徐長春

（中交建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

路基施工過程中質(zhì)量的控制指標(biāo)主要是壓實(shí)度[1]?，F(xiàn)場路基壓實(shí)度的檢測方法以灌砂法、灌水法、環(huán)刀法和核子密度儀法為主；土石混填路基采用沉降觀測法來確定壓實(shí)工藝和進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量檢測。目前，研究出一種更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，通過對國內(nèi)外現(xiàn)存的無損檢測設(shè)備的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：便攜式落錘彎沉儀（Portable Falling Weight Deflectometer）不僅具有快速、無損檢測的優(yōu)點(diǎn)，而且其檢測指標(biāo)—回彈模量Ep與壓實(shí)度K等傳統(tǒng)檢測指標(biāo)具有良好的相關(guān)性。為了對高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行快速檢測，第一時(shí)間反饋施工質(zhì)量、指導(dǎo)現(xiàn)場施工，依托京秦高速公路項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究，研究采用PFWD法檢測高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量的可行性，并根據(jù)擬合的經(jīng)驗(yàn)公式提出初步的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 PFWD技術(shù)分析

1.1 PFWD簡介

便攜式落錘彎沉儀PFWD是一種基礎(chǔ)填筑表面（包括路基、地基和場地平整等）動(dòng)力承載能力試驗(yàn)檢測設(shè)備，是繼常規(guī)拖車式落錘彎沉儀FWD后的又一種新的動(dòng)力模量快速無損檢測設(shè)備[2-3]。PFWD由加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。加載系統(tǒng)由落錘、鎖定桿和橡膠墊塊等機(jī)械裝置組成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器、位移傳感器和采集裝置等組成；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、有線數(shù)據(jù)傳輸裝置和數(shù)據(jù)處理軟件等組成。使用PFWD可以確定路基承載能力，獲得路基的動(dòng)彈性模量。其具有攜帶方便、測試速度快、操作簡單、檢測場地小、測試結(jié)果穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 PFWD標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)配置

經(jīng)過大量試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，推薦選用的PFWD標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)配置為：落錘重量10kg；承載板半徑15cm；落錘高度為3/4落高。

在實(shí)際檢測中，標(biāo)準(zhǔn)配置的PRIMA100型PFWD，模擬的壓力情況和汽車作用于路基頂面的行車荷載情況最相近，這也是PFWD參與現(xiàn)場試驗(yàn)研究所配置的參數(shù)[4]。

1.3 PFWD工作原理

PFWD的工作原理如下：PFWD是模擬車輛在高速行駛時(shí)會對路基頂面產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力加載。其是將一固定重量的落錘（質(zhì)量一般為10kg）通過鎖定桿固定在某一規(guī)定的高度下，然后打開鎖定桿釋放落錘，使其只在重力作用下做自由落體，沖擊放置在檢測層位上的承載板而產(chǎn)生類似正弦波的沖擊荷載。由于受到?jīng)_擊荷載的作用，承載板與檢測部位共同出現(xiàn)豎向位移，形成彎沉。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)物在施加動(dòng)荷載后產(chǎn)生的彎沉值、動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)應(yīng)力等參數(shù)的檢測，檢測數(shù)據(jù)會被計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)記錄，依據(jù)相應(yīng)的理論及公式計(jì)算出動(dòng)回彈模量。

PFWD的理論根據(jù)計(jì)算公式為：

式中：Ep為路基回彈模量（MPa）；p為實(shí)測的承載板最大單位壓力（kPa）；δ為承載板半徑（cm），現(xiàn)場通常采用半徑為15 cm的承載板；μ為路基土的泊松系數(shù)，一般取μ=0.35；l為實(shí)測承載板中心彎沉（μm）。

1.4 PFWD檢測注意事項(xiàng)

（1）檢測時(shí)，檢測人員選擇路基上較為平整的測點(diǎn)，將承載板平放在已充分壓實(shí)且平整的路基表面，轉(zhuǎn)動(dòng)或向四周移動(dòng)調(diào)整承載板，使其與路基表面保持水平。若路基表面不平整，可以鏟平表面凹凸處或用細(xì)砂填平，注意只需要將承載板下面的縫隙填滿即可，確保承載板和路基表面緊密接觸。

（2）每一個(gè)測點(diǎn)檢測前需要預(yù)壓兩次，以確定承載板和路基表面接觸良好，消除路基表面不平整和松散的影響，同時(shí)還需要注意加載時(shí)間間隔，不可過短，確保前一次檢測荷載加載完全結(jié)束后再開始新的加載。

