摘 要：PFWD是近年來(lái)新興的一種技術(shù)設(shè)備，具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，目前在公路路基檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合工程實(shí)例，在介紹PFWD設(shè)備工作原理的基礎(chǔ)上，探討了PFWD在高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用，并對(duì)不同檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析，為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了借鑒與參考。

關(guān)鍵字：PFWD；工作原理；路基檢測(cè)；回彈模量

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，國(guó)家加大了對(duì)公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度，高速公路建設(shè)正以前所未有的速度迅速發(fā)展。在高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過(guò)程中，一般會(huì)遇到大量的填土、石等填方工程，若這些填方工程中土石填料的壓實(shí)質(zhì)量不過(guò)關(guān)，很有可能影響到高速公路的整體性能和質(zhì)量安全。因此，高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量的檢測(cè)工作就顯得十分重要了。

路基壓實(shí)質(zhì)量的檢測(cè)指標(biāo)有很多，主要包括壓實(shí)度、彎沉值、承壓板試驗(yàn)等，其中回彈彎沉值是公路路基工程設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一。現(xiàn)行測(cè)量彎沉值或回彈模量的方法主要有PFWD法、貝克曼梁法和FWD法等。PFWD作為一種新興的技術(shù)設(shè)備，具有操作安全可靠，精度高，攜帶簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速檢測(cè)路基回彈彎沉值，是一種值得推廣的檢測(cè)技術(shù)。

1 PFWD簡(jiǎn)介

1.1 PFWD工作原理

PFWD是基于普通落錘式彎沉儀的改進(jìn)設(shè)備，又稱手持式落錘彎沉儀（Handhold FWD），由于體積比普通落錘式彎沉儀小很多，也被稱作微型落錘彎沉儀（Mini FWD），是當(dāng)今國(guó)際上普遍采用的路基路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無(wú)損檢測(cè)儀器，在國(guó)外運(yùn)用較廣。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，PFWD具有操作安全可靠，精度高，攜帶簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)記錄并能模擬汽車荷載作用等優(yōu)點(diǎn)，是繼常規(guī)拖車式落錘彎沉儀（FWD）后的又1種新的動(dòng)力模量快速無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，可用來(lái)快速檢測(cè)路基回彈模量值。

PFWD由加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)有獨(dú)立的裝置，每一次測(cè)試中，各系統(tǒng)協(xié)同工作，通過(guò)落錘加載，數(shù)據(jù)由壓力傳感器、位移傳感器量測(cè)并采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理軟件完成數(shù)據(jù)處理工作。PFWD的基本原理是將一固定重的落錘提升至一固定高度，然后釋放自由下落，落錘沖擊置放在路基（或路面）表面的承載板及底座上產(chǎn)生沖擊荷載，在沖擊荷載作用下，承載板與路基（或路面）表面產(chǎn)生豎向位移。由此，壓力傳感器和位移傳感器將荷載和位移的時(shí)程數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件中，從而根據(jù)壓力和位移的峰值確定路基動(dòng)彈性模量。

PFWD的荷載施加方式和FWD一致，均為動(dòng)荷載，且加載時(shí)間極短，可認(rèn)為瞬時(shí)加載，加載以后20ms內(nèi)即完成卸載，雖然路基填料屬于彈塑性材料，并非理想的線彈性材料，但荷載施加瞬間，路基變形主要為彈性變形，塑性變形可忽略不計(jì)，因此根據(jù)PFWD測(cè)得的最大壓力值p和最大彎沉值l，采用圓形垂直彈性半空間體的剛性承載板理論公式進(jìn)行計(jì)算可以得到路基模量EP為：

（1）

式中：p為實(shí)測(cè)的承載板最大單位壓力；δ為承載板半徑，現(xiàn)場(chǎng)通常采用半徑為15cm的承載板；μ為泊松系數(shù)，對(duì)于路基通常取0.35；l為實(shí)測(cè)的承載板中心彎沉；Ep為路基回彈模量。本文采用式（1）對(duì)PFWD測(cè)得的彎沉值進(jìn)行路基回彈模量反算。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

