论文部分内容阅读
摘 要：对比国内外路基路面承载能力测试方法，分析各测试方法工作原理、测试要点、数据处理方法及适用范围，为路基路面工程在结构设计、施工验收、维修养护时进行承载能力确定提供借鉴。
关键词：路面工程；回弹弯沉；承载能力；测试方法
Abstract： were compared. Work principal, key points, data processing methods and application scope of various test methods were analyzed. It provides a reference for subgrade and pavement engineering bearing capacity determination in structural design, construction and inspection, repair and maintenance.
Keywords: pavement engineering; rebound deflection; bearing capacity; test methods
中图分类号： F540.3 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
0 引言
回弹弯沉指在规定的标准轴载作用下，路基、路面表面轮隙位置产生的垂直回弹变形值。实践表明，回弹弯沉大的路面，在经受了轴载不太多次数的重复作用之后，将呈现出某种形态的破坏；而回弹弯沉小的路面，能经受轴载较多次重复作用后，才能达到这种形态的破坏。也就是说，在达到相同程度的破坏时，回弹弯沉的大小同该路面的设计使用寿命，即轮载累计重复作用次数呈反比关系，因此可以建立路面承载能力与回弹弯沉之间的关系，现有的测试手段通常都以路面回弹弯沉作为路基路面承载能力的表征。
1 贝克曼梁测定路基路面回弹弯沉试验方法
贝克曼梁由美国A.C.Benkinum于1953年发明，并用于AASHTO试验路，后作为补强设计及施工时弯沉检验的手段，在全世界得到了广泛的应用。其主要目的为测定各类路基路面的回弹弯沉以评定其整体承载能力，可供路面结构设计使用。
1.1 贝克曼梁法测定路基路面承载能力的原理及测试方法
当路基路面在标准轴载作用下，其汽车轮胎与地面接触处必然产生回弹变形，该变形通过弯沉仪上百分表读数变化值来推求。在现场测试时，每一测点应选在路面行车车道的轨迹带上，并划上标记。为保证测试结果的可靠性，应将试验车的后轮隙对准测点后约3-5cm处位置，而弯沉仪的测点置于测点上(轮隙中心前方3-5cm处)，安装百分表并调零，弯沉仪可以是单侧测定，也可以是双侧同时测定。采用贝克曼梁进行回弹弯沉检测如图1所示。
图1采用贝克曼梁进行回弹弯沉测定
轮载，轮压和加载时间(行驶速度)是影响测定结果的三个条件，在测量前和测试过程中，必须认真检查是否符合要求，“贝克曼梁法”弯沉仪测到的仅仅是单点的回弹弯沉值，由于影响承载能力的变量众多测定路段中各测点的弯沉值具有较大的变异性，因此应对每一路段的弯沉值进行统计处理，并以路段的代表弯沉值表征该路段的承载能力。
1.2 弯沉值的修正
(1)当采用长度为3.6m的贝克曼梁对半刚性基层沥青混凝土路面在进行检测时，应检测支座处的变形。即用一台检测用的弯沉仪安装在测定用的弯沉仪的后方，其测点架于测定用的弯沉仪的支点旁，当汽车开出时，同时测定两台弯沉仪的弯沉读数，在不同的位置测定五次，求平均值，该值为每次测定的修正值，支点变形修正的原理如图2所示。
弯沉仪支点变形的修正按下式计算路面回弹弯沉值：
图2贝克曼梁支点变形修正原理
(2)当采用长5.4 m的弯沉仪测定时，可不进行支点变形的修正。
