เครื่อง วัด การโก่งตัวด้วยน้ำหนักตก (Falling Weight Deflectometerหรือ FWD) เป็นอุปกรณ์ทดสอบที่วิศวกรโยธา ใช้ ในการประเมินคุณสมบัติทางกายภาพของพื้นผิวถนนในทางหลวง ถนนในเมือง พื้นผิวถนนสนามบิน บริเวณท่าเรือ ทางรถไฟ และสถานที่อื่นๆ ข้อมูลที่ได้จาก FWD ส่วนใหญ่ใช้ในการประมาณความสามารถในการรับน้ำหนักของโครงสร้างพื้นผิวถนน เพื่อช่วยในการออกแบบการปูผิวทางใหม่ หรือเพื่อตรวจสอบว่าพื้นผิวถนนรับน้ำหนักเกินหรือไม่ ขึ้นอยู่กับการออกแบบ FWD อาจบรรจุอยู่ในรถพ่วง หรืออาจติดตั้งอยู่ในยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง เช่น รถบรรทุกหรือรถตู้ ยานพาหนะสำรวจถนนแบบครบวงจรโดยทั่วไปประกอบด้วย FWD ที่ติดตั้งบนรถบรรทุกขนาดใหญ่ พร้อมด้วยเรดาร์ตรวจจับใต้ดินและอุปกรณ์ลดแรงกระแทก

ระหว่างการทดสอบ เครื่องทดสอบแรงกระทำต่อพื้นผิวถนน (FWD) จะส่งแรงกระทำไปยังพื้นผิวถนน ซึ่งจำลองแรงที่เกิดจากล้อรถที่กำลังกลิ้ง แรงกระทำนี้เกิดจากการปล่อยน้ำหนักมากลงบน "ตัวกันกระแทก" ซึ่งทำหน้าที่ปรับรูปร่างของแรงกระทำ จากนั้นจึงส่งแรงกระทำไปยังพื้นผิวถนนผ่านแผ่นรับแรงทรงกลม ข้อมูลจะถูกเก็บรวบรวมจากเซ็นเซอร์ต่างๆ เพื่อใช้ในการวิเคราะห์คุณสมบัติของพื้นผิวถนนหลังการทดสอบ เซ็นเซอร์วัดการโก่งตัวจะใช้ในการวัดการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของพื้นผิวถนนที่ตอบสนองต่อแรงกระทำ ในเครื่องทดสอบแรงกระทำต่อพื้นผิวถนนบางรุ่น ขนาดของแรงกระทำที่ใช้จะถือว่าเป็นค่าคงที่ที่กำหนดโดยการออกแบบระบบ ในขณะที่บางรุ่นจะวัดแรงโดยใช้เซลล์รับแรง

แผ่นรับน้ำหนักอาจเป็นแบบทึบหรือแบบแบ่งส่วน แผ่นรับน้ำหนักแบบแบ่งส่วนจะปรับให้เข้ากับรูปทรงของพื้นผิวถนนเพื่อกระจายน้ำหนักได้สม่ำเสมอยิ่งขึ้นบนพื้นผิวที่ไม่เรียบ โดยทั่วไปแล้วเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นรับน้ำหนักจะอยู่ที่ 300 มม. บนถนน และ 450 มม. ในสนามบิน และน้ำหนักที่ใช้ในการทดสอบบนถนนจะอยู่ที่ประมาณ 40 กิโลนิวตัน ซึ่งจะสร้างแรงดันประมาณ 567 กิโลปาสคาลใต้แผ่นรับน้ำหนัก (50 กิโลนิวตัน / 707 กิโลปาสคาล ตามมาตรฐานยุโรป)

ระบบแรงกระแทกของโหลดมีสองประเภทที่แตกต่างกัน คือ แบบมวลเดี่ยวและแบบมวลคู่^{[ 1 ] [ 2 ]}

ในระบบมวลเดี่ยว น้ำหนักจะถูกปล่อยลงบนบัฟเฟอร์เดี่ยวที่เชื่อมต่อกับแผ่นรับน้ำหนัก ซึ่งวางอยู่บนพื้นผิวที่กำลังทดสอบ โดยทั่วไปแล้ว FWD แบบมวลเดี่ยวจะมีขนาดเล็กกว่า เร็วกว่า และราคาถูกกว่า แต่เมื่อใช้กับดินอ่อน อาจประเมินความสามารถของพื้นผิวถนนสูงเกินไปเนื่องจากความเฉื่อยของมวลของวัสดุพื้นผิวถนน^{[ 3 ]}

