何進(jìn)，劉樹閣，楊廣慶

(1.河北省高速公路京雄籌建處，河北 保定 071799；2.石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043)

1 引言

GeoGauge 作為一種快速測(cè)定壓實(shí)土體剛度和模量的路基施工質(zhì)量測(cè)試儀器，能夠在現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)和監(jiān)控土的工程特性[1-2]。為了深入研究該檢測(cè)儀器設(shè)備使用的有效性，本文以常見的粉砂土公路路基結(jié)構(gòu)為模擬對(duì)象，基于室內(nèi)模型試驗(yàn)和三維有限元數(shù)值模擬，探究了GeoGauge 的檢測(cè)影響深度以及含水率、壓實(shí)度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

考慮到GeoGauge 儀器測(cè)試時(shí)的影響范圍和邊界效應(yīng)，室內(nèi)試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的一個(gè)內(nèi)徑610 mm，高600 mm 的圓柱形鋼桶，由4 個(gè)半圓形鋼片拼接而成。該模型桶方便拆卸，節(jié)省人力并能提高試驗(yàn)效率。

試驗(yàn)用土為級(jí)配良好的粉砂土，其最佳含水率ωopt=12.0%，最大干密度ρdamx=1.83 g/cm3。試驗(yàn)時(shí)將實(shí)驗(yàn)桶放置在水泥混凝土地面上，按照設(shè)定的壓實(shí)度(93%、94%、96%）和含水率(最佳含水率，以2%含水率為間隔，最佳含水率上下各兩點(diǎn)）分層回填水泥土填料[3]，采用質(zhì)量法控制壓實(shí)度，每層填料壓實(shí)厚度為5 cm，達(dá)到目標(biāo)壓實(shí)度后即刻將GeoGauge 放在模型桶中心進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)點(diǎn)檢測(cè)3 次，使用平均值作為最終的檢測(cè)結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 GeoGauge 測(cè)試影響深度

為了分析GeoGauge 檢測(cè)壓實(shí)粉砂土?xí)r的影響深度，每層土體壓實(shí)后測(cè)試其剛度值K，圖1為3 個(gè)不同壓實(shí)度93%、94%、96%條件下的測(cè)試結(jié)果。

由圖1可以得出：

1）在相同的壓實(shí)度條件下，隨著壓實(shí)層厚度的增加，實(shí)測(cè)壓實(shí)土頂面的剛度逐漸減小，壓實(shí)層厚度達(dá)到25 cm 后，實(shí)測(cè)剛度趨于穩(wěn)定。實(shí)測(cè)剛度值的變化速率隨壓實(shí)層厚度的增加呈減小的趨勢(shì)。

2）GeoGauge 測(cè)試的剛度值為動(dòng)荷載作用下引起壓實(shí)土表面沉陷量的比值，其數(shù)值是GeoGauge 應(yīng)力影響范圍內(nèi)下承層性能的綜合反映。當(dāng)壓實(shí)層厚度較小時(shí)，受水泥混凝土地面的影響，土體剛度數(shù)值較大。隨著厚度的增加，水泥混凝土地面的影響逐漸減小。當(dāng)壓實(shí)層厚度達(dá)到25 cm 以后，水泥混凝土地面對(duì)檢測(cè)結(jié)果幾乎沒有影響，即可認(rèn)為GeoGauge 在粉砂土中的影響深度約為25 cm。

3）壓實(shí)層厚度達(dá)到25 cm 以后的試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同含水率條件下，壓實(shí)粉砂土實(shí)測(cè)剛度K 隨著壓實(shí)度的增加而增大。94%壓實(shí)度時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)值較93%壓實(shí)度實(shí)測(cè)值提高6.1%，96%壓實(shí)度時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)值較93%壓實(shí)度實(shí)測(cè)值提高18.2%。

2.2.2 含水率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

通過(guò)壓實(shí)層厚度與檢測(cè)結(jié)果之間的關(guān)系可知，壓實(shí)層厚度在25 cm 以后GeoGauge 檢測(cè)剛度值趨于穩(wěn)定，所以本試驗(yàn)壓實(shí)層厚度35cm，且了避免試驗(yàn)結(jié)果的偶然性，對(duì)壓實(shí)度分別為93%、94%和96%的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，圖2為3 種不同壓實(shí)度條件下的測(cè)試結(jié)果。

由圖2可以看出：

1）壓實(shí)度一定時(shí)，粉砂土的剛度值隨著含水率的增大呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)。在最優(yōu)含水率之后，3 條曲線的斜率均有所增加，即在最優(yōu)含水率之后剛度值隨著含水率的增加下降明顯。說(shuō)明粉砂土中含水率對(duì)GeoGauge 檢測(cè)的剛度值影響較大。

