公路路基回彈模量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)比研究

劉劍

（駐馬店市公路管理局，河南駐馬店 463000）

公路路基回彈模量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)比研究

劉劍

（駐馬店市公路管理局，河南駐馬店 463000）

結(jié)合路基回彈模量檢測(cè)工程實(shí)踐，分析了現(xiàn)場(chǎng)承載板法、貝克曼梁（BB）法等靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)與FWD（PFWD）法、瑞利波法、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，并對(duì)不同方法測(cè)得的路基回彈模量進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果表明，靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)難以反映路基在行車(chē)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)能較好地反映路基在動(dòng)荷載作用下的變形特性，且具有快速、便捷、高效的特性；路基動(dòng)態(tài)回彈模量與靜態(tài)回彈模量的相關(guān)性顯著，可用于路基回彈模量的快速檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

公路；路基；回彈模量；靜態(tài)模量；動(dòng)態(tài)模量；相關(guān)性分析

路基是道路的支撐結(jié)構(gòu)物，為保證道路使用性能，路基設(shè)計(jì)與施工除要滿足整體穩(wěn)定性要求外，還要嚴(yán)格控制其變形量，從而為路面提供堅(jiān)實(shí)的支撐。中國(guó)瀝青砼及水泥砼道路設(shè)計(jì)、施工及使用性能評(píng)價(jià)中，通常采用路基回彈模量反映路基的抗變形能力。因此，路基回彈模量檢測(cè)技術(shù)研究對(duì)道路施工質(zhì)量控制和提高有著重大意義。

目前道路工程中應(yīng)用較多的路基回彈模量檢測(cè)方法主要有現(xiàn)場(chǎng)承載板法、貝克曼梁（BB）彎沉法、FWD法、瑞利波法等。為了實(shí)現(xiàn)路基回彈模量的同步檢測(cè)，淺層面波測(cè)試法、動(dòng)力連續(xù)同步檢測(cè)技術(shù)在道路工程中也逐漸得到應(yīng)用。上述方法中，現(xiàn)場(chǎng)承載板法與BB法為靜態(tài)檢測(cè)方法，所測(cè)路基回彈模量為靜態(tài)模量；FWD法、瑞利波法、淺層面波測(cè)試法及動(dòng)力連續(xù)同步檢測(cè)技術(shù)為動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，所測(cè)路基回彈模量為動(dòng)態(tài)模量。該文通過(guò)總結(jié)各現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法在路基回彈模量測(cè)試中的應(yīng)用，分析和評(píng)價(jià)不同測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并初步建立各測(cè)量值間的關(guān)系，為路基工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 靜態(tài)檢測(cè)方法的工程應(yīng)用

1.1現(xiàn)場(chǎng)承載板法

現(xiàn)場(chǎng)承載板法利用承載板對(duì)路基逐級(jí)加載、卸載，測(cè)定各級(jí)荷載所對(duì)應(yīng)的回彈變形值，進(jìn)而求得路基回彈模量，該回彈模量可用于路面設(shè)計(jì)。該方法是路基回彈模量測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法之一，在公路工程中應(yīng)用廣泛。表1為現(xiàn)場(chǎng)承載板法在部分公路工程路基回彈模量檢測(cè)中的應(yīng)用。

從表1可以看出：采用現(xiàn)場(chǎng)承載板法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，隨著回彈變形的增加，路基回彈模量測(cè)量值有所降低，最大可達(dá)14.0 MPa。這是由于加載上限的增加導(dǎo)致路基發(fā)生部分塑性變形，使其回彈模量測(cè)量值減小。

表1　承載板法測(cè)試路基回彈模量示例

路基彈性模量的較小變化就會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)浪費(fèi)或不滿足安全要求。采用現(xiàn)場(chǎng)承載板法檢測(cè)路基回彈模量的難點(diǎn)在于合理確定試驗(yàn)加載上限，使其與道路路基實(shí)際受力和變形特性相一致，從而避免或降低路面設(shè)計(jì)偏差。此外，現(xiàn)場(chǎng)承載板法較繁瑣，效率低，難以滿足公路工程中快速檢測(cè)的需要；該方法所測(cè)回彈模量為靜態(tài)模量，難以完全反映路基在車(chē)輛動(dòng)荷載作用下的變形特性，尤其是高速公路路基在車(chē)輛荷載作用下的動(dòng)力變形特性。