試驗(yàn)依托某高速公路東北段，路基填料為砂礫卵石土，填料屬于粗粒土，級(jí)配曲線見圖1。試樣場(chǎng)地選取現(xiàn)場(chǎng)某段路基，試驗(yàn)每隔5m選取1個(gè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，共10點(diǎn)。將貝克曼梁法、FWD法測(cè)得的彎沉值與PFWD法進(jìn)行比較，并得出相應(yīng)的回歸公式，本文將PFWD與壓實(shí)度、沉降差進(jìn)行比較。一般來(lái)說(shuō)，靜力壓實(shí)方式只能增加路基中的應(yīng)力，而無(wú)助于顆粒之間阻力的減小。振動(dòng)壓實(shí)方式則對(duì)于土石混填路基兼有增加應(yīng)力與減少阻力的雙重作用，因此，該試驗(yàn)選用三一重工生產(chǎn)的型振動(dòng)壓路機(jī)，壓路機(jī)的額定功率為128kW，工作質(zhì)量22000kg，振幅取2.1mm檔，頻率使用32Hz檔。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

填料運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，在振動(dòng)碾壓之前，需去除填料中粒徑過(guò)大的卵石，保證填料級(jí)配良好，并取試樣進(jìn)行顆粒分析、含水率試驗(yàn)，填料的級(jí)配曲線見圖1。從曲線中可以看出，填料中大于5mm顆粒均在50%以上，細(xì)粒組顆粒分布不均勻，試樣含水率為5.8%，含水率偏低。現(xiàn)場(chǎng)分別測(cè)定路基在碾壓2、3、4、5遍后的回彈模量值、壓實(shí)度、沉降差，回彈模量采用PFWD法，壓實(shí)度采用灌砂法，沉降差用水準(zhǔn)儀測(cè)量。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每碾壓1遍后首先進(jìn)行PFWD試驗(yàn)，用水準(zhǔn)儀測(cè)出路基表面高程，最后做灌砂試驗(yàn)，保證3個(gè)壓實(shí)指標(biāo)處在同一點(diǎn)。壓實(shí)度作為路基最常用的檢測(cè)指標(biāo)，將其與PFWD量測(cè)的回彈模量進(jìn)行對(duì)比，找出PFWD所測(cè)得的回彈模量與壓實(shí)度、沉降差的關(guān)系。

圖1 顆粒級(jí)配曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)得到了不同碾壓遍數(shù)下彎沉值、回彈模量、沉降差、壓實(shí)度的數(shù)值，舍去異常值后得到了各指標(biāo)的平均值，見表1。由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)碾壓遍數(shù)小于4遍時(shí)，回彈模量、壓實(shí)度隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加；彎沉值、沉降差隨著碾壓遍數(shù)的增加而減??；隨著碾壓遍數(shù)的增加，其變化幅度均逐漸變?。划?dāng)碾壓遍數(shù)繼續(xù)增加，回彈模量、壓實(shí)度反而降低，彎沉值較碾壓4遍時(shí)增加，沉降差出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明路基出現(xiàn)了回彈。以上結(jié)果表明，路基在碾壓4遍時(shí)能夠取得較好的壓實(shí)效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，碾壓5遍后填料中的粗顆粒出現(xiàn)破碎的情況，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，級(jí)配發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了更多的空隙，使得砂礫卵石土路基壓實(shí)效果變差，為能定量地描述彼此之間的關(guān)系，對(duì)碾壓遍數(shù)小于4遍時(shí)的各檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行線性擬合。

表1 不同碾壓遍數(shù)下的各指標(biāo)值

沉降差與回彈模量擬合后的方程為：

y=-0.472x+37.65 R2=0.999 （2）

壓實(shí)度與回彈模量擬合后的方程為：

y=-0.304x+73.63 R2=0.989 （3）

沉降差與彎沉值擬合后的方程為：

y=-0.020x+11.68 R2=0.976 （4）

壓實(shí)度與彎沉值擬合后的方程為：

y=-0.013x+105.1 R2=0.929 （5）

從各線性擬合方程可以看出，4個(gè)擬合方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，壓實(shí)度與回彈模量擬合方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.993，說(shuō)明PFWD得到的彎沉值、回彈模量與壓實(shí)度、沉降差有較好的線性相關(guān)性。

