基于PFWD的市政道路路基壓實質量檢測方法研究

王千年

(武漢市市政工程質量監督站，湖北 武漢 430312)

1 引 言

市政道路路基的施工壓實質量是影響道路后期使用的重要影響因素[1-3]。傳統的路基壓實質量由壓實度、彎沉值等指標控制，但壓實度與彎沉值等指標在檢測過程中存在一定的不足，如破壞路基原有結構、檢測速度慢等[4-8]。因此，本文以武漢濱湖大道路基試驗段工程為背景，采用動態變形模量Evd為路基壓實質量控制指標，分析了路基松鋪厚度及碾壓遍數對壓實度與動態變形模量之間相關性的影響，對PFWD用于市政道路路基壓實質量檢測可行性進行了驗證。

2 PFWD基本原理

2.1 便攜式落錘彎沉儀的組成

便攜式落錘彎沉儀也稱手持式落錘彎沉儀(簡稱PFWD)，由加載、數據傳輸及數據采集等系統組成，是在一般落錘彎沉儀的基礎上進行一定的改進，具有輕便、準確等優點。PFWD可以快速檢測公路路基的動態變形模量，從而判斷公路路基的壓實質量[9-12]。便攜式落錘彎沉儀的組成的結構組成如圖1所示。

圖1 便攜式落錘彎沉儀

2.2 PFWD的工作原理

傳統的市政道路一般通過壓實度來控制路基施工質量，而壓實度反映的是路基填料的物理指標，只是對路基壓實質量的間接反映[13-15]。考慮到運營期道路承受車輛動荷載的沖擊，以PFWD檢測的動態變形模量作為市政道路路基壓實質量控制標準，更加貼合實際情況，其工作原理為：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的通過數據采集系統(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(1)計算用于描述路基動力特性的動態變形模量指標——Evd。

(1)

式中：Evd為動態變形模量，MPa；p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[16-18]，PFWD落錘通過承載板對路基的作用時間很短，此時路基表現為彈性變形，通過分析不同落錘質量及高度下路基的應力應變曲線發現，應力應變曲線幾乎呈線性，因此，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 市政道路路基壓實質量檢測方案

市政道路施工過程中多以壓實度作為路基壓實質量的控制指標，傳統壓實度檢測方法的檢測周期長影響施工進度，且會對原有路基造成一定的破壞。而PFWD檢測方法不僅檢測速度快，而且是無損檢測，但在實際施工過程中對壓實度與動態變形模量的相關性進行分析是十分有必要的[19，20]。

3.1 壓實度的確定

市政道路壓實度是指壓實后路基填料的現場干密度與室內最大干密度的比值，如公式(2)所示

(2)

式中:K為壓實度；ρd為現場干密度，g/cm3；ρdmax為室內最大干密度，g/cm3。

公式(2)中的最大干密度可通過灌砂法或者灌水法獲得，而室內最大干密度則根據現場路基填料最大粒徑的范圍進行室內擊實試驗得到，可通過擴大現場試坑體積的方法，來提高壓實度的精確值。

3.2 試驗段路基壓實質量檢測方案

以武漢濱湖大道路基試驗段工程為背景，對試驗段路基的動態變形模量進行檢測，其中試驗段選取長度為30 m，每個測點之間的間距為2 m或者3 m，測點具體布置如圖2所示，在每個測點處進行壓實度及動態變形模量檢測，并對檢測數據進行相關性分析，建立PFWD與壓實度之間的經驗關系。

圖2 試驗段測點布置圖

具體檢測方案為：(1)選取具有地質代表性的路段為試驗段，并按照圖2的布置方案，在每個測點處撒白石灰作為標記，并在標記處進行PFWD模量檢測(落錘質量分別為10 kg和15 kg)；(2)根據《公路路基路面現場測試規程》(JTG E60—2008)，在測點處進行灌砂法試驗，檢測路基試驗段處的現場干密度，并結合室內試驗計算壓實度。

4 壓實度與動態變形模量相關性分析

相關研究表明，市政道路路基的松鋪厚度、碾壓遍數等均是影響路基壓實度與動態變形模量的重要影響因素，因此，對不同松鋪厚度及碾壓遍數條件下的市政道路路基壓實度與動態變形模量的相關性進行研究分析。

4.1 松鋪厚度的影響

不同松鋪厚度下的工況如表1所示。

表1 不同松鋪厚度

不同松鋪厚度下壓實度與動態變形模量的相關性曲線如圖3～圖5所示。

圖4 松鋪厚度為60 cm

圖5 松鋪厚度為70 cm

由圖3～圖5可知，隨著松鋪厚度的增加，路基壓實度與動態變形模量之間的相關性逐漸減少，松鋪厚度為50 cm時，壓實度與動態變形模量之間的關系為K=0.099 24Evd+88.156 93，相關性系數為0.74；松鋪厚度為60 cm時，壓實度與動態變形模量之間的關系為K=0.123 27Evd+84.326 4，相關性系數為0.70；松鋪厚度為70 cm時，壓實度與動態變形模量之間的關系為K=0.144 54Evd+87.590 21，相關性系數為0.538；這是因為松鋪厚度越小，路基填料中的大顆粒塊石在壓路機的壓實作用下，破碎程度越高，填料顆粒越均勻，則測得的壓實度與動態變形模量之間的離散性越小，相關性系數增大。

4.2 碾壓遍數的影響

不同壓實下的工況如表2所示。

表2 不同壓實遍數

不同壓實遍數下壓實度與動態變形模量的線性關系如表3所示。

表3 不同壓實遍數下線性相關性方程

由表3可知，當道路路基填料的松鋪厚度及壓實機械一定時，壓實度與動態變形模量之間的相關性隨著碾壓遍數的增加，先增大后減小：路基碾壓4遍時，兩者之間的相關性系數為0.66，路基碾壓5遍時，兩者之間的相關性系數為0.74，路基碾壓6遍時，兩者之間的相關性系數為0.68。這是因為當松鋪厚度一定，在路基碾壓前期，隨著碾壓遍數的增加，路基填料表層中的大粒徑顆粒不斷被壓碎，并均勻的攤鋪到路基的表面，形成一層密實度較高的表層砂礫，此時道路路基抵抗變形的能力增加，壓實度與動態變形模量之間的相關性增強，由0.66增加為0.74；但當碾壓遍數達到一定次數后，路基表層以下更深處的填料破碎，形成密實骨架結構，而PFWD監測路基動態變形模量的深度有限，使得碾壓6遍后的動態變形模量值幾乎不變，從而導致壓實度與動態變形模量之間的離散性增大，相關性系數降低，由0.74變為0.68。

5 結 論

以武漢濱湖大道路基試驗段工程為背景，對試驗段路基的動態變形模量與壓實度進行檢測，并分析了路基松鋪厚度及碾壓遍數對動態變形模量與壓實度相關性的影響，得到以下結論。

(1)松鋪厚度是影響路基壓實度與動態變形模量的重要因素之一，路基松鋪厚度越小，路基填料顆粒在壓實作用下表現的越均勻，相關性系數也越大，當松鋪厚度為50 cm時，壓實度與動態變形模量的相關性最好。

(2)當道路路基填料的松鋪厚度及壓實機械一定時，壓實度與動態變形模量之間的相關性隨著碾壓遍數的增加，先增大后減小，碾壓遍數為5遍時，壓實度與動態變形模量的相關性最好。