基于連續壓實及動態變形模量檢測技術的土石混填路基壓實質量研究

郝夢龍

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司,山西 太原 030000)

1 工程概況

靜樂豐潤至興縣黑峪口公路是一條東西走向的高速公路,東起靜樂縣豐潤鎮南與李家會村之間,并設置靜樂樞紐互通與太佳高速相接,終點位于陜西省榆林市神木縣馬鎮盤塘村,并與陜西神盤一級公路對接。該高速公路全長約550 km,其中路基段占線路總里程長度的75%,填方高度最大可達30 m。

靜樂豐潤至興縣黑峪口高速公路全線東高西低,全段地貌主要表現為中山侵蝕黃土地貌、寬谷堆積地貌、中山侵蝕基巖地貌等,其建成將有效緩解區域內公路交通,并對帶動沿線地區經濟發展有非常重要的意義。

路基填方段的填料中含有大量的坡積土、殘積土等,按照風化程度劃分,可劃分為強風化土石混合填料、全風化路基填料及中風化路基填料,不同風化程度土石混合填料的參數及顆粒級配分別如表1、表2所示。

表1 不同風化程度土石混合填料的參數

表2 現場土石混合填料的顆粒級配

2 高填方路基壓實質量檢測技術

路基在壓實過程中會發生宏觀變形,根據變形程度的不同大致可分為塑性變形和彈性變形,如公式(1)所示

s=s1+s2

(1)

式中:s為土石混填路基的總變形量,mm;s1為土石混填路基的彈性變形量,mm;s2為土石混填路基的塑性變形量,mm。常見的路基壓實質量檢測方法有連續壓實控制技術和動態變形模量檢測技術。

2.1 連續壓實控制技術

振動壓路機在工作過程中,相當于通過振動輪給路基結構不斷施加循環的動荷載,因此可將振動壓路機看作一個激勵設備,通過傳感器獲得路基在循環振動荷載作用下的動力響應,從而對路基的結構抗力進行評價。按照動力學分析,可將兩者之間的接觸看成彈簧和阻尼器進行連接,此時路基結構抗力表達式如公式(2)所示

F=Psinωt-Ma

(2)

式中:F為路基結構抗力,kN;P為激振力振幅,cm;ω為振動角頻率,Hz;M為振動輪質量,kg;a為振動輪的響應加速度,m/s2。

由公式(2)可知,當振動壓路機的一些壓實工藝參數固定時,可通過對振動輪的加速度進行檢測,從而得到土石混填路基的結構抗力。將振動輪的加速度信號進行處理后得到振動壓實值VCV,以振動壓實值VCV指標對土石混填路基的壓實質量進行評價。

2.2 動態變形模量檢測技術

在實際施工過程中,多利用輕型落錘彎沉儀對路基填料的動態變形模量Evd進行檢測,其工作原理為[4]:將10 kg的落錘沿著導桿提升到一定的高度然后釋放,在重力作用下,落錘通過緩沖墊對承載板產生一定的沖擊,并沿著承載板傳遞給道路路基,使得路基產生一定的沉降變形,而PFWD(便攜式落錘彎沉儀)通過數據采集系統(壓力傳感器和位移傳感器)將路基的彎沉值、動應變和動應力等參數傳輸給計算機,并通過公式(3)計算用于描述路基動力特性的動態變形模量指標Evd。

(3)

式中:Evd為動態變形模量,MPa;p為承載板所受壓力,kPa;δ為承載板半徑,mm;μ為路基填料泊松比;l為承載板中心沉降值,mm。

相關研究表明[5],可以采用線彈性理論來分析PFWD的檢測結果,并把所得的路基動態變形模量值近似當做路基回彈模量值。

3 試驗方案及結果分析

3.1 試驗方案

在實際施工過程中,碾壓遍數及松鋪厚度施工單位容易控制,并且是對土石混填路基壓實質量有重要影響的因素之一,因此本試驗段對不同碾壓遍數(2遍、4遍、6遍)及松鋪厚度(40 cm、50 cm、60 cm)下的高填方土石混填路基進行連續壓實及動態變形模量試驗,研究分析不同碾壓遍數及松鋪厚度條件下土石混填路基的壓實質量,并對不同工況下檢測到的振動壓實值VCV與動態變形模量Evd之間的相關性進行分析,如表3所示。

表3 不同試驗工況

首先根據工程地質勘察報告,選取典型路段作為試驗段,然后根據現場施工情況,并結合表3中的試驗方案,對壓路機碾壓完成后的路面進行布點,布點時可通過膩子粉對監測點進行標記。

