周 輝，劉 鋒，吳傳海，許新權(quán)

(1.廣東交通實業(yè)投資有限公司,廣東 廣州 510623;2.廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420;3.公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,廣東 廣州 510420)

0 概述

土基回彈模量是新建或改擴建公路進行路面設(shè)計和養(yǎng)護的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)之一。文獻[1]的T0943承載板測試土基回彈模量方法對土基回彈模量的試驗獲取進行了詳細闡述。目前,對于土基回彈模量的研究多集中在濕度對土基回彈模量的影響研究[2]、水分遷移時路基回彈模量衰變對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響研究[3]、承載板試驗回彈變形與荷載壓強坐標原點修正技術(shù)的研究[4]、土基回彈模量與壓實度及含水量的相關(guān)性研究、級配和含水量對千枚巖強風(fēng)化路基回彈模量的影響研究[5]等。但在路面設(shè)計階段,通常需要通過T0943方法獲取土基的回彈模量。然而,在實際試驗過程中往往存在較多的問題,例如:現(xiàn)場采集試驗數(shù)據(jù)后實驗室再處理,這就帶來了數(shù)據(jù)有效性的問題,數(shù)據(jù)出現(xiàn)無效現(xiàn)象則意味著現(xiàn)場試驗過程中存在人工誤差或系統(tǒng)測試誤差等[6-7]。因此,及時發(fā)現(xiàn)并糾正試驗過程中的不足十分重要,而在試驗過程中引入道路信息化技術(shù)則可以在數(shù)據(jù)分析處理前端對數(shù)據(jù)的有效性進行智能檢驗,可最大限度地保證后續(xù)試驗的正確性。

通常,一條新建或改擴建的公路需要獲得一定數(shù)量的土基參數(shù)才能完成設(shè)計工作。以本文依托的清花高速公路(位于廣東省廣州市花都區(qū)和清遠市清城區(qū)、清新區(qū)境內(nèi),北接汕湛高速公路,南連省道S267桂和路,與西二環(huán)共線實現(xiàn)佛山至江門高速公路的北延功能)為例,清花高速公路全長53.898km,其中,主線橋梁29 775.3m/45座,路基段長約24.122 7km。土基回彈模量承載板測試按20km計算,每500m測試1個點,共需測試40點。眾多的試驗數(shù)據(jù),倘若采用信息化管理,則可以大大減輕管理工作量、提高管理效能、提升服務(wù)效果,克服人工記錄和紙質(zhì)資料存檔保存的不足。

1 土基回彈模量試驗原理

公路現(xiàn)場土基回彈模量通常是在測試點采用承載板對土基逐級加載、卸載,根據(jù)測試獲得的土基回彈變形值,通過計算求得。圖1(a)為土基回彈模量現(xiàn)場試驗圖,圖1(b)為其測試裝置示意圖。圖2是土基回彈模量(承載板法)的試驗原理。

圖1 土基回彈模量現(xiàn)場試驗

圖2 土基回彈模量試驗原理

結(jié)合工程實踐,并根據(jù)圖2土基回彈模量的試驗原理可知,土基回彈模量試驗的技術(shù)要點有:

(1)承載板與測試點土基必須穩(wěn)定接觸,并避免形成夾層;由下而上的承載板、千斤頂、鋼圓筒、測力計應(yīng)與車輛后部的加勁橫梁緊密接觸,并保持各部件的中心線重合。

(2)每次加載、卸載后的2個百分表讀數(shù)之差小于平均值的30%時,取平均值;如果超過30%則應(yīng)重測。

(3)當(dāng)測得的回彈變形值超過1mm時,即可停止試驗加載。

由于該系統(tǒng)的構(gòu)建須在工程開工之前完成,以便后續(xù)工程實施時能及時使用,因此,本文以表1所示的某高速公路土基回彈模量試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),介紹土基回彈模量的計算過程。

表1 某高速公路土基回彈模量試驗數(shù)據(jù)

