刚果（布）国家 1 号公路落锤式弯沉仪与贝克曼梁弯沉仪的对比试验研究

郭君梅，宋明洋，杨晓波，邹光灿

（中国建筑国际工程公司，北京 100015）

0 引言

中建海外刚果（布）有限责任公司（CSCO CONGO）是刚果（布）国家 1 号及 2 号公路特许经营公司 LA GONGOLAIS DES ROUTES（LCR）的养护及大修分包商，负责在 30 年特许经营期内实施国家 1 号及 2 号公路的养护及大修作业。目前实质进入运营养护的为国家 1 号公路（517 km）、1 号公路乙（52 km）及部分国家 2 号公路（35 km），国家 2 号公路剩余 780 km公路将在完成建设后进入运营养护阶段。为了准确把握养护公路的弯沉变化情况，中建海外刚果（布）有限责任公司（CSCO CONGO）引进了落锤式弯沉仪。

世界范围内弯沉检测技术经历了从静态弯沉到模拟行车荷载下的动态弯沉的发展。静态弯沉使用的主要弯沉仪器就是贝克曼梁弯沉仪（简称“BB”），动态弯沉使用的典型代表就是落锤式弯沉仪（简称“FWD”）。刚果（布）位于非洲西部，该地区长久以来都使用静态弯沉作为路面结构状况评价指标之一。

BB 弯沉仪主要的缺点就是整个检测过程全由人工完成，速度慢、作业强度大、对交通干扰大。为了提高弯沉检测的效率同时引进先进的弯沉检测技术，刚果（布）国家 1 号公路养护项目部引进了落锤式弯沉仪（FWD）。FWD 的工作原理：重锤提升至设定高度后自由下落至橡胶缓冲器上，再通过承载板把力转至路面，被测路面产生形变，与路面紧密接触的弯沉采集该荷载下冲击力数据。FWD 相较于 BB 的优点是：①落锤系统更好地模拟了行车荷载对路面的作用；②弯沉检测速度快、精度高、检测的弯沉信息量大。

为了更好地将 FWD 检测数据用到 1 号路养护当中去，刚果（布）国家 1 号公路养护项目部开展了 FWD 与 BB 的对比试验，对二者作出全面评价，并分析比较二者实测弯沉的相关关系，以便加速该地区 FWD 的开发利用，更好地指导该地区公路设计、施工和养护工作［1-5］。

1 对比试验介绍

1.1 落锤弯沉仪主要参数

试验采用 FWD-150 型车载全自动落锤弯沉仪，采用进口液压锁来控制重锤，通过软件与硬件的相互配合，极大地缩短了检测过程中的“不必要”重复反弹时间，加快了弯沉仪的检测速度，设备单点检测时间控制在 15 s 之内。

荷载脉冲持续时间 25μs 左右。圆形加载板直径30 cm。

荷载传感器测量精度≤1 %，分辨率 0.05 kN；弯沉传感器测量精度≤2 %，分辨率≤0.2 μm。

1.2 法标下弯沉相关知识

刚果（布）属于法语国家，实行的是法国标准。法国是世界上最早进行弯沉研究的国家。为了更快更多地检测弯沉，1956 年法国 Dordogne 省路桥工程师 MJ.Lacroix 在卡车上安装了弯沉仪，这也是世界上第一台公路弯沉检测车。但是由于技术所限，其检测效率不是很高。1961 年在法国道路总署和桥梁实验室的帮助下，第一台真正意义上的公路弯沉检测车诞生，每天可以检测上千测点，这给世界公路网和测试方法研究带来了一次革命。

法国标准中，弯沉相关标准主要有：法国标准化协会 NF P98 200：1-7 系列；法国路桥试验中心 LCPC：Méthode D’essai N°39。法国标准对弯沉相关规定如下。

法标中，根据交通量的不同，将弯沉分成了 9 个等级。每个等级对应相应的交通量从而可以用来评价路面技术状况。如图 1 所示。

图1 交通量-弯沉评价路况表

法国弯沉测试采用的标准荷载为 130 kN±2%（即 130 kN 的后轴重，后轴为单轴四轮），采用两个半径为 0.125 m 的圆盘来表示该荷载，两个圆盘中心间隔 0.375 m，在路面表面施加大小为 0.662 MPa 的均匀压力。计算点位图如图 2 所示。

