浅谈贝克曼梁弯沉仪与落锤式弯沉仪检测弯沉的相关性

浅谈贝克曼梁弯沉仪与落锤式弯沉仪检测弯沉的相关性【摘要】在JTGE60-2008公路路基路面现场测试规程中落锤式弯沉仪（FWD）检测弯沉时需要与贝克曼梁法进行比对，通过比对试验得出相关回归方程，而新的测试规程JTG3450-2019公路路基路面现场测试规程中明确不再对落锤式弯沉仪与贝克曼梁弯沉仪相关性试验做强制要求，对此笔者通过对一些规范的学习，认为本身两种方法所检测的原理不同贝克曼梁弯沉（回弹弯沉）落锤式弯沉（动态瞬时峰值弯沉），无需硬拉在一起做相关性研究，而应积累在相同检测方法下不同验收弯沉值对路用性能的影响的经验，从而得出某种检测方法下的设计合格值，建立设计与检测验收评价方法相适应的指标要求。【关键词】回弹弯沉动态瞬时峰值弯沉相关性1概述

贝克曼梁弯沉仪采用杠杆原理用来测定汽车后轴双轮之间的回弹弯沉，具有设备结构简单使用方便等优点，因此是目前我国现行的路基路面承载力检测评价中最常规的检测方法，但是其检测过程中检测人员，检测加载车，以及贝克曼梁刚度等都对检测结果有很大的影响，其不确定性非常大，在检测过程中往往很难做到标准，例如加载车，规范要求中要求后轴重100+1KN，轮胎气压0.7+0.05Mpa,单轮传压面当量圆面积（3.56+0.2）×104mm2,对双轮轮隙的要求仅是满足插入贝克曼梁测头，并没有具体要求间隙多宽，这样虽能满足能插入测头，但所形成的单位面积上的压力可能因为车型的不同而不同，而且每个检测人员对百分表的读数的人为误差较大。2工作原理2.1贝克曼梁是常规检测方法我国现行的路面弯沉常规检测手段采用的是贝克曼梁法，基本原理是杠杆原理。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垂直变形值（回弹弯沉），利用黄河载重汽车加载，人工读取百分表的读数，以此来测量路基或路面表面的回弹弯沉值。存在主要问题有：（1）以人工操作为主，工作强度大，效率低，可靠性差；（2）支点变形，影响检测结果，对支点变形的修正很难测准；（3）仅测得静态汽车荷载作用下路基路面单点（最大）回弹弯沉值；（4）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形状；（5）不适用于对路网进行大范围长期跟踪观测。2.2落锤式弯沉仪是最近新兴的一种路面承载力的检测方法，他在系统控制下用液压系统启动落锤装置，使一定质量的落锤（200±10kg）从某一高度自由落下，在地面产生（50±2.5KN）冲击荷载，承载板直径约为300mm,这样使冲击荷载作用在承载板上并传递到路面，从而对路面施加脉冲荷载，导致路面表面产生瞬时变形，分布于距测点不同距离的传感器检测结构层表面的变形，系统将测量并记录冲击荷载及各个位移传感器所在位置的动态变形及弯沉盆。根据传感器测得的瞬时变形（位移µm）用来反算计算路面结构层的动态弯沉及回弹模量，从而比较科学地评价路面的承载能力；落锤式弯沉仪全过程采用力传感器及位移传感器来测定数据其有以下优点在各种传感器及系统检定状态下其检测精度高，瞬时动态弯沉（位移分辨力可达µm）；计算机系统高精确自动调整荷载力，以保证荷载（50±2.5KN）范围内，稳定可靠；不会存在支点变形对检测结果的影响，更加准确；落锤式弯沉仪自动化程度高，检测工作效率更快。