步驟一:試驗數(shù)據(jù)有效性的檢驗。

根據(jù)式(1)對加載和卸載時獲得的左、右百分表數(shù)據(jù)的有效性進行檢驗。例如:單位壓力為50kPa加載時,w左-w右=14-13=1(0.01mm)<13.5×30%=4.05(0.01mm),因此,該加載條件下獲得的左、右百分表數(shù)據(jù)有效,最終取兩者的平均值。按此方法,依次檢查每次獲得的試驗數(shù)據(jù),及時糾正試驗過程中出現(xiàn)的問題。

w左-w右

(1)

步驟二:各級荷載下土基回彈變形讀數(shù)值和修正值的計算。

土基回彈模量試驗所使用的貝克曼梁通常為5.4m,故其杠桿比為2∶1,由此根據(jù)式(2)計算在對應(yīng)單位壓力下的土基回彈變形。例如:在50kPa加載卸載作用下,對應(yīng)測點的土基回彈變形=(13.5-3)×2=21(0.01mm)。

回彈變形=(加載后讀數(shù)平均值-
卸載后讀數(shù)平均值)×貝克曼梁杠桿比

(2)

根據(jù)式(3)計算車輛對彎沉的總影響量,根據(jù)表1求得a=[(103-99)×2+(89-86)×2]/2=7(0.01mm)。

a=(b1-b2)×貝克曼梁杠桿比

(3)

式中:b1-取走千斤頂,百分表讀數(shù)平均值(0.01mm);b2-汽車開出10m以外,百分表讀數(shù)平均值(0.01mm)。

由土基回彈模量試驗基本參數(shù)可知,T1=3m,T2=0.2m,D=0.3m,Q=60kN,根據(jù)式(4)求得p1=50kPa下的影響量ai=0.42(0.01mm),因此,該級荷載下的修正值為21+0.42=21.42(0.01mm)。

(4)

式中:ai-第i級壓力下的影響量(0.01mm);T1-載重汽車前后軸距(m);T2-加勁小梁距后軸的距離(m);D-承載板直徑(m);pi-第i級承載板壓力(Pa);Q-載重汽車后軸重(N);a-總影響量(0.01mm)。

步驟三:各級荷載下土基回彈模量Ei的計算。

根據(jù)式(5)計算pi=50kPa加卸載下的土基回彈模量為48.27MPa。

(5)

式中:Ei-第i級荷載下的土基回彈模量(MPa);Li-相對于荷載pi時的第i級回彈變形修正值;μ0-土的泊松比,取0.35。

步驟四:土基回彈模量的計算。

結(jié)合表1中各加載級數(shù)下的單位壓力和各級回彈變形修正值,并根據(jù)式(6)計算得到該測點的土基回彈模量為62.7MPa。

(6)

2 系統(tǒng)架構(gòu)

以Visual Studio.NET為開發(fā)平臺,Excel為數(shù)據(jù)倉庫,根據(jù)圖3構(gòu)建公路土基回彈模量采集分析系統(tǒng)[8]。由圖3可知,該系統(tǒng)包括土基回彈模量試驗基本(靜態(tài))參數(shù)采集模塊、土基回彈模量加、卸載試驗過程中,動態(tài)試驗數(shù)據(jù)的采集和分析模塊和土基回彈模量試驗結(jié)果后處理模塊。圖4為根據(jù)圖3編制的處理系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

圖4 系統(tǒng)啟動后的主界面

3 功能模塊的構(gòu)建

3.1 靜態(tài)參數(shù)采集模塊的構(gòu)建

土基回彈模量(承載板法)試驗靜態(tài)參數(shù)采集模塊的主要功能是采集試驗開始前的車輛、承載板、測力計和貝克曼梁等基本參數(shù)數(shù)據(jù)(圖4)。在Visual Studio.NET中,使用Textbox文本框控件作為輸入數(shù)據(jù)的載體,但在輸入的數(shù)據(jù)進行后續(xù)的計算時,須進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換,將輸入文本框中的數(shù)據(jù)類型設(shè)置為浮點數(shù)據(jù)類型。

3.2 動態(tài)參數(shù)采集模塊的構(gòu)建

土基回彈模量(承載板法)試驗動態(tài)參數(shù)采集模塊的主要功能是采集試驗加、卸載過程中左右百分表的數(shù)據(jù),并檢驗數(shù)據(jù)的有效性,然后結(jié)合靜態(tài)數(shù)據(jù)計算測點的土基回彈模量(圖5)。該模塊在圖5a的第1部分建立測點信息主鍵(數(shù)據(jù)倉庫標識,具有唯一性),主鍵名稱由高速公路名稱、標段名稱、路線走向、樁號、層位名稱、試驗日期等構(gòu)成。主鍵建立后自動激活圖5a第2部分,技術(shù)人員輸入試驗數(shù)據(jù),并通過主鍵與試驗數(shù)據(jù)之間建立聯(lián)系。

