落球檢測在堤防填土工程質(zhì)量評估中的應(yīng)用

康浩，王正君，來慶輝

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150086)

落球檢測在堤防填土工程質(zhì)量評估中的應(yīng)用

康浩，王正君*，來慶輝

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150086)

在堤防工程中，堤防填土的力學(xué)性質(zhì)是影響堤防工程整體變形沉降及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。為了更好的監(jiān)測和控制填筑質(zhì)量，克服傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)對堤防的損壞，本文介紹了落球檢測這種新型快速無損檢測技術(shù)。通過落球檢測技術(shù)在堤防工程的現(xiàn)場測試，采用網(wǎng)格布點的測試方法，獲得落球檢測結(jié)果及回彈變形模量分布圖，據(jù)此分析測區(qū)壓實程度及均勻性。避免傳統(tǒng)方法對堤防的破壞，從而保證了堤防的安全性和使用壽命。結(jié)果表明該技術(shù)對于評估堤防填土工程的巖土力學(xué)特性和均勻性十分有效，不僅快速而且反映直觀，后期需進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，該技術(shù)將會更好地廣泛應(yīng)用于堤防工程的質(zhì)量控制體系中。

堤防填土；落球檢測；均勻性；現(xiàn)場測試

0 引言

眾所周知，在堤防填土施工中，采用的材質(zhì)主要為巖土類，具備天然性、多樣性和復(fù)雜性[1]等特點。在這種情況下，巖土材料力學(xué)特性[2-3](包括剛性和強度特性)，對于堤防工程就會顯得尤為重要。美國交通部聯(lián)邦公路管理局研究結(jié)果表明填方路基施工質(zhì)量控制[4-5]的要點是保證其工程力學(xué)特性和均勻性，堤防工程也是一樣，在評價其填土工程壓實質(zhì)量時，應(yīng)首先考慮變形模量[6]等力學(xué)特性，評估其均勻性。此外，填土施工具備較強的隱蔽性，當(dāng)填筑到上層部位以后，其下層部位的質(zhì)量就難以得到檢測和監(jiān)督。因此，長久以來堤防工程界都在努力找尋一種可靠有效的技術(shù)手段，使之可以在施工現(xiàn)場準(zhǔn)確、直接、快速、方便的檢測堤防填土的力學(xué)特性。

在現(xiàn)有檢測方法中，常用的環(huán)刀法、灌水法檢測速度慢，設(shè)備及人為因素影響大，對堤防表面有一定的破壞作用。而核子密度法則存在一定的放射風(fēng)險。本文所介紹的落球檢測[7]技術(shù)，它能夠快速、高效地對巖土材料的變形特性進(jìn)行檢測，避免目前堤防填土破損性檢測費時費工的問題；并可通過網(wǎng)格布點多點測試一定范圍和厚度的堤防填土，結(jié)合圖形分析技術(shù)，檢測堤防缺陷和填土均勻性；還能對填土工程的施工質(zhì)量進(jìn)行大面積，全方面的綜合監(jiān)測，有效地確保施工質(zhì)量。

1 落球檢測原理

1.1 變形特性原理

落球檢測理論是在Hertz[8-11]碰撞理論的基礎(chǔ)上，與巖土材料的塑性特征相結(jié)合，根據(jù)球狀剛性材料自由下落后和巖土材料的撞擊測試，以此推求待測材料的壓縮變形模量、回彈變形模量。

已知一個球狀剛性體M與剛性未知體N進(jìn)行碰撞，若未知材料N剛性越小，則撞擊后的接觸時間越長。如圖1所示。

圖1 碰撞理論Fig.1 Collision theory

在此原理下，落球和半無限平面體間的撞擊接觸時間計算公式如下：

測得接觸時間Tc，就可以推求土體的變形模是E。

然而，Hertz碰撞理論只是在線彈性材料適用，對于巖土材料這種典型的彈塑性材料，應(yīng)當(dāng)把碰撞分成壓縮階段及回彈階段兩個過程。

其中變形模量Ec以壓縮階段的碰撞接觸時間來推求，回彈模量Eur則以回彈階段的碰撞接觸時間計算。下式中，泊松比μ可以預(yù)先進(jìn)行設(shè)置而且影響很小。

