的缺陷 能 够反映出路面在动载作用下的实际变形情况 2 FWD 测速快 每测点约 40 s 精度高 分辨 率为 1 m 并较好地模拟了行车荷载的动力作用 目前被认为是较为理想的路面无损检测设备 特别 是FWD 能够准确测定多点弯沉 可以量测到各级荷 载作用下的路表面动弯沉曲线 能够准确地反映弯 沉盆的形状 3 FWD 不仅克服了梁式弯沉仪法的支点变 形 人为因素大 无法模拟动态荷载 无法测出弯沉 盆等固有缺陷 而且仪器本身重量轻 解决了稳态动 力弯沉仪的静力预载问题 4 FWD 根据弯沉盆反算路面结构各层的模 量 研究路面材料在使用过程中的性能变化 提供技 术参数 5 应用广 FWD可以测定沥青路面和水泥混 凝土路面弯沉 通过对回弹模量的反算 能定性评价 路面各结构层强度 还可识别水泥路面混凝土板脱 空情况并分析混凝土板之间的接缝传荷效率 另外 通过对弹性模量的检测还可以进一步进行路面寿命 的评定和罩面设计 5 与贝克曼梁的相关性对比 因为我国路面设计和检测均以贝克曼梁回弹弯 沉值为准 所以 公路路基路面现场测试规程 JTJ 059 95 要求 FWD 测试值必须根据对比试验换算 成贝克曼梁测试值 而且相关系数不得小于 0 9 5 1 数据采集及处理 为了探索研究Dynatest8000 FWD 与贝克曼梁之 间的相关关系 我们对某国道某段路面进行了 FWD 和贝克曼梁 2 种不同方法的弯沉测试 FWD 测试间距取 20 m 荷载为 700 KPa 在同一 测点锤击 3次 取后 2 点测定结果的平均值作为该 测点的实际测定弯沉值 与贝克曼梁在标准轴载下 轮隙中心位置的测定值作对应分析 根据对比试验结果 以 35 个实测点进行回归分 析 见图1 图 2 求出回归参数 R 2 0 982 后 得出 相关性方程为 LB 1 111 6 LFWD 28 375 式中 LB LFW D分别为贝克曼梁和 FWD测定的弯沉值 5 2 复现性试验 为了检验FWD 测试数据的复现性 对某高速公 路进行了落锤式弯沉仪重复性试验 同时又做了贝 克曼梁的重复性试验 以进行对比 试验数据统计 见表 2 从表 2 中的标准偏差和变异系数可以看出 落 锤式弯沉仪的复现性远远优于贝克曼梁 6 在工程检测中的实际应用 利用FWD 能够快速 准确地检测和评价路面各 结构层或路基的强度 在施工过程中通过逐层检测 和结构层的模量反算可及时发现质量隐患 并迅速 采取处理措施 从而在根本上控制了工程质量 6 1 施工过程控制实例 某段公路路基工程施工结束并经检测交工后 转入路面底基层施工 该段路面结构底基层为厚度 15 cm 8 的石灰土 在底基层施工结束后 利用 Dynatest8000 FWD 进行弯沉检测 发现其中 400 m 路 50 公 路 交 通 技 术 2006 年 图 1 FWD BB弯沉对比示意 图 2 FWD BB梁相关性分析 段底基层顶面弯沉值较大 见图 3 通过采集的弯 沉盆资料进行路面结构层模量反算 反算结果 见图 4 显示 底基层的模量值极不均匀 而且数值大部分 比土基模量小 根据路面结构层设计模量自上而下 递减的规律 判定该层施工质量存在问题 建设单 位据此检测结果及时责令施工单位进行返工 杜绝 了质量隐患 避免了不良的社会影响和更大的经济 损失 6 2 交 竣 工验收检测 利用 FWD可以对新 改 建公路的路基 路面综 合承载能力进行检测和评定 为工程的交 竣 工验 收提供数据资料和评定质量等级的依据 根据 公 路工程质量检验评定标准 对已竣工的路面进行弯 沉检测 采集全线弯沉盆资料分标段对路基路面的 综合承载能力 施工质量进行评价 7 结语 1 Dynatest FWD 作为先进的路面无损检测设 备 在评价道路结构承载力时 其性能明显优于贝克 曼梁和其它现有的静态检测设备 2 FWD 与贝克曼梁在相同的测试状况下 弯 沉测定值之间具有良好的相关关系 为取代贝克曼 梁对结构承载能力进行快速 准确的定量评价提供 了依据 3 FWD模拟快速运动着的汽车轮载进行路面 弯沉测试 改变了传统静态弯沉测试系统的缺陷 能 够反映出路面在动载作用下的实际变形情况 而且 FWD 应用更广 精度更高 测试速度更快 4 FWD 测得的弯沉盆数据具有较高的精度 其数据可以用作模量反算 以此用于对路面各结构 层质量进行分析 从 FWD 与贝克曼梁的对比 可以看出 对于不 同结构层 相关关系存在差异 因此 针对各种不同 结构层可分别统计分析各自的相关关系 然后再将 所有结构层的弯沉转换公式汇总分析 通过设定一 结构层影响系数 进一步研究得出统一的相关关系 式 为今后 FWD全面代替贝克曼梁提供依据 512006年 第 1 期 易文成 徐继欣 落锤式弯沉仪工作原理及检测应用 表 2 对比统计结果 比较 项目 弯沉平均值 0 001mm 最大值 0 001 mm 最小值 0 001 mm 标准偏差 0 001 mm 变异系数 落锤式弯