ในระบบมวลคู่ น้ำหนักจะตกลงบนชุดประกอบที่ประกอบด้วยบัฟเฟอร์แรก น้ำหนักที่สอง และบัฟเฟอร์ที่สอง^{[หมายเหตุ 1 ]}ซึ่งทำให้ระยะเวลาการรับน้ำหนักนานขึ้น จำลองน้ำหนักล้อได้แม่นยำยิ่งขึ้น และให้ผลลัพธ์ที่สามารถทำซ้ำได้สูงขึ้นและแม่นยำยิ่งขึ้นบนทางเท้าที่สร้างบนดินอ่อน^{[ 4 ] [ 5 ]}

นอกจากนี้ยังมีระบบมวลเดี่ยว/มวลคู่แบบผสมผสาน โดยที่น้ำหนักตกและน้ำหนักตรงกลางสามารถล็อกเข้าด้วยกันได้ ทำให้เกิดแรงกระแทกสั้น 150 กิโลนิวตัน ในโหมดปลดล็อก FWD จะทำงานเหมือนระบบมวลคู่ ทำให้เกิดแรงกระแทกยาว 50 กิโลนิวตัน

ในระบบทั้งหมด รูปทรงพัลส์โหลดและเวลาเพิ่มขึ้นมีความสำคัญ เนื่องจากสามารถส่งผลต่อค่าสูงสุดของการเบี่ยงเบนศูนย์กลางได้มากถึง 10% ถึง 20% ^{[ 6 ]}

เซ็นเซอร์ วัดการโก่งตัวใช้สำหรับวัดการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของพื้นผิวถนนที่ตอบสนองต่อแรงกระแทก เซ็นเซอร์จะถูกติดตั้งในแนวรัศมีจากจุดศูนย์กลางของแผ่นรับน้ำหนักที่ระยะห่างทั่วไป 0, 200, 300, 450, 600, 900, 1200 และ 1500 มม. (ค่าการโก่งตัวที่วัดได้ที่ระยะห่างเหล่านี้จะถูกระบุด้วย D0, D200, D300 เป็นต้น)

มีการใช้เซ็นเซอร์วัดการเบี่ยงเบนสองประเภท ได้แก่จีโอโฟน และ ซีสโมมิเตอร์แบบสมดุลแรงซีสโมมิเตอร์มีอุปกรณ์สอบเทียบในตัวและช่วงการวัดการเบี่ยงเบนที่สูงกว่า (5 มม. เทียบกับ 2 มม.) จีโอโฟนไม่มีอุปกรณ์สอบเทียบในตัวและมีความไวต่อการรบกวนก่อนการกระทบมากกว่า เนื่องจากความคลาดเคลื่อนเริ่มต้นถูกรวมเข้าไปแล้ว แต่มีราคาถูกกว่าซีสโมมิเตอร์มาก

ข้อมูล FWD มักใช้ในการคำนวณพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับความแข็งของโครงสร้างทางเท้า กระบวนการคำนวณค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นของแต่ละชั้นในระบบหลายชั้น (เช่นแอสฟัลต์คอนกรีตบนชั้นฐานรากบนชั้นดินรองพื้น ) โดยอาศัยการโก่งตัวของพื้นผิว เรียกว่า "การคำนวณย้อนกลับ" เนื่องจากไม่มีสูตรสำเร็จรูป ดังนั้นจึงต้องใช้ค่าโมดูลัสเริ่มต้น คำนวณการโก่งตัวของพื้นผิว แล้วปรับค่าโมดูลัสแบบวนซ้ำเพื่อให้ได้ค่าการโก่งตัวที่วัดได้ กระบวนการนี้ใช้การคำนวณมาก แม้ว่าจะรวดเร็วในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ก็ตาม อาจให้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างคลาดเคลื่อนและต้องใช้ผู้เชี่ยวชาญที่มีประสบการณ์ ซอฟต์แวร์การคำนวณย้อนกลับที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่:

• BAKFAA ( สำนักงานบริหารการบินแห่งสหรัฐอเมริกา )
• Clevercalc ( มหาวิทยาลัยวอชิงตัน )
• เอลมอด (ไดนาเทสต์)
• เอเวอร์แคลค (WSDOT)
• KGPBACK (Geotran)
• MichBack (กรมการขนส่งรัฐมิชิแกน)
• โมดูลัส (TxDOT)
• พีวีดี (KUAB)
• PRIMAX DESIGN / RoSy Design (Sweco, เดิมชื่อ Carl Bro)

