张奕龙
广东华路交通科技有限公司 广东广州 510000
摘要：老路拓宽后，在新老路基交接部分对应的路面将出现纵向裂缝，这主要是由新老路基的回弹模量差异较大而引起新老路基不协调变形所致，因此，检测与评价新老路基、路面回弹模量是新老路基拓宽设计与施工的关键环节。文中结合交通部西部科技项目，通过便携式落锤弯沉仪(PFWD)对新老路基路面强度进行检测，得到了PFWD在新老路基测试中的应用效果和不同新老路基之间的回弹模量差异。
关键词：公路；路基；PFWD；回弹模量
老路基拓宽后，由于新老路基回弹模量之间的差异等原因造成新老路基顶面出现不均匀沉降，这种不均匀沉降必然导致路面出现破坏，因此测量新老路基、路面的回弹模量对于老路拓宽研究有很大的帮助。
现行的路基回弹模量现场检测方法有3种:静载贝克曼梁(简称BB)试验方法、动载落锤式弯沉仪(简称FWD)试验方法和承载板试验方法。这3种方法在现场检测过程中需要较大的荷载(如汽车荷载)和较多的设备、人员，检测过程虽然简单，但是需要动用大量的人力、物力。并且异地检测时，将检测设备从一个地方运输到另一个地方是非常费时、费力的工作。
一、PFWD介绍
1.1PFWD原理
PFWD是PortableFWD的缩写，中文名字是便携式落锤弯沉仪。我们使用的PFWD是由丹麦某公司生产的产品。PFWD的杆由两部分组成，长度分别为54cm、34cm，两根杆可以连接在一起;重锤有3个，质量分别为10kg、5kg、5kg，根据不同的路基路面情况使用不同的重锤组合。这次数据采集过程同时使了用长杆和短杆，重锤组合都是20kg。PFWD的底盘直径为30cm，与底盘接触的是传感器，在荷载作用过程中，传感器通过连线把应力和位移传输到笔记本电脑中。
1.2 PFWD基本工作原理
PFWD由加载系统、数据采集系统和数据传输系统组成。PFWD的基本原理是将一固定重的落锤提升至一固定高度，然后释放自由下落，落锤冲击置放在路基(或路面)表面的承载板及底座上产生冲击荷载，在冲击荷载作用下，承载板与路基(或路面)表面产生竖向位移。由此，压力传感器和位移传感器将荷载和位移的时程数据记录下来，并传输到计算机数据处理软件中，从而根据压力和位移的峰值确定路基动弹性模量。
PFWD荷载作用于路基表面时，由于落锤冲击作用时间很短，一般在25ms以内，虽然路基力学特性具有非线性性质，但在PFWD冲击荷载作用下，路基的塑性变形来不及产生，荷载就已卸除，所以，测得的变形以回弹变形为主。通过改变落高进行测试的结果分析表明，PFWD得到的荷载与变形曲线基本呈线性关系。因此，PFWD测试结果可以采用线弹性理论进行分析，用PFWD测定路基回弹模量时，根据PFWD测得的最大压力值p和最大弯沉值l，采用圆形垂直弹性半空间体的刚性承载板理论公式进行计算。
二、PFWD可靠性分析
2.1试验目的
PFWD仪器的测试精度和可靠性对路基测试是十分关键的，它直接影响到测试数据的准确性和可比性.仪器测试的精度和可靠性首先体现在测试的可重复性方面.所谓可重复性是指同一种仪器在相同测点上，采用相同的锤重进行不同次数的锤击，比较锤击时荷载传感器和位移传感器测量的荷载值和动态弯沉值是否一致，它反映了传感器性能的稳定性.应当指出的是，利用PFWD检测路基的回弹模量，主要是采用荷载传感器和位移传感器的荷载和弯沉值，因而可重复性显得尤为重要.为此，本试验主要研究PFWD在室外检测以及室内试验中测试结果的可重复性.
2.2方案设计
主要采用室内试验和室外检测对比分析的方法.
(1)室内试验.按一定的含水量与压实度制备相应的试件.其中试件压实度为95%，含水量分别为11%、13%、15.66%、17%、19%.承载板半径取50mm，杆高21cm，锤重10kg，以PFWD直接作用于标准击实试件顶面进行测试.检测时在相同的试件上以相同的落锤高度作用若干次(一般为5～11次)，记录荷载、位移传感器的测量值.