考慮到不影響施工進度,試驗段長度選取30 m,測點之間的間距選取2 m或者3 m,對碾壓完畢后的輪跡進行Evd及VCV測試。

連續壓實檢測步驟如下所示。

(1)在整平后的路基上面使用膩子粉標定試驗范圍及測點,在測試前需要將壓路機的參數及施工參數等相關參數輸入到數據采集設備,然后將磁性傳感器放置到壓路機支架上面。

(2)壓路機開始碾壓,碾壓過程中需要注意壓路機的碾壓輪不能超過試驗邊界,并且壓路機應該從距離試驗界限較遠處開始起振,以保證壓路機參數在試驗段內的穩定性。

(3)當壓路機達到試驗界限的邊緣,啟動數據采集設備,碾壓過程中應盡量保證壓路機的速度恒定,一般為2.5～3.6 km/h,當壓路機離開試驗界限時,停止數據采集,并提示駕駛員停止振動并將壓路機停止。

(4)重復以上步驟;將采集到的數據輸入到分析軟件里面,可以得到路基的壓實程度、穩定性等指標。另外對布點處的VCV進行提取,方便和該測點處動態變形模量Evd進行對比。

動態變形模量檢測步驟如下。

(1)首先對測點處進行整平,并將荷載板放置在測點上面,保證荷載板底面和底面完全接觸。

(2)將荷載板與數據采集設備連接起來,并松開落錘,將重錘沿著導向桿做自由落體運動,重復以上步驟3次。

(3)對數據進行采集及保存,可以得到該測點處路基的動態變形模量。

3.2 試驗結果分析

(1)VCV檢測結果

對不同松鋪厚度及碾壓遍數條件下土石混填路基的VCV值指標進行統計,如圖1所示。

圖1 不同碾壓遍數及松鋪厚度下土石混合填路基的VCV值

由圖1可知,當土石混填路基的松鋪厚度一定時,隨著壓路機碾壓遍數的增加,連續壓實值VCV幾乎呈現增加的趨勢,且連續壓實值VCV在碾壓前期增加速度較快,后期緩慢,在進行連續壓實值VCV試驗時,需要注意控制施工工藝的規范性,以防止出現連續壓實值VCV異常值。

根據測點處的動態變形模量可知,其路基表面的密實程度較低,故在碾壓初期(碾壓遍數達到2遍時),路基填料的預壓效果較弱,顆粒破碎情況較少,所以振動壓路機的作用效果明顯,從而使得路基的結構抗力增加較快,連續壓實值VCV快速增加。隨著碾壓遍數的增加,路基的結構抗力增加到一定程度,土石混填路基的密實度也達到一定的數值,該階段土石混填路基的變形以彈性變形為主,若要進一步提高土石混填路基的壓實度,需要更高的壓實能量,而壓路機的壓實能量是固定的,因此,土石混填路基的結構抗力增加緩慢,連續壓實值VCV表現為基本持平。

當土石混填路基的松鋪厚度為50 cm時,在碾壓初期,振動壓路機的作用效果更為明顯,當松鋪厚度為70 cm時,在碾壓后期,由于土石混填路基松鋪厚度較大,在填料中難免存在一些更大的顆粒,在較大松鋪厚度情況下,前期碾壓不足致使大顆粒完全破碎,因此在碾壓后期仍然出現較多顆粒的破碎及位置重新排列,路基填料級配不斷改善,所以碾壓后期連續壓實值VCV持續增加。

(2)VCV與動態變形模量相關性分析

結合以上的試驗結果,對碾壓遍數為5遍,不同松鋪厚度條件下,土石混填路基連續壓實值VCV及動態變形模量的相關性進行分析,結果表4所示。

表4 不同工況下連續壓實值VCV及動態變形模量相關性

由表4可知,當松鋪厚度為50 cm及60 cm時,松鋪厚度越大,連續壓實值VCV與動態變形模量相關性系數越低。當松鋪厚度為70 cm時,由于土石混填路基下鋪強度較大的強風化及中風化花崗片麻巖,動態變形模量的離散性較大,所以連續壓實值VCV與動態變形模量之間的相關性幾乎為零。

4 結 論

考慮到施工成本及施工進度,通常將土石混合填料作為高速公路的路基填料,而土石混合填料的物理力學特性較為復雜,以靜樂豐潤至興縣黑峪口高速公路路基填筑工程為背景,通過現場試驗,對不同碾壓遍數及松鋪厚度條件下,高填方土石混填路基的連續壓實值VCV與動態變形模量值進行研究,得到以下結論。

(1)當土石混填路基的松鋪厚度一定時,隨著壓路機碾壓遍數的增加,連續壓實值VCV幾乎呈現增加的趨勢,且連續壓實值VCV在碾壓前期增加速度較快,后期緩慢,在進行連續壓實值VCV試驗時,需要注意控制施工工藝的規范性,以防止出現連續壓實值VCV異常。

(2)在進行土石混填路基壓實過程中,一味地增加碾壓遍數不一定能夠達到較好的壓實效果,可能造成人力及物力的浪費,應結合松鋪厚度及施工工藝等參數合理選擇碾壓遍數,試驗結果表明,實際工程中碾壓遍數達到5遍左右即可。

(3)當松鋪厚度為70 cm時,土石混填路基的連續壓實值VCV與動態變形模量之間的離散性較大,當松鋪厚度為50 cm及60 cm時,松鋪厚度越大,則連續壓實值VCV與動態變形模量相關性系數越低,分別為0.714、0.760。