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摘 要：PFWD是近年来新兴的一种技术设备，具有诸多的优点，目前在公路路基检测中得到广泛的应用。本文结合工程实例，在介绍PFWD设备工作原理的基础上，探讨了PFWD在高速公路路基压实质量检测中的应用，并对不同检测方法进行对比分析，为其进一步推广应用提供了借鉴与参考。
关键字：PFWD；工作原理；路基检测；回弹模量
随着我国城市化进程的不断加快，国家加大了对公路交通基础设施建设的投资力度，高速公路建设正以前所未有的速度迅速发展。在高速公路等基础设施的建设过程中，一般会遇到大量的填土、石等填方工程，若这些填方工程中土石填料的压实质量不过关，很有可能影响到高速公路的整体性能和质量安全。因此，高速公路路基压实质量的检测工作就显得十分重要了。
路基压实质量的检测指标有很多，主要包括压实度、弯沉值、承压板试验等，其中回弹弯沉值是公路路基工程设计中的重要参数之一。现行测量弯沉值或回弹模量的方法主要有PFWD法、贝克曼梁法和FWD法等。PFWD作为一种新兴的技术设备，具有操作安全可靠，精度高，携带简便等优点，能够快速检测路基回弹弯沉值，是一种值得推广的检测技术。
1 PFWD简介
1.1 PFWD工作原理
PFWD是基于普通落锤式弯沉仪的改进设备，又称手持式落锤弯沉仪（Handhold FWD），由于体积比普通落锤式弯沉仪小很多，也被称作微型落锤弯沉仪（Mini FWD），是当今国际上普遍采用的路基路面结构强度无损检测仪器，在国外运用较广。与传统的检测方法相比，PFWD具有操作安全可靠，精度高，携带简便，操作简单，自动记录并能模拟汽车荷载作用等优点，是继常规拖车式落锤弯沉仪（FWD）后的又1种新的动力模量快速无损检测设备，可用来快速检测路基回弹模量值。
PFWD由加载系统、数据采集系统和数据传输系统组成。各系统有独立的装置，每一次测试中，各系统协同工作，通过落锤加载，数据由压力传感器、位移传感器量测并采集，通过计算机中的数据处理软件完成数据处理工作。PFWD的基本原理是将一固定重的落锤提升至一固定高度，然后释放自由下落，落锤冲击置放在路基（或路面）表面的承载板及底座上产生冲击荷载，在冲击荷载作用下，承载板与路基（或路面）表面产生竖向位移。由此，压力传感器和位移传感器将荷载和位移的时程数据记录下来，并传输到计算机数据处理软件中，从而根据压力和位移的峰值确定路基动弹性模量。
PFWD的荷载施加方式和FWD一致，均为动荷载，且加载时间极短，可认为瞬时加载，加载以后20ms内即完成卸载，虽然路基填料属于弹塑性材料，并非理想的线弹性材料，但荷载施加瞬间，路基变形主要为弹性变形，塑性变形可忽略不计，因此根据PFWD测得的最大压力值p和最大弯沉值l，采用圆形垂直弹性半空间体的刚性承载板理论公式进行计算可以得到路基模量EP为：
（1）
式中：p为实测的承载板最大单位压力；δ为承载板半径，现场通常采用半径为15cm的承载板；μ为泊松系数，对于路基通常取0.35；l为实测的承载板中心弯沉；Ep为路基回弹模量。本文采用式（1）对PFWD测得的弯沉值进行路基回弹模量反算。
2 现场试验
2.1 试验场地概况