（3）由于PFWD設(shè)備通過落錘自由落體施加荷載，滑桿的傾斜和承載板的不穩(wěn)定都會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，所以在檢測過程中需要一只手握緊手柄，并適當(dāng)向下按，以保證滑桿的垂直和承載板穩(wěn)定。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)段施工及沉降差檢測

北京—秦皇島高速公路遵化至秦皇島段是京秦高速的重要組成部分，是京哈高速公路的輔助通道及重要補(bǔ)充，也是京哈高速暑期運(yùn)輸?shù)染o急情況斷交時(shí)的備用通道。該工程西起河北省遵化市，東至秦皇島市，途經(jīng)遵化市、遷西縣、遷安市等三個(gè)縣市，全線長約60.162km。本文研究以京秦高速公路遵秦段A5標(biāo)段K28+180—K28+380的試驗(yàn)段，現(xiàn)場填料為巨粒土含量大于30%且小于70%的土石混合填料，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，土石混填路基采用沉降觀測法來確定壓實(shí)工藝和進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量檢測。

2.1.1 施工工藝

待填料攤鋪整平以后其含水量應(yīng)在最佳含水量范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行碾壓。碾壓遍數(shù)控制在6遍，先靜壓1遍，然后弱振1遍，再強(qiáng)振3遍，最后靜壓1遍收面。

2.1.2 壓實(shí)沉降差檢測

提前準(zhǔn)備好15cm×15cm×1cm的鋼板50塊，鋼板在使用前先經(jīng)過壓路機(jī)充分碾壓，以保證其在正式測量時(shí)幾乎不變形。松鋪厚度控制在36cm，在道路縱向軸線每50m檢測選取1個(gè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)置10個(gè)沉降量監(jiān)測點(diǎn)位。監(jiān)測點(diǎn)的間距為3m。鋼板上用油漆做好醒目標(biāo)記，并使用水準(zhǔn)儀測量此時(shí)未碾壓的鋼板高程。然后利用振動(dòng)壓路機(jī)開始碾壓，每碾壓完成一次測一次鋼板的高程，計(jì)算出各點(diǎn)的沉降差，從而計(jì)算出每個(gè)斷面不同碾壓遍數(shù)下的沉降量，得到不同碾壓遍數(shù)下的分級沉降差曲線圖和累計(jì)沉降量曲線圖。分級沉降差曲線圖見圖1，累計(jì)沉降量曲線圖見圖2。

圖1 分級沉降差曲線圖

圖2 累計(jì)沉降量曲線圖

由圖1可以看出，碾壓6遍后，各個(gè)斷面的平均沉降差不大于2mm，路基已達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖2可以看出，壓實(shí)開始時(shí)，碾壓沉降差較大，之后逐漸變小，最后趨于穩(wěn)定。因此可以確定本次試驗(yàn)段的壓實(shí)參數(shù)，建議松鋪厚度為36cm，碾壓遍數(shù)控制在6遍，先靜壓1遍，然后弱振1遍，再強(qiáng)振3遍，最后靜壓1遍收面，壓路機(jī)的行駛速度，前兩遍采用1.5～2km/h，之后改為2.0～2.5km/h。

2.2 土石混填路堤PFWD檢測

2.2.1 試驗(yàn)方案

為了研究PFWD儀器用于土石混填路基快速檢測的測試效果，選取試驗(yàn)段路堤第8、9、10層路堤布置測點(diǎn)，在每層路堤上每20m作為一個(gè)觀測面，每個(gè)觀測面沿道路橫斷面方向在路基中心兩側(cè)間隔10m布置兩個(gè)PFWD測點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)測點(diǎn)，然后漆涂標(biāo)記；并在PFWD測點(diǎn)20cm內(nèi)布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，每個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)上放置一個(gè)15cm×15cm×1cm的鋼板。

按照之前試驗(yàn)段確定的壓實(shí)工藝相關(guān)參數(shù)進(jìn)行壓實(shí)，每遍碾壓完成后，先使用PFWD檢測對應(yīng)點(diǎn)的Ep值，為消除塑性變形及路基表面不平整和松散的影響，每個(gè)點(diǎn)預(yù)壓3次后再進(jìn)行檢測；在碾壓施工完成后，首先使用PFWD監(jiān)測相應(yīng)點(diǎn)的Ep值；然后再進(jìn)行沉降差測試。

