土石混填路基振動壓實值與動態變形模量相關性研究

張海歐， 孫 韜， 余 旭

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

為克服傳統路基壓實程度檢驗指標評價不全面，且費時費力的缺點，近年來，以振動壓實值(VCV)作為路基質量控制指標為代表的連續壓實控制技術因其具有全面、快速、省時、省力及針對性強的優點，在我國的路基工程中得到了越來越多的應用,為此，一些學者進行了相關的研究工作。黃志福[1]等人發現振動輪加速度與路面壓實度之間具有明顯的正線性相關性；張家玲[2]將經過一定信號處理的振動輪加速度定義為振動壓實值(VCV)，并發現VCV與路基結構抗力或反作用力之間呈線性關系；徐光輝[3]等發現級配碎石壓實過程中結構抗力與壓實程度之間存在較好的線性相關性，說明了路基的結構抗力是可以用來評價路基結構的壓實狀態的；張家玲[4]等通過對兩個填石路堤試驗段的振動壓實值與常規荷載板類指標之間關系的分析，發現振動壓實值與常規載荷板類指標具有線性相關關系；常丹[5]等指出一些常規指標之間具有很高的線性相關程度。

相關學者的研究工作主要集中在反映壓實質量的各種指標之間是否具有相關性以及相關性大小等方面，而對土石混填路基連續壓實控制指標與傳統指標線性相關性及其影響因素的研究尚不多見。本文通過對某高速公路土石混填路基不同壓實工藝下所測得的振動壓實值VCV與動態變形模量(Evd)的線性相關性進行分析，對VCV值與Evd值線性相關性的影響因素做出探討。

1 連續壓實控制技術與Evd測試原理

1.1 連續壓實控制技術原理

連續壓實控制技術基本原理是連續測量振動壓路機振動輪的動態響應信號，經過一定的后續信號處理，以形成對路基壓實質量的評價指標。目前國外進行連續壓實控制技術的研究的主體以企業單位為主[7-8]，這些企業單位分別形成了各自的評價指標，如諧波比、動態模量、剛度系數等[9]。國內的西南交通大學等單位，開發了以振動壓實值為路基質量控制指標的連續壓實控制技術，在國內也有較為廣泛的應用。但所有的連續壓實控制指標都需先與常規指標建立聯系之后才可在實際工程中應用。

1.2 Evd測試原理[10]

動態變形模量Evd值是指經過一定質量(通常為10 kg)的落錘沖擊，對半徑為15 cm的載荷板(視為剛性)施加一定大小(7.07 kN)和作用時間(18 ms)的沖擊荷載，從而測定土體在該沖擊荷載作用下抵抗變形能力的參數，標定的載荷板下最大動應力為0.1 MPa，動態變形模量計算如式(1)所示。

Evd=1.5rσ/S=22.5/S

(1)

式中：r為載荷板半徑(150 mm)，σ為最大動應力(0.1 MPa)，S為載荷板沉降量，單位為mm。

2 現場試驗

2.1 試驗工點概況

該高速公路路基填筑試驗工點里程為K8+105～K8+341，此工點中心最大填高19.2 m，邊坡最大高度19.8 m，地基采用沖擊碾壓處理。該處工點所用原始填料為強風化-全風化花崗片麻巖與砂礫的土石混合體(本文稱為A類填料，如圖1所示)、中風化-強風化花崗片麻巖與砂礫的土石混合體(本文稱為B類填料，如圖2所示)。填料過60 mm與200 mm方孔篩，篩得數據如表1所示，現場所用填料中A類填料位于表層20 cm范圍內，在碾壓完成后基本成為填筑層表層砂礫，而B類填料相較于上層A類填料具有較高的強度，且位于填筑層的下部，在壓實完成后，破碎程度較低。

圖2 B類填料

表1 填料粒徑范圍質量比

2.2 現場試驗方案

在填筑過程中使用的壓路機為26 t，22 t自重的振動壓路機，兩種壓路機主要參數如表2所示。

表2 振動壓器機主要參數

現場試驗段選取輪跡長度為20 m，每種工況的測點數如表3所示；填筑層厚度分別為70 cm、60 cm、50 cm，其中70 cm厚的填筑層下部50 cm為B類填料(圖1)，上部20 cm為A類填料(圖2)；依據現場施工情況，具體的現場試驗工況如表3所示，

工況5至工況9所用填料全部為A類填料，工況1至工況4所用填料上部20 cm為A類填料，下部為B類填料，試驗時具體過程如下：在進行連續壓實檢測之前對填料進行預壓與整平，在預壓1～2遍之后，使用整平機進行表面整平；布置連續壓實檢測輪跡與Evd檢測點位；在壓路機測試輪跡與Evd測點布置完成之后，將連續壓實測試裝置的傳感器置于壓路機振動輪處，進行連續壓實檢測試驗(圖3)；每一遍檢測完成之后，在測點上進行Evd的檢測(圖4)，依次循環，直至填筑層碾壓完成。

3 數據處理

3.1 VCV與Evd線性相關性分析方法

振動壓實值VCV與Evd之間的相關關系一般情況下被

表3 試驗工況表

圖3 連續壓實檢測

圖4 Evd值檢測

認為是直線關系[4]：

y=a+bx

(2)；

式中y在此處表示Evd值，x表示振動壓實值VCV值；a、b為回歸系數，可按式(3)、式(4)確定。

(3)；

(4)；

依據相關性校驗試驗的要求[11]，取測點所測Evd值與對應VCV曲線上的VCV值計算相關系數。其中連續壓實指標與常規指標之間線性相關性系數按(5)式計算。當R>0.7時，即可認為VCV與Evd之間存在的線性相關性強。

