胡雪瑞, 劉瑞斌, 姚愛(ài)玲, 王亞奇, 杜金鵬

(1.山西路橋集團(tuán)， 山西 太原 030006; 2.特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064; 3.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司, 甘肅 蘭州 730030; 4.陜西高速集團(tuán), 陜西, 西安 710065)

DCP法快速檢測(cè)低填淺挖路基天然地基承載力的試驗(yàn)研究

胡雪瑞1, 劉瑞斌1, 姚愛(ài)玲2, 王亞奇3, 杜金鵬4

(1.山西路橋集團(tuán)， 山西 太原 030006; 2.特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064; 3.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司, 甘肅 蘭州 730030; 4.陜西高速集團(tuán), 陜西, 西安 710065)

低填淺挖路基需要了解原地基的承載力以及壓實(shí)狀況，承載板法用于測(cè)試地基的承載力不具備測(cè)試條件，因而尋找快速測(cè)試地基承載力的方法很有必要。以原神高速公路原平段的低填淺挖段路基為研究對(duì)象，在天然地基表面進(jìn)行了DCP、承載板、貝克曼梁、壓實(shí)度檢測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立了DCP的貫入度與回彈模量、彎沉值、壓實(shí)度等指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系式。結(jié)果表明，DCP方法檢測(cè)的貫入度與回彈模量之間相關(guān)系數(shù)大于82%，回彈模量與回彈彎沉值之間的相關(guān)系數(shù)大于87%?？梢圆捎肈CP試驗(yàn)快速檢測(cè)結(jié)果反映天然地基的回彈模量值的大小。

路基; 天然地基; DCP試驗(yàn)； 回彈模量； 現(xiàn)場(chǎng)承載板試驗(yàn)

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50 — 2006)[1]推薦采用現(xiàn)場(chǎng)承載板試驗(yàn)和貝克曼梁試驗(yàn)作為檢測(cè)路基現(xiàn)場(chǎng)回彈模量的方法，但是兩種測(cè)試方法都需要承載車(chē)，并且都需要較多的人力，而天然地基并不具備承載車(chē)的行駛條件，所以這兩種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法都不適用于天然地基回彈模量的快速檢測(cè)。天然地基特殊的工作環(huán)境要求試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、檢測(cè)方便、快速等特點(diǎn)，而動(dòng)力錐貫入儀(DCP)因其試驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單、攜帶方便、不受場(chǎng)地限制等優(yōu)點(diǎn)，相較其他測(cè)試方法更適合于天然地基的測(cè)試[2]。

1 測(cè)試方法簡(jiǎn)介

1.1 DCP法

動(dòng)力錐貫入儀(Dynamic Cone Penetrometer，簡(jiǎn)寫(xiě)DCP)(圖1)是一種小型輕便的地基土原位測(cè)試儀器，美國(guó)有些州已經(jīng)將該試驗(yàn)用于路基回彈模量和壓實(shí)性等的檢測(cè)，在國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用廣泛，南非已將貫入值作為路面設(shè)計(jì)的參數(shù)之一[3]。國(guó)內(nèi)在2008年正式將動(dòng)力錐貫入儀寫(xiě)入到《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60 — 2008)[4]中，但在我國(guó)應(yīng)用仍然很少，處于引入和初級(jí)應(yīng)用階段，只有少數(shù)的幾條公路比如：滬寧[5]、太澳、唐津高速等采用DCP來(lái)檢測(cè)路基壓實(shí)度和強(qiáng)度，目前開(kāi)展DCP試驗(yàn)研究較少，還未受到足夠的重視。并且《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60 — 2008)中對(duì)DCP試驗(yàn)的介紹、規(guī)定也很簡(jiǎn)單，操作性和實(shí)用性都不夠強(qiáng)[6]。由于目前中國(guó)的公路事業(yè)仍處于大規(guī)模的修建期，因此DCP快速檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用前景很是開(kāi)闊。

圖1 動(dòng)力錐結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)力錐貫入儀(DCP)試驗(yàn)是利用一定的錘擊能量，將某一規(guī)格的圓錐探頭擊入土中，根據(jù)探頭被擊入土中的難易程度(貫入阻力或貫入度等)來(lái)判別土體性質(zhì)的一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法[7]。

DCP試驗(yàn)檢測(cè)的步驟如下：

1) 將DCP放置測(cè)點(diǎn)位置，一人手扶儀器手柄，使探桿保持豎直，一人提起落錘至導(dǎo)向桿頂端，然后松開(kāi)，使之成自由落體下落。如果試驗(yàn)中探桿稍有傾斜，不可扶正；如果傾斜較大，造成落錘不是自由落體，則該試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)廢棄。