计算平均值和标准差时，可将超出[Lr±(2-3)S]的弯沉特异值舍弃，对舍弃的弯沉值过大的点，应找出周边的界限，进行局部处理。
2FWD落锤式弯沉仪测定弯沉试验方法
采用落锤式弯沉仪（FWD）测定路面的动态弯沉并反算路基路面各层材料的动态弹性模量，作为实际参数使用。所测结果经转换至回弹弯沉值后可用于评定道路的承载能力。美国战略公路研究计划（SHRP）把FWD作为2000条试验路的强度评定手段，并以FWD测定反算的回弹模量作为基准，研究开发材料回弹模量的室内试验方法。落锤式弯沉仪如下图3所示。
图3落锤式弯沉仪
2.1 FWD落锤式弯沉仪工作原理
FWD主要由荷载发生装置、弯沉等参数检测装置、运算控制系统与车辆牵引系统组成。它将承载板置于路面或路基顶面，对承载板施加标准质量的脉冲荷载，测定路面或路基顶面在冲击荷载的作用下所产生的瞬间变形，通过计算可以得出材料的回弹模量，进而计算出回弹弯沉得出路面承载能力。FWD传感器布置及应力状态如图4所示。
图4FWD落锤式弯沉仪传感器布置图
2.2FWD落锤式弯沉仪试验方法
FWD的荷载发生装置内部的落锤重量及落高应根据使用目的与道路等级选择，荷载由传感器测定。如无特殊需要，重锤的质量为200kg±10kg，承载板的直径一般为300mm，测点的布置应自承载板中心开始，沿道路纵向隔开一定距离布设一组传感器，传感器总数不少于7个，建议布设在0-250cm范围以内，必须包括0、30、60、90四点，其他根据需要及设备性能决定。
3 Lacroix自动弯沉仪测定路面回弹弯沉试验方法
由于贝克曼梁测值属于静态弯沉，该方法存在工作效率低，测试精度不易保证的缺点。英、法、日本、丹麦等国生产的Lacroix型自动弯沉仪利用了贝克曼梁的测试原理，可以连续测定，工作效率得到很大提高，在高速公路验收、养护检测中发挥了很大作用，因此在美国ASTM标准和英国有关资料中制定了该自动弯沉测定方法的规范条文。
Lacriox型自动弯沉仪由承载车、测量机架及控制系统、位移、温度和距离传感器，数据采集与处理系统等基本部分组成。拖车式Lacriox自动弯沉仪如下图5所示。
图5拖车式Lacriox自动弯沉仪
4 滚轮式弯沉仪RWD
滚轮式弯沉仪始于丹麦、美国、瑞典。其適用于道路普查，其真实模拟了道路的实际受荷状态，并且采用高频激光进行弯沉测定，测定精度高，测速可达到55km/h，对交通影响小。
5 滚动动力弯沉仪RDD
滚动式弯沉仪由美国德克萨斯大学研制，其距离测定由滚动式弯沉传感器完成，平均测速可达到25km/h，同时能够提供路表被损摄像，能够实现连续测量，对路面信息采集量大、但测速较慢，适用于路面普查。
6 PFWD便携式落锤弯沉仪
便携式落锤弯沉仪（PFWD）是一种动力试验检测设备，它是继落锤弯沉仪（FWD）后的一种新的用于确定路基和地基承载能力的检测设备，始于德国、芬兰，通过测定可获得路基的弯沉值。
6.1PFWD测定弯沉工作原理
PFWD由加载系统、数据采集系统和数据传输系统组成。其基本原理为：将一10kg/的落锤提升至一固定高度，然后释放自由下落，落锤冲击承载板产生冲击荷载，在冲击荷载作用下，承载板产生竖向位移。由此，压力传感器和位移传感器将荷载和位移记录下来，从而根据压力和位移的峰值确定路基承载力。PFWD检测单点所用时间为1-3min，检测时只需一个人员，如果进行长时间检测时需两个检测员即可满足检测需要。利用PFWD进行路基路面弯沉测定见图6所示。
图6PFWD进行弯沉检测图
6.2PFWD测定弯沉要点
1、对于挖方和半填半挖路基应选用合适直径的承载板。细粒土、粗粒土、填石（级配良好）、填石（级配不好）分别对应的承载板直径分别为：30、25、20、15、10cm。对于填方路基，可在这个基础上将PFWD承载板的直径减少一个等级，或增加落锤重量，由10kg增加到15kg，对于含粗颗粒较多的土质路基或粒料路基，选用PFWD直径宜大于5倍最大粒径，最小不得小于3倍最大粒径。
