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弯沉仪专题
点击率:1 资料整理: 来源:公路造价网 发布人:易路教育-冯 时间:2013-07-03
一、弯沉仪的概念及用途
弯沉仪可以测定在静态或动态荷载作用下路面所产生的弯沉值,用于路面强度评价、测量。所测结果可用于评定道路承载能力,预估道路的剩余使用年限。
弯沉(Deflection)是表征路基路面整体强度的重要参数,虽然世界各国测试弯沉的设备和方法有所不同,但对弯沉基本概念的理解是相同的。弯沉一般指路基或路面表面在规定标准车的荷载作用下轮隙位置产生的总垂直变形值(总弯沉)或垂直回弹变形值(回弹弯沉),单位为0.01mm。
路面弯沉不仅反映路面结构层及土层的整体强度和刚度,而且与路面的使用状态存在一定的内在联系。它作为工程竣工后的一项重要检测指标,反映了路面的整体强度质量。因此,正确测试路面弯沉,对评价路面强度有很重要的作用。
弯沉作为路面检测的重要指标,其检测与分析技术发展十分迅速。自1953年贝克曼(BenkeIman)发明梁式弯沉仪以来,路面弯沉检测设备已从静力弯沉仪、稳态动力弯沉仪发展到脉冲式动力弯沉仪,从单点最大弯沉检测发展到对路面弯沉盆的检测,并将仅局限于柔性路面意义上的弯沉概念,发展到刚性路面的结构评价与设计分析中,路面结构性能的评价也从路面整体强度评定发展到对路面各层刚度的反分析。路面弯沉检测技术的发展经过了几个阶段:静力弯沉仪—振动式弯沉仪—落锤式弯沉仪(FWD)—滚动式弯沉仪(RWD)。弯沉检测技术将由静力检测向动力检测、人工检测向自动化检测发展。
二、弯沉仪的主要种类
弯沉测试技术是随着机械、电子、计算机和激光等高科技技术的发展而进步的,其发展阶段大致体现为3种测试方式:初级人工测试、机械自动化测试和高速激光测试。弯沉测试的目的是要测出路面在荷载作用下的垂直位移量,最初是利用横梁、百分表等简单工具,通过杠杆原理进行人工测量,这就是我们所熟知的贝克曼梁测试仪。这种仪器构造及操作简单,成本低廉,容易掌握和普及,但存在的问题是测试数据准确性受人为及其他因素影响较大,测试效率低,当测试路段距离较长,采样点数量比较大时,难以满足要求。
为了降低人的劳动强度,提高测试效率,增加采样数据的准确程度,英、法等国在计算机和电子技术发展的基础上,于20世纪70年代研制出了自动弯沉仪。自动弯沉仪以位移传感器自动测试弯沉信号,通过设置程序控制测量机构自动运作,减轻了操作人员的劳动强度。
静态弯沉在结构没计和性能评价上存在着局限性,随着对高等级公路路基路面结构和材料的不断研究,为得到更符合实际结构和材料技术特性的动态弯沉,又开发出落锤式弯沉仪(FWD)。其动态弯沉测试信号通过位移传感器采集,数据准确性较高。基于承载板实验原理所测得的动态弯沉及弯沉盆数据推算回弹模量是目前正待研究的课题,一些设计单位已经将FWD的动态弯沉数据应用于实际设计过程中。
1.贝克曼梁弯沉仪(Benkelmen Beam,BB)
工程施工中,大多采用贝克曼梁法,贝克曼梁由美国A.C.Benkilman于1953年发明,并用于AASHTO试验路,后作为补强设计及施工时弯沉检验的手段,在全世界得到了广泛应用。贝克曼梁测试的主要仪具包括标准车、贝克曼梁、百分表、表架和温度计等。
国内规定使用的贝克曼梁分为3.6m和5.4m两种,其测试梁的前后臂长度比均为2:1。
贝克曼梁弯沉仪基本原理是杠杆原理。在规定的标准轴载作用下,路基或路面表面车轮轮隙位置处产生的垂直变形值称为回弹弯沉。利用载重汽车加载,人工读取百分表的读数,用贝克曼梁可以测量路基或路面表面的回弹弯沉值。贝克曼梁法检测回弹弯沉存在以下主要问题:
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.自动弯沉仪
利用贝克曼梁测定路面回弹弯沉值操作简便,应用广泛,我国路面设计及检测的标准方法和基本参数都是建立在这种试验方法基础之上的,但是,这种试验方法整个测试过程全是人工操作,测试结果受人为因素的影响较大,而且测速慢。自动弯沉仪是测定路面弯沉值的高效自动化设备,可对路面进行高密集点的强度测量,适用于路面施工质量控制、验收及路面养护管理。
主要设备:洛克鲁瓦型自动弯沉仪测定车由测试汽车、测量机构、数据采集处理系统三部分组成。测量机构安装在测试车底盘下面。
工作原理:自动弯沉仪的基本工作原理与贝克曼梁的原理是相同的,都是采用简单的杠杆原理。自动弯沉仪测定车在检测路段以一定速度行驶,将安装在测试车前后轴之间底盘下面的弯沉测定梁放到车辆底盘的前端并支于地面保持不动,当后轴双轮隙通过测头时,弯沉通过位移传感器等装置被自动记录下来,这时,测定梁被拖动,以二倍的汽车速度拖到下一测点,周而复始地向前连续测定。通过计算机可输出路段弯沉检测统计计算结果。
应当注意,自动弯沉仪测定的是总弯沉,因而与贝克曼梁测定的回弹弯沉有所不同。可通过自动弯沉仪总弯沉与贝克曼梁回弹弯沉对比试验,得到两者相关关系式,换算为回弹弯沉,用于路基、路面强度评定。