试验依托某高速公路东北段，路基填料为砂砾卵石土，填料属于粗粒土，级配曲线见图1。试样场地选取现场某段路基，试验每隔5m选取1个点进行观测，共10点。将贝克曼梁法、FWD法测得的弯沉值与PFWD法进行比较，并得出相应的回归公式，本文将PFWD与压实度、沉降差进行比较。一般来说，静力压实方式只能增加路基中的应力，而无助于颗粒之间阻力的减小。振动压实方式则对于土石混填路基兼有增加应力与减少阻力的双重作用，因此，该试验选用三一重工生产的型振动压路机，压路机的额定功率为128kW，工作质量22000kg，振幅取2.1mm档，频率使用32Hz档。
2.2 试验过程
填料运至现场，在振动碾压之前，需去除填料中粒径过大的卵石，保证填料级配良好，并取试样进行颗粒分析、含水率试验，填料的级配曲线见图1。从曲线中可以看出，填料中大于5mm颗粒均在50%以上，细粒组颗粒分布不均匀，试样含水率为5.8%，含水率偏低。现场分别测定路基在碾压2、3、4、5遍后的回弹模量值、压实度、沉降差，回彈模量采用PFWD法，压实度采用灌砂法，沉降差用水准仪测量。为保证数据的准确性，每碾压1遍后首先进行PFWD试验，用水准仪测出路基表面高程，最后做灌砂试验，保证3个压实指标处在同一点。压实度作为路基最常用的检测指标，将其与PFWD量测的回弹模量进行对比，找出PFWD所测得的回弹模量与压实度、沉降差的关系。
图1 颗粒级配曲线
2.3 试验结果分析
试验得到了不同碾压遍数下弯沉值、回弹模量、沉降差、压实度的数值，舍去异常值后得到了各指标的平均值，见表1。由表中数据可知，当碾压遍数小于4遍时，回弹模量、压实度随着碾压遍数的增加而增加；弯沉值、沉降差随着碾压遍数的增加而减小；随着碾压遍数的增加，其变化幅度均逐渐变小；当碾压遍数继续增加，回弹模量、压实度反而降低，弯沉值较碾压4遍时增加，沉降差出现负值，说明路基出现了回弹。以上结果表明，路基在碾压4遍时能够取得较好的压实效果。根据现场观察，碾压5遍后填料中的粗颗粒出现破碎的情况，土体结构遭到破坏，级配发生变化，从而产生了更多的空隙，使得砂砾卵石土路基压实效果变差，为能定量地描述彼此之间的关系，对碾压遍数小于4遍时的各检测指标进行线性拟合。
表1 不同碾压遍数下的各指标值
沉降差与回弹模量拟合后的方程为：
y=-0.472x+37.65 R2=0.999 （2）
压实度与回弹模量拟合后的方程为： y=-0.304x+73.63 R2=0.989 （3）
沉降差与弯沉值拟合后的方程为：
y=-0.020x+11.68 R2=0.976 （4）
压实度与弯沉值拟合后的方程为：
y=-0.013x+105.1 R2=0.929 （5）
从各线性拟合方程可以看出，4个拟合方程的相关系数均大于0.9，压实度与回弹模量拟合方程的相关系数达到了0.993，说明PFWD得到的弯沉值、回弹模量与压实度、沉降差有较好的线性相关性。
由于路面模型、材料的非线性、非均匀性，荷载作用形式的不同，不同方法反算结果往往差异较大，所以在反算模量时，应该注意几个方面的问题：（1）建立起弯沉盆-各层模量-路面状况之间的数值关系，甚至直接建立弯沉盆与路面状况之间的关系，从而使反算方法更加简单；（2）对PFWD测试技术标准化，定期标定仪器，使检测数据更加有效，并找到1种对现有各路面结构反算方法合理的评价方法，使反算方法标准化。
2.4 不同检测方法对比分析
由上节可知砂砾卵石土路基在碾压4遍时可以取得较好的压实效果，于是采用PFWD法、贝克曼梁法和FWD法对碾压4遍的砂砾卵石土路基进行弯沉检测，其检测结果见图2。
图2 3种不同检测方法的弯沉值对比
