李盛，郜夢(mèng)棵，劉玉龍，鐘少杰

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410114；2.中交四航局第二工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙，410000）

隨著中國(guó)中西部地區(qū)公路建設(shè)的快速增長(zhǎng)，在山嶺地區(qū)高速公路修建中進(jìn)行深挖路塹或隧道施工都會(huì)產(chǎn)生大量碎石、塊狀石料。這些碎石、塊狀石料常作為路基填筑的主要材料［1］。但填石路基的壓實(shí)質(zhì)量控制一直是施工過(guò)程中的難題?，F(xiàn)行規(guī)范《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）主要使用孔隙率和施工過(guò)程中沉降差作為填石路基壓實(shí)質(zhì)量控制的主要指標(biāo)［2］。孔隙率檢測(cè)主要為灌水法，需現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖試坑。該法的填石料開(kāi)挖難度大，要降低測(cè)量誤差值，則需增大試坑面積，費(fèi)事費(fèi)力。沉降差檢測(cè)方法不能快速獲得檢測(cè)結(jié)果，影響填石路基的施工進(jìn)度。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)填石路基壓實(shí)質(zhì)量的快速檢測(cè)方法展開(kāi)了大量研究。李澤闖等人［3］采用便攜式落錘彎沉儀（portable falling weight deflectometer，簡(jiǎn)稱為PFWD）檢測(cè)土石路堤的回彈模量，將檢測(cè)的每段經(jīng)碾壓過(guò)的土石路堤的回彈模量值與實(shí)際測(cè)量的沉降差進(jìn)行線性擬合并檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所得參數(shù)的相關(guān)系數(shù)都在0.86以上，表明回彈模量與沉降差之間具有良好的線性關(guān)系。張軍輝等人［4］采用PFWD、動(dòng)態(tài)圓錐貫入儀（dynamic cone penetrometer，簡(jiǎn)稱為DCP）等儀器對(duì)既有路基性能進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)比各檢測(cè)手段的特點(diǎn)和精度，提出采用PFWD對(duì)路基性能進(jìn)行快速檢測(cè)的方法。孫璐等人［5］針對(duì)含礫石的黏土路基和含碎石的黏土路基的性能監(jiān)測(cè)，給出了PFWD和貝克曼梁的經(jīng)驗(yàn)回歸公式和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。ZHANG等人［6］提出了黏彈性算法，提高了運(yùn)用PFWD方法進(jìn)行彈性模量反算的準(zhǔn)確性。張愷等人［7］對(duì)不同花崗巖風(fēng)化料路基進(jìn)行了PFWD檢測(cè)，并將其檢測(cè)結(jié)果與貝克曼梁法及承載板法進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)路基動(dòng)靜模量與動(dòng)靜彎沉之間存在相關(guān)關(guān)系。陳龍旭等人［8］采用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)和數(shù)值分析方法研究了回彈彎沉和動(dòng)態(tài)回彈模量之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明PFWD與貝克曼梁法的檢測(cè)結(jié)果具有良好的相關(guān)性。孫璐等人［9］挖掘了PFWD荷載及彎沉?xí)r程曲線的動(dòng)態(tài)信息，構(gòu)建了路基壓實(shí)度的回歸模型，并將其與傳統(tǒng)檢測(cè)方法進(jìn)行比較，證明了所建立模型的有效性。王龍等人［10］采用PFWD檢測(cè)了路基變形模量，建立了碎石土路基沉降差與變形模量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)PFWD可快速、有效地評(píng)價(jià)碎石土路基的壓實(shí)狀態(tài)。查旭東［11］提出PFWD現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)步驟，建立了PFWD模量與承載板回彈模量、貝克曼梁及FWD模量之間的相關(guān)關(guān)系。王龍等人［12］對(duì)PFWD沖擊荷載的影響參數(shù)以及參數(shù)配置進(jìn)行研究，計(jì)算出了不同PFWD配置下的基層結(jié)構(gòu)適宜檢測(cè)的深度。程坤［13］使用冪函數(shù)對(duì)PFWD模量與壓實(shí)度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)判定系數(shù)大于0.7時(shí)，兩者的相關(guān)性良好。

這些研究都表明：PFWD與孔隙率常規(guī)控制指標(biāo)具有一定相關(guān)性，但對(duì)填石路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)方法的可靠性研究則鮮見(jiàn)。因此，本研究擬依托廣連高速公路TJ09標(biāo)填石路基試驗(yàn)段為工程背景，采用PFWD、水袋法等方法對(duì)該路基進(jìn)行檢測(cè)，分析PFWD測(cè)量的回彈模量、回彈彎沉與孔隙率之間的相關(guān)性。對(duì)比分析這兩種方法在填石路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)，驗(yàn)證PFWD在填石路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)中的可行性，以期為類似工程提供借鑒。

