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道路工程试验与检测:落锤式弯沉仪测试方法

时间:2023-08-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:近年来,采用落锤式弯沉仪测定路面的动态弯沉,并反算路面的回弹模量,已成为世界各国道路界的热门话题。关于落锤式弯沉仪的落锤质量,与设计荷载有关,应根据使用的目的选择。本方法适用于采用落锤式弯沉仪测试路表在冲击荷载作用下产生的瞬时变形,即动态弯沉,以便评价路基路面承载能力。

道路工程试验与检测:落锤式弯沉仪测试方法

路面承载力是路面的主要指标之一。近年来,采用落锤式弯沉仪(FWD)测定路面的动态弯沉,并反算路面的回弹模量,已成为世界各国道路界的热门话题。美国战略公路研究计划(SHRP)也把 FWD 作为 2 000 条试验路的强度评定手段,并以 FWD 测定反算的回弹模量作为基准,研究开发材料回弹模量的室内试验方法,我国已引进并投入使用大量 FWD,并开发出国产的 FWD 设备。

路面弯沉的测定方法很多,利用贝克曼梁法和自动弯沉仪测出的弯沉是静态弯沉。因为汽车行进速度很慢,所测得的弯沉也接近静态弯沉。为了模拟汽车快速行驶的实际情况,不少国家开发了动态弯沉的测试设备,例如 FWD 和振动弯沉仪(Dynaflect)。落锤式弯沉仪(Falling Weight Deflectometer,FWD)是目前国际上最先进的路面强度无损检测设备之一,它利用重锤自由落下的瞬间产生的冲击荷载测定弯沉,计算机自动采集数据,速度快,精度高。荷载最大值可由下式计算:

式中 m——重锤质量;

R——缓冲弹簧常数;

h——落高;

g——重力加速度

据测算,落锤作用于路面的时间仅有 5~30 ms。所以本设备对位移传感器的测定精度要求很高。FWD 测定时,第一锤测定结果往往不稳定,故必须打第二锤及第三锤,舍去第一锤结果。

关于落锤式弯沉仪的落锤质量,与设计荷载有关,应根据使用的目的选择。现在有 50 kN,100 kN,150 kN 等不同的荷载。一般用于公路的为 50 kN,承载板直径 300 mm;用于飞机场的需要 100 kN 或 150 kN,承载板直径 450 mm。由于检测层强度不同,实际的荷载将有所不同,大体在±(1~2)kN 范围内变化。

承载板有两种,一种是整块圆橡胶板,一种是对称分开成十字的钢板与橡胶板组成的复合板。由于后者与地面更能紧密接触,测定数据更好,故本方法规定采用后者。

本方法适用于采用落锤式弯沉仪测试路表在冲击荷载作用下产生的瞬时变形,即动态弯沉,以便评价路基路面承载能力。

1.仪具与材料技术要求

落锤式弯沉仪:该弯沉仪由荷载发生装置、弯沉检测装置、运算控制系统与车辆牵引装置等组成,其测量系统结构如图2.4.6所示。

图2.4.6 落锤式弯沉仪测量系统示意图

(1)荷载发生装置:重锤的质量及落高根据使用目的与道路的等级选择,荷载由传感器测定。如无特殊需要,重锤的质量为(200±10)kg,可采用产生(50±2.5)kN 的冲击荷载。承载板宜为呈十字对称分开成 4 部分,且底部固定有橡胶片的承载板,承载板的直径一般为300 mm,也可为 450 mm。

(2)弯沉检测装置:由一个或多个位移传感器组成,位移分辨力不大于 0.001 mm,如图2.4.7 所示。承载板中心应设有一个位移传感器,其他位移传感器与中心处传感器呈线性布置,一般分布在距离承载板中心 2 500 mm 的范围内。用于反算路面结构层模量时,位移传感器总数应不少于 7 个,且应包括 0 mm,300 mm,600 mm,900 mm 处 4 个位置。

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图2.4.7 落锤式弯沉仪传感器布置及应力作用状态示例

(3)控制系统:能在冲击荷载作用的瞬间内,测量并记录冲击荷载及各个传感器所在位置的动态变形。

(4)牵引车:牵引FWD并安装运算及控制装置等的车辆。

2.方法与步骤

(1)准备工作:

① 调整重锤的质量及落高,使重锤的质量及产生的冲击荷载符合要求。

② 检查 FWD 的车况及使用性能,确保功能正常。

③ 将 FWD 牵引至测试地点,牵引 FWD 行驶的速度不宜超过 50 km/h。

④ 开启 FWD,对传感器进行标定。

(2)测试步骤:

① 将 FWD 牵引至测试路段起始位置,输入测试位置信息,设定好状态参数。

② 将承载板中心位置对准测点,测点一般应布置在车道轮迹带处。落下承载板,放下弯沉检测装置的各传感器。

③ 启动荷载发生装置,落锤瞬即自由落下,冲击力作用于承载板上,又立即自动提升至原来位置固定。同时,记录荷载数据,各个位移传感器测量并记录路表变形数据,变形峰值即为弯沉值。每个测点重复测试应不少于 3 次。

④ 提起传感器及承载板,牵引车向前移动至下一个测点,重复②~③步骤完成测试路段的测试

3.计 算

(1)舍去承载板中心位移传感器的首次测值,计算其后几次测值的平均值作为该点的弯沉值。

(2)按照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)的规定,对弯沉值进行温度修正。

(3)计算一个测试路段的弯沉平均值、标准差及代表值。

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