俞先江，馬圣昊，王 正，王宏偉

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210014)

手持式落錘彎沉儀在路基壓實(shí)度檢測和評價(jià)中的應(yīng)用

俞先江，馬圣昊，王 正，王宏偉

(江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210014)

通過宿揚(yáng)高速公路路基施工中進(jìn)行Evd試驗(yàn)、施工現(xiàn)場灌砂法測量壓實(shí)度，確定了Evd與路基土壓實(shí)度的經(jīng)驗(yàn)公式相關(guān)系數(shù)，然后通過現(xiàn)場壓實(shí)度測試進(jìn)行了驗(yàn)證，給出了使用Evd進(jìn)行路基施工控制的推薦值。

手持式落錘彎沉儀；路基壓實(shí)度；經(jīng)驗(yàn)公式；現(xiàn)場測試方法；評價(jià)指標(biāo)

1 便攜式落錘彎沉儀

便攜式落錘彎沉儀(Portable Falling Weight Deflectometer，簡稱 PFWD)是一種能夠?qū)β坊偷鼗休d能力進(jìn)行檢測的新型儀器。該儀器測試時(shí)間短，測試精度好。它由加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)三部分組成。

加載系統(tǒng)包括垂直導(dǎo)桿、鎖閉裝置、橡膠墊塊和落錘等，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括由位移傳感器和壓力傳感器等采集設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)據(jù)傳輸裝置和數(shù)據(jù)處理軟件等組成。

路基土屬于彈塑形體，在受到外部荷載的作用下，會產(chǎn)生彈性變形和塑形變形，變形的本構(gòu)關(guān)系為非線性，但如果落錘沖擊作用時(shí)間很短時(shí)，可以認(rèn)為路基內(nèi)的塑形變形還未發(fā)生時(shí)，荷載已經(jīng)卸除，在整個(gè)變形過程中，只有彈性變形過程，無塑形變形過程，因此可以采用線彈性理論分析測試結(jié)果，得到的路基模量值認(rèn)為是路基回彈模量值。

2 手持式落錘彎沉儀試驗(yàn)理論分析

PFWD的基本原理為，通過將某一重量的落錘提升至某一高度，然后沿導(dǎo)桿垂直下落，落錘沖擊下方的承載板和底座，在落錘的沖擊荷載下，路基表面會產(chǎn)生向下的豎向位移，通過位于儀器底部承載板上的壓力傳感器和位移傳感器就可以得到整個(gè)下落過程中的瞬時(shí)荷載和瞬時(shí)位移，通過儀器內(nèi)部的軟件處理后，即可以根據(jù)荷載和位移的峰值來確定路基的動態(tài)回彈模量Evd(MN/m2)值。

承載板試驗(yàn)屬于靜載試驗(yàn)，而PFWD試驗(yàn)屬于動載試驗(yàn)，兩者性質(zhì)不同，對于這個(gè)問題已經(jīng)通過理論分析和比較證明了無論是承載板試驗(yàn)還是PFWD試驗(yàn)都可以采用彈性層狀體系來分析，誤差在容許范圍內(nèi)，因此將路基看作彈性半空間體。由于PFWD以承載板作用于路基表面，用落錘豎向垂直荷載做為沖擊荷載，因此用PFWD測定動態(tài)回彈模量，采用理論模型為剛性承載版下的彈性半空間體模型，圖1為圓形垂直剛性荷載下的路基受力圖。

圖1 剛性承載板下彈性半空間體受力圖

剛性圓形承載板下作用下彈性半空間體內(nèi)任一點(diǎn)的豎向位移表達(dá)式如下式所示：

(1)

式中：w為路基內(nèi)部任意一點(diǎn)的位移，μm；r、z分別為徑向和豎向坐標(biāo)，cm；δ和p分別為承載板半徑(cm)和承載板上荷載的平均壓力，MPa；E為路基回彈模量，MPa；μ為土的泊松系數(shù)，土的泊松系數(shù)為0.35；J0為0階貝塞爾函數(shù)；x為積分變量。

對于路基頂面承載板中心位置處，把r=0，z=0帶入上式，即為路基表面的垂直位移(路基表面彎沉)

(2)

將PFWD測的的應(yīng)力最大值p及最大彎沉值l帶入公式中即可以得到路基模量Ep為

(3)

3 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果

3.1 路基土物理性質(zhì)

