应用PFWD测试路基回弹模量技术探讨

应用PFWD测试路基回弹模量技术探讨

马见仁

广东省地质局第九地质大队523000

摘要：路基是路面结构的支撑体，而路基回弹模量是其主要的控制参数，因此对回弹模量的检测极其重要。目前主要的检测方法有现场承载板法、贝克曼梁法、现场CBR法、FWD法等4种方法。本文在综述国内外路基回弹模量检测技术研究的基础上，阐述了各种检测方法特点、各种检测方法的优缺点、相应的改进方法。

关键词：路基回弹模量；现场检测；PFWD

1引言

在我国沥青路面和水泥混凝土路面的设计施工质量以及使用性能的评价中，路基回弹模量是反映路基抗变形能力的主要力学参数，它的取值直接影响到路面结构的设计厚度。我国现有规范已经给出不同的自然区划和土质的回弹模量推荐值，具体参见《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）中附录F“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值”表。但由于路基回弹模量的改变将会影响路面设计的厚度，所以建议有条件时最好直接测定，而且随着施工质量的提高，回弹模量值的检验将作为控制施工质量的一个重要指标。

2主要检测方法综述

目前测定路基回弹模量的方法主要有现场承载板法、贝克曼梁弯沉法、现场CBR试验、FWD法（包括PFWD法）及瑞丽波法。一般认为承载板法、贝克曼梁弯沉法及现场CBR试验为静态试验，而认为FWD法、和瑞丽波法为动态试验。它们虽然试验性质不同，但是模量值之间还是存在一定的内在联系。下面将就四个主要检测方法进行介绍。

2.1现场承载板

现场承载板法[2~5，9，10]是路基回弹模量测试的标准方法，《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）和《公路路基路面现场测试规程》（JTGE60-2008）中规定现场承载板试验测得的路基回弹模量值可作为路面设计参数使用。

现场承载板法是在现场路基表面用承载板逐级加载、卸载的方法，测定出每级荷载相应的回弹变形值，通过计算求得路基的回弹模量值。试验过程中汽车后轴对回弹变形有影响，因此，需要计算各级荷载下的影响量。各级荷载下的回弹变形加上相应的影响量，就是该级荷载下的实际回弹变形。在现行规范中对具体车型已给出了不同荷载下的影响量修正系数。但实际试验时，试验条件与规范并不能完全一致，需根据实际加载环境进行修正系数计算。

承载板是最常用的模量检测手段，适用范围广。它不需要太复杂的设备，操作也比较简便，这在对于工地现场较为方便。但是它比较费时，一般做一个测点需要30分钟左右，且需要较多的工作人员（6~7个），并且对操作人员有一定的安全隐患。在数据分析上还存在不合理的地方。另外人为因素、测点整平程度及仪表对试验精度都有较大影响。

2.2贝克曼梁弯沉法（BB法）

贝克曼梁弯沉法[2~5，9，10]是通过对路面结构分层测定所得的回弹弯沉值，根据弹性体系垂直位移理论解，由相应公式反算得到回弹模量值。

贝克曼梁是较早应用的弯沉测定设备，利用标准载重（10t）加载，用百分表观测弯沉。其优点在于价格低廉，加载方式直观，测点位置可方便改变。缺点是轮胎压力和接地面积较难控制，标准黄河车较难寻找，这样就要进行不通测试车型之间的结果转换，若弯沉点太少将给反算带来困难。另外人为因素影响也较大，如贝克曼梁测头放置对于轮隙中心位置的误差，以及测试人员读取百分表的误差均会影响测试结果。

另外需指出的是，目前我国部分地区也采用自动弯沉车测试路基路面的表面弯沉，由于自动弯沉车测试的弯沉是总弯沉值，因此，若采用自动弯沉车的总弯沉来分析路基回弹模量，需要建立总弯沉与贝克曼梁弯沉的对比关系，或建立总弯沉与现场承载板等方法测定的路基回弹模量值之间的经验关系。

2.3CBR经验公式法

我国现行路基路面设计参数均采用回弹模量指标，而在境外修建的公路工程多采用CBR指标。因为野外CBR更能正确反映路基的实际情况，尤其是旧路加固，并可解决未扰动原状土样难以切取的困难，其应用范围日益扩大。CBR法是采用加州承载比法测定CBR值，通过大量的实测数据建立CBR与承载板测得的路基回弹模量值的经验回归公式，根据经验公式由CBR值计算路基回弹模量这种方法比较简单，但存在不同的土质条件经验公式不相同的缺点。

