邱文利，楊杰，楊廣慶

（1.河北雄安京德高速公路有限公司，河北 保定 071700；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043）

0 引言

我國現(xiàn)行的《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）中，路基施工過程中質(zhì)量的控制指標主要是壓實度[1]。傳統(tǒng)的壓實質(zhì)量檢測方法存在檢測時間長、檢測成本高、對壓實好的路基有損傷、所需人員多、偏僻處不易到達等缺點。因此，有必要研究一種便于高速公路工程應(yīng)用的快速、便捷的路基施工質(zhì)量檢測方法。便攜式落錘彎沉儀（Portable Falling Weight Deflectometer，簡稱PFWD）具有操作簡便、快速、無損等優(yōu)勢，將其應(yīng)用于高速公路的路基壓實質(zhì)量檢測中，可以提高現(xiàn)場檢測效率，加快施工進度，縮短高速公路的建設(shè)周期，對本領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的促進作用。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，歐美國家已經(jīng)將PFWD檢測列入了相關(guān)的標準規(guī)范，使用PFWD檢測也成了高速公路路基壓實質(zhì)量檢測的發(fā)展趨勢。我國的段丹軍[2]通過PFWD的應(yīng)用研究，得到了PFWD測得的回彈模量與壓實度和含水率都具有很好的相關(guān)關(guān)系。王復(fù)明[3]探究了將PFWD應(yīng)用于土石填料路基的壓實質(zhì)量檢測，驗證了其用于土石填料壓實質(zhì)量檢測的可行性。長沙理工大學(xué)的查旭東團隊[4]采用PFWD進行了路基回彈模量快速檢測技術(shù)的研究，進行了大量的現(xiàn)場對比檢測，為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工控制提供了一定的依據(jù)。李丹楓[5]基于PFWD進行了路基承載力動力學(xué)測試，探究了動靜力學(xué)測試指標產(chǎn)生誤差的原因，并提出了以PFWD測得的回彈模量為控制指標的路基承載力快速評價新方法。

為進一步推廣應(yīng)用PFWD檢測技術(shù)，本文基于自行設(shè)計的模型筒，使用PFWD設(shè)備進行了壓實細粒土的一系列室內(nèi)檢測試驗，探究了PFWD設(shè)備的檢測特性以及壓實細粒土PFWD檢測模量和壓實度之間的相關(guān)關(guān)系。

1 試驗規(guī)劃

1.1 試驗?zāi)Ｐ屯?/h3>

室內(nèi)試驗采用直徑為61cm，高60cm的圓柱體模型筒作為擊實容器，室內(nèi)模型筒設(shè)計圖見圖1。試驗時，可以通過控制模型筒內(nèi)土體的高度來實現(xiàn)對壓實度的控制，研究了壓實細粒土的動彎沉和動回彈模量。

圖1 室內(nèi)模型筒設(shè)計圖

該模型筒為分體式結(jié)構(gòu)，厚度為8mm，分為上下兩層，每一層也是由兩部分組成。其中，圓筒法蘭采用鋼板激光切割成型后焊接；圓筒的板采用8mm厚的鋼板激光切割成型；圓筒、法蘭、底板均采用M10螺栓連接，噴涂黑色塑粉。采用該模型筒所產(chǎn)生的有益效果在于：采用分體式結(jié)構(gòu)的筒體來盛裝路基土樣，方便拆卸取出路基土樣，其結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活方便，可以提高試驗效率；同時，模型筒的內(nèi)徑尺寸大于PFWD的測量端—承載板的直徑2倍以上，減弱筒體對土樣的約束作用，提高檢測的精確度。

1.2 試驗材料

選用京德高速公路的細粒土路基填料作為試驗材料，試驗前采用擊實試驗確定填料的最大干密度和最佳含水率。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）擊實試驗采用重型Ⅱ-1法進行擊實，通過兩組擊實試驗計算可得京德高速公路路基土試樣的最佳含水率為10.9%，最大干密度為1.83g/cm3。