(2)室外检测.选取某高速公路典型路基填料(含砂高液限粘土)的检测结果，其中路基的压实度与含水量为现场实际情况.承载板半径取150mm，杆高84mm，锤重10kg，检测时PFWD直接作用于路基顶面进行检测.在每一点以相同的落锤高度作用若干次(一般为4～6次)记录荷载、位移传感器测量值.
2.3试验结果分析
三、PFWD实际操作
对某二级公路改建工程K0+l00～K0+240段挖方路基分别采用承载板、贝克曼梁及PFWD进行检测.检测方法为:首先选定代表性路段，按每10m的间隔布点，先用贝克曼梁测定路基弯沉，然后用PFWD检测各点回弹模量值，最后用承载板进行点点对应检测.使用上述方法得到的实测数据如图1所示.
图1显示，用PFWD与用野外承载板和贝克曼梁得到的对整段路基的评价结果相同.3种测试设备所得到的最大值和最小值点是相同的.在K0+200处，弯沉值最小，PFWD与承载板法测得的回弹模量值最大.在K0+160处，弯沉值最大，而PF-WD与承载板法测得的回弹模量值最小.表明用PFWD与用承载板和弯沉检测对整条路段评价的结果是相同的，且PFWD与承载板检测结果很接近，因此将PFWD用于现场评价是合理的.
4.试验对比分析
4.1 承载板模量(Eb)与PFWD模量(Ep)对比分析
Eb是静回弹模量，Ep是动回弹模量，通过动、静回弹模量回归分析表明，承载板模量(Eb)与PFWD模量(Ep)之间存在良好的双对数关系Eb=aEpb，结果见式(2)，相应的关系曲线见图1。从式(2)可以看出，显然两模量之间呈正比关系，即回归系数a和b值都为正值;Eb与Ep的相关系数r为0.9519，表明动、静回弹模量之间存在良好的双对数关系。
Eb=3.3643E0p.72 (n=14，R2=0.9062)(2)
4.2 PFWD模量(Ep)与施工指标之间的的关系
根据国内外大量参考文献和大量实测结果的统计分析表明，路基回弹模量与施工指标之间的统计回归关系一般采用双对数关系(乘幂关系)拟合，这样不仅保证经验关系具有一定的物理意义，而且使得经验关系形式简单，方便应用，较好体现反比特性。
由于压实度和含水量两个指标是相关的，施工压实时，含水量过高或过低，压实度都较难达到规定的要求，只有在最佳含水量条件下进行压实，路基才能即经济又易于控制质量地达到规定的压实度。同时，在路基运营过程中，含水量对路基的强度、刚度和稳定性起着决定性的影响作用，含水量高压实度低的路基，其使用性能必然较差，路基回弹模量必然较低;而含水量低压实度高的路基，其使用性能必然较好，路基回弹模量必然较大。因此，对于PFWD模量(Ep)及与压实度和含水量的关系，建立了以下的经验公式:
Ep=23.2018×w6.9785K-0.9754 (R2=0.7182)(3)
从上式中可以看出，PFWD模量与压实度和含水量的相关系数r为0.8475，具有较好的相关性，随着压实度的提高，路基模量值增加;而随着含水量的增加，路基模量值减小，即路基模量与压实度呈正比而与含水量呈反比。
四、结论
通过对PFWD检测路基回弹模量的可靠性及其合理性进行分析得出如下结论:
(1)无论是现场还是室内试验，PFWD测试回弹模量数据变异性很小，稳定性较高，说明用其所测试的数据具有很好的可靠性.
(2)通过使用PFWD和野外承载板、贝克曼梁分别对路基进行测试，经数据对比分析，表明三者反映的数据变化规律相同，充分说明了应用PFWD测试现场路基回弹模量所具有的合理性.
参考文献：
[1]凌建明，陈声凯，曹长伟.路基土回弹模量影响因素分析[J].建筑材料学报，2007，4(10).
[2]段丹军，查旭东，张起森.路基回弹模量的快速检测[D].长沙:长沙理工大学，2004.
论文作者:张奕龙
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/5
标签：路基论文; 荷载论文; 含水量论文; 新老论文; 压实论文; 关系论文; 路面论文; 《建筑学研究前沿》2018年第23期论文;