落錘法與落球法路面基層彎沉檢測技術(shù)的對比研究

劉國民 黃 梅

（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130）

0 引言

路面在荷載作用下會產(chǎn)生豎向變形，在荷載作用后變形會恢復(fù)，能夠恢復(fù)的那部分變形量就是彎沉，它是直接反映路面剛度的一個(gè)重要指標(biāo)，也是路面施工控制及施工驗(yàn)收以及運(yùn)營中路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評定的依據(jù)。目前最常用的彎沉測試方法主要有貝克曼梁法、自動(dòng)彎沉儀法和落錘式彎沉儀法三種。落錘式彎沉儀法以使用方便、快速、安全、節(jié)省人力，能夠模擬實(shí)際情況施加動(dòng)態(tài)荷載，且適于長距離、連續(xù)測定等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于路面基層質(zhì)量檢測中。近年來出現(xiàn)的落球式巖土力學(xué)特性測試儀（以下簡稱落球儀）與落錘儀均為動(dòng)荷載測試儀器。《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG 3450-2019）中增加了關(guān)于落球儀測試路基模量的內(nèi)容，并給出了回彈模量換算彎沉的方法[2]。

落球儀測試法不僅可以快速、簡便地測出路基的強(qiáng)度，如壓縮模量、回彈模量、地基系數(shù)等，還可以換算路基材料的強(qiáng)度指標(biāo)，如內(nèi)摩擦角、水泥穩(wěn)定土的抗壓強(qiáng)度等[3]。近年來國內(nèi)外許多學(xué)者利用落球儀進(jìn)行了大量的研究，主要用于路基施工質(zhì)量、壓實(shí)度、動(dòng)模量檢測等方面[4-7]，取得了大量的研究成果，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。本文以某國道道路工程為依托，針對公路水泥穩(wěn)定碎石基層彎沉值這一評價(jià)指標(biāo)，使用落錘彎沉儀和落球彎沉儀兩種快速檢測儀器進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究，研究成果可為類似工程施工質(zhì)量檢測提供借鑒。

1 測點(diǎn)布置與測量過程

1.1 測點(diǎn)布置

分別設(shè)置普通水穩(wěn)段和加油水穩(wěn)段，下層完好和下層微裂縫兩種情況，采用落錘彎沉儀和落球測試儀分別進(jìn)行測定。現(xiàn)場試驗(yàn)段為縱向約400m、橫向約10m的5%水泥穩(wěn)定碎石上基層，齡期20d。縱向上，從大樁號向小樁號依次測試，間隔10m共布置37個(gè)測點(diǎn)，其中1~18號測點(diǎn)為普通水穩(wěn)段，19~37號測點(diǎn)為加油（摻入乳化瀝青）水穩(wěn)段；橫向上分為3 條車道，在中間以及兩邊距中間3.5m 位置處布置3 個(gè)測點(diǎn)。綜上所述，普通水穩(wěn)段（1~18#）三條車道布置了54個(gè)測點(diǎn)，加油水穩(wěn)段（19~37#）三條車道布置了57個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)111個(gè)測點(diǎn)。試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)測點(diǎn)布置示意圖

1.2 測量過程

首先，在試驗(yàn)段111個(gè)測點(diǎn)上分別利用落錘式彎沉儀對彎沉值進(jìn)行測試（每點(diǎn)采集4個(gè)數(shù)據(jù)）、落球儀（SHEFBT）對水穩(wěn)的回彈模量進(jìn)行測試（每點(diǎn)采集8個(gè)數(shù)據(jù)）并換算成彎沉值。第一輪測試完畢后，利用震動(dòng)壓路機(jī)對測試段進(jìn)行震動(dòng)碾壓，碾壓次數(shù)為2次。碾壓完畢后，再分別按照首輪測試方法對全段111個(gè)測點(diǎn)的彎沉值和回彈模量進(jìn)行測試，測試要求均與碾壓前相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 落錘法彎沉實(shí)測結(jié)果分析

落錘彎沉實(shí)測結(jié)果如圖2所示。普通水穩(wěn)段三車道共計(jì)54個(gè)測點(diǎn)中，50個(gè)測點(diǎn)的彎沉值有效；加油水穩(wěn)段三車道共計(jì)57個(gè)測點(diǎn)中，52個(gè)測點(diǎn)的彎沉值有效。加油水穩(wěn)段彎沉值明顯小于普通段；震動(dòng)后，普通水穩(wěn)段中有43個(gè)測點(diǎn)的彎沉值增大，占86%；加油水穩(wěn)段中有48個(gè)測點(diǎn)的彎沉值增大，占92.3%；

圖2 震動(dòng)碾壓前后落錘法彎沉值對比圖

綜合全段測試的111個(gè)測點(diǎn)結(jié)果，共計(jì)102個(gè)測點(diǎn)彎沉有效，且其中有91個(gè)測點(diǎn)的彎沉增大，占89.2%，因?yàn)檎饎?dòng)會導(dǎo)致下層材料產(chǎn)生微裂縫，水穩(wěn)層模量降低使得彎沉值有增大的趨勢。