2、每个测点每级荷载锤击次数不得少于4次，其中第1锤由于测试设备调整及提高承载板与路基表面的接触条件，其测试数据不可靠应舍弃，所以要求有效锤数不得少于3次，为加快测试速度，宜控制在3-5锤。
3、关于PFWD数据处理。PFWD测试路基承载力时，可以直接取位移传感器得到的值作为承载力评价指标，同时也可以同时采集压力传感器值与位移传感器值按圆形垂直均匀分布荷载作用下的弹性半空间理论进行分析计算，得到动态回弹模量值。
7 结语
路基承载能力是路面结构设计、交竣工验收以及施工养护的一项重要指标，目前国外进行路基路面承载能力的测定主要以回弹弯沉为标准进行评定，本文由贝克曼梁法静态弯沉测定方法着手进行分析，进而进行FWD落锤式弯沉仪动态弯沉测定，为了更加真实的模拟道路在实际受力状态下的弯沉情况进行了Lariox自动弯沉仪、RDD滚轮式自动弯沉仪的工作原理简介,分析显示，针对不同的弯沉测定目的以及测定精度需要采用不同的弯沉测定方法。
参考文献：
[1] 中华人民共和国行业标准.公路路基路面现场测试规程（JTG+E60-2008）[S]北京:人民交通出版社,2008.
[2]Ksaibati K， Staigle R， Adkins T M . Evaluating the Effectiveness of Pavement Smoothness Specifications [Z].North Dakota University, U.S.A.1995 .
[3]邓学钧.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社, 2000.
[4]赵汉涛.路面结构检验与测试报告[M].北京:人民交通出版社, 1987.
[5]盛安连.路基路面检测技术[M].北京:人民交通出版社,1996.
关键词：路面工程；回弹弯沉；承载能力；测试方法
Abstract： were compared. Work principal, key points, data processing methods and application scope of various test methods were analyzed. It provides a reference for subgrade and pavement engineering bearing capacity determination in structural design, construction and inspection, repair and maintenance.
Keywords: pavement engineering; rebound deflection; bearing capacity; test methods
中图分类号： F540.3 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
0 引言
回弹弯沉指在规定的标准轴载作用下，路基、路面表面轮隙位置产生的垂直回弹变形值。实践表明，回弹弯沉大的路面，在经受了轴载不太多次数的重复作用之后，将呈现出某种形态的破坏；而回弹弯沉小的路面，能经受轴载较多次重复作用后，才能达到这种形态的破坏。也就是说，在达到相同程度的破坏时，回弹弯沉的大小同该路面的设计使用寿命，即轮载累计重复作用次数呈反比关系，因此可以建立路面承载能力与回弹弯沉之间的关系，现有的测试手段通常都以路面回弹弯沉作为路基路面承载能力的表征。
1 贝克曼梁测定路基路面回弹弯沉试验方法
