楊 恒

(湖南省航務(wù)勘察設(shè)計(jì)研究院)

0 引 言

路基回彈模量是表征路基抗變形能力及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一,對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛穩(wěn)定性、使用性能和使用壽命起著決定性的作用,因其受地質(zhì)條件、地區(qū)氣候、施工質(zhì)量、測(cè)試方法等諸多因素的影響,使其數(shù)值的確定比較困難,也就給設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)很多的不確定因素和問(wèn)題,其取值大小直接影響著路面結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)厚度和路基路面的施工質(zhì)量。因此對(duì)路基回彈模量的快速檢測(cè)方法的研究是十分必要的。路基回彈模量的試驗(yàn)測(cè)試方法主要有承載板法(室內(nèi)、室外)、彎沉測(cè)定(貝克曼梁彎沉儀和FWD落錘式彎沉儀測(cè)定)法等。這些測(cè)試手段都存在著測(cè)試時(shí)問(wèn)長(zhǎng)、測(cè)試復(fù)雜、測(cè)試人員多、偏僻地方不宜到達(dá)的缺點(diǎn)。因此尋找一種快速簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法至關(guān)重要。

便攜式落錘彎沉儀簡(jiǎn)稱PFWD,是一種動(dòng)力承載能力試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備,是繼落錘彎沉儀(FWD)后的又一種新的動(dòng)態(tài)模量快速檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。PFWD可用來(lái)確定路基承載能力,獲得路基的動(dòng)態(tài)回彈模量。對(duì)于特殊土路基回彈模量及其性質(zhì)的研究對(duì)于公路路基路面設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量控制等都具有十分重要的作用和實(shí)際意義。

1 PFWD的測(cè)試原理及檢測(cè)分析

便攜式落錘彎沉儀(PortableFallingWeightDeflectometer)簡(jiǎn)稱PFWD,是一種動(dòng)力試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備,可獲得路基的動(dòng)彈性模量。PFWD檢測(cè)流程如圖1。

圖1 PFWD檢測(cè)流程圖

路基是彈塑性體,其本構(gòu)關(guān)系呈非線性。PFWD作用于路基表面時(shí),由于PFWD沖擊力較小,作用時(shí)間很短,只有20ms,得到的荷載與變形關(guān)系近似線彈性。因此,可以采用彈性理論分析路基在PFWD荷載作用下的應(yīng)力與位移。承載板屬靜載試驗(yàn),而PFWD檢測(cè)是動(dòng)載試驗(yàn),兩者的性質(zhì)不相同?？蓪⒙坊暈閺椥园肟臻g體。同時(shí),PFWD直接以剛性底盤作用于路基表面,以落錘沖擊底盤獲得荷載,所以用PFWD測(cè)定路基回彈模量時(shí),理論模型可采用剛性承載板下的彈性半空間體模型。圖 2為剛性承載板下彈性半空間結(jié)構(gòu)受力。

圖2 剛性承載板下彈性半空間結(jié)構(gòu)受力圖

PFWD測(cè)定路基回彈模量所取的變形值即為表面中心處的垂直位移值,所以理論公式可由公式 1表示。

在實(shí)際測(cè)定路基回彈模量時(shí),還要具體考慮式(1)中各參數(shù)的單位。上述式中,p為實(shí)測(cè)的承載板壓力,kPa;a為承載板半徑,現(xiàn)場(chǎng)通常采用半徑為 15cm的承載板,室內(nèi)一般采用直徑為5cm的承載板;μ為泊松系數(shù),對(duì)于路基土取μ=0.35;l為實(shí)測(cè)的承載板中心彎沉,μm;Ep為路基回彈模量,MPa。

2 路基情況

對(duì)京珠高速?gòu)?fù)線湖南段衡陽(yáng)至桂陽(yáng)高速公路(以下簡(jiǎn)稱“衡桂高速”)有代表性的 3組巖樣進(jìn)行了巖石礦物分析,紅砂巖的巖礦成分分析結(jié)果匯總見(jiàn)表 1。另外通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得它的液限是28.2%,塑限是20.9%。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得它的最大干密度為2.14g/cm3,最佳含水量為8.84%。紅砂巖屬于中生代白至紀(jì)(K)的沉積巖,通過(guò)偏光顯微鏡和電子顯微鏡觀察,紅砂巖呈孔隙式膠結(jié),顆粒支撐,膠結(jié)物以泥質(zhì)為主,鐵質(zhì)次之,有大量勃土雜質(zhì)充填。鐵質(zhì)在紅砂巖中大多數(shù)是以浸染物的形式存在,因此對(duì)紅砂巖的工程性質(zhì)影響很小。此外,紅砂巖與其它一般石英質(zhì)砂巖相比,可以明顯看出紅砂巖孔隙率較高,且有不少大孔。

