基于動態(tài)回彈模量的路基壓實質(zhì)量快速檢測與評定方法*

束冬林 王建立 方明鏡

(1.安徽省高速公路試驗檢測科研中心有限公司 合肥 230601；2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司 合肥 230088； 3.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430070)

路基作為公路的基礎(chǔ)，其質(zhì)量直接關(guān)系到公路工程的建設(shè)品質(zhì)和運營成本。既有經(jīng)驗表明，路基填筑壓實質(zhì)量不足將導(dǎo)致后續(xù)使用過程中出現(xiàn)一系列道路病害及工程隱患，為實現(xiàn)路基壓實質(zhì)量的有效控制，使路基的強度、剛度和穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求，從而保證路基結(jié)構(gòu)性能和使用壽命，必須對路基填筑壓實質(zhì)量進(jìn)行有效檢測。

現(xiàn)有規(guī)范路基填料壓實質(zhì)量現(xiàn)場檢測方法，無論是灌砂法、灌水法或是沉降差法等，均存在效率低下、人為因素影響大等問題，實際操作中很難把握，容易引起較大誤差，特別是灌砂(水)法的測量屬于破壞性試驗，很容易在試坑處留下質(zhì)量隱患。同時，現(xiàn)有路基壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)主要為路基壓實度和沉降差等，其指標(biāo)過于片面、單一。而實際路基壓實過程受填料巖性、粒徑、級配，以及含水率等多重因素的影響，采用單一評價指標(biāo)不能真實有效地反映路基的壓實質(zhì)量，在實際應(yīng)用中也難控制。特別是在填石、土石混填類路基壓實過程中，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范采用沉降差或孔隙率來控制時，其現(xiàn)場實際操作很困難，且效果不理想。同時，傳統(tǒng)物理和力學(xué)檢測指標(biāo)均屬于靜態(tài)檢測，而實際中，公路路基的受力是承受的動態(tài)載荷，單純采用靜態(tài)評價指標(biāo)顯然不盡合理。相關(guān)研究表明[1-4]，壓實路基的動態(tài)回彈變形與填料壓實質(zhì)量存在很好的關(guān)聯(lián)，現(xiàn)場壓實路基土的動態(tài)回彈變形量一定程度上可反映路基的強度和變形特性，進(jìn)而可間接反映路基壓實質(zhì)量，其量化評判指標(biāo)為動態(tài)回彈模量。后來，許多學(xué)者[5-6]通過關(guān)系試驗，也進(jìn)一步表明了路基回彈模量值與路基壓實質(zhì)量指標(biāo)之間具有良好的相關(guān)性。

基于此，本文依托實際工程，對路基的動態(tài)回彈模量與規(guī)范規(guī)定的壓實質(zhì)量控制指標(biāo)(如壓實度、沉降差等)間的關(guān)系進(jìn)行研究，以期提出一種基于動回彈變形原理，便捷、精確、實用性強的公路路基壓實質(zhì)量檢測方法。

1 路基動態(tài)回彈模量測試儀研制

1.1 工作原理

本測試儀的工作原理主要參考了鐵路路基工程中廣泛采用的動態(tài)變形模量Evd測試儀(PFWD)及車載式落錘彎沉儀(FWD)，通過模擬真實的車輪作用，以落錘沖擊承載板施加瞬時動荷載，測得回彈彎沉的大小后，動態(tài)回彈模量的計算采用剛性承載板下的彈性半空間體模型，見圖1。

圖1 剛性承載板下路基彈性半空間體應(yīng)力、位移分布圖

通過動態(tài)線彈性理論反算得到該動載條件下的動態(tài)回彈模量，理論計算如式(1)所示。

(1)

式中：Ed為路基動態(tài)回彈模量，MPa；P為承載板壓力，N；D為承載板直徑，mm；μ為路基材料泊松比，根據(jù)JTG D50-2015規(guī)定取用，當(dāng)無規(guī)定時，參照J(rèn)TG 3450-2019，非黏性填料可取0.30，高黏性填料取0.50，一般可取0.35 或0.40；l為承載板中心處的回彈變形，mm。

1.2 試制思路

基于上述工作原理，針對公路路基填筑材料的特點及JTG 3450-2019 《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》承載板法測回彈模量，從設(shè)計上優(yōu)化調(diào)整了落錘的重量、高度，以及承載板的直徑，從而試制出一款適用于現(xiàn)場不同填料類型的路基動態(tài)回彈模量測試裝置，定義為路基動態(tài)回彈模量測試儀DEM[7]，落錘的重量設(shè)計為(12±0.1)kg，落錘最大沖擊高度為730 mm，使其產(chǎn)生最大沖擊荷載為(10.49±0.2)kN，承載板直徑設(shè)計為450 mm。