贝克曼梁由美国A.C.Benkinum于1953年发明，并用于AASHTO试验路，后作为补强设计及施工时弯沉检验的手段，在全世界得到了广泛的应用。其主要目的为测定各类路基路面的回弹弯沉以评定其整体承载能力，可供路面结构设计使用。
1.1 贝克曼梁法测定路基路面承载能力的原理及测试方法
当路基路面在标准轴载作用下，其汽车轮胎与地面接触处必然产生回弹变形，该变形通过弯沉仪上百分表读数变化值来推求。在现场测试时，每一测点应选在路面行车车道的轨迹带上，并划上标记。为保证测试结果的可靠性，应将试验车的后轮隙对准测点后约3-5cm处位置，而弯沉仪的测点置于测点上(轮隙中心前方3-5cm处)，安装百分表并调零，弯沉仪可以是单侧测定，也可以是双侧同时测定。采用贝克曼梁进行回弹弯沉检测如图1所示。
图1采用贝克曼梁进行回弹弯沉测定
轮载，轮压和加载时间(行驶速度)是影响测定结果的三个条件，在测量前和测试过程中，必须认真检查是否符合要求，“贝克曼梁法”弯沉仪测到的仅仅是单点的回弹弯沉值，由于影响承载能力的变量众多测定路段中各测点的弯沉值具有较大的变异性，因此应对每一路段的弯沉值进行统计处理，并以路段的代表弯沉值表征该路段的承载能力。
1.2 弯沉值的修正
(1)当采用长度为3.6m的贝克曼梁对半刚性基层沥青混凝土路面在进行检测时，应检测支座处的变形。即用一台检测用的弯沉仪安装在测定用的弯沉仪的后方，其测点架于测定用的弯沉仪的支点旁，当汽车开出时，同时测定两台弯沉仪的弯沉读数，在不同的位置测定五次，求平均值，该值为每次测定的修正值，支点变形修正的原理如图2所示。
弯沉仪支点变形的修正按下式计算路面回弹弯沉值：
图2贝克曼梁支点变形修正原理
(2)当采用长5.4 m的弯沉仪测定时，可不进行支点变形的修正。
计算平均值和标准差时，可将超出[Lr±(2-3)S]的弯沉特异值舍弃，对舍弃的弯沉值过大的点，应找出周边的界限，进行局部处理。
2FWD落锤式弯沉仪测定弯沉试验方法
采用落锤式弯沉仪（FWD）测定路面的动态弯沉并反算路基路面各层材料的动态弹性模量，作为实际参数使用。所测结果经转换至回弹弯沉值后可用于评定道路的承载能力。美国战略公路研究计划（SHRP）把FWD作为2000条试验路的强度评定手段，并以FWD测定反算的回弹模量作为基准，研究开发材料回弹模量的室内试验方法。落锤式弯沉仪如下图3所示。
图3落锤式弯沉仪
2.1 FWD落锤式弯沉仪工作原理
FWD主要由荷载发生装置、弯沉等参数检测装置、运算控制系统与车辆牵引系统组成。它将承载板置于路面或路基顶面，对承载板施加标准质量的脉冲荷载，测定路面或路基顶面在冲击荷载的作用下所产生的瞬间变形，通过计算可以得出材料的回弹模量，进而计算出回弹弯沉得出路面承载能力。FWD传感器布置及应力状态如图4所示。
图4FWD落锤式弯沉仪传感器布置图
2.2FWD落锤式弯沉仪试验方法
FWD的荷载发生装置内部的落锤重量及落高应根据使用目的与道路等级选择，荷载由传感器测定。如无特殊需要，重锤的质量为200kg±10kg，承载板的直径一般为300mm，测点的布置应自承载板中心开始，沿道路纵向隔开一定距离布设一组传感器，传感器总数不少于7个，建议布设在0-250cm范围以内，必须包括0、30、60、90四点，其他根据需要及设备性能决定。
3 Lacroix自动弯沉仪测定路面回弹弯沉试验方法
由于贝克曼梁测值属于静态弯沉，该方法存在工作效率低，测试精度不易保证的缺点。英、法、日本、丹麦等国生产的Lacroix型自动弯沉仪利用了贝克曼梁的测试原理，可以连续测定，工作效率得到很大提高，在高速公路验收、养护检测中发挥了很大作用，因此在美国ASTM标准和英国有关资料中制定了该自动弯沉测定方法的规范条文。