从图2中可以看出，PFWD法测出的弯沉值是最大的，贝克曼梁法测出的弯沉值最小，从而可知，PFWD法测得的路基回弹模量最小。此外，还可以知道，3种方法测得的弯沉值变化趋势基本一致，表明3种均可以较好地检测路基的回弹模量。
PFWD作为路基弯沉值、回弹模量检测设备与贝克曼梁法、FWD法相比，具有诸多优点，贝克曼梁法的基本原理是杠杆原理，将路基弯沉值放大，以便使用百分表量测出路基的弯沉值，但是贝克曼梁法仅测得静态汽车荷载作用下的路基回弹弯沉值，不能反映路基在行车动荷载下的路基变形；PFWD用落锤的自由落体模拟汽车行驶中的动荷载，与道路使用过程中的荷载相符，能够有效地检测公路路基的压实效果；贝克曼梁法使用的标准车已越来越少，且整个测试过程基本依靠人工操作，测试结果受人为因素影响较大，PFWD的数据采集采用传感器，数据处理由计算机内置程序完成，考虑各种因素，数据精确度达0.001mm，相对误差较贝克曼梁法小很多。FWD是一种较为先进的回弹模量检测设备，各系统与PFWD相似，但设备体积较大，需要专用机动车辆。PFWD与FWD相比，具有携带方便的特点，标准配置的PFWD只有17kg，有专用的包装箱，可很自由地移动。只要测试人员能到达的施工现场，都可以携带PFWD进入现场测试，所以PFWD不受测试场地和运输的影响，可用于路基施工过程的路基检测，但PFWD只能测出荷载作用下的最大弯沉，并不能得到弯沉盆的数据。
3 结论
通过对PFWD在高速公路路基压实质量检测中的应用进行分析，可以得出以下几点结论：①回弹弯沉值是路基检测中的重要指标，是反映路基承载能力的重要参数；②结合现场试验分析，得出PFWD量测的各个量与压实度、沉降差有良好的线性相关性；③PFWD法與贝克曼梁、FWD法相比，具有携带方便、测试精度高等优点；是一种值得大范围推广的路基检测方法。
参考文献
[1] 杨恒.PFWD在红砂岩路基回弹模量快速检测中的应用[J].黑龙江交通科技.2010年第07期
[2] 邹俊涛.路基压实度的检测方法与评价[J].现代商贸工业.2012年第12期
关键字：PFWD；工作原理；路基检测；回弹模量
随着我国城市化进程的不断加快，国家加大了对公路交通基础设施建设的投资力度，高速公路建设正以前所未有的速度迅速发展。在高速公路等基础设施的建设过程中，一般会遇到大量的填土、石等填方工程，若这些填方工程中土石填料的压实质量不过关，很有可能影响到高速公路的整体性能和质量安全。因此，高速公路路基压实质量的检测工作就显得十分重要了。
路基压实质量的检测指标有很多，主要包括压实度、弯沉值、承压板试验等，其中回弹弯沉值是公路路基工程设计中的重要参数之一。现行测量弯沉值或回弹模量的方法主要有PFWD法、贝克曼梁法和FWD法等。PFWD作为一种新兴的技术设备，具有操作安全可靠，精度高，携带简便等优点，能够快速检测路基回弹弯沉值，是一种值得推广的检测技术。
1 PFWD简介
1.1 PFWD工作原理
PFWD是基于普通落锤式弯沉仪的改进设备，又称手持式落锤弯沉仪（Handhold FWD），由于体积比普通落锤式弯沉仪小很多，也被称作微型落锤弯沉仪（Mini FWD），是当今国际上普遍采用的路基路面结构强度无损检测仪器，在国外运用较广。与传统的检测方法相比，PFWD具有操作安全可靠，精度高，携带简便，操作简单，自动记录并能模拟汽车荷载作用等优点，是继常规拖车式落锤弯沉仪（FWD）后的又1种新的动力模量快速无损检测设备，可用来快速检测路基回弹模量值。