นักวิเคราะห์หลายคนใช้วิธีการที่ง่ายขึ้นในการคำนวณพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องซึ่งมีลักษณะเชิงประจักษ์ วิธีที่พบมากที่สุดคือการโก่งตัวสูงสุดใต้จุดศูนย์กลางของแผ่นรับน้ำหนัก (D0) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวัดเชิงประจักษ์ เช่น การโก่งตัวของคานเบนเคลแมน (หลังจากปรับเล็กน้อยสำหรับความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์ทั้งสอง) ในอดีตบางคนใช้รัศมีของความโค้ง (D0-D200) แต่ปัจจุบันไม่เป็นที่นิยมแล้ว เนื่องจากเห็นได้ชัดว่าแผ่นรับน้ำหนักเหล็กขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. ส่งผลต่อรูปร่างของแอ่งโก่งตัวระหว่างจุดศูนย์กลาง (D0) และเซ็นเซอร์ D200 ที่ระยะ 200 มม. อย่างไรก็ตาม นั่นหมายความว่าข้อมูลที่เป็นประโยชน์จำนวนมากเกี่ยวกับรูปร่างของแอ่งโก่งตัวนั้นสูญเปล่า Horak และ Emery ได้ตีพิมพ์ดัชนีที่ใช้ข้อมูลนี้ ได้แก่ BLI = D0-D300 ซึ่งบ่งชี้ประสิทธิภาพของชั้นฐานราก MLI = D300-D600 ซึ่งบ่งชี้ประสิทธิภาพของชั้นรองพื้น และ LLI = D600-D900 ซึ่งบ่งชี้ประสิทธิภาพของชั้นดินรองพื้น ดัชนีเหล่านี้และดัชนีอื่นๆ ที่คล้ายกันเรียกว่าปัจจัยรูปร่าง ข้อมูล FWD ยังมีประโยชน์อย่างมากในการช่วยวิศวกรแบ่งความยาวของทางเท้าออกเป็นส่วนๆ ที่เป็นเนื้อเดียวกัน

ข้อมูลจากระบบ FWD ยังสามารถใช้ในการคำนวณระดับการถ่ายโอนน้ำหนักระหว่างแผ่นคอนกรีตที่อยู่ติดกัน และตรวจจับช่องว่างใต้แผ่นคอนกรีตได้อีกด้วย

ข้อมูล FWD ที่สร้างขึ้นในบริบทที่ไม่ใช่แบบสุ่มส่งผลให้เกิดค่าตกค้างที่แทรกสอดซึ่งแม้จะสอดคล้องกันทางคณิตศาสตร์ แต่ก็ไม่มีการตีความทางธรณีเทคนิคที่ใช้งานได้จริง^{[ 7 ]}

เครื่องวัดการโก่งตัวแบบน้ำหนักเบา (LWD) เป็นเครื่องวัดการโก่งตัวแบบพกพาที่ใช้ทดสอบค่าโมดู ลัส ของฐานและชั้นดินรองพื้นในสถานที่ก่อสร้างเป็นหลัก การวัดด้วย LWD นั้นเร็วกว่าวิธีการวัดด้วยไอโซโทปและไม่จำเป็นต้องมีการวัดอ้างอิง อุปกรณ์นี้ไม่มีแหล่งกำเนิดรังสีและสามารถใช้งานได้โดยคนเพียงคนเดียว ทำให้สามารถวิเคราะห์ข้อมูลและพิมพ์รายงานได้ในสถานที่^{[ 8 ]} LWD บางรุ่นไม่มีเซลล์รับน้ำหนักและถือว่าค่ารับน้ำหนักเป็นค่าที่กำหนด ในขณะที่บางรุ่นใช้เซลล์รับน้ำหนักเพื่อวัดค่ารับน้ำหนักจริง ขึ้นอยู่กับระบบ LWD อาจมีจีโอโฟนตัวเดียวที่อยู่ตรงกลางหรืออาจมีจีโอโฟนสองตัว โดยทั่วไปจะอยู่ที่ตำแหน่ง 300 และ 600 มม.