2）對(duì)檢測(cè)結(jié)果采用多項(xiàng)式擬合，壓實(shí)度為93%時(shí)，最大剛度峰值所對(duì)應(yīng)的含水率為11.6%；壓實(shí)度為94%時(shí)，最大剛度峰值所對(duì)應(yīng)的含水率為11.4%；壓實(shí)度為96%是，最大剛度峰值所對(duì)應(yīng)的含水率為11.5%。從以上結(jié)果可以看出，剛度的最大值在最優(yōu)含水率附近。

2.2.3 壓實(shí)度與檢測(cè)結(jié)果的關(guān)系

為了分析壓實(shí)度對(duì)GeoGauge 檢測(cè)結(jié)果的影響，將最優(yōu)含水率下的粉砂土，分多次加入模型桶內(nèi)壓實(shí)，在最后一層填筑時(shí)，每壓實(shí)一遍進(jìn)行一次高度的檢測(cè)，根據(jù)粉砂土填料填筑質(zhì)量計(jì)算其壓實(shí)度，然后用GeoGauge 在模型桶中心位置進(jìn)行檢測(cè)。圖3為粉砂土在不同壓實(shí)度下所對(duì)應(yīng)的剛度值。

從圖3可以看出，GeoGauge 檢測(cè)剛度值隨粉砂土壓實(shí)度的增加而增大，且粉砂土壓實(shí)度和GeoGauge 檢測(cè)剛度值之間具有良好的指數(shù)關(guān)系，判定系數(shù)為0.9848，說(shuō)明應(yīng)用GeoGauge檢測(cè)粉砂土路基壓實(shí)度是可行的。

3 GeoGauge 動(dòng)態(tài)力檢測(cè)及影響深度

3.1 GeoGauge 動(dòng)態(tài)力檢測(cè)

試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)GeoGauge 底座圓環(huán)的接觸面積將微型應(yīng)變式土壓力盒放在鋼板上，然后用標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行覆蓋，將GeoGauge放在土壓力盒上，并利用DASP 軟件進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，設(shè)備調(diào)試好后打開GeoGauge，采集GeoGauge 從開始測(cè)量到輸出結(jié)果的全過(guò)程底座施加在土壓力盒上的力。采用時(shí)域分析中的最大值進(jìn)行分析，從而得出GeoGauge 在檢測(cè)過(guò)程中施加在土體表面力的最大值在17 N 左右。

3.2 模型建立

以室內(nèi)模型試驗(yàn)中模型桶的尺寸為依據(jù)，建立三維有限元數(shù)值模型，對(duì)GeoGauge 施加在土體表面的動(dòng)應(yīng)力傳遞規(guī)律進(jìn)行分析，以應(yīng)力衰減程度為90%的位置為GeoGauge 的影響深度。圓柱形土體的直徑610 mm，高600 mm，動(dòng)態(tài)力以圓環(huán)的形式施加在圓柱體中心位置，圓環(huán)尺寸與GeoGauge 底座一致，荷載形式為半正弦曲線，荷載時(shí)程為2 s。模型采用四面體單元進(jìn)行劃分。

3.3 影響深度分析

GeoGauge 施加的動(dòng)態(tài)力的頻率在100～196 Hz，以4 Hz為增量共25 個(gè)頻率。本文在模型中分別施加了頻率為100 Hz、196 Hz 的動(dòng)態(tài)力，探究不同頻率荷載下GeoGauge 的影響深度。圖4為17 N 動(dòng)態(tài)力在100 Hz、196 Hz 時(shí)，沿深度方向的分布情況。從圖4可以看出，路基土體的表層壓應(yīng)力最大，沿著深度方向不斷衰減，至黃色區(qū)域時(shí)應(yīng)力已衰減至初始應(yīng)力的10%。此時(shí)的深度大致為250 mm，計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)模型試驗(yàn)的結(jié)果一致。且在3 種不同頻率荷載作用下，應(yīng)力在地基土體中的傳遞規(guī)律基本一致，由此可知，荷載頻率的大小對(duì)應(yīng)力沿深度方向的傳遞影響較小。

圖5為應(yīng)力沿水平方向的分布情況，由5 可以看出，應(yīng)力以小于45°的方向向下傳遞，圓環(huán)作用的表層應(yīng)力最大，并向兩側(cè)迅速衰減，在模型的邊界位置應(yīng)力接近于零，由此可知，內(nèi)徑為610 mm 的模型桶對(duì)GeoGauge 不存在邊界效應(yīng)，滿足室內(nèi)模型試驗(yàn)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于室內(nèi)模型試驗(yàn)和三維有限元模型，研究分析了在粉砂土中GeoGauge 檢測(cè)影響深度以及含水率、壓實(shí)度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。結(jié)果表明：

1）在粉砂土中，GeoGauge 檢測(cè)影響深度在25 cm 左右。

2）在粉砂土中，GeoGauge 檢測(cè)剛度值隨著含水率的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，且剛度最大值出現(xiàn)在最優(yōu)含水率附近。

3）在粉砂土中，GeoGauge 檢測(cè)剛度值隨著壓實(shí)度的增加而增大，且剛度和壓實(shí)度之間存在良好的指數(shù)關(guān)系。