從紅砂巖的礦物成分分析結(jié)果可知,紅砂巖含有勃土礦物——膨潤(rùn)土,是導(dǎo)致其遇水膨脹、變軟、風(fēng)化的主要原因。膨潤(rùn)土也叫斑脫巖或膨土巖,它最早發(fā)現(xiàn)于美國(guó)的懷俄明州的古地層中,為黃綠色的勃土,因加水膨脹成糊狀,后來(lái)就把這種性質(zhì)的勃土統(tǒng)稱為膨潤(rùn)土。膨潤(rùn)土的主要礦物成分是蒙脫石,含量在 80%～90%,另含有少量長(zhǎng)石、石英、貝得石、方解石及火山玻璃。紅砂巖的松散的微觀結(jié)構(gòu)及所含勃土礦物,是影響其工程性質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)和內(nèi)在原因。

表1 紅砂巖的礦物成分及其含量

對(duì)紅砂巖的在飽水狀態(tài)、自然狀態(tài)和干燥狀態(tài)三種情況下分別進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),得到三種狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度的平均值分別為9.5MPa,16.3MPa和38.0MPa。紅砂巖的強(qiáng)度隨含水率的增大而減小,且減小的幅度比較大。在干燥狀態(tài)下紅砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度大約是自然狀態(tài)下的2.5倍,而飽水狀態(tài)下紅砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度大約是自然狀態(tài)下的強(qiáng)度 60。所以其并不是一種良好的路基填料,若作為路基填料應(yīng)嚴(yán)格控制壓實(shí)。

3 紅砂巖回彈模量PFWD現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)

我們通過(guò)使用PFWD、現(xiàn)場(chǎng)承載板、BB梁三種檢測(cè)方法對(duì)京珠高速?gòu)?fù)線湖南段衡陽(yáng)至桂陽(yáng)高速公路 1,2,3段的動(dòng)回彈模量,靜回彈模量以及彎沉進(jìn)行了檢測(cè),所得檢測(cè)結(jié)果列于表 2中。

表2 紅砂巖路基回彈模量值

表中的PFWD所測(cè)模量是根據(jù)式 1計(jì)算所得。貝克曼梁反算模量 E1是根據(jù)公式 1計(jì)算得到的。貝克曼梁反算模量E1是根據(jù)下面的公式(2)計(jì)算得到的

式中:E1為計(jì)算的土基回彈模量,MPa;p為測(cè)定的車輪平均垂直單位壓力,MPa;r為測(cè)定用標(biāo)準(zhǔn)車雙圓荷載單輪傳面當(dāng)量圓的半徑,cm;μ為測(cè)定層材料泊松比,根據(jù)部頒路面設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定取用;K為彎沉系數(shù),為0.712;S為回彈彎沉測(cè)定值標(biāo)準(zhǔn)差,0.01mm;Lr為計(jì)算代表彎沉。

現(xiàn)場(chǎng)承載板所得的模量E0根據(jù)下面的公式(3)得出

式中:E0為土基回彈模量,MPa;μ0為泊松比,根據(jù)部頒路面設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定取用,一般可取0.35;Pi為作用于Li的各級(jí)壓力值,MPa;Li為結(jié)束實(shí)驗(yàn)前的各級(jí)計(jì)算回彈變形值,cm。

從表 2可以看出現(xiàn)場(chǎng)承載板所測(cè)的模量值是最大的, PFWD所測(cè)值是最小的。對(duì)動(dòng)回彈模量Ep,靜回彈模量 E0以及通過(guò)彎沉 l得到的反算模量E1進(jìn)行對(duì)比分析見(jiàn)圖 2,可以發(fā)現(xiàn)三者趨勢(shì)基本相似,證明了三種方法都可以較好的檢測(cè)路基回彈模量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所得檢測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)動(dòng)回彈模量和靜回彈模量進(jìn)行回歸分析。經(jīng)分析,紅砂巖在不同模型下的回歸公式及相關(guān)系數(shù)列如表 3中。