3.落锤式弯沉仪(Falling Weight Deflectometer,FWD)
落锤式弯沉仪产生于20世纪70年代初,与传统的贝克曼梁(Benkelman Beam,简称BB)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,且适于长距离、连续测定的特点。FWD是一种脉冲动力弯沉仪,它模拟车辆荷载对路面或道床施加的瞬时冲击作用,得到路面或道床瞬时变形情况,其测量结果比较精确,信息量大。一般可记录三方面数据:
1.落锤点最大弯沉;
2.以落锤点为中心的弯沉盆曲线;
3.弯沉盆各点随时间变化的时程曲线。
利用贝克曼梁方法测出的回弹弯沉是静态弯沉。自动弯沉仪检测弯沉时,因为汽车行进速度很慢,所测得的弯沉也接近静态弯沉。近年来,采用落锤式弯沉仪(FWD)测定路面的动态弯沉,并用来反算路面的回弹模量。已成为世界各国道路界的热门课题。这种设备特别适用于高等级公路路面和机场的弯沉量测和承载能力评定。
落锤式弯沉仪(FWD)是脉冲式动力弯沉仪的典型代表,其技术特点主要表现在:无破损、测速快,精度高,并较好地模拟了实际行车荷载对路面的动力作用,并很好地模拟了行车荷载作用,检测结果为弯沉盆数据,因此在国际上的应用也日益广泛。
4.FWD工作原理
FWD由拖车(包括加载系统和位移传感器)与微机控制系统(包括控制及数据采集处理部分)组成。落锤式弯沉仪的工作原理是:通过计算机控制下的液压系统提升并释放一定质量的重锤,从而对路面施加脉冲荷载,荷载大小通过改变锤重和提升高度调整,并通过刚性圆盘作用到路面上。路面的弯沉由5个~9个传感器测定,这样就能较准确地反映弯沉盆的形状,从而为路面模量反算提供基础。有了模量,就能进一步分析出路面结构的应力,应变状况,评价承载能力。自20世纪80年代以来,FWD在国际上得到了广泛的应用,至今已有50多个国家和地区引进了FWD。美国联邦公路局经过对比分析,确认FWD是较理想的路面承载能力评定设备,并选为实施SHRP计划中路面承载能力评定部分的重要设备。
目前,国内外围绕FWD开展的主要研究是稳定可靠的模量反演技术。通过对FWD弯沉盆数据的分析,反演路面各结构层的动态模量,进而判别承载硅力。国内外对这项技术的关注重点是路面力学特性模拟,模量反分析的可靠性、反演结果的验证等。此外,FWD还可用于旧水泥混凝土路面板体脱空判定,接缝传荷能力判定,路基施工过程中动态监控、路基冲击压实效果评价等多方面,应用日趋广泛。
5.FWD与BB检测结果之间的关系
在依据规范对路况进行评价时,需要转化为贝克曼梁弯沉,而FWD与BB检测得到的弯沉数据之间存在差异,为了充分发挥FWD这种先进试验设备的优势,使其能直接用于路面结构设计和施工质量检测等领域,应比较分析得出两者的关系。
一般认为BB检测属于静载试验,而FWD检测属于动载试验,两者性质不同。对于这个问题,WSTam和SFBrown通过理论分析和比较证明了无论是动载还是静载都可以用相同的理论即常规的弹性层状理论来分析,其误差在容许范围之内。也就是说,尽管两种试验方法性质不同,仍然有一定的内在联系,可以通过相关分析来建立两者之间的关系。
①FWD的适应性强。FWD在下雨、夜间等气候中能够照常工作。这种性能为在恶劣气候下进行弯沉测试提供了保障。
②根据实测数据,对道路的回弹模量和结构受力状况进行了评价,评价的结论合理可靠,具有明显的快速及非破损的特点,在道路的测试评价方面具有显著的社会和经济效益。
③FWD作为先进的路面无损检测设备,在评价道路结构承载力时,其性能明显优于贝克曼梁和其它现有的静态检测设备,而且测点布置可以相对稀疏些。
④FWD与贝克曼梁在相同的测试状况下,弯沉测定值之间具有良好的相关关系。根据给出的相互转换的推荐公式,为取代贝克曼梁对结构承载能力进行快速、准确的定量评价提供了依据。
⑤对于不同结构层,相关关系存在差异,因此针对各种不同结构层可分别统计分析各自的相关关系,然后再将所有结构层的弯沉转换公式汇总分析,通过设定一结构层影响系数,进一步研究得出统一的相关关系式,对今后实际应用具有重要意义。
6.滚动式弯沉仪(Rolling Wheel Deflectometer,RWD)
滚动式弯沉仪采用高频激光扫描,连续地记录行驶中的测试车在路表产生的弯沉,测试速度约88.5km/h.目前主要有Dynatest(丹麦)与QuestIntegrated(美国)合作、美国密西西比州的ARA(Applied Research Associates)公司和瑞典的RDT等机构从事RWD的研制工作,第一代产品已经问世,精度适合于路网普查。RWD的最大优点是:所记录的是真实受力状态,而不是模拟荷载状态下的弯沉,并且测速远大于FWD,因此对交通的影响较小,是较为理想的弯沉检测设备,因此是此类设备的重要发展方向。
 
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