1.2BB法

BB法是利用彎沉儀測(cè)量路面在標(biāo)準(zhǔn)差作用下的回彈彎沉值，通過(guò)公式反算求得路基回彈模量。該方法加載方式直觀，測(cè)點(diǎn)位置改變方便，在公路工程路基回彈模量檢測(cè)中也得到廣泛應(yīng)用。

采用BB法檢測(cè)路基回彈模量的關(guān)鍵在于路基彎沉值的測(cè)量。表2為BB法在部分公路工程中所測(cè)得的路基彎沉值。

表2　BB法測(cè)試路基彎沉值檢測(cè)結(jié)果

從表2可以看出：BB法測(cè)量路基回彈模量時(shí)，其彎沉值測(cè)量結(jié)果變異性較大，最大可達(dá)25%。這可能是由路基施工中壓實(shí)度不均勻造成的，也可能是檢測(cè)誤差造成的。

另外，BB法應(yīng)用中影響因素較多，彎沉車(chē)輪胎荷載與充氣壓力、車(chē)速、BB側(cè)頭垂直度、測(cè)點(diǎn)位置、支點(diǎn)變形、環(huán)境因素、人為因素及現(xiàn)場(chǎng)管理等都會(huì)對(duì)其檢測(cè)精度帶來(lái)影響。與現(xiàn)場(chǎng)承載板法一樣，BB法所測(cè)路基回彈模量為靜態(tài)模量，難以反映路基在行車(chē)動(dòng)荷載作用下的變形特性。

2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法的工程應(yīng)用

2.1FWD法與PFWD法

FWD法利用落錘式彎沉儀測(cè)量路基在沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)彎沉值，通過(guò)彎沉值反算路基回彈模量。該方法是國(guó)外公路工程中評(píng)定路基回彈模量的主要方法，中國(guó)JTG E60-2008《公路路基路面形成測(cè)試規(guī)程》也將FWD法列為彎沉檢測(cè)方法。

FWD法檢測(cè)路基回彈模量能施加動(dòng)態(tài)荷載，可快速、可靠地檢測(cè)路基在動(dòng)荷載作用下的變形特性。但FWD法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)所施加的荷載往往明顯大于實(shí)際工程中路基可能承受的行車(chē)荷載，導(dǎo)致路基發(fā)生塑性變形，影響回彈模量測(cè)量結(jié)果。此外，F(xiàn)WD法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成本較高，設(shè)備運(yùn)輸費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。為克服FWD法的不足，在FWD的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了便攜式落錘彎沉儀（PFWD），該儀器具有便于攜帶、操作簡(jiǎn)單、精度高、自動(dòng)記錄等特點(diǎn)。利用PFWD法檢測(cè)路基回彈模量時(shí)，能模擬行車(chē)荷載作用，并實(shí)時(shí)檢測(cè)路基彎沉值和動(dòng)彈性模量，能反映路基在實(shí)際工況下的變形特性，從而有效控制路基施工質(zhì)量。近年來(lái)，F(xiàn)WD及PFWD法在中國(guó)公路工程施工中均得到廣泛應(yīng)用。表3為FWD與PFWD法在部分路段檢測(cè)路基回彈模量的結(jié)果。表3所示路基回彈模量變異系數(shù)較大，這可能是由于路基壓實(shí)度不均勻造成的。

表3　FWD（PFWD）法測(cè)試路基回彈模量示例

2.2瑞利波法

瑞利波傳播速度與傳播介質(zhì)的彈性參數(shù)理論關(guān)系明確，且在均勻介質(zhì)中瑞利波傳播速度與頻率無(wú)關(guān)，即無(wú)頻散性，這種基本特性使其可用于路基施工質(zhì)量檢測(cè)。理論上，路基動(dòng)彈性模量Ed與瑞利波波速vR存在以下關(guān)系：

