高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測研究

程勇剛，劉志楠

(安徽省七星工程測試有限公司,安徽 合肥 230088)

隨著我國高速公路建設(shè)不斷發(fā)展,四通八達(dá)的交通設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目遍布各地。路基是保證道路穩(wěn)定受壓的基礎(chǔ),在施工過程中,它的壓實(shí)質(zhì)量決定道路在運(yùn)行后是否能穩(wěn)定運(yùn)行。因此,對(duì)高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量的檢測方法的開發(fā)受到了行業(yè)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

目前,許多專家學(xué)者對(duì)路基壓實(shí)度檢測方法進(jìn)行了相關(guān)研究。李盛等[1]將PFWD結(jié)合水袋法,以回彈模量預(yù)測填石路基孔隙率的方法評(píng)估路基質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)填石路基快速檢測的方案。張宜洛等[2]為避開含水率的干擾,聯(lián)立碎石壓實(shí)度、級(jí)配以及動(dòng)態(tài)沖擊響應(yīng)值之間的關(guān)系,采用瞬態(tài)沖擊頻譜分析方法,實(shí)現(xiàn)了快速檢測中粗粒土路基壓實(shí)度的功能。任少博[3]認(rèn)為檢測方法和設(shè)備在施工現(xiàn)場易受到許多因素的干擾,難以準(zhǔn)確得到路基是否達(dá)到理想的壓實(shí)狀態(tài),因此建立了壓路機(jī)振動(dòng)頻率信號(hào)與路基壓實(shí)度之間的關(guān)系,能夠以振動(dòng)加速度信號(hào)快速檢測路基壓實(shí)度并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。羅娟[4]提出采用灌砂法檢測路基壓實(shí)度應(yīng)注意多種影響因素對(duì)最終檢測結(jié)果的影響。

本研究基于室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)路基含水率、壓實(shí)度和路基剛度之間的關(guān)系進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)了含水率和壓實(shí)度能夠相互換算,從而實(shí)現(xiàn)路基剛度的快速檢測。通過試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)象,可以證明該方法的真實(shí)性和實(shí)用性,本文為粉砂路基和水泥土路基的壓實(shí)質(zhì)量檢測提供了一種快速、有效的方案,推進(jìn)了道路建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展。

1 試驗(yàn)方法

1.1 路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法

為研究路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法,本文將路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法應(yīng)用于粉砂路基和水泥土路基,驗(yàn)證這一方法的可行性。本文所采用的路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法是一種基于材料抵抗振動(dòng)產(chǎn)生小變形的能力所開發(fā)的檢測方法和相應(yīng)的檢測設(shè)備。其主要原理在于:通過對(duì)檢測材料表面施加逐級(jí)遞增的循環(huán)荷載,并檢測循環(huán)荷載下檢測點(diǎn)的位移變化,來得到不同循環(huán)頻率下的材料剛度。其計(jì)算公式如式(1)所示,以其絕對(duì)值為路基的剛度。該方法檢測速度快,并且不會(huì)對(duì)受檢測材料造成損傷,是一種值得研究并推廣的試驗(yàn)方法。

(1)

其中,G為材料剛度,N/m;f為循環(huán)荷載峰值,N;ε為檢測點(diǎn)變形量,m。

1.2 試驗(yàn)方法

將準(zhǔn)備好的試驗(yàn)土樣在通風(fēng)條件下勻速風(fēng)干后,將其打碎混合均勻,然后隨機(jī)取樣測出土體的含水率。按土工試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)后,根據(jù)試驗(yàn)得到的最優(yōu)含水率和最大干密度,進(jìn)行試驗(yàn)土樣的制備。制備過程中,在土中用霧化裝置噴灑適量的水分至目標(biāo)含水率,并密封1 d,使其水分遷移均勻,避免制樣過程中產(chǎn)生起球顆粒。

