道路路基壓實(shí)效果評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展

李鵬

摘? 要：道路路基的碾壓密實(shí)程度與路基的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性密切相關(guān)。當(dāng)前評(píng)價(jià)路基壓實(shí)效果方法有：直接法，如挖坑灌砂法、灌水法、環(huán)刀法等;間接方法，如核子密度儀法、瑞雷波法、壓實(shí)度計(jì)法等。不同壓實(shí)效果評(píng)價(jià)方法在檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確程度、適用范圍、實(shí)踐應(yīng)用難易程度、理論基礎(chǔ)有較大區(qū)別。

關(guān)鍵詞：壓實(shí)度;路基;承載力;影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0136-02

Abstract： The compaction degree of road subgrade is closely related to the strength， stiffness and stability of roadbed. At present， the methods to evaluate the compaction effect of roadbed are as follows： direct method， such as pit filling method， irrigation method， ring knife method， etc.， and indirect methods， such as nucleon densitometer method， Rayleigh wave method， compaction meter method and so on. There are great differences in the accuracy， scope of application， difficulty of practical application and theoretical basis of different compaction effect evaluation methods.

Keywords： compaction degree; subgrade; bearing capacity; influencing factors

引言

路基是路面的基礎(chǔ)，要承受由路面?zhèn)鲗?dǎo)而來(lái)的汽車(chē)荷載及各種自然因素的作用，路基具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性對(duì)道路的安全營(yíng)運(yùn)，使用年限乃至整個(gè)道路工程全壽命周期具有重大影響。壓實(shí)質(zhì)量與路基的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及平整度密切相關(guān)，壓實(shí)度是路基施工質(zhì)量檢驗(yàn)的關(guān)鍵項(xiàng)目。因此，一種結(jié)果可靠、操作方便的壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法對(duì)路基施工質(zhì)量控制和反映至關(guān)重要。

根據(jù)不同的材料種類(lèi)，路基可劃分為三種類(lèi)型：土方路基、石方路基及土石方路基[1]。當(dāng)前路基壓實(shí)效果評(píng)價(jià)方法較多，依據(jù)結(jié)果來(lái)源，可分為直接法和間接法。直接法是測(cè)得測(cè)點(diǎn)路基密度，再直接計(jì)算壓實(shí)度，如挖坑灌砂法、挖坑灌水法、環(huán)刀法、電動(dòng)取土器法。間接方法，是一種間接測(cè)試方法，它采用與壓實(shí)體密度相關(guān)的其它參數(shù)來(lái)反映壓實(shí)體的密度。常用的有：核子密度儀法、瑞雷波法、壓實(shí)度計(jì)法、瞬態(tài)沖擊頻譜分析法、靜力貫入法，基于靜載試驗(yàn)的路基壓實(shí)度檢測(cè)新方法。不同的壓實(shí)檢測(cè)方法在檢測(cè)結(jié)果可靠程度、應(yīng)用范圍和理論基礎(chǔ)上存在很大差異，故研究不同壓實(shí)效果檢測(cè)方法是有必要的。

1 直接法

對(duì)于直接法，壓實(shí)度是道路建筑材料壓實(shí)后的干密度與標(biāo)準(zhǔn)最大干密度之比，以百分率表示。即K=×100，式中：K-測(cè)試地點(diǎn)的施工壓實(shí)度（%）;ρd-試樣的干密度（g/cm3）;ρc-由室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)獲得的樣品的最大干密度（g/cm3）。標(biāo)準(zhǔn)最大干密度需通過(guò)室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)或施工前的振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)獲得，壓實(shí)后的干密度通常采用挖坑灌砂法、挖坑灌水法、環(huán)刀法、電動(dòng)取土器法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。不同的干密度檢測(cè)方法基本原理相同，但具體適用范圍有較大差異。

1.1 挖坑灌砂法壓實(shí)度檢測(cè)

原理是在測(cè)點(diǎn)位置垂直挖出一個(gè)圓孔，并使用均勻的砂粒，從一定高度落入規(guī)定體積的圓柱洞內(nèi)，根據(jù)單位質(zhì)量恒定的原理測(cè)量試驗(yàn)孔的體積。但這種方法僅適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定細(xì)粒土、砂類(lèi)土和礫類(lèi)土密度，不適用填石路堤等有大孔洞或大孔隙材料壓實(shí)層的壓實(shí)度檢測(cè)。