1.3 試驗方案

（1）試驗穩(wěn)定性評價

將PFWD用于高速公路路基壓實質(zhì)量檢測時主要是利用位移傳感器檢測得到彎沉值和壓力傳感器測得的壓力值，再計算得到回彈模量，因此儀器的穩(wěn)定性十分重要。試驗穩(wěn)定性評價是指測量程序相同、觀測者相同、在相同條件下使用相同的測量儀器、在相同地點、短時間內(nèi)重復(fù)進行的試驗。為分析PFWD檢測結(jié)果的穩(wěn)定性，通過在室內(nèi)模型筒內(nèi)壓實高速公路現(xiàn)場取回的土樣來模擬壓實后的高速公路路基狀況，使用標準配置的PFWD在相同的測點、相同高度的情況下錘擊數(shù)次，再將收集來的彎沉值進行對比，分析PFWD檢測的穩(wěn)定性。

（2）下承層剛剛度影響

試驗時，將模型桶置于水泥混凝土地面上，分別選取水泥混凝土地面、壓實后的細粒土作為下承層，分析下承層剛度變化對PFWD檢測結(jié)果的影響。

（3）壓實層厚度影響

試驗時，將水泥混凝土地面作為下承層，分析壓實層厚度對PFWD檢測結(jié)果的影響。確定壓實度為94%，分層擊實，每層5cm，每次擊實后厚度控制為5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm、50cm。在模型筒壁對應(yīng)位置上繪制一條刻度線作為標記，根據(jù)壓實度每層結(jié)構(gòu)層厚度和土樣的含水率，計算每層應(yīng)該加入的土樣質(zhì)量，并擊實至對應(yīng)刻度線位置，每層擊實完畢后整平表面，再使用PFWD進行檢測，分析壓實層厚度對PFWD檢測結(jié)果的影響。

（4）PFWD影響深度分析

以混凝土地面作為下承層，在模型筒填筑的細粒土土體中埋設(shè)土壓力盒，從模型筒的底部開始每5 cm在其中心位置埋設(shè)一個土壓力盒，共布設(shè)12個土壓力盒，擊實后的土體高度為55cm。埋設(shè)完成后，在筒中心位置落錘來探究PFWD的影響深度。

（5）含水率變化的影響

以混凝土地面作為下承層，結(jié)構(gòu)層厚度均控制為50cm。進行5組不同含水率土樣的試驗，將土樣的目標含水率分別定為7%、9%、11%、13%、15%，壓實度定為94%，擊實完畢整平表面后進行PFWD檢測。

（6）回彈模量與壓實度的相關(guān)性

以混凝土地面作為下承層，結(jié)構(gòu)層厚度控制為50cm，以減弱下承層剛度對PFWD測得回彈模量的影響。壓實度范圍控制為85%～100%。分別測試回彈模量和壓實度，進行兩者相關(guān)性研究。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 PFWD檢測結(jié)果穩(wěn)定性分析

單點重復(fù)性檢測彎沉值lp結(jié)果見表1。

表1 單點重復(fù)性檢測結(jié)果

由表1單點重復(fù)性檢測結(jié)果可知：

（1）將PFWD用于路基壓實質(zhì)量檢測時，第一組的變異系數(shù)較大，因此檢測前需要對測點進行預(yù)壓，以消除測點路基表面不平整和松散的影響，建議預(yù)壓不少于2次。

（2）剔除第一組數(shù)據(jù)后，從整體來看PFWD檢測所得到的各組路基彎沉值差異性不大，變異系數(shù)最大值為3.60，因此PFWD設(shè)備的檢測穩(wěn)定性較高。

2.2 下承層剛剛度對PFWD檢測結(jié)果的影響

不同下承層對回彈模量結(jié)果的影響見圖2，為不同下承層剛度下PFWD檢測結(jié)果對照。

圖2 不同下承層對回彈模量結(jié)果的影響

由圖2可知，水泥混凝土地面剛度大于壓實后的細粒土，在相同壓實度的條件下，以水泥混凝土地面作為下承層測得的回彈模量大于以細粒土作為下承層測得的回彈模量。試驗結(jié)果表明，在使用PFWD檢測路基路面壓實質(zhì)量時，下承層剛度對其測得的回彈模量具有顯著影響。

2.3 壓實層厚度對PFWD檢測結(jié)果的影響

每層取三次檢測到的回彈模量的平均值作為該層的回彈模量值，根據(jù)檢測的結(jié)果，結(jié)構(gòu)層厚度與回彈模量關(guān)系曲線見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)層厚度與回彈模量關(guān)系曲線

由圖3可知：

（1）對于京德高速公路細粒土，當壓實度控制在94%時，回彈模量Ep隨著壓實層厚度的增大而減小；這表明當結(jié)構(gòu)層厚度較小時，PFWD的檢測結(jié)果易受下承層剛度的影響，檢測結(jié)果的變異性較大。