式中：ρ為路基密度；μ為泊松比。

表4為蕪馬（馬鞍山—蕪湖）高速公路工程采用瑞利波法測(cè)定路基回彈模量的結(jié)果。工程應(yīng)用中可通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析求得路基動(dòng)、靜回彈模量的轉(zhuǎn)換系數(shù)α=E0/Ed，將瑞利波法測(cè)得的動(dòng)彈性模量轉(zhuǎn)換為工程中常用的靜彈性模量。

表4　瑞利波法測(cè)試路基回彈模量示例

2.3實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)

上述路基回彈模量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法均為點(diǎn)式檢測(cè)法，工程應(yīng)用中存在“以點(diǎn)代面”問(wèn)題，且均須在路基碾壓完成后方可進(jìn)行檢測(cè)，難以實(shí)時(shí)控制路基施工質(zhì)量。為快速、可靠、方便、及時(shí)、全面地檢測(cè)路基回彈模量，開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)和動(dòng)力連續(xù)同步檢測(cè)技術(shù)（CCC）等。

實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)利用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓路基土?xí)r壓路機(jī)振動(dòng)輪與路基土的動(dòng)力響應(yīng)服從雙自由度動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的原理，當(dāng)壓路機(jī)的振動(dòng)頻率、振幅不變時(shí)，可認(rèn)為振動(dòng)輪的加速度只與路基土的剛度和阻尼相關(guān)，若能測(cè)定壓路機(jī)碾壓過(guò)程中振動(dòng)輪的加速度，通過(guò)分析換算即可得到反映路基剛度的力學(xué)參數(shù)R，進(jìn)而由R與路基回彈模量的擬合關(guān)系求得路基回彈模量。圖1為葉為民等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的路基回彈模量與實(shí)時(shí)在線檢測(cè)反算動(dòng)剛度R的關(guān)系。

圖1　實(shí)時(shí)在線檢測(cè)回彈模量-動(dòng)剛度關(guān)系

從圖1可以看出：路基動(dòng)剛度R與回彈模量基本呈線性關(guān)系，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)可用于路基回彈模量測(cè)試。

需注意的是，運(yùn)用實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行路基回彈模量測(cè)試時(shí)，首先要做好參數(shù)標(biāo)定，否則測(cè)量結(jié)果可靠性將大大降低。

3 路基回彈模量相關(guān)性分析

3.1BB法與承載板法

圖2為京滬（北京—上海）和瑞贛（瑞金—贛州）高速公路采用承載板法和BB法所測(cè)路基回彈模量及其相關(guān)性分析。

圖2　BB試驗(yàn)與承載板試驗(yàn)路基回彈模量關(guān)系

由圖2可知：盡管路基土材料不同，采用BB法反算得到的路基回彈模量與承載板試驗(yàn)結(jié)果均具有良好的一致性。對(duì)于同種路基，由于施工過(guò)程中壓實(shí)度均勻性存在偏差，所測(cè)路基回彈模量呈現(xiàn)出較明顯的離散性。

3.2PFWD與BB法

圖3為瑞贛高速公路采用PFWD法與BB法檢測(cè)路基回彈模量的結(jié)果及其相關(guān)性分析。

圖3　瑞贛高速公路路基回彈模量PFWD與BB試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性分析

由圖3可知：路基回彈模量檢測(cè)中，PFWD法與BB法所得路基彎沉值具有較好的線性相關(guān)性，尤其是碎石土和隧道礦渣路基。但需注意的是，對(duì)于圖3所給出的3種路基條件，無(wú)論是采用PFWD法還是BB法，所測(cè)路基彎沉值均呈現(xiàn)出顯著的離散性。這是由于路基彎沉值與壓實(shí)均勻性密切相關(guān)，路基施工均勻性越好，則其彎沉值變異系數(shù)越??；反之，路基施工均勻性越差，則路基彎沉值變異系數(shù)越大。

3.3瑞利波與承載板試驗(yàn)