1 檢測(cè)方法與測(cè)試原理

PFWD是在落錘式彎沉儀（falling weight deflectometer，簡(jiǎn)稱為FWD）的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型快速檢測(cè)設(shè)備。具有易攜帶、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試速度快、數(shù)據(jù)處理精確、自動(dòng)化程度高、使用范圍廣等特點(diǎn)。PFWD由加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。工作原理為固定質(zhì)量（10 kg或15 kg）的落錘提升至固定高度后釋放，自由下落的落錘沖擊承載板產(chǎn)生沖擊荷載。在沖擊荷載作用下，承載板產(chǎn)生豎向位移，壓力傳感器和位移傳感器記錄荷載和位移。PFWD產(chǎn)生的荷載為落錘式?jīng)_擊荷載，作用時(shí)間短，一般在20 ms內(nèi)，路基來(lái)不及產(chǎn)生塑性變形，可近似認(rèn)為仍處于彈性狀態(tài)，其產(chǎn)生的豎向變形以回彈變形為主。因此，可通過(guò)線彈性理論對(duì)路堤模量進(jìn)行計(jì)算，采用圓形垂直剛性分布荷載作用的下彈性半空間理論，分析路基動(dòng)態(tài)回彈模量，計(jì)算公式為：

圖1 PFWD系統(tǒng)Fig.1 The PFWD system

式中：Ep為路基模量值；p為實(shí)測(cè)承載板的壓力峰值；a為承載板半徑；μ為泊松比；l為承載板中心的實(shí)測(cè)彎沉峰值。

使用PFWD進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，主要分為準(zhǔn)備、測(cè)試和結(jié)束三個(gè)步驟，其工作流程如圖2所示。

圖2 PFWD測(cè)試流程Fig.2 The PFWD test flow chart

2 工程概況及壓實(shí)器械

廣連高速公路起于廣州市從化區(qū)鰲頭鎮(zhèn)五豐村，連接佛清從高速公路北段，北經(jīng)廣州從化區(qū)、清遠(yuǎn)清城區(qū)、佛岡縣、英德市、陽(yáng)山縣和連州市，終點(diǎn)為清遠(yuǎn)連州市大路邊鎮(zhèn)鳳頭嶺（粵湘界），順接湖南省衡臨高速公路。其中，TJ09（K136+211.6～K154+652.5）標(biāo)段路線起于陽(yáng)山縣青蓮鎮(zhèn)峽頭村桂巖附近，向西北經(jīng)新田，設(shè)新田隧道，經(jīng)廟化至中心村鹽田，設(shè)鹽田隧道，跨越省道S525后經(jīng)倒流洞、麻子塘，于青蓮鎮(zhèn)區(qū)北側(cè)設(shè)青蓮互通線后轉(zhuǎn)北，跨越青蓮河后至深塘村魚(yú)梁頭，設(shè)高峰隧道穿越山嶺，路線全長(zhǎng)18.441 km，三座隧道總長(zhǎng)度達(dá)5.510 km，為該標(biāo)段長(zhǎng)度的29.9%。該標(biāo)段存在大量巖質(zhì)隧道和路塹邊坡爆破作業(yè)，形成大量的大粒徑碎礫石。為節(jié)約工程造價(jià)，縮短施工周期，這些碎礫石在破碎處理后，作為該試驗(yàn)填石路基的填筑原材料。

本研究試驗(yàn)路段為K148+510~K148+680的填石路基段，其填石料主要為硬質(zhì)巖石，是弱風(fēng)化灰?guī)r隧道的棄渣，其單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值為65 MPa，其平均填方高度為6～10 m。選取有代表性的填料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，填料顆粒級(jí)配見(jiàn)表1～2。

表1 粗粒篩分結(jié)果Table 1 Results of coarse screening

表2 細(xì)粒篩分結(jié)果Table 2 Results of fine screening

該試驗(yàn)路段采取分層填筑的壓實(shí)方式，具體填筑參數(shù)見(jiàn)表3，壓實(shí)機(jī)械型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 試驗(yàn)段路基填筑參數(shù)Table 3 Subgrade filling parameters of test section

表4 壓路機(jī)型號(hào)及參數(shù)Table 4 Roller models and parameters

3 填石路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)方法

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段檢測(cè)

為控制其填筑壓實(shí)質(zhì)量，檢測(cè)填石路基試驗(yàn)路段的填筑沉降差。先采用PFWD對(duì)已完成路基進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，再采用水袋法檢測(cè)其孔隙率，將孔隙率作為該路段的控制指標(biāo)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

在總長(zhǎng)為170 m試驗(yàn)路段的左幅每隔30 m選取一個(gè)截面，每截面的左路肩和3個(gè)行車道處各布置一個(gè)PFWD測(cè)點(diǎn)，每截面共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，全試驗(yàn)路段共20個(gè)測(cè)點(diǎn)，每測(cè)點(diǎn)取3組穩(wěn)定數(shù)值，取其平均值作為該點(diǎn)實(shí)測(cè)值。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，測(cè)點(diǎn)示意圖如圖3所示。

表5 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果Table 5 Field test results of test section

圖3 PFWD測(cè)點(diǎn)分布（單位：m）Fig.3 Distribution of the PFWD measuring points（unit：m）

