動力錐貫入儀用于路基壓實質量檢測的適用性分析

黃虎剛

(上海同納建設工程質量檢測有限公司 湖南分公司，湖南 長沙 410116)

路基的承載能力關系到道路的服役壽命。在引入動力錐貫入儀(Dynamic Cone Penetrometer，DCP)之前，路基承載能力一般通過加州承載比(CBR)試驗、無側限壓縮試驗、三軸壓縮試驗、靜載試驗等測試，這些方法不能直接獲得路基承載力，且需耗費大量時間和人力。為此，將DCP法應用于路基承載力檢測。該文結合現場檢測數據和CBR試驗值，對DCP方法檢測的貫入度與CBR值之間的相關性進行分析，驗證規范中貫入度與CBR值的線性關系。

1 DCP法概述

DCP是利用錘擊方式將測頭貫入土基測試土基承載能力的一種輕型設備(見圖1)，通常以錘擊深度表示，落錘重10 kg，錐頭角度為60°。其操作簡便，可靠性高，能迅速得到路基承載能力，常用于路基和土基材料壓實質量檢測。該設備所測貫入度與現場CBR值和楊氏回彈模量均具有較高的相關性，可用于評價施工現場或老路路基的壓實質量或承載能力。

圖1 動力錐貫入儀的構造

國內學者對DCP法進行了相關研究和現場測試。徐平等通過分析DCP(總)錘擊數、貫入比率與DCP貫入深度之間的關系，發現DCP可用于路基壓實質量定性分析，并采用落錘式彎沉儀(FWD)和CBR試驗方法對不同類型路基的壓實質量進行測試，結果表明CBR值與FWD值的相關性較好，間接說明DCP法能用于路基壓實質量快速檢測及評價。郭濤等分析了高速公路擴建中新老路基拼接問題，結合大量DCP現場測試結果，分析了DCP在新舊路基拼接工程中的實際應用，結果表明DCP在評價拼接路基新舊部位壓實質量中具有較好的應用價值。趙瑋等對DCP工作原理及應用現狀進行闡述，結合新建、改擴建及特殊路基的應用實踐分析其在路基壓實質量控制中的適用性，發現采用DCP對路基壓實質量進行檢測具有較高的可靠性，值得進一步推廣。李寶通過對路基進行現場鉆芯取樣、室內試驗及DCP試驗，對DCP平均貫入值、路基回彈模量、壓實度、含水量及路面結構現狀的相關性進行分析，得出DCP試驗可對路基承載能力進行快速測試和評價，且測試結果的可靠性極高。

2 DCP法現場測試

2.1 試驗準備

(1) 安裝落錘，保證聯軸器處的DCP導向桿與探桿連接牢固，避免發生松動、脫落。

(2) 將DCP豎直放置在堅硬表面上，如混凝土或堅硬土層，記錄最初讀數，記作零讀數。

(3) 根據工程實際情況選擇具有代表性的檢測點，檢測點應處于表面平整的路基或路面面層及基層上。

2.2 試驗步驟

(1) 在施工現場選擇平整且干燥的表面作為測試地點，若表面有浮土或軟土，應予以鏟除，厚度一般不超過20 mm。若表層有較深的浮土，應重新選擇測試地點周圍區域進行試驗。

(2) 將DCP錐頭連接到已安裝好的動力錐貫入儀鉆桿上，將其對準待檢測路基的表面并保持探桿垂直。一人握住DCP手柄，另一人將重錘提升至導桿頂部使重錘自由落下。

(3) 讀取貫入深度。落錘自由下落后，單次貫入深度大于5 mm時，記錄錘擊次數和貫入深度；若單次貫入深度在5 mm以內，應多次錘擊，使貫入深度超過5 mm后記錄貫入深度及累計錘擊次數。

(4) 進行下道工序施工前連續進行錘擊、測量、記錄，直至達到各結構層的要求深度。遇到堅硬材料層時，連續錘擊10次后，若其貫入量沒有任何改變，則終止試驗，重新選擇測點進行測試，或使鉆孔鉆透堅硬結構層后再進行測試。

(5) 測試結束，從中部連接處拆卸貫入桿，拆除落錘，取出DCP設備。

3 數據分析

根據文獻[5]，以貫入深度-錘擊次數曲線作為DCP法檢測結果。按式(1)計算DCP的貫入度Dd，按式(2)計算現場CBR值。

Dd=D/n

(1)

lg(CBR)=a+b·lgDd

(2)