PFWD由加载系统、数据采集系统和数据传输系统组成。各系统有独立的装置，每一次测试中，各系统协同工作，通过落锤加载，数据由压力传感器、位移传感器量测并采集，通过计算机中的数据处理软件完成数据处理工作。PFWD的基本原理是将一固定重的落锤提升至一固定高度，然后释放自由下落，落锤冲击置放在路基（或路面）表面的承载板及底座上产生冲击荷载，在冲击荷载作用下，承载板与路基（或路面）表面产生竖向位移。由此，压力传感器和位移传感器将荷载和位移的时程数据记录下来，并传输到计算机数据处理软件中，从而根据压力和位移的峰值确定路基动弹性模量。
PFWD的荷载施加方式和FWD一致，均为动荷载，且加载时间极短，可认为瞬时加载，加载以后20ms内即完成卸载，虽然路基填料属于弹塑性材料，并非理想的线弹性材料，但荷载施加瞬间，路基变形主要为弹性变形，塑性变形可忽略不计，因此根据PFWD测得的最大压力值p和最大弯沉值l，采用圆形垂直弹性半空间体的刚性承载板理论公式进行计算可以得到路基模量EP为：
（1）
式中：p为实测的承载板最大单位压力；δ为承载板半径，现场通常采用半径为15cm的承载板；μ为泊松系数，对于路基通常取0.35；l为实测的承载板中心弯沉；Ep为路基回弹模量。本文采用式（1）对PFWD测得的弯沉值进行路基回弹模量反算。
2 现场试验
2.1 试验场地概况
试验依托某高速公路东北段，路基填料为砂砾卵石土，填料属于粗粒土，级配曲线见图1。试样场地选取现场某段路基，试验每隔5m选取1个点进行观测，共10点。将贝克曼梁法、FWD法测得的弯沉值与PFWD法进行比较，并得出相应的回归公式，本文将PFWD与压实度、沉降差进行比较。一般来说，静力压实方式只能增加路基中的应力，而无助于颗粒之间阻力的减小。振动压实方式则对于土石混填路基兼有增加应力与减少阻力的双重作用，因此，该试验选用三一重工生产的型振动压路机，压路机的额定功率为128kW，工作质量22000kg，振幅取2.1mm档，频率使用32Hz档。
2.2 试验过程
填料运至现场，在振动碾压之前，需去除填料中粒径过大的卵石，保证填料级配良好，并取试样进行颗粒分析、含水率试验，填料的级配曲线见图1。从曲线中可以看出，填料中大于5mm颗粒均在50%以上，细粒组颗粒分布不均匀，试样含水率为5.8%，含水率偏低。现场分别测定路基在碾压2、3、4、5遍后的回弹模量值、压实度、沉降差，回彈模量采用PFWD法，压实度采用灌砂法，沉降差用水准仪测量。为保证数据的准确性，每碾压1遍后首先进行PFWD试验，用水准仪测出路基表面高程，最后做灌砂试验，保证3个压实指标处在同一点。压实度作为路基最常用的检测指标，将其与PFWD量测的回弹模量进行对比，找出PFWD所测得的回弹模量与压实度、沉降差的关系。
图1 颗粒级配曲线
2.3 试验结果分析
试验得到了不同碾压遍数下弯沉值、回弹模量、沉降差、压实度的数值，舍去异常值后得到了各指标的平均值，见表1。由表中数据可知，当碾压遍数小于4遍时，回弹模量、压实度随着碾压遍数的增加而增加；弯沉值、沉降差随着碾压遍数的增加而减小；随着碾压遍数的增加，其变化幅度均逐渐变小；当碾压遍数继续增加，回弹模量、压实度反而降低，弯沉值较碾压4遍时增加，沉降差出现负值，说明路基出现了回弹。以上结果表明，路基在碾压4遍时能够取得较好的压实效果。根据现场观察，碾压5遍后填料中的粗颗粒出现破碎的情况，土体结构遭到破坏，级配发生变化，从而产生了更多的空隙，使得砂砾卵石土路基压实效果变差，为能定量地描述彼此之间的关系，对碾压遍数小于4遍时的各检测指标进行线性拟合。