2.2.2 回彈模量與碾壓遍數(shù)的變化

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)得到不同碾壓遍數(shù)下的回彈模量Ep值如表1所示。

表1 不同碾壓遍數(shù)下的回彈模量Ep值

由表1可以得到不同碾壓遍數(shù)下的回彈模量Ep曲線圖，如圖3所示。

圖3 不同碾壓遍數(shù)下的回彈模量Ep曲線圖

由圖3可以看出，隨著碾壓遍數(shù)的增加，回彈模量值整體趨勢是越來越大，有的點(diǎn)位也存在碾壓遍數(shù)增加但回彈模量值減少的情況，這是因?yàn)橥潦旌咸盍系目紫遁^大，路基表面的孔隙較大，壓實(shí)密實(shí)度不同造成的，且回彈模量的增長速率越來越慢，其變化趨勢與圖2累計(jì)沉降差的變化趨勢基本一致。

2.2.3 回彈模量與沉降差的相關(guān)性分析

在這三層路堤的壓實(shí)過程中，按照之前試驗(yàn)段確定的壓實(shí)工藝相關(guān)參數(shù)進(jìn)行壓實(shí)，碾壓第6遍的過程中，先觀測各個(gè)測點(diǎn)對應(yīng)的沉降差，然后再使用PFWD檢測對應(yīng)的各個(gè)測點(diǎn)的回彈模量Ep值，為消除塑性變形及路基表面不平整和松散的影響，每個(gè)點(diǎn)預(yù)壓3次后再進(jìn)行檢測。

現(xiàn)場試驗(yàn)得到的沉降差ΔH和回彈模量Ep對比檢測結(jié)果如表2所示。

表2 沉降差和回彈模量對比檢測結(jié)果

為了探究回彈模量Ep與沉降差ΔH的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)段得到的檢測數(shù)據(jù)對回彈模量Ep與沉降差ΔH進(jìn)行回歸分析，采用多種回歸模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，回歸趨勢線、擬合方程式及相關(guān)關(guān)系如圖4所示。

圖4 回彈模量Ep與沉降差ΔH相關(guān)關(guān)系

表3 回歸分析結(jié)果

可見，四種回歸模型的相關(guān)系數(shù)都超過了0.8（R2＞0.64），表明京秦高速公路土石混填路基現(xiàn)場試驗(yàn)測得的回彈模量Ep與沉降差ΔH存在著良好的相關(guān)性。對比四個(gè)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與沉降差ΔH之間存在著良好的指數(shù)關(guān)系。

2.2.4 土石混填路基回彈模量控制指標(biāo)

依據(jù)指數(shù)回歸模型得到的回歸方程，可以初步提出京秦高速公路土石混填路基2mm沉降差要求下的PFWD回彈模量的控制指標(biāo)為不小于337MPa。

3 結(jié)論

為了探究PFWD快速檢測高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量的可行性以及準(zhǔn)確性，基于PFWD設(shè)備在京秦高速公路土石混填路堤壓實(shí)質(zhì)量檢測的應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

（1）為了探究土石混合填料路基回彈模量Ep與壓實(shí)度K的關(guān)系，取回京秦高速公路遵秦段現(xiàn)場路基填料進(jìn)行了室內(nèi)模型筒試驗(yàn)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明京秦高速公路土石混合填料室內(nèi)試驗(yàn)測得的回彈模量Ep與壓實(shí)度K存在著很好的指數(shù)關(guān)系。

（2）在現(xiàn)場設(shè)置試驗(yàn)段，采用沉降觀測法進(jìn)行路基密實(shí)度檢測，確定了京秦高速公路土石混填路堤的碾壓工藝：碾壓遍數(shù)控制在6遍，先靜壓1遍，然后弱振1遍，再強(qiáng)振3遍，最后靜壓1遍后收面。

（3）路堤施工過程中，在現(xiàn)場設(shè)置試驗(yàn)段，布設(shè)PFWD和沉降差對比聯(lián)合檢測的點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明京秦高速公路土石混填路基現(xiàn)場試驗(yàn)測得的回彈模量Ep與沉降差ΔH存在著良好的指數(shù)關(guān)系。

（4）通過京秦高速公路現(xiàn)場檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明PFWD在施工過程中能夠?qū)崿F(xiàn)第一時(shí)間反饋施工質(zhì)量，可以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，能夠提高檢測效率，進(jìn)而減少施工周期，可以實(shí)現(xiàn)對高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量的快速無損檢測。