(5)；

由試驗情況對各工況采集到的數據進行線性相關性分析，每種工況中VCV值與Evd值之間的線性相關性系數與回歸方程如表4所示，在本文中，當線性相關性系數R>0.7時，認為兩指標之間具有強線性相關性，給出線性回歸方程并作出回歸圖線，否則認為兩指標間的線性相關性弱，不給出線性回歸方程，但仍對數據進行分析討論。

表4 各工況線性相關系數與回歸方程

3.2 線性相關性及其影響因素分析

結合表3與表4，即可對碾壓遍數、壓實機械、松鋪厚度三種因素對兩種指標之間線性相關性之間的影響進行具體分析。考察全部9種工況，只有3種(松鋪厚度為50 cm時)具有強線性相關性，在這三種工況中可以建立振動壓實值與動態變形模量之間的回歸方程，為該三種工況下的路基連續壓實檢測提供參考。

3.2.1 碾壓遍數的影響

對比工況5與工況6以及工況9(回歸曲線如圖5所示)與工況7(回歸曲線如圖6所示)，兩種指標的線性相關性系數分別從0.677減至0.663和從0.851減至0.772，亦即在60 cm與50 cm的松鋪厚度與26 t振動壓路機的碾壓下，當碾壓遍數由4增至6時，兩指標之間的線性相關系數有所下降，原因是表層填料在振動壓路機的碾壓下，表層的填料在被破碎、擠壓、填充后形成較為堅實的表層砂礫，在此過程中，VCV值隨著填筑層抗力的增大而增大，填筑層的變形能力不斷地減小。當碾壓遍數達到一定數值的時候，壓路機繼續施加的振動能可以對填筑層更深處施加影響，并將深部的大粒徑塊礫石破碎填充至骨架空隙之中使之密實，因此地基結構的抗力與持續增加，但Evd值由于儀器的影響深度限制，只能測得填筑層較淺處的動態變形模量，導致其數值不再繼續增加。因此數據的離散性增大，其線性相關性系數減小。

圖5 工況9 Evd與VCV關系

圖6 工況7 Evd與VCV關系

3.2.2 壓實機械的影響

工況7與工況8(回歸曲線如圖7所示)兩種指標的線性相關性系數從0.772減小至0.728，即在50 cm的松鋪厚度與碾壓遍數同時為6遍的情況下，將壓實機械從26 t振動壓路機換成22 t振動壓路機后，兩指標之間的線性相關性系數減小，可能的原因是VCV值是一個壓路機輪寬范圍內的平均值，而Evd值僅為半徑為150 mm圓范圍的檢測值，可以視為一個點的測值，其數據的離散性受填筑層的均勻程度以及測試儀器的影響范圍的影響較大，由于填筑層松鋪厚度較薄，兩種壓路機都可以影響到填筑層的較深處甚至底部，其中26 t的振動壓路機相較于22 t振動壓路機對填筑層施加的能量更大，其內部的大粒徑礫石破碎率較高，因而數據的離散性更小，線性相關性更高。

圖7 工況8 Evd與VCV關系

3.2.3 松鋪厚度的影響

工況3、工況6與工況7中，隨著填筑層松鋪厚度的減小，兩指標之間的線性相關性有較為明顯的增強，其中的原因是，越薄的松鋪厚度，從表層到深部的大粒徑塊礫石越容易為壓路機的振動能所破碎，在碾壓完成后填筑層中所遺留的大粒徑塊礫石越少，填筑層越均勻，因而測得的數據的離散性越小，兩指標之間的線性相關性越大。

3.2.4 填料類型的影響

需要特別指出的是，工況4與工況5，這兩種工況攤鋪的填料種類并不完全相同，工況4中，填筑層表層20 cm內鋪設的為A類填料，底部40 cm為B類填料，而在工況5中，整個填筑層的填料全部為A類填料。在這兩種工況中，工況4的線性相關系數為0.504，工況5的線性相關系數為0.677，可見，當填料的整體強度較小時，大粒徑的塊礫石更容易被破碎為細小的顆粒，填筑層的均勻性更好，兩指標之間的線性相關系更強。

4 結論

本文通過分析現場試驗數據，研究了無黏性土石混合填料路基連續壓實檢測指標振動壓實值VCV值與動態變形模量Evd之間在各種工況下的線性相關性，分析了碾壓遍數、壓實機械、松鋪厚度對二者之間線性相關性的影響，主要得出如下結論：

(1)由于Evd測試儀器相較于振動壓路機的影響深度要淺，導致較為淺層部位測得的Evd值不能很好地隨反應填筑層更深部情況的VCV值的增大(減小)而增大(減小)，當碾壓遍數由4遍增至6遍時，壓路機可以影響填筑層的更深處，而Evd值無法反映這種影響，導致兩指標之間的線性相關系數有所下降。亦即，過多的碾壓遍數并不能提高兩指標之間的線性相關性。

(2)對于較薄的填筑層，更重的壓實機械對填筑層施加的能量更大，其內部的大粒徑礫石破碎率較高，填筑層均勻性較好，可以提高兩種指標之間的線性相關性。

(3)較薄的松鋪厚度，從表層到深部的大粒徑塊礫石越容易為壓路機的振動能所破碎，在碾壓完成后填筑層填筑層越均勻，測得的數據的離散性越小，兩指標之間的線性相關性越大。

(4)對于土石混合填料而言，填筑層所用填料的類型對兩指標之間的線性相關性也有較大的影響，母巖風化程度高的填料相較于風化程度較低的填料更易于破碎與壓實，壓實后的均勻性也較好，測得的兩種指標之間的線性相關性較強。

(5)可能影響兩種指標間的因素還有許多，例如操作誤差、測試的影響范圍以及數據的處理方式等，本文的研究并不全面，須待后期作進一步的研究。