现场CBR试验是在现场路基顶面进行测定的，与室内CBR试验的有所不同。室内CBR试验一般以饱水状态检测，而现场CBR试验则是以土基实际含水量来检测，因此二者在检测条件上有较大差异，所测得的结果也有较大差异。CBR法路基承载力以路基土抵抗局部荷载压入变形能力来表征。一般路面厚度在50cm以上，当荷载传到路基上时，由于应力扩散作用达到相当大的范围，而不是很小面积上的应力分布，因此，用很小面积压入路基土中的承载力来表征实际的路基受力状态是不尽合理的。

2.4FWD法与PFWD法

FWD（FallingWeightDeflectometer）即是落锤弯沉仪[2~10]。用它进行动态弯沉量测，对测得的弯沉盆数据进行反算得出回弹模量。FWD是国外公路领域检验评定路基路面模量和刚度的主要试验设备，在LTPP数据库中积累了大量的FWD弯沉检测资料。由于FWD在模拟行车荷载、测速和精度方面的优越性，不少国家己经制定了相应的FWD规范，我国的《公路路基路面现场测试规程》（JTGE60-2008）中也将FWD列为弯沉检测设备。

FWD与传统的贝克曼梁测量弯沉相比，具有使用方便、快速、安全、节省人力、模拟实际情况施加动态荷载，适于长距离、连续测定的特点。但是其造价昂贵，测试荷载偏大、塑性变形对测试结果有影响，另外它的反算是个非常复杂且困难的问题。针对FWD的这些问题，便衍生出了PFWD即便携式落锤弯沉仪，它是在FWD的基础上发展而来的的，它的原理同FWD基本相似，由加载系统、数据采集系统与数据传输系统组成。传统的承载板法、BB法、FWD法，在现场检测时需要较大的荷载且需要较多的人力物力，虽然检测过程简单，但是在异地检测时运输过程是很不方便的。PFWD则解决了上述的问题，且具有操作安全可靠、数据精确，客观、操作简单不需专门培训等优势。因此PFWD是个值得推广的检测方法。

3项目背景

该高速公路位检测分别针对柔性基层以及半刚性基层进行。柔性路面结构采用柔性沥青路面设计方案即：4cm沥青砼上面层（AC－16C）+6cm沥青砼下面层（AC－20）+10cm沥青砼上基层（沥青稳定碎石ATB）+16cm级配碎石下基层+20cm水泥稳定碎石底基层，如图1所示。依据相应规范规定，在级配碎石施工后采用PFWD进行结构回弹模量检测。

4回弹模量测试分析

回弹模量是表征级配碎石刚度的重要指标及设计参数，级配碎石层的结构回弹模量的变化反应的是结构强度的不均匀，而除了级配碎石本身原材料性质和级配的原因外，由于级配碎石混合料配合比设计不合理、机械设备和施工工艺上引起的混合料离析也是导致其回弹模量差异的原因，因此我们可利用现场对级配碎石基层有针对性的位置布控点的模量来分析其离析情况。为对比柔性基层与半刚性基层间模量差异，同时对半刚性基层路段基层强度进行检测。本文主要对级配碎石过渡层的现场模量、弯沉的分析，探讨其施工效果及影响因素，并对级配碎石结构层进行基于回弹模量的离析分析。

从图2和图3对AK0+060～CK0+160前后两路段作为不同结构层的级配碎石模量与回弹弯沉的直观描述中，可很清晰地发现在AK0+060～AK0+440段级配碎石作为底基层，其模量和弯沉值差异性较大，在所观测的断面中每断面两个观测点（离路缘石4、6m）的数据中，均匀性较差，在某种程序上应该可以反应出其由各种原因造成的离析情况比较严重，另外就是土基由于多次的换填和翻晒，土基的结构强度差异性较大，从而导致其上的级配碎石结构层的变异性。级配碎石产生不同程度的离析，将会导致不同的混合料力学性能和路用性能。而AK0+460～CK0+160段图示表明级配碎石层的模量和弯沉值都差异不大，均匀性较好，因其下卧层有20cm的水泥稳定碎石，为其提供了一个比较平整和强度均匀的结构层。