1.2 挖坑灌水法壓實(shí)度檢測(cè)

它也被稱(chēng)為水袋法，首次出現(xiàn)在美國(guó)，并于1963年列為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[2]。在測(cè)量試坑體積時(shí)，沿著試坑的內(nèi)壁和地面緊密的鋪貼聚乙烯塑料膜薄膜，注入水，并測(cè)量注入水的體積作為試驗(yàn)坑體積。適用于粗粒土和巨粒土的密度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

1.3 環(huán)刀法

通過(guò)已知的環(huán)刀體積和重量，測(cè)量測(cè)點(diǎn)土的密度。適用于測(cè)定細(xì)粒土的密度。

1.4 電動(dòng)取土法

采用鉆機(jī)鉆出土樣，然后用環(huán)刀法室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定土的密度。該方法適用于快速測(cè)定硬塑性土的密度。

直接法是傳統(tǒng)的壓實(shí)檢測(cè)方法，目前較為成熟，原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍最廣。但具有較明顯缺點(diǎn)，如對(duì)路基損壞較大，特別是測(cè)點(diǎn)會(huì)影響道路結(jié)構(gòu)的完整性和承載能力;應(yīng)用范圍有限，主要適用于土質(zhì)路基;另外，這些方法檢測(cè)速度慢，測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)費(fèi)力，影響施工進(jìn)度。

2 間接法

路基材料填筑密實(shí)時(shí)，在外界荷載作用下，孔隙率下降，密度逐漸增高，進(jìn)而強(qiáng)度、變形模量不斷增加并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。故采用其它與路基材料密度密切相關(guān)的參數(shù)如波速、力學(xué)性能等，間接反映壓實(shí)程度的途徑成為可能。目前有較多具有一定實(shí)用價(jià)值的研究方法，包括核子密度儀法、瞬態(tài)沖擊頻譜分析法、瑞雷波法、壓實(shí)度計(jì)法、基于PFWD壓實(shí)度快速檢測(cè)法、基于靜力貫入的壓實(shí)度確定方法、基于靜載試驗(yàn)的壓實(shí)度檢測(cè)新方法。間接法具有方便快捷，無(wú)需損壞破壞路基特點(diǎn)，是當(dāng)前壓實(shí)度檢測(cè)研究重點(diǎn)和方向。

2.1 核子密濕度儀法

核子密濕度儀法是最早應(yīng)用于道路壓實(shí)度檢測(cè)方法，是國(guó)外用于現(xiàn)場(chǎng)控制壓實(shí)度最常用的方法，也經(jīng)常用于國(guó)內(nèi)高速公路工程質(zhì)量評(píng)定與驗(yàn)收。原理是使用對(duì)材料密度敏感的伽馬射線和對(duì)水分含量敏感的中子射線穿過(guò)被測(cè)物體后產(chǎn)生散射衰減，產(chǎn)生Compton[3]散射效應(yīng)，通過(guò)檢測(cè)兩種射線在被測(cè)物體內(nèi)散射前后的強(qiáng)度變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)同測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)密度和含水率值，即可確定被測(cè)物體的密度和含水率。該方法可以檢測(cè)土壤、碎石、土石混合物、瀝青混合料和非硬化水泥混凝土等材料。該方法屬非破壞性的，允許重復(fù)測(cè)試相同的測(cè)試位置并監(jiān)測(cè)密度和壓實(shí)度的變化，以確定合適的碾壓方法，達(dá)到所要求的壓實(shí)度，具有方便、使用快速的優(yōu)點(diǎn)。然而，該法使用的設(shè)備昂貴，受測(cè)定層溫度及多種環(huán)境因素的影響，其測(cè)定值的波動(dòng)性較大，對(duì)填料的非均質(zhì)變化反映敏感，不宜用于土石混填、填石路基壓實(shí)度檢測(cè)[4]。