式中：D為DCP的貫入量；n為錘擊次數；a、b為換算系數。

選取厚度分別為100 mm、150 mm的路基土層進行DCP試驗和現場CBR試驗，測試結果見表1。

表1 路基土層DCP、CBR試驗結果

對貫入度和CBR值采用二次多項式進行擬合，對lgDd與lg(CBR)采用線性函數進行擬合，結果見圖2～5。

續表1

圖2 路基土層厚100 mm時Dd-CBR關系曲線

由圖2和圖3可知：路基土層厚度為100 mm時，DCP貫入度與CBR值間的關系可用二次多項式表示，其相關系數為0.811，表明未經處理的數據具有較小的離散性，能進行更好的耦合；lg(CBR)隨lgDd的增大而減小，lg(CBR)與lgDd呈負線性相關，兩者的相關系數為0.765，表明DCP貫入度和現場CBR值的相關性不高。

圖3 路基土層厚100 mm時lg(CBR)-lgDd關系曲線

由圖4和圖5可知：路基土層厚度為150 mm時，采用二次多項式表示DCP貫入度與CBR值之間的相關性更合理，相關系數為0.836，表明未經處理的數據具有較小的離散性，能進行更好的耦合；lg(CBR)與lgDd呈負線性相關，相關系數為0.809，大于土層厚度為100 mm時的相關系數，表明檢測深度越大，DCP貫入度與現場CBR值的相關性越強。

圖4 路基土層厚150 mm時Dd-CBR關系曲線

圖5 路基土層厚150 mm時lg(CBR)-lgDd關系曲線

基于上述擬合分析結果，為驗證規范中DCP貫入度與CBR值之間的線性關系，采用指數函數、二次多項式和冪函數進行擬合，結果見表2。

表2 路基土層的DCP貫入度與CBR值的擬合方程

續表2

由表2可知：路基土層厚度為100 mm時，二次多項式的擬合結果優于線性函數、指數函數和冪函數，相關系數達到0.769。但路基土層厚度變大時，二次多項式和線性函數的相關系數相等，為0.809，大于其他2種擬合方式。現場DCP試驗一般檢測厚度大于100 mm，為便于后期數據處理，選用線性函數進行擬合較合理，與規范中DCP試驗貫入度與CBR值采用線性方程擬合一致，驗證了規范中檢測方法的合理性。

4 DCP法的工程應用

(1) 檢查或評價路基、基層的壓實質量。DCP法是監控路基和基層正常施工的有效方法之一，可用于路基施工壓實質量和均勻性檢查，確定道路高強度的結構層及土質軟弱之處。在對路基進行質量檢測時，首先把DCP豎直平放在被檢測層的表面，由測試人員操作探桿及錐頭，直到錐頭貫入待測材料層的底面或待測深度，最后對不同深度處的貫入率和CBR值進行分析，對該材料層的壓實質量和分層狀況進行評價。

(2) 調查舊路邊坡的承載能力。隨著交通流量的增加，部分地區會根據車流量需要對高速公路進行擴建加寬，需對舊路邊坡的壓實質量進行調查，根據調查結果制訂切實可行的削坡方案，從而合理利用舊路邊坡，節約工程成本。DCP法是檢測舊路邊坡質量行之有效的方法。將200 mm×200 mm左右測試面積整平后進行DCP貫入試驗，直至連續測量5次的貫入率均低于規范要求時停止試驗。基于檢測結果對舊路邊坡承載能力進行分析，結合擴寬道路的施工要求確定合理的舊路削坡方案，避免因拼接質量、盲目設計等引起工程質量問題。

(3) 檢測管道回填土質量及堤壩壓實質量。在市政工程中進行管道回填時，往往因工期緊張、場地有限和常規檢測方法的局限性，不能及時對管道土方回填密實度進行檢測。DCP法能及時對管道回填土的壓實質量進行快速檢測，且其操作簡便、快捷。DCP法還可檢測堤壩工程周邊邊坡土體的壓實質量，實時監控堤壩施工過程中土體填筑質量。

(4) 對路基土體進行初始性調查。DCP法的測試數據能反映土體分層狀況、強度及承載能力特性。進行路基土體勘探時，可采用DCP法調查工程范圍內土體的類別及性質。

5 結語

DCP法以其操作簡單、輕便快捷的特點被廣泛應用于各種工程領域，如新建道路、管道、溝渠工程的回填土質量檢測，堤壩工程的壓實質量檢測，舊路邊坡的承載能力檢測等，值得在土木工程領域推廣應用。