利用落錘從一定高度自由下落在彈簧阻尼裝置上，產(chǎn)生的瞬時沖擊荷載通過彈簧阻尼裝置傳遞給承載板，在承載板下面(即測試面)產(chǎn)生動應(yīng)力，使承載板發(fā)生變形，即阻尼振動的振幅，由位移傳感器和力傳感器進(jìn)行感應(yīng)接收，通過3次預(yù)沖擊及預(yù)設(shè)的回彈變形算法，承載板內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡完成回彈變形、最大沖擊荷載和動態(tài)回彈模量的采集和分析，通過無線局域網(wǎng)路由器將處理分析后的數(shù)據(jù)傳輸至采集端APP，直觀輸出回彈彎沉值和回彈模量值，也可連接藍(lán)牙打印機實時打印出檢測結(jié)果，每個點的測試時間約30 s，從而實現(xiàn)了路基現(xiàn)場動態(tài)回彈模量快速測試。DEM相較于其他以回彈模量為測量指標(biāo)的設(shè)備，具有體積小、攜帶方便、操作簡單等優(yōu)勢。其操作技術(shù)整體流程示意圖如圖2所示。

圖2 動態(tài)回彈模量測試儀檢測工作流程

2 路基壓實質(zhì)量控制指標(biāo)比對試驗

2.1 比對試驗方案

路基動態(tài)回彈模量與常規(guī)壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)的比對試驗是本設(shè)備及其測試方法應(yīng)用的前提條件，因此為使得試驗結(jié)果具有區(qū)分性，本次在某一級公路選取3種典型的路基填料進(jìn)行壓實質(zhì)量控制指標(biāo)的比對試驗，即填土類路基、土石混填類路基和填石類路基。

針對填土路基，建立路基填筑層壓實度與路基動態(tài)回彈模量的相關(guān)關(guān)系。針對土石混填或填石路基，建立路基填筑層沉降差與路基動態(tài)回彈模量的相關(guān)關(guān)系，比對試驗流程見圖3。

圖3 路基現(xiàn)場試驗流程

路基施工中，碾壓遍數(shù)與路基壓實程度呈正比，隨壓實遍數(shù)的增加，壓實程度增加，并達(dá)到臨界值，為了保證比對試驗的數(shù)據(jù)科學(xué)有效，在路基施工碾壓過程中應(yīng)采集至少3次不同碾壓遍數(shù)下的壓實指標(biāo)數(shù)據(jù)。現(xiàn)場每次碾壓完畢，隨機選取試驗點，對于動態(tài)回彈模量測試，每個測點至少進(jìn)行3次重復(fù)檢測，測量前基底采用細(xì)砂找平。建立關(guān)系時的動態(tài)回彈模量應(yīng)具有代表性，可反映該試驗區(qū)域內(nèi)的整體動態(tài)回彈模量，為使得動態(tài)回彈模量值更真實的反映實際情況，依據(jù)JTG 3450-2019 《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》及JTG-F80 《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測點的選取，每結(jié)構(gòu)層不下于15個測點的模量數(shù)據(jù)，并剔除異常值數(shù)據(jù)之后，采用取均值的方式得到代表性動態(tài)回彈模量值。常規(guī)壓實質(zhì)量控制指標(biāo)按現(xiàn)場試驗段施工方案制定的檢測頻率采集，同樣采用取均值的方式得到常規(guī)壓實指標(biāo)的代表值。

2.2 比對試驗結(jié)果分析

通過上述方案步驟得到3種路基填料動態(tài)回彈模量及相應(yīng)填料下的沉降差、壓實度數(shù)據(jù)，建立動態(tài)回彈模量與沉降差、壓實度數(shù)據(jù)關(guān)系圖，見圖4。根據(jù)填土路基試驗段比對試驗結(jié)果分析，可以看出，對于填土類路基，動態(tài)回彈模量與壓實度之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.99，表明相關(guān)性很好。根據(jù)土石混填和填石路基試驗段比對試驗結(jié)果分析數(shù)據(jù)表明，碾壓過程中沉降差可以較好地反映路基壓實程度。相關(guān)測試結(jié)果與動態(tài)回彈模量測試值的變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)出良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，驗證了采用沉降差作為動態(tài)回彈模量的壓實質(zhì)量關(guān)系控制指標(biāo)是可行的。