壓縮時變形模量

式中：k為對應(yīng)修正系數(shù)；Tcc為相應(yīng)的接觸時間，Tcc=2Tc_c，Tc_c為球體與巖土材料碰撞過程中的壓縮時間。

回彈時變形模量

其中，Tcr為相應(yīng)的接觸時間，可取Tc。

1.2 數(shù)據(jù)處理

(1)材料修正。因為巖土材料粒徑大小和性質(zhì)的不同，會使得落球所測得的變形模量發(fā)生不同程度的變化。根據(jù)巖土材料的種類不同，采用了材料修正系數(shù)進(jìn)行修正，修正系數(shù)通常介于0.67～0.90，且材料粒徑越小，修正系數(shù)越大[12]。此外，根據(jù)材料種類，給出了參考泊松比μ，見表1。

表1 材料修正Tab.1 Material correction

(2)誤差修正。在實際的工程試驗中，難免會碰到石塊之類的大粒徑材料。傳統(tǒng)的測試手段(如挖坑灌砂法[13]，平板載荷試驗[14]等)往往要想辦法避開這些大粒徑材料。落球檢測技術(shù)也不例外[15]，當(dāng)下落球體撞擊大石塊后，會導(dǎo)致測試結(jié)果的反常變大，因此本技術(shù)以等價變形法[16]進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，可以有效地降低主觀因素的影響，減少實驗誤差。其計算公式如下：

式中：N為采集總次數(shù)；Ei為每次采集的試驗結(jié)果。

2 現(xiàn)場檢測實例

2.1 測試概況

本次現(xiàn)場測試采用的落球式巖土力學(xué)特性測試儀如圖2所示，落球重量為19.1 kg。

圖2 落球式巖土力學(xué)特性測試儀Fig.2 Falling ball tester for mechanical properties of geo-material

測試現(xiàn)場選取正在施工中的松花江流域某新建堤防(2個標(biāo)段)。利用落球檢測技術(shù)對碾壓完成后的彈性模量和彎沉進(jìn)行檢測，并對2個標(biāo)段不同區(qū)域的變形模量分布狀況進(jìn)行均勻性評估。同時用傳統(tǒng)方法環(huán)刀法和灌水法等在相應(yīng)測區(qū)典型位置檢測數(shù)值，與落球法檢測結(jié)果相對比。

2.2 測試內(nèi)容

第一標(biāo)段為粘土填筑，第二標(biāo)段為砂土填筑。每一個標(biāo)段隨機選取一個測區(qū)，各測區(qū)橫向布設(shè)5個測點，測點間距為1.5 m；縱向布設(shè)5個測點，測點間距1 m。最終形成5行，5列的網(wǎng)格布點。在每個測點進(jìn)行采集，并用測試儀主機進(jìn)行處理。之后在第一標(biāo)段用環(huán)刀法，第二標(biāo)段用灌水法分別在典型測點進(jìn)行壓實度檢測，以此評估工程質(zhì)量。

2.3 測試結(jié)果

落球測試結(jié)果如圖3～圖6所示，通過軟件解析，可以直觀的看到測區(qū)每一個測點的變形模量、回彈模量、彎沉和地基系數(shù)K30等[17-18]檢測指標(biāo)，以此對堤防填土工程壓實質(zhì)量進(jìn)行評價。而在生成的回彈變形模量分布圖中，淺色代表對應(yīng)區(qū)域變形模量較小，深色則相反，據(jù)此來反映堤防填土工程壓實的均勻性。

采用傳統(tǒng)環(huán)刀法及灌水法在圖4和圖6中所標(biāo)示的3個點所對應(yīng)的實際位置進(jìn)行壓實度檢測的結(jié)果如下，見表2。