表1 不同碾压遍数下的各指标值
沉降差与回弹模量拟合后的方程为：
y=-0.472x+37.65 R2=0.999 （2）
压实度与回弹模量拟合后的方程为： y=-0.304x+73.63 R2=0.989 （3）
沉降差与弯沉值拟合后的方程为：
y=-0.020x+11.68 R2=0.976 （4）
压实度与弯沉值拟合后的方程为：
y=-0.013x+105.1 R2=0.929 （5）
从各线性拟合方程可以看出，4个拟合方程的相关系数均大于0.9，压实度与回弹模量拟合方程的相关系数达到了0.993，说明PFWD得到的弯沉值、回弹模量与压实度、沉降差有较好的线性相关性。
由于路面模型、材料的非线性、非均匀性，荷载作用形式的不同，不同方法反算结果往往差异较大，所以在反算模量时，应该注意几个方面的问题：（1）建立起弯沉盆-各层模量-路面状况之间的数值关系，甚至直接建立弯沉盆与路面状况之间的关系，从而使反算方法更加简单；（2）对PFWD测试技术标准化，定期标定仪器，使检测数据更加有效，并找到1种对现有各路面结构反算方法合理的评价方法，使反算方法标准化。
2.4 不同检测方法对比分析
由上节可知砂砾卵石土路基在碾压4遍时可以取得较好的压实效果，于是采用PFWD法、贝克曼梁法和FWD法对碾压4遍的砂砾卵石土路基进行弯沉检测，其检测结果见图2。
图2 3种不同检测方法的弯沉值对比
从图2中可以看出，PFWD法测出的弯沉值是最大的，贝克曼梁法测出的弯沉值最小，从而可知，PFWD法测得的路基回弹模量最小。此外，还可以知道，3种方法测得的弯沉值变化趋势基本一致，表明3种均可以较好地检测路基的回弹模量。
PFWD作为路基弯沉值、回弹模量检测设备与贝克曼梁法、FWD法相比，具有诸多优点，贝克曼梁法的基本原理是杠杆原理，将路基弯沉值放大，以便使用百分表量测出路基的弯沉值，但是贝克曼梁法仅测得静态汽车荷载作用下的路基回弹弯沉值，不能反映路基在行车动荷载下的路基变形；PFWD用落锤的自由落体模拟汽车行驶中的动荷载，与道路使用过程中的荷载相符，能够有效地检测公路路基的压实效果；贝克曼梁法使用的标准车已越来越少，且整个测试过程基本依靠人工操作，测试结果受人为因素影响较大，PFWD的数据采集采用传感器，数据处理由计算机内置程序完成，考虑各种因素，数据精确度达0.001mm，相对误差较贝克曼梁法小很多。FWD是一种较为先进的回弹模量检测设备，各系统与PFWD相似，但设备体积较大，需要专用机动车辆。PFWD与FWD相比，具有携带方便的特点，标准配置的PFWD只有17kg，有专用的包装箱，可很自由地移动。只要测试人员能到达的施工现场，都可以携带PFWD进入现场测试，所以PFWD不受测试场地和运输的影响，可用于路基施工过程的路基检测，但PFWD只能测出荷载作用下的最大弯沉，并不能得到弯沉盆的数据。
3 结论
通过对PFWD在高速公路路基压实质量检测中的应用进行分析，可以得出以下几点结论：①回弹弯沉值是路基检测中的重要指标，是反映路基承载能力的重要参数；②结合现场试验分析，得出PFWD量测的各个量与压实度、沉降差有良好的线性相关性；③PFWD法與贝克曼梁、FWD法相比，具有携带方便、测试精度高等优点；是一种值得大范围推广的路基检测方法。
参考文献
[1] 杨恒.PFWD在红砂岩路基回弹模量快速检测中的应用[J].黑龙江交通科技.2010年第07期
[2] 邹俊涛.路基压实度的检测方法与评价[J].现代商贸工业.2012年第12期