本文試驗(yàn)依托于江蘇省宿揚(yáng)高速建設(shè)項(xiàng)目，在宿揚(yáng)高速泗洪段，路基填料主要為黏性土，路床96區(qū)摻灰量為7%，壓實(shí)度要求不低于96%。為了研究PFWD在檢測路基土壓實(shí)效果上的應(yīng)用，在2016年7月到8月對該段道路96區(qū)填土進(jìn)行了路基壓實(shí)狀況和變形模量的關(guān)系檢測。

首先對試驗(yàn)所用的土的物理性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，所選土樣主要來自于3#取土坑，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)對所選土樣進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)和土的擊實(shí)試驗(yàn)。

表1 土的主要物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 土的篩分試驗(yàn)結(jié)果

表3 不同灰劑量土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 灌砂法測壓實(shí)度與Evd對比試驗(yàn)方法

灌砂法測壓實(shí)度與Evd測試的布置方法，為了盡量減小Evd測試過程對該路基的二次壓實(shí)影響，路基施工過程碾壓時(shí)都是采取縱向碾壓，碾壓一遍之后，采取一次移動1/3～1/2輪的方式，因此可以認(rèn)為在一條縱向碾壓帶上，不同位置所受到的壓實(shí)功是一樣的，排除土質(zhì)均勻性的影響，而由于碾壓之前充分的翻拌，在相鄰位置土的均勻性也認(rèn)為是一致的，因此Evd測試時(shí)采取縱向布設(shè)間隔0.5～1 m，縱向測試5個(gè)點(diǎn)，參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》采取誤差分析指標(biāo)變異系數(shù)進(jìn)行分析，即在平行試驗(yàn)中，變異系數(shù)≤12%視為有效。在任意Evd兩測點(diǎn)中間位置進(jìn)行灌砂法測量壓實(shí)度試驗(yàn)。

3.3 現(xiàn)場試驗(yàn)

首先在在路基施工期間進(jìn)行壓實(shí)度和Evd試驗(yàn)，現(xiàn)場96區(qū)路基填筑完成之后，采取了兩種不同的碾壓方式。

(1)碾壓5遍(其中振動壓實(shí)3遍，靜壓2遍)下稱3+2模式。

(2)碾壓5遍(其中振動壓實(shí)2遍，靜壓3遍)下稱2+3模式。

在Evd試驗(yàn)中，對于第一種碾壓方式，采取的檢測手段為振動壓實(shí)3遍后，進(jìn)行一次測試，靜壓一遍后進(jìn)行第二次測試，全部靜壓完成后進(jìn)行第三次測試。第二種碾壓方式下，振動壓實(shí)2遍后進(jìn)行一次檢測，靜壓第一遍之后進(jìn)行第二次檢測，靜壓第二遍后進(jìn)行第三次檢測，全部碾壓完成后進(jìn)行第四次檢測。每次進(jìn)行檢測都采用2.2的方式分別進(jìn)行Evd和灌沙法壓實(shí)度檢測。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

表4 第1種碾壓方式Evd試驗(yàn)結(jié)果

表5 第1種碾壓方式壓實(shí)度檢測結(jié)果

表6 第2種碾壓方式Evd試驗(yàn)結(jié)果

表7 第2種碾壓方式壓實(shí)度檢測結(jié)果

采用4種模型對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：

(1)y=ax+b；(2)y=aln(x)+b；

(3)y=axb；(4)y=aebx

式中：y為壓實(shí)度，%；x為動態(tài)回彈模量Evd。

第二種碾壓方式回歸分析結(jié)果：

根據(jù)回歸分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：第一種碾壓方式下(2)公式的相關(guān)系數(shù)最高為0.777。將壓實(shí)度控制指標(biāo)96帶入回歸公式y(tǒng)=10.544ln(x)+45.67可得到Evd(96)=107.6。

在第二種碾壓方式下(1)公式的相關(guān)系數(shù)較高為0.996 6，帶入兩個(gè)公式y(tǒng)=0.0 821x+87.851得到Evd(96)=99.3。

兩個(gè)碾壓方式的試驗(yàn)結(jié)論合并回歸分析發(fā)現(xiàn)(1)公式下的回歸系數(shù)最高為0.730 9，將壓實(shí)度控制指標(biāo)96帶入回歸公式y(tǒng)=0.076 4x+87.78可以得到Evd(96)=107.6。

3.4 試驗(yàn)段驗(yàn)證

對于該路段隨機(jī)抽取了幾處進(jìn)行了Evd和壓實(shí)度試驗(yàn)，用于對上述試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。驗(yàn)證段落的檢測結(jié)果見表8。

