婁新高速公路新老路基土性能快速檢測與數(shù)據(jù)分析研究

龍曙東，龍劭一

(湖南省婁新高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南婁底 417000)

近年來我省高速公路網(wǎng)絡(luò)日趨完善，但隨著未來我省經(jīng)濟迅猛發(fā)展，數(shù)年后我省高速公路通行能力無法滿足當時經(jīng)濟發(fā)展的需要，繼續(xù)加緊基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，進一步高速公路分布密度勢在必行。與重新修建一條高速公路相比，高速公路加寬改建工程具有減少用地，節(jié)約投資的優(yōu)點。與此同時高速公路加寬改建工程中也帶來了很多技術(shù)上的難題，其中新老路基結(jié)合部發(fā)生縱向裂縫就是一個技術(shù)難點，主要體現(xiàn)在:新老路基填土的類型、物理性質(zhì)以及剛度，強度和壓實性能的差異，這些均能引起新老路基不均勻沉降，給路基和路面造成嚴重的病害。

婁新高速公路起點k0+900～k9+500為利用潭邵高速公路婁底連接線(按高速公路標準建設(shè))擴建段，是我省第一條真正意義上高速公路改擴建工程。改擴建段歷經(jīng)農(nóng)田，水庫沿線水系較為發(fā)達。新建高速公路需將連接線右幅整體加寬最大達25.2 m，最小為1.3 m，需完成填方 822 158萬 m3，高填方有11處，其中高填方最長達1.593 km。該段施工難度大，工期緊，加寬部分施工質(zhì)量難以保證，現(xiàn)階段新老路基結(jié)合部路基填筑強度問題尤為突出，為了解決這個問題，在施工過程中只有通過嚴格檢驗和控制壓實度的統(tǒng)一性和均勻性，才是排除問題的最優(yōu)解法。

1 壓實度快速檢測方法介紹

傳統(tǒng)的路基強度檢測方法儀器重量較重，試驗起來比較繁鎖，儀器在使用一段時間后需要重新標定，檢測時由于引起的震動對檢測結(jié)果有一定的影響。本文引入國外先進路基土性能快速檢測技術(shù)，加快路基檢測速度，提高工作效率。通過統(tǒng)計學假設(shè)檢驗理論來判定拼接處的強度，剛度和壓實性能的統(tǒng)一性和均勻性。

1.1 PFWD的原理和分析方法

PFWD又稱手持式落錘彎沉儀(Handhold FWD)或微型落錘彎沉儀(Mini FWD)，是一種基礎(chǔ)填筑表面(包括路基、地基和場地等)動力承載能力試驗檢測設(shè)備，是繼常規(guī)拖車式落錘彎沉儀(FWD)后的又一種新的動力模量快速無損檢測設(shè)備，可用來快速檢測路基模量值。圖1為丹麥Carl BroPRIMA100型PFWD的構(gòu)造及工作原理示意圖。

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)組成。其中，加載系統(tǒng)由落錘、滑桿、鎖定桿和橡膠墊塊等機械裝置組成;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)由計算機、有線數(shù)據(jù)傳輸裝置、無線數(shù)據(jù)傳輸裝置和數(shù)據(jù)處理軟件等組成。其基本原理為:將一個10 kg的落錘提升至一固定高度，然后釋放，讓其自由下落，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將荷載和位移記錄下來，從而根據(jù)壓力和位移的峰值由式(1)確定路基回彈模量。

式中:p為實測的承載板所受壓力，kPa;a為承載板半徑，現(xiàn)場通常采用半徑為15 cm的承載板，室內(nèi)一般采用半徑為5 cm的承載板;μ為泊松系數(shù)，取μ=0.35;l為實測的承載板中心彎沉，μm;Ep為路基回彈模量，MPa。

圖1 PFWD構(gòu)造及工作原理示意圖

1.2 DCP的原理和分析方法

DCP由英國TRL(交通研究實驗室)開發(fā)，總重為20 kg，主要包括落高為575 mm的8 kg落錘、貫入桿、標尺、與貫入桿端部連接的直徑為20 mm的圓錐錐尖，其中錐尖的錐角為60°，DCP的構(gòu)造及工作原理如圖2所示。

DCP可在850 mm的深度范圍內(nèi)進行連續(xù)測量，若采用延長桿，最大深度可達2 m。一般情況下，DCP測試一個測點只需1～3 min。因此，DCP適用于快速檢測土基內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性能。為此，通常采用下式定義的貫入度反映測試結(jié)果:

式中:DN為貫入度，mm·錘－1;Δy為從第1錘至最后1錘的總貫入深度，mm;n為錘擊次數(shù)。

其中貫入度DN可以通過國內(nèi)外經(jīng)驗公式反算CBR以及壓實度，推薦公式如下:

DN、CBR和 K分別為貫入度(mm·錘－1)，加州承載比，%，以及壓實度，%，其中式(3)寫入AASHTO規(guī)范，具有普遍規(guī)律性，而式(4)為婁新高速路基標定的回歸公式。