2.2 落球法彎沉實(shí)測結(jié)果分析

落球測試儀測試彎沉（換算）實(shí)測結(jié)果如圖3所示。與落錘測試結(jié)果類似的是加油水穩(wěn)段彎沉值明顯小于普通段；說明水穩(wěn)層中加入乳化瀝青將降低基層模量；與落錘測試結(jié)果不同的是落球儀測試結(jié)果在震動(dòng)碾壓前后彎沉值變化不明顯，前后兩次測定結(jié)果相關(guān)性較好；主要是由于落球測試儀測試深度小于落錘彎沉儀測試深度，因此對下層材料變化相較于落錘法更不敏感。

圖3 震動(dòng)碾壓前后落球法換算彎沉值對比圖

2.3 離散和相關(guān)性分析

為進(jìn)一步比較落球測試儀與落球彎沉儀測試數(shù)據(jù)的離散性，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步分析。由于采用落錘式彎沉車測試水穩(wěn)層可直接量測彎沉，落球儀是通過測定水穩(wěn)層的回彈模量換算彎沉，兩者之間無法直接比較，故引入測試數(shù)據(jù)的離散系數(shù)進(jìn)行對比。

為避免材料均一性對數(shù)據(jù)的影響，選擇對比的數(shù)據(jù)范圍不宜太大，所以隨機(jī)抽取測試段的某一小段數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。本次對比分析選取普通水穩(wěn)段三車道的1#~4#測點(diǎn)數(shù)據(jù)和加油水穩(wěn)段的24#~28#測點(diǎn)數(shù)據(jù)。對普通水穩(wěn)段（1#~4#）碾壓前后各測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：落錘法彎沉測試數(shù)據(jù)離散系數(shù)分別為0.237515和0. 289782；而落球法回彈模量測試數(shù)據(jù)離散系數(shù)分別為0.166129 和0.219781。由此可知，對于普通水穩(wěn)段無論是在碾壓前還是碾壓后，利用落球儀測試的數(shù)據(jù)離散系數(shù)要小，表明落球儀測試數(shù)據(jù)離散小、穩(wěn)定性高。對加油水穩(wěn)段（24#~28#）碾壓前后各測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：落錘法彎沉測試數(shù)據(jù)離散系數(shù)分別為0.274874和0. 476824；而落球法回彈模量測試數(shù)據(jù)離散系數(shù)分別為0.309896 和0.292937。由此可知，利用落球儀測試的數(shù)據(jù)離散系數(shù)要小，表明落球儀測試數(shù)據(jù)離散小、穩(wěn)定性高。

結(jié)合前述測試結(jié)果，利用落錘式彎沉車和落球測試儀在普通水穩(wěn)段和加油水穩(wěn)段碾壓前后的彎沉測試結(jié)果，將其進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 震動(dòng)碾壓前后彎沉值相關(guān)性分析

落球測試儀測試得到的換算彎沉值較落錘彎沉儀測試得到的彎沉值要小。相對于落錘彎沉儀測試數(shù)據(jù)，落球測試儀測試結(jié)果的穩(wěn)定性高，離散性小；碾壓前后落球測試儀測試數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性較好；震動(dòng)碾壓前后落球測試儀測試值無明顯變化，而落錘彎沉儀測試得到的彎沉值有增加的趨勢。因?yàn)閷τ邶g期已經(jīng)達(dá)到20d的水泥穩(wěn)定基層，其強(qiáng)度已充分形成，碾壓如果不能破壞水穩(wěn)材料中的膠結(jié)體，則水穩(wěn)材料本身的模量變化不大；由于水穩(wěn)材料的剛性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下部土基，兩者之間存在明顯的結(jié)合面，碾壓時(shí)就有可能破壞該結(jié)合面，使得整體變形有所增加。落球測試儀的測試有效深度，在水穩(wěn)材料中大約在10cm左右，基本不受下部土基材料以及結(jié)合面的影響。因此，根據(jù)測試結(jié)果，碾壓前后的水穩(wěn)材料回彈模量和彎沉變化不大，且相關(guān)性較好。而落錘彎沉儀的測試有效深度較深，受到下部土基材料以及結(jié)合面的影響。根據(jù)測試結(jié)果，碾壓前后的彎沉值有明顯增加的趨勢，說明結(jié)合面受到擾動(dòng)，使得整體彎沉增加。

3 結(jié)束語

通過現(xiàn)場測試的方法，對落錘式彎沉儀和落球測試儀測試出的路面基層彎沉值進(jìn)行了對比研究。可知落球測試儀測試得到的換算彎沉值較落錘式彎沉儀測試得到的彎沉值要小；落球測試儀測試結(jié)果的穩(wěn)定性高、離散性小；碾壓前后落球測試儀測試數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性較好，而落錘式彎沉儀測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性較差；碾壓前后落球測試儀測試結(jié)果無明顯變化，而落錘式彎沉儀測試得到的彎沉值有增加的趨勢。