表8 驗(yàn)證結(jié)果

使用三個(gè)不同值進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)如果使用99.3做為合格標(biāo)準(zhǔn)，檢測正確為6點(diǎn)錯(cuò)位為2點(diǎn)，檢測正確率為75%。

使用107.6作為合格標(biāo)準(zhǔn)，檢測正確點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)錯(cuò)誤為0點(diǎn)，合格率100%。

從試驗(yàn)檢測的角度出發(fā)，也應(yīng)該使用較大值為合格標(biāo)準(zhǔn)因此認(rèn)為該路段96區(qū)壓實(shí)度的合格標(biāo)準(zhǔn)為Evd值>107.6。

4 結(jié)論與結(jié)語

(1)本文通過現(xiàn)場壓實(shí)過程中的試驗(yàn)，分析了路基動態(tài)回彈模量Evd與壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明針對高液限黏性土，Evd與壓實(shí)度有很好的相關(guān)關(guān)系，在一定范圍內(nèi)可以適用線型回歸模型。

(2)通過驗(yàn)證試驗(yàn)表明，通過進(jìn)行施工過程中的灌砂法壓實(shí)度與Evd的試驗(yàn)得到的壓實(shí)度與Evd的相關(guān)關(guān)系，采用動態(tài)回彈模量來檢測路基壓實(shí)度是可行的，具有方便快捷的優(yōu)勢，既能滿足精度要求，又能加大檢測密度進(jìn)行大范圍無損檢測。

(3)現(xiàn)場壓實(shí)質(zhì)量檢測中，宜采用雙控的方法，首先通過手持式落錘彎沉儀的方法對路基段落的壓實(shí)度進(jìn)行大范圍的檢測如果全部合格，可以認(rèn)為該段落壓實(shí)度合格，如果有不滿足的薄弱點(diǎn)再對單點(diǎn)進(jìn)行灌砂法壓實(shí)度檢測，作為判斷該段壓實(shí)程度的依據(jù)。

(4)在應(yīng)用Evd檢測路基壓實(shí)度的過程中，路基動態(tài)回彈模量Evd與壓實(shí)度的關(guān)系模型的確定是最重要的環(huán)節(jié)，它是實(shí)際工程中測定路基壓實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)，只有首先確定了動態(tài)回彈模量Evd與壓實(shí)度的關(guān)系模型，才能在工程實(shí)測中實(shí)現(xiàn)路基壓實(shí)度快速的動態(tài)無損檢測。由于土質(zhì)、氣候及施工工序的變化，都可能對壓實(shí)度與Evd的相關(guān)關(guān)系產(chǎn)生影響，因此建立相關(guān)模型時(shí)需要考慮多種因素，針對土質(zhì)、氣候、路基層位的變化及時(shí)進(jìn)行修正，不可盲目套用其他地區(qū)，其他工程或?qū)游坏南嚓P(guān)關(guān)系。結(jié)合本次試驗(yàn)，由于路基土取自同一個(gè)取土坑，兩試驗(yàn)段均在相同的時(shí)間內(nèi)碾壓，并且相隔距離較近，因此可以認(rèn)為兩試驗(yàn)段僅存在施工水平的差異，而最后結(jié)果表明，兩試驗(yàn)段的試驗(yàn)結(jié)果存在差異，會對關(guān)系曲線產(chǎn)生影響。

本次試驗(yàn)只是針對細(xì)粒土，由于地區(qū)的限制，江蘇省處于平原微丘地帶，土質(zhì)來源選擇較多，一般工程建設(shè)中都要求使用細(xì)粒土，而粗粒土由于粒徑和級配的原因，在適用條件上還需要進(jìn)一步的研究。在實(shí)際操作過程中，由于灌砂法測量壓實(shí)度的不確定性因素較大，因此從前期的測量用具的標(biāo)定，土的物理性質(zhì)試驗(yàn)及灌沙法現(xiàn)場操作都應(yīng)該做到專人專做，避免操作人員素質(zhì)的參差不齊產(chǎn)生的設(shè)備誤差。Evd在江蘇省宿揚(yáng)高速公路的細(xì)粒土試驗(yàn)取得了一定的成果，還需要對不同路基填料進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，來積累數(shù)據(jù)。

[1] 公路路基現(xiàn)場測試規(guī)程(JTG E60-2008)[S].

[2] 公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40-2007)[S].

[3] 宋振欣. 手持式落錘彎沉儀(FWD)檢測土石混填路基壓實(shí)度在新疆庫阿高速公路施工中的應(yīng)用[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2014,(10):139-143.

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2017-06-26