由于路面模型、材料的非線性、非均勻性，荷載作用形式的不同，不同方法反算結(jié)果往往差異較大，所以在反算模量時(shí)，應(yīng)該注意幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）建立起彎沉盆-各層模量-路面狀況之間的數(shù)值關(guān)系，甚至直接建立彎沉盆與路面狀況之間的關(guān)系，從而使反算方法更加簡(jiǎn)單；（2）對(duì)PFWD測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，定期標(biāo)定儀器，使檢測(cè)數(shù)據(jù)更加有效，并找到1種對(duì)現(xiàn)有各路面結(jié)構(gòu)反算方法合理的評(píng)價(jià)方法，使反算方法標(biāo)準(zhǔn)化。

2.4 不同檢測(cè)方法對(duì)比分析

由上節(jié)可知砂礫卵石土路基在碾壓4遍時(shí)可以取得較好的壓實(shí)效果，于是采用PFWD法、貝克曼梁法和FWD法對(duì)碾壓4遍的砂礫卵石土路基進(jìn)行彎沉檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果見圖2。

圖2 3種不同檢測(cè)方法的彎沉值對(duì)比

從圖2中可以看出，PFWD法測(cè)出的彎沉值是最大的，貝克曼梁法測(cè)出的彎沉值最小，從而可知，PFWD法測(cè)得的路基回彈模量最小。此外，還可以知道，3種方法測(cè)得的彎沉值變化趨勢(shì)基本一致，表明3種均可以較好地檢測(cè)路基的回彈模量。

PFWD作為路基彎沉值、回彈模量檢測(cè)設(shè)備與貝克曼梁法、FWD法相比，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，貝克曼梁法的基本原理是杠桿原理，將路基彎沉值放大，以便使用百分表量測(cè)出路基的彎沉值，但是貝克曼梁法僅測(cè)得靜態(tài)汽車荷載作用下的路基回彈彎沉值，不能反映路基在行車動(dòng)荷載下的路基變形；PFWD用落錘的自由落體模擬汽車行駛中的動(dòng)荷載，與道路使用過(guò)程中的荷載相符，能夠有效地檢測(cè)公路路基的壓實(shí)效果；貝克曼梁法使用的標(biāo)準(zhǔn)車已越來(lái)越少，且整個(gè)測(cè)試過(guò)程基本依靠人工操作，測(cè)試結(jié)果受人為因素影響較大，PFWD的數(shù)據(jù)采集采用傳感器，數(shù)據(jù)處理由計(jì)算機(jī)內(nèi)置程序完成，考慮各種因素，數(shù)據(jù)精確度達(dá)0.001mm，相對(duì)誤差較貝克曼梁法小很多。FWD是一種較為先進(jìn)的回彈模量檢測(cè)設(shè)備，各系統(tǒng)與PFWD相似，但設(shè)備體積較大，需要專用機(jī)動(dòng)車輛。PFWD與FWD相比，具有攜帶方便的特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)配置的PFWD只有17kg，有專用的包裝箱，可很自由地移動(dòng)。只要測(cè)試人員能到達(dá)的施工現(xiàn)場(chǎng)，都可以攜帶PFWD進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，所以PFWD不受測(cè)試場(chǎng)地和運(yùn)輸?shù)挠绊懀捎糜诼坊┕み^(guò)程的路基檢測(cè)，但PFWD只能測(cè)出荷載作用下的最大彎沉，并不能得到彎沉盆的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)PFWD在高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：①回彈彎沉值是路基檢測(cè)中的重要指標(biāo)，是反映路基承載能力的重要參數(shù)；②結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，得出PFWD量測(cè)的各個(gè)量與壓實(shí)度、沉降差有良好的線性相關(guān)性；③PFWD法與貝克曼梁、FWD法相比，具有攜帶方便、測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)；是一種值得大范圍推廣的路基檢測(cè)方法。

參考文獻(xiàn)

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