งานวิจัยล่าสุดได้ขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้การทดสอบด้วยเครื่องวัดการโก่งตัวน้ำหนักเบาขั้นสูง (LWD) นอกเหนือจากการควบคุมคุณภาพขั้นพื้นฐาน ไปสู่การประเมินขั้นสูงเกี่ยวกับพฤติกรรมของดินและวัสดุฐานราก รวมถึงการทำนายประสิทธิภาพในงานวิศวกรรมทางเท้า

พัฒนาการที่สำคัญประการหนึ่งคือการใช้การวัด LWD ซ้ำๆ เพื่อสร้างแบบจำลองพฤติกรรมความเครียดถาวรในดินชั้นล่างภายใต้ระดับความเค้นและปริมาณความชื้นที่หลากหลาย แบบจำลองความเครียดถาวรที่ได้จากการวัด LWD แบบหลายฟังก์ชันแสดงให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์อย่างมากกับข้อมูลการทดสอบไตรแกนแบบรับน้ำหนักซ้ำแบบดั้งเดิม ซึ่งสนับสนุนการใช้ข้อมูล LWD สำหรับแนวทางการออกแบบเชิงกลและเชิงประจักษ์ในทางเท้าแบบยืดหยุ่น^{[ 9 ]}

งานวิจัยเพิ่มเติมได้ประเมินการกระจายความเค้นของดินระหว่างการทดสอบ LWD และปรับปรุงทฤษฎีการกระจายความเค้นแบบคลาสสิก เช่น สมการของ Boussinesq เพื่อสะท้อนการเปลี่ยนแปลงความเค้นแนวดิ่งที่แท้จริงภายในวัสดุธรณีภายใต้การรับน้ำหนัก LWD ได้ดียิ่งขึ้น การปรับปรุงเหล่านี้ช่วยเพิ่มการตีความการตอบสนองของความเค้นและการโก่งตัวที่วัดได้ ปรับปรุงการใช้ข้อมูล LWD ในการวิเคราะห์ประสิทธิภาพและแนวทางการออกแบบทางเท้า^{[ 10 ]}

งานวิจัยเพิ่มเติมได้สำรวจปฏิสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยหลายประการที่มีผลต่อการวัด LWD รวมถึงปริมาณน้ำ ความเครียดที่ใช้ และคุณสมบัติของวัสดุ โดยเน้นว่าปัจจัยเหล่านี้มีอิทธิพลต่อการตอบสนองที่วัดได้และการตีความภายในแบบจำลองการทำนายอย่างไร^{[ 11 ]}

เครื่องวัดการโก่งตัวแบบน้ำหนักตกเร็ว (Fast Falling Weight Deflectometer หรือ FFWD) คือเครื่องวัดการโก่งตัวแบบน้ำหนักตกที่ใช้ตัวขับเคลื่อนแบบนิวแมติกหรือไฟฟ้าแทนระบบไฮดรอลิก ทำให้กลไกการทำงานเร็วขึ้นหลายเท่า

เครื่องวัดการโก่งตัวแบบรับน้ำหนักมาก (Heavy Weight Deflectometer หรือ HWD) เป็นเครื่องวัดการโก่งตัวแบบรับน้ำหนักตกที่มีน้ำหนักบรรทุกสูงกว่า (โดยทั่วไป 300 ถึง 600 กิโลนิวตัน) ใช้เป็นหลักในการทดสอบพื้นผิวทางวิ่งของสนามบิน ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยคือ ต้องใช้น้ำหนักบรรทุกสูงเพื่อทดสอบความสามารถของสนามบินในการรองรับเครื่องบินขนาดใหญ่ แต่ในความเป็นจริง วิธีการทดสอบไม่ได้ออกแบบมาเพื่อทดสอบความแข็งแรงของโครงสร้าง แต่เพื่อหาคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง

เครื่องวัดการโก่งตัวแบบน้ำหนักกลิ้ง (RWD) เป็นเครื่องวัดการโก่งตัวที่สามารถเก็บข้อมูลได้ที่ความเร็วสูงกว่า (สูงถึง 55 ไมล์ต่อชั่วโมง) มากกว่าแบบขับเคลื่อนล้อหน้า (FWD) ซึ่งช่วยให้สามารถเก็บข้อมูลได้โดยไม่ต้องควบคุมการจราจรและปิดช่องทางจราจร^{[ 12 ]}มันถูกนำไปใช้ในรูปแบบรถบรรทุกพ่วงที่มีอุปกรณ์วัดด้วยเลเซอร์ติดตั้งอยู่บนคานใต้รถพ่วง ต่างจากแบบขับเคลื่อนล้อหน้า (FWD) ซึ่งจะหยุดเพื่อทำการวัด แบบขับเคลื่อนล้อหน้า (RWD) จะเก็บข้อมูลการโก่งตัวในขณะที่มันเคลื่อนที่^{[ 13 ]}

วัสดุที่ใช้ในการทดสอบมีรายละเอียดอยู่ในมาตรฐาน ASTM D 4694 และวิธีการทดสอบกำหนดไว้ในมาตรฐาน ASTM D 4695.140