圖5 土基回彈模量(承載板法)試驗動態(tài)參數(shù)采集模塊

由圖5可知,該部分由兩個部分組成。上部虛線框中輸入與項目有關(guān)的信息、天氣狀況、土基狀況和土基回彈模量計算值等數(shù)據(jù)(圖5a);下部點劃線框中是輸入試驗過程中加、卸載時左右百分表的撓度數(shù)據(jù)和荷載數(shù)據(jù)。為了避免數(shù)據(jù)輸入過程中的出錯概率,如圖5c所示在需要輸入試驗數(shù)據(jù)的單元格處以反白顯示,而未反白顯示的單元格,則由程序根據(jù)算法自動進行計算。

數(shù)據(jù)有效性的檢驗是決定土基回彈模量(承載板法)試驗成功與否的關(guān)鍵因素之一。以往在進行試驗時,通常是由人工手寫記錄試驗過程的數(shù)據(jù),這當(dāng)然有試驗規(guī)程等方面的要求,但這也帶來了一個不容忽視的問題-數(shù)據(jù)的有效性?，F(xiàn)場獲得的試驗數(shù)據(jù)往往需要送回實驗室進行后續(xù)分析計算,而在后續(xù)分析中常常出現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)不滿足式(1)要求的情況,導(dǎo)致須重新試驗?；谏鲜龇治?研發(fā)了數(shù)據(jù)有效性智能檢驗功能,例如:在圖5b最上部的圖虛線框的表1和表2中分別輸入2和7時,由于其不滿足式(1)的要求,因此,程序會在輸入完第2個數(shù)據(jù)7后自動彈出圖6,提示技術(shù)人員,數(shù)據(jù)有誤,需要對試驗進行調(diào)整。由此可見,試驗過程中及時地調(diào)整對于保證后續(xù)試驗過程的正確性是十分必要的。

圖6 數(shù)據(jù)檢查是否有效提示信息

3.3 試驗結(jié)果后處理模塊的構(gòu)建

試驗結(jié)果后處理模塊的主要功能是實現(xiàn)計算結(jié)果的顯示和統(tǒng)計分析(圖7)。流程:根據(jù)查詢條件,調(diào)用EXCEL數(shù)據(jù)倉庫中的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)至圖7左下部的表格中顯示。與此同時,在模塊的上部“路面結(jié)構(gòu)示意圖”中顯示測試點位。圖7顯示了清花高速公路(由于系統(tǒng)的開發(fā)需在工程開工之前完成,故此處為測試程序)樁號范圍在K1～K2之間試驗獲得的土基回彈模量數(shù)據(jù),圖中白色圓圈代表現(xiàn)場土基回彈模量的測試點位,如:單擊樁號為K1.05測試點時,會彈出圖7中虛線框的測試點詳細信息以供分析。后續(xù)如果需要顯示更多樁號處的試驗信息,單擊圖中的滾動條,單次單擊顯示1km范圍樁號內(nèi)的試驗數(shù)據(jù),其中滾動塊的滾動長度根據(jù)高速公路樁號長度設(shè)置。

圖7 結(jié)果后處理模塊

4 結(jié)論

依托清花高速公路工程,根據(jù)承載板測試土基回彈模量試驗方法的原理和技術(shù)要點,以Visual Studio.NET為開發(fā)平臺,Excel為數(shù)據(jù)倉庫,編制完成了公路土基回彈模量采集分析系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)的測試,驗證了該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,表明該系統(tǒng)可以有效克服手工記錄分析無法及時檢測數(shù)據(jù)有效性的不足,保證了后續(xù)試驗的正確進行。信息化技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用,可大大地減少試驗過程中的出錯概率,有助于技術(shù)人員能較全面地掌握在建工程的整體技術(shù)狀況,也可為后續(xù)竣工的道路養(yǎng)護提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。