表2 壓實度檢測結(jié)果Tab.2 Compaction test results %

圖3 一標(biāo)測試區(qū)域壓實指標(biāo)結(jié)果一覽Fig.3 A list of results of compaction indexes for the first section of the test area

圖4 一標(biāo)測試區(qū)域回彈變形模量分布圖Fig.4 Distribution of rebound elastic modulus for the first section of the test area

圖5 二標(biāo)測試區(qū)域壓實指標(biāo)結(jié)果一覽Fig.5 A list of results of compaction indexes for the second section of the test area

圖6 二標(biāo)測試區(qū)域回彈變形模量分布圖Fig.6 Distribution of rebound elastic modulus for the second section of the test area

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)回彈變形模量分布圖可以看出，無論是第一標(biāo)段還是第二標(biāo)段，均存在局部變形模量過高區(qū)域。

具體來看，對于第一標(biāo)段，采用粘土填筑，由于壓實后過去較長時間，一方面來往重型車輛反復(fù)壓實，會使彈性模量變大，但總體上較為均勻，從數(shù)據(jù)上看也是如此；另一方面有測點落在車轍上，會出現(xiàn)測試結(jié)果急劇變小的情況出現(xiàn)，即客觀存在的測試誤差，可用前文提到的等價變形法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而從環(huán)刀法測試結(jié)果可以看出深色區(qū)域較淺色區(qū)域壓實度要高，整體上壓實度良好且均勻性要優(yōu)于第二標(biāo)段。

對于第二標(biāo)段，采用砂礫石填筑，雖然壓實度良好且表面平整，但砂礫石材料在受到?jīng)_擊時會發(fā)生側(cè)向流動和強度降低等問題，對附近測點彈性模量造成一定影響。就測試結(jié)果來看，此標(biāo)段壓實度較高，對于局部變形模量較大的區(qū)域是否會產(chǎn)生應(yīng)力集中問題需進(jìn)一步分析。從灌水法測得結(jié)果可以明顯看出，壓實程度存在顯著差異，深色區(qū)域彈性模量大，壓實度高，淺色區(qū)域彈性模量小，壓實度低。

3 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場試驗，相對于環(huán)刀法，灌水法等傳統(tǒng)方法，落球檢測技術(shù)操作簡便，測試效率高，數(shù)據(jù)處理經(jīng)過多次修正，在對堤防工程的整體壓實情況及均勻性的評價中具有明顯的優(yōu)越性。對于一個測區(qū)只需短短幾分鐘就可完成網(wǎng)格布點的多點測試，并且集成度較高，能快速測定填土工程的變形模量、回彈模量和彎沉等評價壓實程度的巖土力學(xué)指標(biāo)，以及通過圖形處理反映其整體均勻性。不同于傳統(tǒng)方法只對某一測點進(jìn)行檢測，其更側(cè)重大面積的多點采樣，生成的模量分布圖可以直觀地看出整個測區(qū)的壓實情況。落球檢測技術(shù)在堤防填土工程的質(zhì)量評估中可以作為一種有效的檢測手段進(jìn)行應(yīng)用。

[1]王曦光.落球式巖土力學(xué)測試儀的原理與應(yīng)用[J].北方交通，2016，39(6)：82-85.

[2]Tatsuoka F.Brief review of the strength and deformation characteristics of sedimentary soft rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(6)：872-893.

[3]張繼鋒，陳彥芹.土石混合填料的壓實特性及其質(zhì)量控制探討[J].土木建筑學(xué)術(shù)文庫，2007，8(1)：667-668.

[4]Walsh K，Houston W，and Houston S.field implications of current compaction specification design practices[J].Journal of Construction Engineering and Management，1997，123(4)：363-370.

[5]Li L M.Analysis of the construction and the quality control of the railway subgrade[C].Singapore Management and Sports Science Institute，Singapore，2015，49：5.

[6]毛云龍.基于落球檢測技術(shù)的宕渣路基均勻性檢測研究[J].公路交通科技 應(yīng)用技術(shù)版，2014，10(7)：96-98.