圖4為蕪馬高速公路和通惠大道采用瑞利波和承載板法所測(cè)路基回彈模量及其相關(guān)性分析。

圖4　路基回彈模量瑞利波法與承載板試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性分析

由圖4可以看出：瑞利波法所測(cè)路基動(dòng)回彈模量與承載板所測(cè)靜回彈模量之間存在較好的相關(guān)性。相比承載板試驗(yàn)，瑞利波法檢測(cè)路基回彈模量快捷、高效、經(jīng)濟(jì)，能有效用于路基施工質(zhì)量和力學(xué)性能評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)承載板法及貝克曼梁法所測(cè)路基回彈模量均為靜態(tài)回彈模量，難以反映路基在行車(chē)荷載作用下的變形特性。現(xiàn)場(chǎng)承載板法難以合理確定加載上限，可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與實(shí)際偏差較大；貝克曼梁法的測(cè)量結(jié)果受彎沉車(chē)輪胎荷載、充氣壓力等因素的影響，可能產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。

（2）FWD（PFWD）法能模擬行車(chē)荷載特性，反映路基在動(dòng)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)；瑞利波法能有效檢測(cè)路基的分層回彈模量，有利于保證路基施工質(zhì)量；實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)可克服傳統(tǒng)檢測(cè)方法“以點(diǎn)帶面”和滯后性等不足，將回彈模量檢測(cè)與路基填筑相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)路基碾壓時(shí)同步檢測(cè)回彈模量，控制路基填筑質(zhì)量。與靜態(tài)檢測(cè)方法相比，動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法具有快速、便捷、高效等特性，值得在公路路基檢測(cè)中推廣應(yīng)用。

（3）現(xiàn)場(chǎng)承載板試驗(yàn)與BB試驗(yàn)所測(cè)路基靜態(tài)回彈模量間、動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法所測(cè)路基動(dòng)態(tài)回彈模量與靜態(tài)回彈模量間的相關(guān)性較好，說(shuō)明進(jìn)行路基回彈模量動(dòng)態(tài)檢測(cè)能很好地反映路基的回彈模量，可用于路基施工質(zhì)量控制。

［1］ 石鴻，谷志文，王選倉(cāng).公路路基回彈模量承載板試驗(yàn)方法研究［J］.公路，2008（9）.

［2］ 方炬洋.彎沉車(chē)后軸輪胎對(duì)貝克曼梁法測(cè)定彎沉的影響［J］.公路交通科技，2011，28（5）.

［3］ 陸飛，沈楠，羅恒梁.FWD在庫(kù)阿項(xiàng)目路基壓實(shí)度檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2014（10）.

［4］ 謝兆星，叢林，郭忠印.基于FWD彎沉盆參數(shù)的瀝青路面土基模量評(píng)價(jià)方法研究［J］.公路交通科技，2009，26（12）.

［5］ 肖川，邱延峻，曾杰，等.FWD荷載作用下的瀝青路面實(shí)測(cè)動(dòng)力響應(yīng)研究［J］.公路交通科技，2014，31（2）.

［6］ 張宏，石名磊，柳艷華，等.瑞利波測(cè)試路基回彈模量的試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2005，22（1）.

［7］ 王俊梅.土基回彈模量及其測(cè)試方法研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

［8］ 馬博，石鴻.公路路基回彈模量承載板測(cè)試方法改進(jìn)研究［J］.公路，2006（12）.

［9］ 石鴻.公路土基回彈模量測(cè)試方法及推薦值研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2005.

［10］ 嚴(yán)二虎.貝克曼梁彎沉車(chē)彎沉測(cè)定的影響因素分析［J］.施工技術(shù)，2010，39（3）.

［11］ 于淵卓.瑞贛高速公路特殊土路基回彈模量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009.

［12］ 葉為民，謝賓，葉斌，等.基于實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的路基回彈模量試驗(yàn)研究［J］.礦冶工程，2013，33（5）.

［13］ 曾彪.貝克曼梁路基測(cè)定的影響因素分析［J］.公路與汽運(yùn)，2015（2）.

［14］ 徐遠(yuǎn)明，陳宇亮，王新武.路基動(dòng)態(tài)靜態(tài)回彈模量現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)研究［J］.路基工程，2011（1）.

［15］ 張躍東.路基回彈模量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)研究綜述［A］.河南省土木建筑學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)大會(huì)論文集［C］. 2010.

［16］ 段丹軍，查旭東，張起森.應(yīng)用便攜式落錘彎沉儀測(cè)定路基回彈模量［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2004，4（4）.

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2016-05-09