2两种检测方法的相关设计理论贝克曼梁弯沉仪法和落锤式弯沉仪都是模拟相同轮压作用（单位受力面积上的压强约为0.7mpa），其计算如下:贝克曼梁弯沉仪规定的后轴重100KN，单侧轴重为100KN的一半50KN，单轮传压面当量圆面积（3.56+0.2）×104mm2，单侧轮轴为双轮，其面积为7.12×104mm2，单侧轴压为50×1000÷（7.12×104）≈0.7MPa落锤式弯沉仪规定的荷载重仍为50KN，荷载板直径300mm，荷载板面积为3.14×150×150=7.09×104mm2，单位受力面积上的压力为：50×1000÷（7.09×104）≈0.7MPa虽然两种方法模拟的作用是一样的（实际汽车荷载相似），但是两种方法的根本理论却不一样，贝克曼梁弯沉仪法检测的是静荷载作用下的回弹弯沉，落锤式弯沉仪却是检测的冲击荷载作用下的瞬时最大弯沉，两种分析方法也不一样，在大量的试验检测相关性分析中发现，两种检测方法并不能用一定的线性回归方程式把两种方法的结果关联起来，也没有经验公式把两者进行拟合，在最新的JTGD50-2017公路沥青路面设计规范中附录B.7.1条规定中路基顶面验收弯沉值lg，按下式计算：在JTGD50-2006公路沥青路面设计规范设计弯沉值按5.1.8式计算两个公式若采用相同的回弹模量，E0=50Mpa,P=0.7MPa,r=150mm按照第一个公式计算得路基设计弯沉值为369.6（0.01mm），按照JTGD50-2006公路沥青路面设计规范按5.1.8计算，E0=50Mpa，K取1.0，P=0.7MPa，=0.35，δ=150mm，得路基设计弯沉值为262.4（0.01mm），两者计算所得的合格值偏差非常大，其原因是两个公式中所使用的方法是不一样的，其中第一个适用于落锤式弯沉仪，第二个适用于贝克曼梁弯沉仪，这两种方法的原理不同，因此在验收的合格标准值的规定也就不同。两种检测方法的相关性选取某一级公路新建工程路床顶面作为试验段进行克曼梁弯沉仪与落锤式弯沉仪相关性试验，该工程试验段采用褐红色页岩土作为填筑，路基顶面以下填筑材料相同，填筑粒径小于150mm，设计压实度不小于96%，在其上选取两路段各500米进行贝克曼梁弯沉仪与落锤式弯沉仪进行比对试验，两路段施工过程中采用相同的施工工艺，相同的路基填筑材料，施工季节相同。用石灰在比对路段标记出起点及终点，并在路段内每隔20米标记出桩号位置，按贝克曼梁法测定回弹弯沉后，车开走，在测点处画一个15CM的圆，将落锤式弯沉仪的承载板对准圆圈，逐点对应计算两点的相关性，计算得出两种检测方法的回归方程：Y=1.876X-105.46R=0.958X-贝克曼梁弯沉测定值Y-落锤式弯沉测定值R-回归方程的相关系数用同样的方法进行第二个路段的检测，得出第二个路段的回归方程为：Y=1.576X-48.745R=0.967X-贝克曼梁弯沉测定值Y-落锤式弯沉测定值R-回归方程的相关系数这样大致相同的路段经过试验段对比，两个线性回归方程式相差较大，因此笔者认为本身贝克曼梁弯沉及落锤式弯沉的检测结果并没有很好的相关性，而以前的试验检测规范可能为了让两种方法具有可比性，因此才让试验过程中进行两种方法的比对试验，但是本身两种方法的检测原理不同，设计理念就不同，我们在分析的时候不必让强制性的将其联系在一起进行的分析，而建立不同的验收方法对应不同的验收合格指标更具有现实意义。3结语

现在的公路试验规程中这两种检测方法均为现行有效的常用的检测方法，但是在现在的设计图纸中我们只能看到设计弯沉值，而并没有说明这个要求值对应与什么方法，但是根据上面的推理本身两种方法所检测的原理不同贝克曼梁（回弹弯沉）落锤式弯沉（动态瞬时峰值弯沉），两种方法对应的计算合格值也相差很大，所以图纸应注明验收合格弯沉值对应的检测方法。并应积累在相同检测方法下不同验收弯沉值对路用性能的影响的经验，从而得出某种检测方