圖3 紅砂巖靜回彈模量E0、動(dòng)回彈模量Ep以及反算模量E1對(duì)比圖

表3 紅砂巖動(dòng)靜模量不同模型下的回歸公式及相關(guān)系數(shù)

從上表可以看出乘冪模型的相關(guān)系數(shù)是最高的,達(dá)到了0.922,而其它三種模型的相關(guān)系數(shù)要低一些。因此采用乘冪模型來(lái)進(jìn)行回歸分析是最好的。若采用線性模型來(lái)分析動(dòng)靜回彈模量的關(guān)系則存在一定的局限性,因?yàn)榫€性模型存在一截距,若動(dòng)模量為零時(shí),靜模量還是有值存在。另外由于四種回歸模型的相關(guān)系數(shù)都在0.91以上。表明PFWD所測(cè)得的動(dòng)回彈模量與現(xiàn)場(chǎng)承載板所測(cè)得的靜回彈模量之間存在著很好的相關(guān)性。而 a,b系數(shù)則與所測(cè)數(shù)據(jù)的多少有很大關(guān)系,數(shù)據(jù)越多則得到的關(guān)系越準(zhǔn)確。

4 路基回彈模量與壓實(shí)度和稠度的相關(guān)性分析

對(duì)衡桂高速 1,2,3段進(jìn)行了壓實(shí)度試驗(yàn)所得結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 紅沙巖壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果及模量結(jié)果

經(jīng)回歸分析紅砂巖的模量與壓實(shí)度和稠度的關(guān)系如下

從式(4)和式(5)可以看出,相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.7,表明個(gè)模量與壓實(shí)度和稠度(含水量)之間的相關(guān)性較好。理論上隨著壓實(shí)度的提高,路基回彈模量值也增加,而隨著含水量的變大或稠度減小,路基回彈模量值是減小的,即路基模量與壓實(shí)度和稠度呈正比例而與含水量呈反比例,式(4)和式(5)顯示回歸結(jié)果均與理論規(guī)律基本一致。

5 紅砂巖路基回彈模量合理取值

對(duì)于用紅砂巖的填土路基的回彈模量值,由于受含水量影響較大從且土質(zhì)本身不太穩(wěn)定而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果,考慮一定的安全富余,建議參考值如表 5:

表5 紅砂巖路基回彈模量合理取值范圍

通過(guò)PFWD、現(xiàn)場(chǎng)承載板及貝克曼梁三種方法對(duì)京珠高速?gòu)?fù)線湖南段衡陽(yáng)至桂陽(yáng)高速公路上紅砂巖路基的典型地段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)回彈模量檢測(cè)。通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析得到如下結(jié)論。

(1)紅砂巖遇水膨脹、變軟、風(fēng)化,孔隙率較高,并不是一種好的填料。且路基回彈模量變異性較大,所以工程實(shí)踐中,應(yīng)采取相應(yīng)措施,改良紅砂巖路基的性能,保證紅砂巖路基強(qiáng)度處于合理范圍內(nèi),對(duì)紅砂巖路基的壓實(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制。

(2)PFWD法、現(xiàn)場(chǎng)承載板法及貝克曼梁法測(cè)定的紅砂巖路基回彈模量相互之間的相關(guān)性良好,表明三種方法都可以有效評(píng)價(jià)紅砂巖路基的回彈模量;通過(guò)采用線性模型、對(duì)數(shù)模型、乘冪模型和指數(shù)模型四種回歸模型對(duì)動(dòng)靜模量、動(dòng)模量與彎沉及靜模量與彎沉的回歸分析,可以看出都是乘冪模型的相關(guān)性最好。因此,應(yīng)采用乘冪模型來(lái)進(jìn)行回歸。另外路基模量與壓實(shí)度和稠度呈正比例而與含水量呈反比例。

(3)考慮一定的安全富余得到衡桂高速紅砂巖路基回彈模量的合理取值范圍是32～54MPa。

總之,PFWD不僅是一種路基回彈模量快速檢測(cè)設(shè)備,而且也是一種路基施工質(zhì)量控制的快速檢測(cè)設(shè)備,其檢測(cè)結(jié)果可為路面設(shè)計(jì)和施工控制提供科學(xué)合理的依據(jù)。

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