通过对试验段回弹模量和弯沉结果的数据分析整理，可以得到以下结论：（1）级配碎石垫层的弯沉值检测，其值的大小与天气、垫层结构层的湿度有关。湿度较高的垫层，其弯沉值较高。当含水量降低时，其弯沉值会有显著的降低。（2）级配碎石垫层的结构强度不仅与该层的施工质量有关，而且与其下承层的结构强度、承载能力有关。因此，从路基层就应控制施工质量，才能保证级配碎石结构层的强度和整体稳定性。

5级配碎石离析分析

级配碎石混合料在施工过程中容易发生集料离析现象，可能导致集料分布不匀、离析部位密实度不足等缺陷。如果级配碎石混合料在施工过程中的离析问题不能得到有效控制，极易给路面工程留下质量隐患。一般认为，导致级配碎石混合料发生离析的因素主要有以下几个方面：铺筑层厚度、混合料特征、机械设备、施工组织等。由于级配碎石结构层厚度已设定，因此对级配碎石强度离析情况进行分析以及改进。在项目施工中要从混合料特征、机械设备、施工组织等方面着手进行优化和改进，以减少和控制级配碎石垫层在施工过程中的离析。

对离析的评价分析的一个关键点就是确定级配碎石回弹模量目标值，基于对级配碎石层的现场观测选取设计回弹模量值400MPa为目标值。综合考虑压实度允许波动范围和室内确定的离析判别标准，确定级配碎石层基于模量差值的离析程度判别标准，如表1所示，由于工程上细离析混合料的差值完全被包含在实施允许密度变化范围内，因此在这里需将细离析改称为表面致密。

图5中数字为应用PFWD现场检测的级配碎石层弹性模量，结合表1确定的离析差值判定方法和图4所示的不同离析程度对应的灰度，可得出AK0+440～CK0+160柔性基层段离校评价结果，分析结果采用灰度图的形式表示。

从图5可以直观地看出AK0+440～CK0+160

段级配碎石用作水泥稳定碎石和沥青稳定碎石过渡层其施工均匀性较好，有比较稳定的强度，离析情况不明显，具有较好的力学性能和路用性能。AK0+060～AK0+420段碎石底基层均匀性较差，存在一定程度的离析情况，而AK0+440～CK0+160段级配碎石用作水泥稳定碎石和沥青稳定碎石过渡层其施工均匀性较好，有比较稳定的强度，离析情况不明显示，比前段具有更好的力学性能和路用性能。

由于级配碎石混合料中不含有任何其它粘结材料，集料之间的相互粘结作用完全由集料表面水膜的表面张力来提供。当混合料含水量较低时，集料表面水膜较薄或不足以形成水膜，粗集料上表面水膜的表面张力不足以使细集料附着在其上；当混合料含水量较高时，集料表面水呈流动状态，使集料之间产生润滑作用，粗、细集料更易分离。因此，对混合料含水量的控制是保证级配碎石施工质量的关键。

6结论

本文基于PFWD对级配碎石柔性基层进行检测，通过对检测结果的分析得出以下主要结论：

（1）便携式弯沉仪（PFWD）除具有携带方便、测试速度快、操作简单等优点，能够为路基检测、评估、补强、罩面设计及养护管理提供科学、客观与准确的数据和方案。

（2）因有20cm水泥稳定碎石下卧层提供了一个比较平整和强度均匀的结构层，该组合结构下级配碎石层的模量和弯沉值都差异不大，均匀性较好。

（3）级配碎石垫层的弯沉值检测，其值的大小与天气、垫层结构层的湿度有关。湿度较高的垫层，其弯沉值较高。当含水量降低时，其弯沉值会有显著的降低。级配碎石混合料中不含有任何其它粘结材料，集料之间的相互粘结作用完全由集料表面水膜的表面张力来提供，对混合料含水量的控制是保证级配碎石施工质量的关键。

（4）级配碎石垫层的结构强度不仅与该层的施工质量有关，而且与其下承层的结构强度、承载能力有关。

参考文献：

[1]JTGD50-2006.公路沥青路面设计规范[S].

[2]JTGE40-2008.公路路基路面现场测试规程[S].

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