2) 讀取貫入深度。每貫入約10 mm讀一次數(shù)，記錄錘擊數(shù)和貫入量(mm)。

注：粒料類(lèi)基層，可能每5～10次錘擊讀數(shù)一次；對(duì)于比較松軟的結(jié)構(gòu)層，可能1～2次錘擊讀數(shù)一次。

3) 連續(xù)錘擊、測(cè)量，直至需要的結(jié)構(gòu)層深度。當(dāng)材料層堅(jiān)硬，貫入量連續(xù)錘擊10次而無(wú)變化時(shí)，可以停止試驗(yàn)或鉆孔通過(guò)后繼續(xù)試驗(yàn)。

4) 將落錘移走，從探坑中取走DCP儀器。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表明，DCP貫入度Dd與回彈模量E0、CBR值等存在著良好的相關(guān)關(guān)系式，統(tǒng)計(jì)回歸關(guān)系一般采用乘冪函數(shù)進(jìn)行擬合[8]，這樣不僅在保證回歸關(guān)系式具有較高的相關(guān)系數(shù)的同時(shí)，也使得關(guān)系式形式簡(jiǎn)單明了，使用方便。即采用下式形式：

y=a·xb

(1)

式中:y為回歸關(guān)系的因變量，即回彈模量，MPa；x為回歸關(guān)系式的自變量，即DCP試驗(yàn)的貫入度Dd，mm/錘；a和b為回歸系數(shù)。

試驗(yàn)段DCP試驗(yàn)采用錘重為10 kg，落距為57.5 cm的貫入儀，測(cè)深為80 cm。

1.2 彎沉儀法(輪法)測(cè)試回彈模量

回彈彎沉值是指在標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ — 100作用下路基或路面產(chǎn)生的垂直回彈變形值，通過(guò)回彈彎沉值可以算出路基的回彈模量。測(cè)出每點(diǎn)的回彈彎沉值后，按照式(2)計(jì)算路基的回彈模量E0:

(2)

式中:E0為路基回彈模量,MPa；L為回彈彎沉測(cè)定值(0.01 mm)；p為測(cè)定車(chē)車(chē)輪的垂直荷載,MPa；δ為測(cè)定車(chē)雙圓荷載單輪傳壓面的當(dāng)量圓半徑,cm；μ為路基土的泊松比；a為彎沉系數(shù)，取0.712。

試驗(yàn)段采用3.6 m的貝克曼梁儀、后軸重為BZZ — 100的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)進(jìn)行天然地基回彈模量的檢測(cè)。

1.3 承載板法(板法)測(cè)試回彈模量

本方法適用于成型平整的路基表面，是一種通過(guò)剛性承載板對(duì)路基逐級(jí)進(jìn)行加載、卸載的測(cè)試方法，測(cè)出每級(jí)荷載作用下對(duì)應(yīng)的回彈變形，然后根據(jù)彈性半空間體模型計(jì)算出路基的回彈模量。

路基回彈模量E0公式為：

(3)

式中：E0為路基回彈模量,MPa；μ為土的泊松比，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定取用，一般取為0.35；D為承載板直徑30 cm；pi為承載板壓力,MPa；li為相對(duì)于荷載時(shí)的路基回彈變形量,cm。

試驗(yàn)段采用直徑為30 cm、板厚為2 cm的剛性承載板進(jìn)行回彈模量的檢測(cè)，控制變形為1 mm之內(nèi)，加載級(jí)數(shù)取6～7級(jí)。

1.4 壓實(shí)度檢測(cè)方法

壓實(shí)度與含水率試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，壓實(shí)度采用灌砂法，含水率采用烘干法。具體測(cè)試方法見(jiàn)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60 — 2008)。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的布置

為了檢驗(yàn)用DCP試驗(yàn)貫入度Dd反映天然地基回彈模量的可行性與可靠性，依托原神高速公路原平段路基工程，在天然地基表面進(jìn)行DCP試驗(yàn)，并在同一點(diǎn)做了現(xiàn)場(chǎng)承載板試驗(yàn)、貝克曼梁試驗(yàn)、壓實(shí)度和含水率試驗(yàn)等。

試驗(yàn)段選在原神高速K0+420～K2+400段，該段路表起伏不大，屬于低填淺挖路段?，F(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)(采用重型Ⅱ — 1擊實(shí)方法)和土的液塑限試驗(yàn)(通過(guò)液塑限聯(lián)合測(cè)定儀法)，得到土的最大干密度為1.83 g/cm3、最佳含水率為13.8%，液限為30%，塑限為18%；由于天然地基表面平整不一，土質(zhì)疏松，不利于試驗(yàn)車(chē)的行駛和相關(guān)試驗(yàn)的進(jìn)行，所以需對(duì)天然地基稍作處理，包括整平和碾壓，碾壓采用輕型非震動(dòng)壓路機(jī)，碾壓一遍即可，這樣即可保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，又不會(huì)對(duì)天然地基的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生過(guò)大影響。