（2）隨著結(jié)構(gòu)層的增加，PFWD測得的回彈模量Ep隨著結(jié)構(gòu)層厚度的增大而產(chǎn)生的變化趨勢逐漸減小，變化趨勢在結(jié)構(gòu)層厚度為30cm處有明顯轉(zhuǎn)折。

（3）在結(jié)構(gòu)層厚度為35cm后，測得的回彈模量值逐漸穩(wěn)定，這表明當結(jié)構(gòu)層厚度達到一定數(shù)值時，PFWD檢測結(jié)果主要受壓實層狀態(tài)的影響，下承層剛度對其檢測結(jié)果的影響較小。

2.4 PFWD影響深度分析

PFWD影響深度的測試結(jié)果見表2。

表2 影響深度試驗的測試結(jié)果

由表2可知：PFWD的落錘沖擊荷載的能量在距離路基表面35cm左右深度衰減至30%左右，其大約70%的沖擊能量由這35 cm厚度的結(jié)構(gòu)層所消耗。鐵路路基研究領(lǐng)域的研究者以應(yīng)力衰減70%的深度作為影響深度[4]，根據(jù)試驗結(jié)果，可以判定PFWD的有效作用深度為35cm左右，滿足規(guī)范中要求的壓實層控制在30cm的要求。

2.5 含水率變化對PFWD檢測結(jié)果的影響

根據(jù)試驗得到的數(shù)據(jù)繪制出含水率與回彈模量的關(guān)系曲線并進行擬合回歸，含水率與回彈模量的關(guān)系曲線結(jié)果見圖4。

圖4 含水率與回彈模量的關(guān)系曲線

由圖4可知，PFWD測得回彈模量與含水率的相關(guān)關(guān)系為0.963 4，接近1，二者之間存在著良好的二次拋物線關(guān)系，而且當含水率在最佳含水率附近時，PFWD檢測結(jié)果為最大值。試驗結(jié)果表明，在高速公路的路基施工過程中要嚴格控制含水率處在其填料的最佳含水率附近，使填料處于良好的工作狀態(tài)，可以使壓實后路基的承載力最好，也使PFWD測得的結(jié)果更加準確。

2.6 PFWD檢測結(jié)果與壓實度關(guān)系研究

為了探究回彈模量Ep與壓實度K相關(guān)關(guān)系，根據(jù)得到的試驗數(shù)據(jù)對回彈模量Ep與壓實度K進行回歸分析，采用多種回歸模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，回歸趨勢線、擬合方程式及相關(guān)關(guān)系見表3。

表3 回歸分析結(jié)果

由回歸分析結(jié)果可知，四種回歸模型的相關(guān)系數(shù)都超過了0.8（R2＞0.64），表明京德高速公路細粒土室內(nèi)試驗測得的回彈模量Ep與壓實度K存在著很好的相關(guān)性。對比四個回歸方程的相關(guān)系數(shù)，其中指數(shù)回歸模型的相關(guān)性最好，說明回彈模量Ep與壓實度K之間存在良好的指數(shù)關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）通過單點重復(fù)性檢測試驗得出，PFWD檢測時第一組的變異系數(shù)較大，因此檢測前需要對測點進行預(yù)壓，預(yù)壓應(yīng)不少于2次，PFWD設(shè)備的檢測穩(wěn)定性較好。

（2）通過室內(nèi)試驗探究了下承層剛度和壓實層厚度對PFWD檢測結(jié)果的影響，從室內(nèi)試驗可以看到，當結(jié)構(gòu)層厚度達到35 cm后，測得回彈模值逐漸穩(wěn)定，PFWD檢測結(jié)果主要受壓實層狀態(tài)的影響，下承層剛度對檢測結(jié)果影響較小。

（3）通過在不同深度預(yù)埋土壓力盒，室內(nèi)試驗得到PFWD的有效作用深度為35cm左右，滿足規(guī)范中要求壓實層厚度控制在30cm的要求。

（4）通過在室內(nèi)試驗分別探究了含水率和壓實度對PFWD檢測結(jié)果的影響，室內(nèi)試驗表明了同擊實試驗一樣，PFWD的檢測結(jié)果在最佳含水率附近測得最大值；PFWD測得回彈模量Ep與壓實度K存在著良好的指數(shù)關(guān)系，PFWD適用于高速公路路基壓實質(zhì)量檢測。