[7]吳佳曄，北本幸義，吉田輝，等.落球式巖土材料力學(xué)特性的現(xiàn)場測試方法和裝置[P].中華人民共和國發(fā)明專利，CN101545841，2009-09-30.

[8]許祥，劉偉慶，徐秀麗.結(jié)構(gòu)地震碰撞分析的線性粘彈性碰撞模型[J].工程力學(xué)，2013，30(2)：278-284.

[9]吳飛科，羅繼偉，張磊，等.關(guān)于Hertz點接觸理論適用范圍的探討[J].軸承，2007，50(5)：1-3.

[10]Zou Y H.A theoretical model of collision between soft-spheres with Hertz elastic loading and nonlinear plastic unloading[J].Theoretical & Applied Mechanics Letters，2011，1(4)：34-39.

[11]Bu C G，Xia B R，Lian Y J，et al.Simulation of hertz transient contact/Impact of flexible bodies[J].Journal of Earth Science，2012，23(02)：225-232.

[12]何靜.基于落球式測試法的宕渣路基施工質(zhì)量檢測技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2014.

[13]Vuren S V，Vriend H D，Barneveld H.A stochastic model approach for optimization of lowland river restoration works[J].Journal of Earth Science，2016，27(1)：55-67.

[14]Bai F Q，Liu S X，Liu J Q，et al.In-situ plate load tests on the soilbag reinforced expansive soil foundation[C].Proceedings of 2013 3rd International Conference on Advanced Measurement and Test(AMT 2013).Information Engineering Research Institute，USA，2013，718-720：1888-1894.

[15]田北平，吳佳曄，蔣世龍，等.落球式便攜剛性檢測儀在填土碾壓質(zhì)量管理中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，39(S2)：456-459.

[16]田北平，吳佳曄，蔣世龍，等.基于落球檢測技術(shù)原理的測試系統(tǒng)在填土路基碾壓質(zhì)量管理中的應(yīng)用[J].公路交通科技 應(yīng)用技術(shù)版，2009，5(12)：70-72.

[17]陳謙應(yīng)，鄧衛(wèi)東.土石混合非均質(zhì)填方壓實質(zhì)量檢測方法綜述[J].國外公路，1991，11(6)：28-30.

[18]戴玉，賴國泉.鐵路路基壓實指標(biāo)K30、Ev2、Evd對比分析[J].鐵道勘察，2011，37(3)：52-54.

Application of the Falling Ball Test Method in Quality Assessmentof Embankment Filling Engineering

Kang Hao，Wang Zhengjun*，Lai Qinghui

(College of Water Conservancy and Electric Power，Heilongjiang University，Harbin，150086)

In the embankment engineering，the mechanical properties of the embankment fill are the key factors affecting deformation，settlement and structural stability of the whole embankment engineering.In order to preferably monitor and control the filling quality and overcome the damage to the embankment by traditional monitoring technology，the falling ball test method，a new fast non-destructive testing technology，was introduced and applied in embankment engineering site test.The results of falling ball test and the distribution diagram of the rebound elastic modulus were obtained by using the mesh point method，and thereby the degree of compaction and uniformity were analyzed.Compared to traditional method，this method avoids the damage to the embankment and thus ensures the safety and service life of the embankment.The results indicated that this method is quite effective for evaluation of the mechanical properties and the uniformity of geo-material in embankment fill，which is only fast but also intuitive.It would be better widely applied in the quality control system of embankment filling engineering through further improvements and optimization.

embankment fill；falling ball test；uniformity；site test

2016-09-20

黑龍江省黑龍江干流堤防工程科學(xué)研究實驗(HGZL/KY-01)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃引導(dǎo)項目(GZ16B013)

康浩，碩士研究生。研究方向：材料、無損檢測。

*通信作者：王正君，博士、教授。研究方向：材料、無損檢測。E-mail：wzjsir@163.com

康浩，王正君，來慶輝.落球檢測在堤防填土工程質(zhì)量評估中的應(yīng)用[J].森林工程，2017，33(3)：116-119.

U416.1

A

1001-005X(2017)03-0116-04