所有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”一一對(duì)應(yīng)的原則，即原則上各試驗(yàn)都應(yīng)在同一測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性，但是考慮到某些試驗(yàn)對(duì)土體有破壞或壓密的作用，會(huì)對(duì)接下來(lái)的試驗(yàn)產(chǎn)生影響，所以接下來(lái)的試驗(yàn)選在上述測(cè)點(diǎn)的附近。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與相關(guān)性分析

將所做試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總于表1中。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總測(cè)點(diǎn)序號(hào)回彈模量/MPa彎沉值/(0.01mm)壓實(shí)度K/%含水率/%DCP貫入度/(mm·錘擊-1)175.517078.67.1310.06299.010488.87.813.95363.722879.97.2315.43468.117681.710.5213.03565.722675.45.7511.06660.217676.87.149.947104.39497.310.063.43850.033683.321.4918.02976.413686.710.777.111090.012692.211.7310.001178.113086.010.908.481285.111487.210.826.711344.527680.214.1113.321438.627277.616.7519.981553.423677.411.4514.611650.326689.415.5413.431740.529469.910.2421.311853.426080.112.6616.451953.929689.015.4414.162055.527275.210.9212.432159.623682.912.4810.16

3.1 現(xiàn)場(chǎng)DCP試驗(yàn)所測(cè)貫入度Dd與現(xiàn)場(chǎng)承載板所測(cè)回彈模量E的回歸關(guān)系式

根據(jù)采用《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60 — 2008)規(guī)定的現(xiàn)場(chǎng)承載板法測(cè)得的天然地基回彈模量值，建立與用DCP貫入試驗(yàn)測(cè)得的貫入度Dd之間的相關(guān)關(guān)系式，關(guān)系曲線圖見(jiàn)圖2。

圖2 貫入度Dd與回彈模量E相關(guān)關(guān)系圖

由圖2可以看出，承載板所測(cè)回彈模量E與DCP試驗(yàn)所測(cè)貫入度Dd呈現(xiàn)反比的關(guān)系。當(dāng)Dd從7 mm/錘到13 mm/錘時(shí)，回彈模量值從85.1 MPa下降到50.3 MPa，下降幅度為41%。剔除異常點(diǎn)，其回歸關(guān)系式具體如下：

(4)

式中：E為承載板所測(cè)回彈模量值,MPa;Dd為貫入度,mm/錘。

可以看出: 回歸關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.8288，相關(guān)性良好，所以，用DCP貫入試驗(yàn)可以較準(zhǔn)確地反映天然地基回彈模量的大小。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)承載板試驗(yàn)與貝克曼梁試驗(yàn)之間的相關(guān)關(guān)系

將貝克曼梁法(即： 輪法)所測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)承載板法(即：板法)所測(cè)結(jié)果做對(duì)比，見(jiàn)表2。

由表2可看出: 輪法所測(cè)結(jié)果較板法所測(cè)結(jié)果普遍偏小，而板法測(cè)路基回彈模量更具準(zhǔn)確性。彎沉實(shí)測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)承載板所測(cè)回彈模量間可用乘冪函數(shù)進(jìn)行擬合，曲線圖如圖3所示。

回歸關(guān)系式如下：

(5)

相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8776，相關(guān)性良好，因此，該地區(qū)該土質(zhì)采用貝克曼梁法測(cè)回彈模量時(shí)，采用式(5)的計(jì)算結(jié)果比理論公式計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

3.3 DCP試驗(yàn)與含水率和壓實(shí)度之間的相關(guān)關(guān)系

DCP貫入試驗(yàn)的工作原理是使錐頭貫入土層，使土體發(fā)生豎向剪切破壞，所以貫入度Dd與土體的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，而土體的抗剪強(qiáng)度受到土體內(nèi)部的內(nèi)摩阻力和粘聚力的影響。土體的壓實(shí)使得土體內(nèi)部的土顆粒更加密實(shí)，嵌擠作用更明顯，形成結(jié)構(gòu)更強(qiáng)的骨架結(jié)構(gòu)，使得土體的內(nèi)摩阻力增加，提高土體的抗剪切破壞的能力，所以土體的壓實(shí)度越高，相應(yīng)的貫入度Dd越?。欢馏w中的水分，不但會(huì)影響土顆粒間的密實(shí)性，還會(huì)影響土體粘聚力的大小，并且DCP貫入儀在貫入的過(guò)程中，土體中的水對(duì)貫入過(guò)程起到一定的潤(rùn)滑作用，所以，DCP貫入試驗(yàn)的貫入度Dd會(huì)隨著土體中含水率的增大而增大。因此，進(jìn)行DCP試驗(yàn)的貫入度Dd與土體壓實(shí)度K和含水率w之間的相關(guān)性分析，得到如下結(jié)果：

