动力无损检测技术及应用

动力无损检测技术及应用钟燕辉郑州大学重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室地下基础设施非开挖技术国际联合研究中心水利与交通基础设施安全防护河南省协同创新中心一、弯沉的概念及弯沉测试的工程意义二、路基路面弯沉检测技术的发展三、FWD在国际上的应用现状四、FWD与贝克曼梁对比试验五、FWD数据分析（模量反算）六、FWD工程应用一、弯沉的概念及弯沉测试的工程意义弯沉在规定的标准轴载作用下，路基或路面表面轮隙位置产生的总垂直变形（总弯沉）或垂直回弹变形值（回弹弯沉），以0.01mm为单位。弯沉值反映了路基、路面的承载能力弯沉值越大，承载能力越小，反之则越大。弯沉值是公路工程的一个基本参数用于路面结构的设计、施工控制及施工验收、以及旧路补强设计中。理想的弯沉测试应包含最大弯沉值和弯沉盆两方面路面结构的破坏可以是由过量的竖向变形所造成，也可能是由于某一结构层的断裂破坏所造成。对于前者，采用最大弯沉值表征其承载能力较合适；对于后者，则采用路表弯沉盆的曲率半径表征其承载能力更为合适。一、弯沉的概念及弯沉测试的工程意义我国现行规范要求弯沉值用贝克曼梁或自动弯沉仪测试。每一双车道评定路段（不超过1km）检查80－100个点，多车道公路必须按车道数与双车道之比，相应增加测点。弯沉代表值不大于设计要求的弯沉值时得满分；大于时得零分。弯沉代表值为弯沉测量值的上波动界限，用下式计算：l

l

Z

Sal为弯沉代表值；l为测量弯沉的平均值；S为标准差；Za为与要求保证率有关的系数沥青面层的弯沉值，测定时的路表温度有明显影响，应进行温度修正。当沥青层厚度小于或等于5cm时，或路表温度在20OC±2OC范围内，可不进行温度修正。二、路基路面弯沉检测技术的发展l