2.2 瑞雷波法

瑞雷波在路基材料介質(zhì)中傳播時(shí)，波速幾乎不受材料中含水量影響。張獻(xiàn)民等[5]通過(guò)理論分析，發(fā)現(xiàn)瑞雷波波速隨路基密度的增大而增大，可構(gòu)建二者的關(guān)系進(jìn)而檢測(cè)壓實(shí)度。考慮到實(shí)際土質(zhì)條件的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了瑞雷波速度VR和介質(zhì)密度ρ的四種相關(guān)數(shù)學(xué)模型：ρ=a+bVR，ρ=a+blgVR，ρ=aebVR，ρ=aVbR，式中ρ表示土的密度，VR表示瑞雷波速度，然后通過(guò)比較松散至最佳壓實(shí)土范圍內(nèi)不同壓實(shí)條件下瑞雷波速與環(huán)刀法測(cè)得的干密度，建立了瑞雷波速度與干密度的關(guān)系，并選取了最佳模型ρ=0.3316V0.3166R，根據(jù)此模型，發(fā)現(xiàn)根據(jù)此模型獲得的結(jié)果與通過(guò)環(huán)刀法實(shí)際檢測(cè)獲得的測(cè)試結(jié)果非常一致。劉會(huì)勛，趙明階等也對(duì)瑞雷波法進(jìn)行了研究[6-8]。瑞雷波法操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，檢測(cè)速度快，但對(duì)操作人員技術(shù)要求有較高要求。瞬態(tài)沖擊頻譜分析法與瑞雷波法相似，不再專(zhuān)門(mén)列舉。

2.3 壓實(shí)度計(jì)法

原理是在壓實(shí)過(guò)程中，路基將在振動(dòng)壓實(shí)機(jī)械的鋼輪與路基壓實(shí)體之間產(chǎn)生諧振，鋼輪的加速度信號(hào)的頻率、振幅、周期、波形特征與壓實(shí)體的壓實(shí)度之間存在相關(guān)性。通過(guò)在采集的加速度信號(hào)和壓實(shí)度之間建立相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，可以實(shí)現(xiàn)路基的壓實(shí)度檢測(cè)[9]。瑞典Geodynamic，東南大學(xué)，水利水電科學(xué)研究院，長(zhǎng)安大學(xué)王振花等均通過(guò)進(jìn)行了大量的研究工作，并分別研制了不同類(lèi)型的壓實(shí)度計(jì)[9-12]。壓實(shí)度計(jì)的檢測(cè)與施工是同步進(jìn)行，邊壓邊測(cè)。但該方法比較適合于土質(zhì)路基的壓實(shí)，如用于土石混填路基，存在檢測(cè)值與實(shí)際值偏差較大的問(wèn)題，其適用性需要進(jìn)一步研究。

2.4 基于PFWD、靜力貫入、靜載試驗(yàn)的壓實(shí)度檢測(cè)新方法

PFWD壓實(shí)度快速檢測(cè)法基于路基碾壓沉降差與對(duì)應(yīng)的PFWD變形模量，建立了兩者之間的關(guān)系。根據(jù)實(shí)體工程沉降差的要求，提出滿(mǎn)足壓實(shí)要求的Evd值[13]對(duì)其壓實(shí)質(zhì)量和壓實(shí)的均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)。王龍等[14]對(duì)這種檢測(cè)法進(jìn)行了研究，闡述了其可行性。隨著中西部公路工程建設(shè)需要，針對(duì)中西部多山地區(qū)采用土石混合料回填路基壓實(shí)成為施工中常見(jiàn)技術(shù)，但目前壓實(shí)度檢測(cè)技術(shù)針對(duì)土石混合料壓實(shí)度檢測(cè)可靠性存疑，為此基于靜力貫入或靜載試驗(yàn)的壓實(shí)度檢測(cè)新方法近年來(lái)得到廣泛的研究，取得了一定成果但仍難以滿(mǎn)足現(xiàn)有條件要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前工程實(shí)踐中應(yīng)用較多、范圍較廣、較成熟的檢測(cè)手段仍以直接法及核子密濕度儀為主。但存在適用范圍有限，勞動(dòng)強(qiáng)度大或經(jīng)濟(jì)成本高等缺點(diǎn)，間接法檢測(cè)成為替代直接法檢測(cè)的趨勢(shì)得到了大量的研究。

土石混合料的工程實(shí)踐應(yīng)用日益較多，但其壓實(shí)效果檢測(cè)方法存在局限性。現(xiàn)有研究多集中在基于PFWD、靜力貫入或靜載試驗(yàn)，但普適性不足，未來(lái)具有較大的研究?jī)r(jià)值。

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