水泥占干土質(zhì)量3%的水泥土作為水泥土路基材料,以擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最優(yōu)含水率和最大干密度制備水泥土試樣。為了避免水泥土在制樣前就已固化,因此在養(yǎng)護(hù)前,先制好試樣,再將土樣密封1 d,以待試驗(yàn)。

根據(jù)最大干密度計(jì)算試驗(yàn)壓實(shí)度試樣所需質(zhì)量的土樣,將土樣導(dǎo)入制樣桶內(nèi),并分層壓實(shí)。每層壓實(shí)后先將表面鑿毛,再壓實(shí)下一層。每層采用大型擊實(shí)錘保持同一擊實(shí)功,并在最頂層整平,以便于進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法。完成制樣后,采用路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法檢測其壓實(shí)度,并分析其相關(guān)性和準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 土層厚度和含水率對(duì)粉砂和水泥土路基剛度的影響

由圖1(a)可知,隨著粉砂路基的厚度不斷增大,路基的剛度不斷減小,并且在93%,94%,96%三種壓實(shí)度下均呈現(xiàn)這一特征。此外,這一減小的趨勢逐漸變緩至極限值,因此表明,這種快速檢測方法對(duì)路基剛度的檢測效果在粉砂層較薄時(shí)受到硬質(zhì)地面的影響較為顯著。圖中可見,路基剛度在三種壓實(shí)度下存在臨界土層厚度為25 cm。當(dāng)土層厚度低于臨界土層厚度時(shí),隨著土層厚度的增加,路基剛度下降趨勢顯著;而當(dāng)土層厚度高于臨界土層厚度時(shí),土層厚度對(duì)路基剛度的影響不再顯著。

由圖1(b)可知,含水率對(duì)路基的壓實(shí)程度起到重要的作用。在相同壓實(shí)度下,粉砂路基剛度隨著粉砂含水率的增大而增大,直至最優(yōu)含水率12%。隨后,粉砂含水率繼續(xù)增大時(shí),路基剛度不增反減,整體呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

由圖2(a)可知,水泥土路基的剛度隨著厚度增大不斷減小,其趨勢基本上與粉砂路基在檢測過程中所展現(xiàn)的規(guī)律一致,但區(qū)別在于水泥土路基的剛度在土層厚度較薄時(shí)差距較小。因?yàn)楫?dāng)土層厚度達(dá)到25 cm時(shí),水泥土路基的剛度變化趨勢較為平緩,而且不同含水率下的水泥土路基的剛度差異也出現(xiàn)了更加明顯的區(qū)別。如圖2(b)所示,水泥土剛度隨含水率的發(fā)展趨勢與粉砂路基基本一致。因此更有利于本研究中粉砂路基和水泥土路基在路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法下相互佐證,以驗(yàn)證該方法的真實(shí)性和可靠性。

2.2 路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測剛度與壓實(shí)度相關(guān)性研究

明確土層壓實(shí)度與土層剛度之間的關(guān)系對(duì)本文中路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法是否準(zhǔn)確可行有著至關(guān)重要的作用。因此,本文以粉砂路基和水泥土路基為研究對(duì)象,對(duì)兩種路基在不同壓實(shí)度下采用快速檢測方法進(jìn)行試驗(yàn),得到路基土體在不同最優(yōu)含水率條件下,土層壓實(shí)度對(duì)應(yīng)的土層剛度,其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。再將二者關(guān)系分別采用線性、指數(shù)、對(duì)數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合,比較其相關(guān)性,其關(guān)系分別如圖3,圖4所示。

表1 不同路基壓實(shí)度與剛度之間的對(duì)應(yīng)值

根據(jù)圖3可知,對(duì)于粉砂路基而言:

1)粉砂路基的土層剛度隨著壓實(shí)度的增加而增加,在路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法下,四種函數(shù)關(guān)系均獲得較好的擬合效果。這一現(xiàn)象說明,土體剛度與壓實(shí)度之間呈正相關(guān),證明采用本文所提及的路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法預(yù)測粉砂路基剛度是可行的。2)粉砂路基剛度與壓實(shí)土層厚度之間的關(guān)系在上述函數(shù)關(guān)系的擬合過程中均呈現(xiàn)較好的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)均在0.96以上。其中,指數(shù)關(guān)系和冪函數(shù)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)最高,均為0.98。此外,對(duì)數(shù)函數(shù)的相關(guān)系數(shù)最低,其值為0.96。

根據(jù)圖4可知,對(duì)于水泥土路基而言:

1)水泥土路基的土層剛度隨著壓實(shí)度的增加而增加,這一點(diǎn)與粉砂路基所呈現(xiàn)的規(guī)律一致。路基剛度與土層壓實(shí)度之間所呈現(xiàn)的規(guī)律存在較好的相關(guān)性,由此可見,該方法應(yīng)用于水泥土路基中同樣也是切實(shí)可行的。

2)如粉砂路基一樣,水泥土路基剛度與壓實(shí)土層厚度之間的關(guān)系也呈現(xiàn)較好的相關(guān)性,并且相關(guān)系數(shù)均在0.96以上。其中,指數(shù)關(guān)系和冪函數(shù)關(guān)系表現(xiàn)的相關(guān)系數(shù)最高,均為0.98。此外,對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系表現(xiàn)的相關(guān)系數(shù)最低,其值為0.96。其呈現(xiàn)出的變化趨勢與粉砂路基保持高度一致。

相比粉砂路基,水泥土路基剛度還受到水泥養(yǎng)護(hù)齡期的影響。因此,圖5是最優(yōu)含水率下,水泥土路基在96%壓實(shí)度時(shí),不同齡期下剛度的變化過程。在28 d內(nèi),水泥土路基剛度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增長;在7 d前,增長速度較快,7 d～28 d內(nèi),增長速率較7 d前較緩,這一點(diǎn)與水泥強(qiáng)度隨水泥養(yǎng)護(hù)齡期的變化趨勢一致,這是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期、水化產(chǎn)物的增加填補(bǔ)了水泥土中的空隙,使水泥土路基更加緊實(shí),對(duì)水泥土抵抗循環(huán)荷載的能力起到了提升作用。由此可以認(rèn)為,路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法對(duì)水泥土路基的檢測效果是符合實(shí)際情況的。

2.3 不同種類路基快速檢測對(duì)比研究

根據(jù)圖6可以看出,隨著土層壓實(shí)度的增加,粉砂路基和水泥土路基的剛度都會(huì)增加。在相同最優(yōu)含水率下,粉砂路基剛度始終小于水泥土路基剛度,其規(guī)律均與工程實(shí)際情況相符合,能夠證明該檢測方法的真實(shí)性。

3 結(jié)論

本文提出了一種路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測方法,通過對(duì)粉砂路基和水泥土路基進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn),明確了壓實(shí)度與路基剛度之間的關(guān)系,探究了該方法在路基工程中所需注意的影響因素,認(rèn)為該方法能夠快速無損地得到路基的實(shí)際剛度。本文所得到的主要結(jié)論有:

1)若土層下方材質(zhì)剛度較高,在土層厚度較薄時(shí),該方法所得到的檢測結(jié)果易受到下方材質(zhì)的影響,其檢測結(jié)果隨著土層厚度的增加而變得更加準(zhǔn)確。此外,該臨界土層厚度為25 cm,即土層厚度超過25 cm后,下方材質(zhì)對(duì)檢測結(jié)果影響不大。

2)在粉砂路基和水泥土路基中,剛度與壓實(shí)度正相關(guān)。二者關(guān)系更接近于指數(shù)關(guān)系或冪函數(shù)關(guān)系,因此能夠?qū)烧呦嗷Q算。

3)水泥土路基剛度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增加。但在養(yǎng)護(hù)初期時(shí),剛度的增長較快;隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,剛度增長速度逐漸放緩。