表2 輪法與板法所測(cè)結(jié)果對(duì)比序號(hào)輪法所測(cè)彎沉值/(0.01mm)輪法所測(cè)回彈模量/MPa板法所測(cè)回彈模量/MPa117054.875.5210489.699.0322840.963.7417652.968.1522641.265.7617652.960.279487.9104.3833627.750.0913668.576.41012673.990.01113071.778.11211481.785.11327633.844.51427234.238.61523639.553.41626635.050.31729431.740.51826035.853.41929631.553.92027234.255.52123639.559.6

圖3 板法所測(cè)回彈模量與彎沉值相關(guān)關(guān)系圖

Dd=0.578K-4.672w0.852(n=21，R2= 0.737)

(6)

式中:Dd為貫入度，mm/錘；K為土體的壓實(shí)度；w為土體的含水率。

相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.737，因此DCP試驗(yàn)的貫入度Dd與土體壓實(shí)度K和含水率w之間相關(guān)性比較好，貫入度可以反映土體壓實(shí)效果的大小，將式(6)做如下轉(zhuǎn)換可得：

(7)

由式(7)可以看出根據(jù)DCP試驗(yàn)所測(cè)貫入度Dd并考慮含水率就能反映壓實(shí)度的大小，相比灌砂法，DCP更簡(jiǎn)便、更快捷、更適合于大量檢測(cè)，因此DCP在檢測(cè)路基壓實(shí)度方面也有很廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

本論文在依托工程的天然地基表面現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)測(cè)點(diǎn)，在同一測(cè)點(diǎn)分別做DCP貫入試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)承載板試驗(yàn)、貝克曼梁試驗(yàn)和壓實(shí)度檢測(cè)等試驗(yàn)，得出如下主要結(jié)論：

1)DCP試驗(yàn)貫入度Dd與承載板所測(cè)回彈模量E之間存在著良好的乘冪關(guān)系，并且呈現(xiàn)反比的關(guān)系，關(guān)系式如下：

由于相關(guān)關(guān)系良好，DCP試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量快速、不受場(chǎng)地限制等優(yōu)點(diǎn)，可以采用DCP試驗(yàn)快速檢測(cè)天然地基回彈模量的大小。

2) 在該地區(qū)，用輪法所測(cè)回彈模量值較板法所測(cè)回彈模量值偏小，相比理論公式，如下回歸關(guān)系式更適用于該地區(qū)。

3) DCP試驗(yàn)與土基壓實(shí)度和含水率間存在著良好的二元回歸關(guān)系，DCP試驗(yàn)所測(cè)貫入度結(jié)合土基含水率就能反映土基壓實(shí)度的大小，關(guān)系式如下：

相比承載板法、灌砂法，DCP更簡(jiǎn)便、更快捷、更適合于大量檢測(cè)，因此DCP在檢測(cè)路基的承載力以及壓實(shí)度方面也有很廣闊的應(yīng)用前景。

[1] JTG D50 — 2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2] 王定敏．基于DCP的路基壓實(shí)度及承載能力評(píng)定 [J]．公路工程，2011,36(1):109-111.

[3] 趙瑋，何淼，劉軍．動(dòng)力錐貫入法在路基施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用[J]．道路工程，2013(3):102-105.

[4] JTG E60 — 2008，公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程[S]．[5] 郭濤，何森.動(dòng)力錐貫入儀DCP在路基拼接重點(diǎn)應(yīng)用研究[J]．公路交通科技，2009(2):114-117.

[6] 姜景山．動(dòng)力錐貫入儀在路基檢測(cè)中的應(yīng)用綜述[J].路基工程，2011(6)：136-140.

[7] 徐超，石振明，高彥斌，等．巖土工程原位測(cè)試[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2005.

[8] 長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)安大學(xué)．路基回彈模量試驗(yàn)測(cè)試方法研究[R].長(zhǎng)沙: 長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 2004.

2016-09-18

胡雪瑞( 1977-) ，男，高級(jí)工程師，主要從事工程項(xiàng)目管理工作。

1008-844X(2017)01-0006-04

U 416.1

A