图2 计算点位

用于 BB 测试的荷载为后轴重 130 kN±2 % 的标准加载车（单后轴四轮）。标准轴载如图 3 所示。

图3 标准轴载

弯沉代表值计算公式见式（1）。

式中：dc为弯沉代表值；dm为各测点弯沉平均值；σ为各测点弯沉标准差。

1.3 路段选择

选择 1 号路 7 段代表性路面结构作为试验路段，开展两种方法的对比试验。选择的各段路段长度为 500 m，以保证弯沉值有一定的变化幅度。7 段路面结构如表 1 所示。

表1 试验路段路面结构表

1.4 试验步骤

①先由 BB 检测位于车行道轮迹带处的测点回弹弯沉。试验车开走后，以测点为圆心画一个半径为150 mm 的圆，标记出测点位置。

②将落锤式弯沉仪的承载板对准圆圈，位置偏差±30 mm 以内，对测点开展动态弯沉检测。

③对各段逐点计算二者相关性，得出各段回归方程式见式（2）。

式中：LFWD、LBB分别为落锤式弯沉仪、贝克曼梁测试的实测弯沉值。相关系数R应≥0.95。

2 动静弯沉对比分析

标准荷载下，FWD 锤击次数设定为 1 次预击、3 次锤击，以评定 FWD 数据的稳定性。

结果表明，FWD 实测弯沉值的变化与路面结构状况存在某种关系。

①路面结构状况较好时，标准荷载 65 kN±1 % 下实测弯沉值在 0.10～0.3x10-3m之间时，3 次重复检测的弯沉值波动很小，基本一致，说明此时 FWD的数据稳定。

②路面结构状况较差时，3 次重复检测的弯沉值中，第一次侧值较大，后两次测值基本一致。

究其原因，是由于路面结构状况较差时，路面局部松动，第一锤作用下弯沉值较大。鉴于此，今后运用 FWD 进行检测时，在路面结构状况较好时，可设置重复检测 2 次，以提高检测效率，而对于路面结构状况较差时，可设置重复检测 3 次，取后两次检测的平均值作为测点弯沉值。

图 4～图 10 是各段在标准荷载 65 kN±1 % 下实测弯沉沿线的变化情况。

图4 段 1 实测弯沉沿线的变化情况

图5 段 2 实测弯沉沿线的变化情况

图6 段 3 实测弯沉沿线的变化情况

图7 段 4 实测弯沉沿线的变化情况

图8 段 5 实测弯沉沿线的变化情况

图9 段 6 实测弯沉沿线的变化情况

图10 段 7 实测弯沉沿线的变化情况

由图可见：

①段 1、2、3 大部分测点在 20 mm 左右波动，段 4、5、7 大部分测点弯沉在 30 mm 左右波动，段 6 测点在 40 mm 左右波动。从弯沉值的分部情况看，此次对比试验的路段具备一定的代表性。

②总体上，BB＞FWD，且随着弯沉值的增大二者的偏差也在加大。段 6 实测弯沉比其他段落大，但BB 和 FWD 的差异却不大，说明路面结构状况越差，荷载时效性对实测弯沉的影响越大。

3 动静弯沉相关分析

根据实测的弯沉值，结合路面结构，将段 1～段 4 数据合并，段 5～段 7 数据合并，得出两组数据分别绘制 FWD～BB 关系，如图 11、图 12 所示。

图11 段 1～段 4 实测弯沉 FWD 和 BB 关系曲线

图12 段 5 ～段 7 实测弯沉 FWD 和 BB 关系曲线

对实测的 FWD 与对应点的 BB 进行相关性分析，结果表明。

1）两组 FWD 与 BB 的相关性较好，线性相关系数均＞95 %。

2）第一组 FWD 与 BB 回归方程为：LBB=3.95+1.22LFWD，平均误差为 13 %。

第二组 FWD 与 BB 回归方程为：LBB=1.97+1.28LFWD，平均误差为 11 %。

4 结论

1）不同于贝克曼弯沉仪，FWD 能够实现快速、高精度、多级加载检测。

2）当路面结构状况较好时，FWD 与 BB 比较接近。当路面结构状况较差时，FWD 与 BB 偏差较大。总体来说，FWD 与 BB 之间存在良好的线性关系。

3）刚果（布）弯沉检测还是以贝克曼梁为主。作为刚果（布）首次 FWD 与 BB 对比试验，此次试验建立的特定路面结构 FWD 与 BB 的回归方程，不但填补了刚果（布）在此方面的空白，而且将为本地区同类工程的设计和施工提供参考，同时也将促进 FWD 在刚果（布）的推广使用。Q