静力弯沉仪l

振动式弯沉仪l

落锤式弯沉仪（FWD）l

滚动式弯沉仪（RWD）静力弯沉仪l

承载板l

贝克曼梁（1953年贝克曼（Benkelman）发明）l

自动弯沉仪静力弯沉仪l

静力荷载l

杠杆原理l

单点弯沉静力弯沉仪（贝克曼梁）贝克曼梁工作原理自动弯沉仪贝克曼梁及自动弯沉仪检测的最大弯沉不反映弯沉盆的形状贝克曼梁与自动弯沉仪弯沉测试方法比较方

法特

点测试结果传统方法，速度慢，静态测试，比较成熟，目前属于标准方法。最大回弹弯沉值贝克曼梁利用贝克曼梁原理快速连续，静自动弯沉仪

态测试，使用时应用贝克曼梁进行标定换算最大总弯沉值贝克曼梁、自动弯沉仪弯沉测试存在的主要问题l

由于采用的是杠杆原理，测得的弯沉值是相对于梁的支点的变形。对于刚性路面，或半刚性基层高等级路面，弯沉盆范围较大，支点变形对测试结果有一定的影响；l

测试过程依赖人工操作，测试结果受诸多因素的影响，精度不高，可重复性较差；l

通常仅测得静态汽车荷载作用下路面的单点（最大）弯沉，没有反映路面结构在行车荷载作用下的动力特性和整个弯沉盆的形状。振动式弯沉仪l

动荷发生器（周期荷载）l

传感器（精度高、重复性好）l

多点弯沉l

动荷较小振动式弯沉仪l

美国（德州）

Dynaflectl

美国（加州）

RoadRaterl

美国（WES）

VibratorDynaflectRoadRater落锤式弯沉仪（FWD）(FallingWeightDeflectometer，简称FWD)l

瞬态脉冲荷载l

传感器（精度高、重复性好）l

多点弯沉l

较好地模拟了实际行车荷载落锤式弯沉仪（FWD）FWD系统构成落锤式弯沉仪（FWD）Dynatest8000型

FWD落锤式弯沉仪（FWD）l70年代末期第一台FWD问世l

1997年全世界共有FWD/HWD约340台（COST

统计：324台）l

2001年全世界共有FWD/HWD约450台（COST统计：428台）落锤式弯沉仪（FWD）美国FWD发展状况l

1985年，3个州应用FWDl

1990年，30个州应用FWDl

2002年，拥有FWD/HWD

140余台l

已实现标准化、规范化美国德克萨斯州拥有16台FWD落锤式弯沉仪（FWD）中国FWD发展状况l

80年代，3台l

1992年，5台l

1997年，10台l

2002年，40台l

2004年，60余台l

2016年，130余台（Dynatest）弯沉检测技术发展方向l

由静力检测向动力检测发展l

由人工检测向自动化检测发展l

FWD在国内外得到日益广泛的应用三、FWD在国际上的应用现状l

美国：

FWD技术标准

(ASTM)SHRP-LTPP

项目l

欧洲：COST

336项目FWD现场对比试验FWD技术标准（ASTM

D4694-96）l落锤荷载l峰值

≥50KNl半正弦波l脉冲宽度

20~60msl

荷载板l直径

300mm和

450mmFWD主要技术标准（ASTM

D4694-96）l

传感器精度l弯沉传感器：

分辨率

：1m精度：±2%l荷载传感器：

分辨率

：200N精度：±2%l

FWD标定lSHRP标定方法SHRP-LTPPl

SHRP四项研究内容之一l

持续20年l

长期观测路段约1140个l

弯沉检测设备：8台FWD20多个国家和地区参加了SHRP-LTPP国际合作SHRP-LTPP:

FWD试验指南lFWD现场试验lFWD数据分析与管理lFWD精度标定lFWD保养与维修SHRP-LTPP：FWD现场试验路面类型普通路段：8种结构形式FWD试验计划l

柔性路面l

刚性路面（分缝）l

连续钢筋混凝土路面SHRP-LTPP：FWD现场试验弯沉检测类型l

弯沉盆检测l

接缝传荷能力检测SHRP-LTPP：FWD现场试验l弯沉传感器布置l荷载设置l测点选择l温度测试SHRP-LTPP：FWD数据管理l软件设置l数据采集l数据质量检查l数据回放l数据标记SHRP-LTPP：FWD精度标定lFWD精度要求：≤±2%l绝对标定l标定硬件(标定中心)l数据分析软件l相对标定l标定硬件(厂家配备)l数据分析软件SHRP-LTPP：FWD精度标定FWD标定中心投入使用时间内瓦达标定中心

（SHRP/LTPP）

1991明尼苏达标定中心

（SHRP/LTPP）

1992宾夕法尼亚标定中心（SHRP/LTPP）

1992德克萨斯标定中心

（SHRP/LTPP）

1992佛罗里达标定中心

（Dynatest）

1992FWD标定标定前绝对标定以后

相对标定以后FWD绝对标定FWD绝对标定FWD绝对标定荷载传感器标定弯沉传感器标定FWD绝对标定过程标定前的准备FWD荷载传感器标定FWD弯沉传感器标定数据分析标定后的处理欧洲：FWD应用技术研究COST—欧洲科学技术合作组织COST

336项目—

FWD在路面评价中的应用主要研究内容：lFWD数据分析lFWD应用（路网级）lFWD现场对比试验欧洲：FWD现场对比试验CROW—荷兰交通及基础设施信息与技术中心l现场对比试验（相对标定）l邀请欧洲FWD使用单位参加l两年进行一次（1988年起）欧洲：FWD现场对比试验l选择代表性路段l可重复性试验（每台设备）l可重现性试验（同型设备）l参照弯沉盆的确定l现场标定系数的确定l1995年形成FWD现场标定指南FWD相对标定FWD相对标定过程标定前的准备相对标定数据分析标定后的处理四、FWD与贝克曼梁对比试验l

FWD重复性试验l

贝克曼梁重复性试验l

FWD与贝克曼梁相关性FWD与贝克曼梁、承载板现场对比试验l

弯沉值对比分析l

弯沉检测可重复性研究l

土基模量对比分析弯沉值对比分析贝克曼梁承载板FWD3503002502001501000510测点号1520土基上三项试验弯沉值对比弯沉值对比分析贝克曼梁承载板FWD140120100806040135791113151719测点号底基层上三项试验弯沉值对比弯沉值对比分析贝克曼梁承载板FWD90705030101611测点号16基层上三项试验弯沉值对比弯沉值对比分析贝克曼梁承载板FWD60402001591317测点号面层上三项试验弯沉值对比弯沉值检测可重复性第一次第二次6050403020101

