黃虎剛

(上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司 湖南分公司，湖南 長沙 410116)

路基的承載能力關(guān)系到道路的服役壽命。在引入動(dòng)力錐貫入儀(Dynamic Cone Penetrometer，DCP)之前，路基承載能力一般通過加州承載比(CBR)試驗(yàn)、無側(cè)限壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)等測試，這些方法不能直接獲得路基承載力，且需耗費(fèi)大量時(shí)間和人力。為此，將DCP法應(yīng)用于路基承載力檢測。該文結(jié)合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)和CBR試驗(yàn)值，對DCP方法檢測的貫入度與CBR值之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，驗(yàn)證規(guī)范中貫入度與CBR值的線性關(guān)系。

1 DCP法概述

DCP是利用錘擊方式將測頭貫入土基測試土基承載能力的一種輕型設(shè)備(見圖1)，通常以錘擊深度表示，落錘重10 kg，錐頭角度為60°。其操作簡便，可靠性高，能迅速得到路基承載能力，常用于路基和土基材料壓實(shí)質(zhì)量檢測。該設(shè)備所測貫入度與現(xiàn)場CBR值和楊氏回彈模量均具有較高的相關(guān)性，可用于評價(jià)施工現(xiàn)場或老路路基的壓實(shí)質(zhì)量或承載能力。

圖1 動(dòng)力錐貫入儀的構(gòu)造

國內(nèi)學(xué)者對DCP法進(jìn)行了相關(guān)研究和現(xiàn)場測試。徐平等通過分析DCP(總)錘擊數(shù)、貫入比率與DCP貫入深度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)DCP可用于路基壓實(shí)質(zhì)量定性分析，并采用落錘式彎沉儀(FWD)和CBR試驗(yàn)方法對不同類型路基的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行測試，結(jié)果表明CBR值與FWD值的相關(guān)性較好，間接說明DCP法能用于路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測及評價(jià)。郭濤等分析了高速公路擴(kuò)建中新老路基拼接問題，結(jié)合大量DCP現(xiàn)場測試結(jié)果，分析了DCP在新舊路基拼接工程中的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明DCP在評價(jià)拼接路基新舊部位壓實(shí)質(zhì)量中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。趙瑋等對DCP工作原理及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，結(jié)合新建、改擴(kuò)建及特殊路基的應(yīng)用實(shí)踐分析其在路基壓實(shí)質(zhì)量控制中的適用性，發(fā)現(xiàn)采用DCP對路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行檢測具有較高的可靠性，值得進(jìn)一步推廣。李寶通過對路基進(jìn)行現(xiàn)場鉆芯取樣、室內(nèi)試驗(yàn)及DCP試驗(yàn)，對DCP平均貫入值、路基回彈模量、壓實(shí)度、含水量及路面結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的相關(guān)性進(jìn)行分析，得出DCP試驗(yàn)可對路基承載能力進(jìn)行快速測試和評價(jià)，且測試結(jié)果的可靠性極高。

2 DCP法現(xiàn)場測試

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1) 安裝落錘，保證聯(lián)軸器處的DCP導(dǎo)向桿與探桿連接牢固，避免發(fā)生松動(dòng)、脫落。

(2) 將DCP豎直放置在堅(jiān)硬表面上，如混凝土或堅(jiān)硬土層，記錄最初讀數(shù)，記作零讀數(shù)。

(3) 根據(jù)工程實(shí)際情況選擇具有代表性的檢測點(diǎn)，檢測點(diǎn)應(yīng)處于表面平整的路基或路面面層及基層上。

2.2 試驗(yàn)步驟

(1) 在施工現(xiàn)場選擇平整且干燥的表面作為測試地點(diǎn)，若表面有浮土或軟土，應(yīng)予以鏟除，厚度一般不超過20 mm。若表層有較深的浮土，應(yīng)重新選擇測試地點(diǎn)周圍區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)。

(2) 將DCP錐頭連接到已安裝好的動(dòng)力錐貫入儀鉆桿上，將其對準(zhǔn)待檢測路基的表面并保持探桿垂直。一人握住DCP手柄，另一人將重錘提升至導(dǎo)桿頂部使重錘自由落下。

(3) 讀取貫入深度。落錘自由下落后，單次貫入深度大于5 mm時(shí)，記錄錘擊次數(shù)和貫入深度；若單次貫入深度在5 mm以內(nèi)，應(yīng)多次錘擊，使貫入深度超過5 mm后記錄貫入深度及累計(jì)錘擊次數(shù)。

(4) 進(jìn)行下道工序施工前連續(xù)進(jìn)行錘擊、測量、記錄，直至達(dá)到各結(jié)構(gòu)層的要求深度。遇到堅(jiān)硬材料層時(shí)，連續(xù)錘擊10次后，若其貫入量沒有任何改變，則終止試驗(yàn)，重新選擇測點(diǎn)進(jìn)行測試，或使鉆孔鉆透堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)層后再進(jìn)行測試。

(5) 測試結(jié)束，從中部連接處拆卸貫入桿，拆除落錘，取出DCP設(shè)備。

3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，以貫入深度-錘擊次數(shù)曲線作為DCP法檢測結(jié)果。按式(1)計(jì)算DCP的貫入度Dd，按式(2)計(jì)算現(xiàn)場CBR值。

Dd=D/n

(1)

lg(CBR)=a+b·lgDd

(2)