圖2 DCP構(gòu)造及工作原理圖(單位:mm)

2 新老路基結(jié)合部壓實度快速檢測

2.1 土的物理性質(zhì)分析

選取現(xiàn)場新老路基的填土土樣，進行了相關(guān)的室內(nèi)試驗，相應(yīng)的物理性質(zhì)試驗結(jié)果如表1所示。

表1 土的物理性質(zhì)

2.2 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場選定了婁新高速路基k3+410～k3+510段1新老路基拼接處作為試驗段，為了進行不同測試方法的對比，在試驗路段上每5 m選取一個樁號，依次在該樁號平行位置的新老路基各選擇一個測點，在每個測點上依次進行PFWD動模量、DCP貫入度檢測。其中，DCP貫入深度取20～30 cm。儀器采集數(shù)據(jù)見圖3、圖4。

其中DCP貫入度，采用經(jīng)驗公式(3)和(4)，反算出現(xiàn)場CBR承載比和壓實度。數(shù)據(jù)見表2。

圖3 動模量檢測

圖4 DCP貫入檢測

從現(xiàn)場CBR承載比和壓實度表可以看出，反算的各測點承載能力均遠遠大于《公路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的高速公路路基路堤填料最小強度要求的規(guī)定值4%。而由于壓實度的取值因缺乏現(xiàn)場灌砂與DCP貫入的標定公式，使用回歸的式(4)進行反算，供本路段新老路基壓實性能對比參考。

表2 CBR與壓實度反算值

3 數(shù)據(jù)分析

上述試驗數(shù)據(jù)，并不能直觀地判別新老路基的動態(tài)模量，CBR值，以及壓實度是否均勻，統(tǒng)一。可通過統(tǒng)計學的假設(shè)檢驗理論來進行判定，判斷新老路基拼接處的各項指標是否均勻，統(tǒng)一，如果差異顯著，那么要找到新老路基各項指標總體上哪個大哪個小，以便對指標小的進行加固和處理，達到新老路基總體均勻，統(tǒng)一。

具體方法:將新老路基的某項指標定為一隨機變量，例如，定該路段老路的動態(tài)模量這一指標為隨機變量X1，新路的動態(tài)模量為隨機變量X2。那么這兩個隨機變量樁號對樁號動態(tài)模量指標相減值X1－X2定義為另一隨機變量X，X的均值即期望為μ。運用大子樣檢驗?zāi)阁w平均數(shù)——μ檢驗。通過提出假設(shè)H0:μ=0。如果假設(shè)成立，則說明新路基與老路基整體上的動態(tài)模量比較統(tǒng)一，均勻。如果假設(shè)不成立，說明新路基與老路基在此單項指標上存在顯著差異，再進行單側(cè)假設(shè)檢驗，提出假設(shè)H0:μ≥0。如果假設(shè)成立，則說明此路段1的老路基的動態(tài)模量總體上均大于新路基的動態(tài)模量。其中顯著水平α，取0.05，根據(jù)此理論，通過MATLAB程序調(diào)用庫函數(shù)ttest命令，將路段1和路段2的新老路基拼接的動態(tài)模量，CBR承載比，以及壓實度三項指標進行上述分析，MATLAB運算結(jié)果中，如果得出的h=1，表示拒絕假設(shè)，而h=0則接受原假設(shè)，得出結(jié)果如表3。

表3 路段1新老路基三項指標假設(shè)分析結(jié)果

從上述結(jié)果可以看出，該路段的新老路基拼接處的各項指標分布統(tǒng)一，比較均勻，情況較理想。

4 結(jié)語

本文依托婁新高速公路擴建工程，通過大量的現(xiàn)場試驗和測試，探討了新型路基質(zhì)量快速檢測設(shè)備——便攜式落錘彎沉儀(PFWD)，動力錐貫入儀(DCP)在高速公路路基拼接中的應(yīng)用。研究結(jié)果對路基拼接部位的剛度，承載能力和壓實質(zhì)量快速判斷有良好的指導意義，其中所采用統(tǒng)計學中假設(shè)檢驗的數(shù)據(jù)對比分析方法與思路可為我省高速公路路基拼接工程提供有益的參考。

［1］徐 平，王復(fù)明，陳忠平.PFWD在立即強度評價中的應(yīng)用［J］.路基工程，2008(5):52－54.

［2］徐 平，王復(fù)明 陳忠平.DCP在高速公路路基壓實質(zhì)量評價中的應(yīng)用［J］.路基工程，2008(4).

［3］韓 利.瞬態(tài)瑞雷波法快速檢測評價高速公路路基壓實質(zhì)量［J］.公路工程，2007，32(6):134 －136.

［4］周 文.新老路基強度不均勻性對拓寬路面結(jié)構(gòu)影響分析［J］.公路工程，2009，34(5):67 －74.