3

5

7

9

11

13

15

17

19测点号两次贝克曼梁试验所测弯沉对比（石灰土底基层相隔一天）弯沉值检测可重复性1109070503010第一次第二次1

3

5

7

9

11

13

15

17

19测点号两次FWD试验所测弯沉对比（石灰土底基层相隔一天）弯沉值检测可重复性80y

=

1.1064x-

7.33976040200R2

=

0.65632030405060第一次两次贝克曼梁试验弯沉的线性相关分析（20个点中剔去4个点)弯沉值检测可重复性100y=0.9117x+1.1638R2

=0.88590807060505060708090100110第一次两次FWD试验弯沉的线性相关分析（20个测点全部保留）土基模量对比分析贝克曼梁承载板FWD16014012010080604020026101418测点号三项试验反算土基模量对比图郑州大学、天津市政质监站FWD对比试验郑州大学、天津市政质监站FWD对比试验河南FWD

天津FWD1201008060402001313.213.413.613.81414.214.4桩号

(km)相关系数:

0.98天津

学苑路弯沉检测结果对比9008007006005004003002001000FWD贝克曼梁050

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650天津

FWD、贝克曼梁重复性试验五、FWD数据分析（模量反算）l模量反算问题的提出l模量反算基本方法及代表性软件l模量反算系统识别方法路面承载能力对沥青面层：3.290.85tac

E

N

10

6240

3000

对散粒体材料(基层及路基)：3.2

6b

E

N

10

6vu0.164

160

路面承载能力与弯沉不存在简单的关系10010承载能力(×

106)10.10.400.450.500.550.600.650.70弯沉

(mm)模量反算问题的提出路面结构层模量路面结构应力应变状态路面承载能力评价FWD检测数据（弯沉盆）为模量反算提供了可能性FWD工作原理模量反算基本方法l

国际上已开展30多年的研究l

试算法、回归法、图解法l

数据库法l

迭代法模量反算软件（COST

336）COST

336,

TG1Listofpubliclyavailablecomputer

programsforFWDanalysis#123456789ProgramNameUEC-SLAB,PAVERSContactName

CompanyKOACPavementConsultantsJoaoRochade

NewUniversityofLisbon,emailaddressMarcStetMarcStet@Compuserve.Comjr@mail.fct.unl.ptBAP

(LEAD)AlmeidaPortugalEVERCALC5.0

LindaPierceWashingtonStateDOTpiercel@ArthurvanA.E.vDommelen@DWW.RWS.MINVENW.NLCAREDommelenDWW,TheNetherlandsUniversityofZilina,SlovakJozefKomacka

RepublicCANUVkomacka@fstav.utc.skbnovotny@mbox.vol.czhzhou@Mr.BohuslavNovotnyCVUT,Prag,CzechRepublicBACKLAYBOUSDEFMODCOMP4HaipingZhouLAWPCSRenoNVProf.L.H.Irwin

CornellUniversityLHI1@UMPED,

PEDDMICHBACK,Dr.W.UddinUniversityofMississippiMichiganStateUniversitycvuddin@harichan@RonaldHarichandran10

MFPDS11

DAPSGeoffRoweBinhVuongFrankHoltAbatechComputerServices

growe@AustralianRoadResearch12

EFROMD213

ELMODBoardbinv@.auDynatestfholt@t-scullion@14

MODULUS5.1TomScullionTexasTransportInstituteHenanResearchCenterforRoadNDTTechnology(ZhengzhouUniversityofTechnology)15

SIDMODFumingWangfuming@alexand@anders.lenngren@vv.seWaterwaysExperimentalDonAlexander

Station,USA16

WESDEF17

CLEVERCALCSIDMOD软件基本原理—系统识别FWD荷载实际路面Wm实测弯沉路面结构力学模型WC计算弯沉ΔE参数调整算法系统识别原理路面结构模型l柔性路面l多层弹性体模型l刚性路面l温克勒地基板l弹性半空间地基板l多层地基板l多块板（有限元）反演方程及“病态”问题F

E

{e}l

灵敏度矩阵

W

WW

1

11E1

E2EnE1E2W2

WE1W2En2E2F

[

]

E3WWmE2W

mmE4

EE

n1l

奇异值分解SIDMOD模量反算软件l理论严谨，反算过程稳定l反演结果与初始值无关（实用意义上）l收敛快，精度高l实用性强（刚性、柔性；路基、路面）国内外代表性路面结构模量反算软件考评国内外专家名单SIDMOD软件考评（参考SHRP考评方法和数据）l

初始值敏感性l

精度l

同类软件：lMODULUSlMODCOMPlWESDEF反算软件考评结果美国战略性公路研究计划

反算误差

用户相关性采用的反算软件MODULUS（数据拟合）MODCOMP（简化公式）WESDEF（简化公式）25.3％16.6％20.3％93％77％72％具有自主知识产权的工程化软件SIDMOD（反演理论）2.8％