Lacriox型自动弯沉仪由承载车、测量机架及控制系统、位移、温度和距离传感器，数据采集与处理系统等基本部分组成。拖车式Lacriox自动弯沉仪如下图5所示。
图5拖车式Lacriox自动弯沉仪
4 滚轮式弯沉仪RWD
滚轮式弯沉仪始于丹麦、美国、瑞典。其適用于道路普查，其真实模拟了道路的实际受荷状态，并且采用高频激光进行弯沉测定，测定精度高，测速可达到55km/h，对交通影响小。
5 滚动动力弯沉仪RDD
滚动式弯沉仪由美国德克萨斯大学研制，其距离测定由滚动式弯沉传感器完成，平均测速可达到25km/h，同时能够提供路表被损摄像，能够实现连续测量，对路面信息采集量大、但测速较慢，适用于路面普查。
6 PFWD便携式落锤弯沉仪
便携式落锤弯沉仪（PFWD）是一种动力试验检测设备，它是继落锤弯沉仪（FWD）后的一种新的用于确定路基和地基承载能力的检测设备，始于德国、芬兰，通过测定可获得路基的弯沉值。
6.1PFWD测定弯沉工作原理
PFWD由加载系统、数据采集系统和数据传输系统组成。其基本原理为：将一10kg/的落锤提升至一固定高度，然后释放自由下落，落锤冲击承载板产生冲击荷载，在冲击荷载作用下，承载板产生竖向位移。由此，压力传感器和位移传感器将荷载和位移记录下来，从而根据压力和位移的峰值确定路基承载力。PFWD检测单点所用时间为1-3min，检测时只需一个人员，如果进行长时间检测时需两个检测员即可满足检测需要。利用PFWD进行路基路面弯沉测定见图6所示。
图6PFWD进行弯沉检测图
6.2PFWD测定弯沉要点
1、对于挖方和半填半挖路基应选用合适直径的承载板。细粒土、粗粒土、填石（级配良好）、填石（级配不好）分别对应的承载板直径分别为：30、25、20、15、10cm。对于填方路基，可在这个基础上将PFWD承载板的直径减少一个等级，或增加落锤重量，由10kg增加到15kg，对于含粗颗粒较多的土质路基或粒料路基，选用PFWD直径宜大于5倍最大粒径，最小不得小于3倍最大粒径。
2、每个测点每级荷载锤击次数不得少于4次，其中第1锤由于测试设备调整及提高承载板与路基表面的接触条件，其测试数据不可靠应舍弃，所以要求有效锤数不得少于3次，为加快测试速度，宜控制在3-5锤。
3、关于PFWD数据处理。PFWD测试路基承载力时，可以直接取位移传感器得到的值作为承载力评价指标，同时也可以同时采集压力传感器值与位移传感器值按圆形垂直均匀分布荷载作用下的弹性半空间理论进行分析计算，得到动态回弹模量值。
7 结语
路基承载能力是路面结构设计、交竣工验收以及施工养护的一项重要指标，目前国外进行路基路面承载能力的测定主要以回弹弯沉为标准进行评定，本文由贝克曼梁法静态弯沉测定方法着手进行分析，进而进行FWD落锤式弯沉仪动态弯沉测定，为了更加真实的模拟道路在实际受力状态下的弯沉情况进行了Lariox自动弯沉仪、RDD滚轮式自动弯沉仪的工作原理简介,分析显示，针对不同的弯沉测定目的以及测定精度需要采用不同的弯沉测定方法。
参考文献：
[1] 中华人民共和国行业标准.公路路基路面现场测试规程（JTG+E60-2008）[S]北京:人民交通出版社,2008.
[2]Ksaibati K， Staigle R， Adkins T M . Evaluating the Effectiveness of Pavement Smoothness Specifications [Z].North Dakota University, U.S.A.1995 .
[3]邓学钧.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社, 2000.
[4]赵汉涛.路面结构检验与测试报告[M].北京:人民交通出版社, 1987.
[5]盛安连.路基路面检测技术[M].北京:人民交通出版社,1996.