式中：D為DCP的貫入量；n為錘擊次數(shù)；a、b為換算系數(shù)。

選取厚度分別為100 mm、150 mm的路基土層進(jìn)行DCP試驗(yàn)和現(xiàn)場CBR試驗(yàn)，測試結(jié)果見表1。

表1 路基土層DCP、CBR試驗(yàn)結(jié)果

對貫入度和CBR值采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，對lgDd與lg(CBR)采用線性函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖2～5。

續(xù)表1

圖2 路基土層厚100 mm時(shí)Dd-CBR關(guān)系曲線

由圖2和圖3可知：路基土層厚度為100 mm時(shí)，DCP貫入度與CBR值間的關(guān)系可用二次多項(xiàng)式表示，其相關(guān)系數(shù)為0.811，表明未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)具有較小的離散性，能進(jìn)行更好的耦合；lg(CBR)隨lgDd的增大而減小，lg(CBR)與lgDd呈負(fù)線性相關(guān)，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.765，表明DCP貫入度和現(xiàn)場CBR值的相關(guān)性不高。

圖3 路基土層厚100 mm時(shí)lg(CBR)-lgDd關(guān)系曲線

由圖4和圖5可知：路基土層厚度為150 mm時(shí)，采用二次多項(xiàng)式表示DCP貫入度與CBR值之間的相關(guān)性更合理，相關(guān)系數(shù)為0.836，表明未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)具有較小的離散性，能進(jìn)行更好的耦合；lg(CBR)與lgDd呈負(fù)線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.809，大于土層厚度為100 mm時(shí)的相關(guān)系數(shù)，表明檢測深度越大，DCP貫入度與現(xiàn)場CBR值的相關(guān)性越強(qiáng)。

圖4 路基土層厚150 mm時(shí)Dd-CBR關(guān)系曲線

圖5 路基土層厚150 mm時(shí)lg(CBR)-lgDd關(guān)系曲線

基于上述擬合分析結(jié)果，為驗(yàn)證規(guī)范中DCP貫入度與CBR值之間的線性關(guān)系，采用指數(shù)函數(shù)、二次多項(xiàng)式和冪函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2。

表2 路基土層的DCP貫入度與CBR值的擬合方程

續(xù)表2

由表2可知：路基土層厚度為100 mm時(shí)，二次多項(xiàng)式的擬合結(jié)果優(yōu)于線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.769。但路基土層厚度變大時(shí)，二次多項(xiàng)式和線性函數(shù)的相關(guān)系數(shù)相等，為0.809，大于其他2種擬合方式?，F(xiàn)場DCP試驗(yàn)一般檢測厚度大于100 mm，為便于后期數(shù)據(jù)處理，選用線性函數(shù)進(jìn)行擬合較合理，與規(guī)范中DCP試驗(yàn)貫入度與CBR值采用線性方程擬合一致，驗(yàn)證了規(guī)范中檢測方法的合理性。

4 DCP法的工程應(yīng)用

(1) 檢查或評價(jià)路基、基層的壓實(shí)質(zhì)量。DCP法是監(jiān)控路基和基層正常施工的有效方法之一，可用于路基施工壓實(shí)質(zhì)量和均勻性檢查，確定道路高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)層及土質(zhì)軟弱之處。在對路基進(jìn)行質(zhì)量檢測時(shí)，首先把DCP豎直平放在被檢測層的表面，由測試人員操作探桿及錐頭，直到錐頭貫入待測材料層的底面或待測深度，最后對不同深度處的貫入率和CBR值進(jìn)行分析，對該材料層的壓實(shí)質(zhì)量和分層狀況進(jìn)行評價(jià)。

(2) 調(diào)查舊路邊坡的承載能力。隨著交通流量的增加，部分地區(qū)會(huì)根據(jù)車流量需要對高速公路進(jìn)行擴(kuò)建加寬，需對舊路邊坡的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果制訂切實(shí)可行的削坡方案，從而合理利用舊路邊坡，節(jié)約工程成本。DCP法是檢測舊路邊坡質(zhì)量行之有效的方法。將200 mm×200 mm左右測試面積整平后進(jìn)行DCP貫入試驗(yàn)，直至連續(xù)測量5次的貫入率均低于規(guī)范要求時(shí)停止試驗(yàn)?；跈z測結(jié)果對舊路邊坡承載能力進(jìn)行分析，結(jié)合擴(kuò)寬道路的施工要求確定合理的舊路削坡方案，避免因拼接質(zhì)量、盲目設(shè)計(jì)等引起工程質(zhì)量問題。

(3) 檢測管道回填土質(zhì)量及堤壩壓實(shí)質(zhì)量。在市政工程中進(jìn)行管道回填時(shí)，往往因工期緊張、場地有限和常規(guī)檢測方法的局限性，不能及時(shí)對管道土方回填密實(shí)度進(jìn)行檢測。DCP法能及時(shí)對管道回填土的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行快速檢測，且其操作簡便、快捷。DCP法還可檢測堤壩工程周邊邊坡土體的壓實(shí)質(zhì)量，實(shí)時(shí)監(jiān)控堤壩施工過程中土體填筑質(zhì)量。

(4) 對路基土體進(jìn)行初始性調(diào)查。DCP法的測試數(shù)據(jù)能反映土體分層狀況、強(qiáng)度及承載能力特性。進(jìn)行路基土體勘探時(shí)，可采用DCP法調(diào)查工程范圍內(nèi)土體的類別及性質(zhì)。

5 結(jié)語

DCP法以其操作簡單、輕便快捷的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，如新建道路、管道、溝渠工程的回填土質(zhì)量檢測，堤壩工程的壓實(shí)質(zhì)量檢測，舊路邊坡的承載能力檢測等，值得在土木工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用。