99.6％SIDMOD软件对初始值的敏感性分析（SHRP-LTPP模拟路面）路面编号反算初始模量

(ksi)反算模量

(ksi)序号

第一层

第二层

第三层

第四层

第一层

第二层

第三层

第四层25825825850252500.5

50.0500.5

50.0500.2

50.020.020.020.0169500000

50000

20005000004002520052004004.1

1996.7

10.04004.1

1996.7

10.0400000

200000

1000405020

1000400

1004004.1

1996.7

10.05

499.3

4027.2

993.9

15.050000

400000

100000

1500

499.3

4027.4

993.8

15.050

400000

100

1500

499.3

4027.0

993.9

15.0SIDMOD软件对初始值的敏感性分析（SHRP-LTPP实际路面）SIDMODMODULUS反算模量

(ksi)结构层厚度(inch)路

荷载

结构层段

(lbs)

材料初始模量

(ksi)

反算模量

(ksi)分析者

分析者

分析者

分析者LUKANEN

YANG866.3

866.7

883.0

1101.7ABABAC4.95500

50000100

1020

200020

200100

10000GBSB

13.40GBSB

12.00SG64.014.843.764.014.843.767.515.441.344.840.332.7A

7246AC7.92617.8

627.2382.9

377.3618.0

641.5385.0

391.4C

6616

STB8.36

50002005010SGAC37.337.337.537.17.45

30006.41

3000100864.9

883.9907.0

976.5933.0

589.9STB100

1019.1

973.8E

7608GBSB

7.00SG10050502059.059.0102.4

100.794.9SIDMOD软件精度考评结果结构层

理论厚度

模量(inch)

(ksi)反算模量(ksi)材料类型路面编号

结构层MODCOMP3

WESDEF

MODULUS

SIDMOD1ACGBSGACGB

12SGAC3650050203006010553.118

480.658481.700

498.00012323123149.52019.97360.37118.72351.10020.00048.50020.100—6288.840

254.599311.000

305.10065.2279.85475.4659.35959.10010.00057.90010.000—81000200020400060203000151100.365

960.8041610.059

2436.563969.700

1012.6002130.900

1940.3002

CTB

6SG1

PCC

93—19.82618.43320.10020.0003572.500

3645.284118.685

176.9503118.800

4021.8004523LTBSG6—237.30019.70059.00020.00019.8082622.308

3257.22715.495

13.97818.2681

PCC

622970.800

2991.50015.100

15.000SG—SIDMOD软件精度考评结果结构层

理论厚度

模量(inch)