圖4 不同填路比對試驗關(guān)系曲線

鑒于上述分析結(jié)果，對于填土類路基，宜選取關(guān)系標(biāo)定參數(shù)為壓實度，建立填土類路基動態(tài)回彈模量值Ep與路基壓實度K的定量關(guān)系，按照設(shè)計壓實度要求得到對應(yīng)的模量值作為壓實控制標(biāo)準(zhǔn)。對于土石混填路基和填石路基，宜選取關(guān)系標(biāo)定參數(shù)為沉降差，從而建立路基填筑層沉降差與動態(tài)回彈模量的相關(guān)關(guān)系，以試驗段確定的滿足壓實度要求的容許沉降差所對應(yīng)的動態(tài)回彈模量值作為壓實質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 路基動態(tài)回彈模量測試方法的應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場質(zhì)量評定方法

為了更好地應(yīng)用實施，結(jié)合JTG 3450-2019和JTG F80/1-2017制定路基動態(tài)回彈模量的評定方法，對路基動態(tài)回彈模量的數(shù)據(jù)處理應(yīng)按代表值和單個合格值的允許偏差分層評定。路基動態(tài)回彈模量代表值計算公式如式(2)所示。

(2)

當(dāng)E≥Es，且單點路基動態(tài)回彈模量全部大于或等于Es的95%時，評定路段的路基動態(tài)回彈模量合格率為100%；當(dāng)E≥Es，且單點路基動態(tài)回彈模量全部大于或等于Es的85%且小于95%時，按測點數(shù)計算合格率。當(dāng)E

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用實施情況評價

根據(jù)上述比對試驗結(jié)果，確定了該路段填石路基的動態(tài)回彈模量檢測合格標(biāo)準(zhǔn)值為56.3 MPa。本次在現(xiàn)場另外選取了一段相同結(jié)構(gòu)層次相同填筑材料的填石路基，按照每車道每50 m每壓實層不少于1處的檢測頻率隨機選點采集路基動態(tài)回彈模量，共采集24處。計算得出該作業(yè)段路基動態(tài)回彈模量實測平均值為59.6 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為3.01 MPa， 代表值為58.5 MPa，不低于合格標(biāo)準(zhǔn)值，代表值滿足要求。有2處路基動態(tài)回彈模量低于53.5 MPa(但高于47.9 MPa)(見表1)，未出現(xiàn)低于極值47.9 MPa的情況，根據(jù)3.1現(xiàn)場質(zhì)量評定方法，2個測點不合格，此結(jié)構(gòu)層路基動態(tài)回彈模量單點合格率為91.7%。通過本方法的應(yīng)用實施，不僅可以降低公路路基質(zhì)量隱患的產(chǎn)生概率，提高公路整體結(jié)構(gòu)的服役壽命，同時大大提升了路基壓實質(zhì)量檢測工作的效率，從而加快了現(xiàn)場施工的進(jìn)度。

表1 斷面測點相關(guān)參數(shù) MPa

4 結(jié)語

通過文獻(xiàn)資料調(diào)研、理論分析、設(shè)備研制、現(xiàn)場試驗等方法，開展了基于動態(tài)回彈模量的路基壓實質(zhì)量快速檢測與評定方法的研究，得出的主要結(jié)論如下。

1) 基于剛性承載板下半空間體的線彈性理論，研制出便攜式動態(tài)回彈模量快速測試儀(DEM)，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，動態(tài)回彈模量可較好地反映路基的強度和變形特性，可將動態(tài)回彈模量作為間接壓實質(zhì)量控制指標(biāo)。

2) 同一路基填料類型下，DEM測得的動態(tài)回彈模量值與規(guī)范規(guī)定的壓實質(zhì)量控制指標(biāo)(沉降差、壓實度)之間具有很好的相關(guān)性，再按照路基壓實控制指標(biāo)設(shè)計要求得到對應(yīng)的模量值作為壓實控制標(biāo)準(zhǔn)，其測值可以準(zhǔn)確地反映路基壓實質(zhì)量的好壞。

3) 研究成果實現(xiàn)路基施工過程中壓實質(zhì)量的快速檢測評定與高效控制，從而加快現(xiàn)場施工的進(jìn)度，降低質(zhì)量隱患的產(chǎn)生概率，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。同時，本文提出的關(guān)鍵技術(shù)將為今后同類填料路基質(zhì)量檢測提供一種簡單實用、經(jīng)濟(jì)可靠的技術(shù)方案。

4) 本文所提出的設(shè)備與檢測方法在不同區(qū)域的適用性有待檢驗，且此方法用作路面結(jié)構(gòu)層的檢測可行性未來需做深度探索。