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

計(jì)算PFWD檢測(cè)模量和回彈彎沉的變異系數(shù)，具體見(jiàn)表6。由表6可知，模量的變異系數(shù)比回彈彎沉的變異系數(shù)小，這說(shuō)明模量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的離散程度更小，更穩(wěn)定。應(yīng)用Origin數(shù)據(jù)分析軟件分別對(duì)PFWD模量、回彈彎沉與孔隙率進(jìn)行回歸分析。分別采用線性回歸、指數(shù)回歸和對(duì)數(shù)回歸模型進(jìn)行擬合?；貜棌澇僚c孔隙率相關(guān)關(guān)系如圖4所示，模量與孔隙率相關(guān)關(guān)系如圖5所示?；貜棌澇僚c孔隙率的擬合公式見(jiàn)表7，模量與孔隙率的擬合公式見(jiàn)表8。

表8 模量與孔隙率擬合公式Table 8 Fitting formula of modulus and porosity

圖5 模量與孔隙率相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between modulus and porosity

表6 模量及回彈彎沉變異系數(shù)Table 6 Modulus and coefficient of variation of rebound deflection

圖4 回彈彎沉與孔隙率相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation between rebound deflection and porosity

表7 回彈彎沉與孔隙率擬合公式Table 7 The fitting formula of rebound deflection and porosity

從表7可知，相較于線性回歸模型和指數(shù)回歸模型，對(duì)數(shù)回歸模型的回彈彎沉l與孔隙率n之間相關(guān)系數(shù)R2最大，為0.718 6，這說(shuō)明回彈彎沉和孔隙率之間呈正相關(guān)關(guān)系，即回彈彎沉越大，孔隙率越大，路基壓實(shí)質(zhì)量也越差。R2大于0.7，表明回彈彎沉值與孔隙率之間存在良好的相關(guān)關(guān)系。從表8可知，三種回歸模型的回歸系數(shù)R2均大于0.7，這表明PFWD測(cè)得的模量值E與路堤孔隙率n具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。其中，線性回歸方程的R2最大，這表明PFWD測(cè)得模量值與孔隙率之間采用線性模型擬合最為準(zhǔn)確。PFWD所測(cè)得的模量值E與路堤孔隙率n之間呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即模量值E越大，路基的孔隙率n越小，路基壓實(shí)質(zhì)量越好。

3.3 填石路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)方法確定

填石路基壓實(shí)質(zhì)量是路基整體質(zhì)量控制的關(guān)鍵，現(xiàn)行規(guī)范《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）采用孔隙率作為路基壓實(shí)質(zhì)量的控制指標(biāo)。水袋法檢測(cè)需要4～5人，耗時(shí)約30 min；而PFWD檢測(cè)只需2人，耗時(shí)僅為5 min。在實(shí)際工程實(shí)踐中，由于填石路基填石料特性，傳統(tǒng)的水袋法開(kāi)挖試坑難度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要較多操作人員，檢測(cè)效率低下；PFWD監(jiān)測(cè)法更為便捷。因此，建議填石路基壓實(shí)質(zhì)量的快速檢測(cè)優(yōu)先選擇PFWD。若采用回彈彎沉值作為質(zhì)量控制指標(biāo)，則建議采取擬合程度最高的對(duì)數(shù)回歸模型進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)產(chǎn)生不合格測(cè)量結(jié)果時(shí)，應(yīng)用水袋法進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，并根據(jù)水袋法結(jié)果修正回歸公式，提升PFWD檢測(cè)方法的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)論

本研究以廣連TJ09標(biāo)段填石路基試驗(yàn)段為工程背景，分別采用PFWD和水袋法對(duì)路基的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，建立了PFWD檢測(cè)結(jié)果和其他檢測(cè)指標(biāo)參數(shù)與孔隙率之間的回歸公式，驗(yàn)證了PFWD檢測(cè)填石路基壓實(shí)質(zhì)量的可行性。

1）運(yùn)用PFWD檢測(cè)回彈彎沉值進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)，應(yīng)使用擬合程度最高的對(duì)數(shù)回歸模型，提高其反算的準(zhǔn)確性。

2）三種回歸模型下PFWD測(cè)得的回彈模量值與水袋法測(cè)量的孔隙率均有較好的相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2＞0.7），均可用于填石路基壓實(shí)質(zhì)量的快速檢測(cè)。

3）該試驗(yàn)段實(shí)際檢測(cè)回彈模量和回彈彎沉數(shù)據(jù)的變異系數(shù)分別為16.7%、19.0%，這表明回彈模量E的變異程度小于回彈彎沉的變異程度，結(jié)合回彈模量E和回彈彎沉與現(xiàn)行填石路基壓實(shí)控制指標(biāo)孔隙率的擬合程度，建議采用PFWD檢測(cè)回彈模量E應(yīng)用于填石路基壓實(shí)質(zhì)量的快速檢測(cè)。

4）PFWD設(shè)備拆卸組裝迅速，攜帶方便，不受檢測(cè)場(chǎng)地及運(yùn)輸?shù)挠绊?，測(cè)試速度快，包括設(shè)備組裝時(shí)間在內(nèi)，2人僅需5 min即可完成測(cè)試工作，有效地提高了路基壓實(shí)檢測(cè)效率。