(ksi)反算模量

(ksi)材料类型路面编号

结构层MODCOMP3

WESDEF

MODULUS

SIDMOD1PCC

12

40004000.000*

3757.1391794.517

2406.2544246.400

3957.5001829.600

2004.300672312312341234CTBSGACPCCSG6—39—2000103004000309.9078.59410.00010.000298.462

256.0233240.565

4899.980304.000

299.7003883.500

3986.80031.38126.82830.30030.000AC5600946.524

591.9492223.404

3871.242234.554

174.140649.300

587.9002764.400

4366.900PCC

10

400089LTBSGAC8—410025500254.90024.70062.80025.20024.05622.760500.000*

493.0804000.000*

3733.876940.431

1300.568447.900

492.8007096.600

4260.900367.300

950.300PCC

12

4000AT

BSG8—10001514.79612.99615.10015.000注：摘自SHRP

研究报告

SHRP-P-651（“*”表示反算时固定模量）。六、FWD工程应用l

公路l

城市交通l

机场道面l养护管理（PMS)l补强设计l施工过程中质量检测与控制l弯沉盆检测，反算结构层模量l接缝传荷能力评价l刚性路面脱空识别FWD工程应用实例l

工程验收l

路网普查l

长期跟踪观测l

路面改造l

施工过程检测l

路基冲击压实效果评价l

维修效果检测评价豫39省道濮阳段弯沉检测结果（两个标段存在明显差别）基层模量第一段平均模量第二段平均模量80007000600050004000300020001000005101520桩号(Km)基层模量分析结果土基模量第一段平均模量第二段平均模量300270240210180150120906030005101520桩号(Km)路基模量分析结果路网弯沉普查94年95年96年97年110100908070605040302010510152025303540桩号(公里)4550556065707580长期跟踪观测路面改造方案设计高速公路施工过程分层检测分析35003000250020001500100050015cm石灰土土基047.8947.8447.7947.7447.6947.6447.5947.5447.49桩号(公里)弯沉检测结果（路段A）石灰土路基15cm石灰土土基25020015010050047.8947.8447.7947.7447.6947.6447.5947.5447.49桩号(公里)模量分析结果（路段A）石灰土路基3002502001501005035cm石灰土土基047.9547.9848.0148.0448.0748.1桩号(公里)模量分析结果（路段C）底基层(15cm)底基层(20cm)土基700600500400300200100015cm石灰土20cm石灰土土基47.9547.9848.0148.0448.0748.1桩号(公里)模量分析结果（路段C）该路段通车半年多即开始大修该路段取芯不完整冲击压实效果评价第一层

(30cm)第二层

(60cm)土基第三层

(90cm)第四层

(无限深)土基分层不同冲压遍数下FWD测试弯沉均值D1D2D3D4D5D6D7D8D90

遍5

遍2406.1

1533.0

859.9

445.2

256.1

133.5

92.2

65.6

49.52144.4

1269.8

725.8

397.1

234.4

122.5

78.7

55.2

43.110

遍

2053.0

1184.0

656.8

366.4

229.7

122.9

81.0

58.6

43.415

遍

1987.4

1075.1

618.2

353.9

226.7

122.7

79.1

55.5

44.920

遍

1830.8

1034.6

595.6

352.1

228.4

121.7

78.9

59.3

43.1不同冲压遍数下土基各层模量均值0遍22.444.990.0140.

95遍37.955.294.3167.

610遍42.315遍52.720遍56.9第一层30

cm第二层60

cm第三层90

cm第四层

无限深66.069.767.685.597.595.9168.

8175.

9172.

1维修效果检测评价杭州笕桥机场停机坪维修项目l

注浆方案（三种）比较l

注浆效果检测lll弯沉（

）模量（

）脱空（

）弯沉降低百分点位置

试验区

统计值

压浆前

压浆后1231231242.3

1011.0

18.6弯沉均值弯沉均值弯沉均值弯沉均值弯沉均值弯沉均值板边板中1352.9

1226.31339.5

1221.4512.6

433.1486.9

452.0477.9

4试验区FWD弯沉检测结果（8吨荷载）基层顶面反应模量（KN/m3）板弹性模量（MPa）试验区压浆后

模量增加1天

百分点压浆前12330029.815086.215140.328681.7

32932.336786.8

40384.938390.1

40723.617.09.86.2试验区模量分析结果（8吨荷载）弯沉降低百分点位置

统计值

压浆前

压浆后板边

弯沉均值

935.4板中

弯沉均值

385.4392.7207.258.046.2施工区FWD弯沉检测结果（8吨荷载）基层顶面反应模量（KN/m3）板弹性模量（MPa）位置区模量增加百分点压浆前压浆后A1C2A3C118662.910824.012602.69608.643461.4

79147.583.684692.7

120115.9

41.751570.4

95947.2

81.393951.1

143775.9

54.3施工区模量分析结果（8吨荷载）混凝土面板脱空识别l三点回归法弯沉DD=aP

+

bb<50m?荷载P编号1234567891011b(压浆前)

124.2

-31.4

185.2

257.9

213.0

52.0

32.1

63.5

-11.9

14.0

68.3b(压浆后)

54.1

-13.7

-14.0

-10.7

15.9

3.6

25.0

18.6

-41.9

-19.2

-3.7编号1213141516171819202122b(压浆前)

146.2

189.6

29.8

212.1

214.1

264.0

176.6

241.4

166.0

82.5

-11.8b(压浆后)

20.9

11.5

-7.5

-9.7

78.6

-50.6

3.9

-8.9

-2.8

-17.2

7.2编号23b(压浆前)

36.5

29.7

98.6

189.0

230.1

-8.3

203.5

525.1

222.4

243.0

149.3b(压浆后)

-91.8

-10.8

-4.5

-110.3

3.4

3.5

-29.2

332.5

24.6

43.9

-33.134

35

36

37

38

39

40

41

42

43

4424252627282930313233编号b(压浆前)

153.8

111.3

192.0

319.1

233.6

52.4

254.6

7.0

72.2

9.2

12.9b(压浆后)

-6.6

-14.3

-23.3

-14.9

5.5

12.2

-23.1

2.5

22.0

6.5

3..6编号4546474849505152535455b(压浆前)

13.7

32.6

35.4

57.3

93.0

35.6

8.8

30.7

15.6

25.8

21.3b