公路路基回彈模量試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)分析

鄒文剛

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司)

0 引 言

路基回彈模量是公路路基承載能力的主要力學(xué)參數(shù)，對(duì)于公路路面的設(shè)計(jì)與施工都有著重要的影響。但是路基回彈模量受到公路路基土質(zhì)、含水量、壓實(shí)度以及試驗(yàn)檢測(cè)方法等眾多因素的影響，回彈模量試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)值精準(zhǔn)性一直不高。為了準(zhǔn)確真實(shí)的反映評(píng)價(jià)公路路基施工質(zhì)量以及路基強(qiáng)度，必須重視公路路基回彈模量的試驗(yàn)檢測(cè)，通過高效快速、便捷準(zhǔn)確的試驗(yàn)檢測(cè)方法與精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)路基承載力情況以及穩(wěn)定性，進(jìn)而指導(dǎo)公路工程施工作業(yè)的開展。

1 公路路基回彈模量影響因素分析

(1)壓實(shí)度的影響。路基回彈模量在路基土體土質(zhì)類型以及含水量一定的條件下，主要是受到壓實(shí)度的影響。大量的試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析研究表明，壓實(shí)度與回彈模量之間存在著較好的線性關(guān)系。通常情況下，路基土體的壓實(shí)度越高、路基承載能力也就越高，回彈模量也就越大。

(2)含水量與回彈模量的關(guān)系。在公路路基土體類型以及壓實(shí)度固定的情況下，含水量是影響公路路基回彈模量的主要因素。兩者之間的關(guān)系為含水量在小于最佳含水量的區(qū)間內(nèi)，回彈模量會(huì)隨著含水量的增加而提高;當(dāng)含水量超過最佳含水量的范圍，回彈模量則會(huì)隨著含水量的增加而減小。

(3)顆粒組成的影響。由于路基土體是由大小不均勻的顆粒組成，因此在路基土體顆粒組成情況不同下，路基回彈模量自然也會(huì)有所不同。根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)表面，在最佳含水量的條件下，回彈模量與礫粒含量有著直接的關(guān)系，礫粒含量越大，對(duì)應(yīng)的回彈模量則越小。

(4)液塑限的影響。液塑限是表征路基粘性土體重要的物理指標(biāo)，液限能夠直觀的反映出路基土體的壓縮性、膨脹性以及收縮性，塑限對(duì)應(yīng)的則是土體由塑性向脆性固體轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的界限含水量。對(duì)于粗粒土而言，液塑限對(duì)回彈模量的影響相對(duì)較小，而對(duì)于細(xì)粒土，如果土體呈高塑限和高塑性指數(shù)，則在路基含水量增大時(shí)由于土體膨脹，會(huì)造成路基土體回彈模量的減小與承載能力的降低。

2 公路路基回彈模量試驗(yàn)檢測(cè)方法分析

2.1 承載板法測(cè)試路基回彈模量

承載板法測(cè)定路基回彈模量，其測(cè)定原理為通過利用標(biāo)準(zhǔn)車、承載板對(duì)路基進(jìn)行逐級(jí)加載、卸載，測(cè)定每級(jí)荷載作用下相應(yīng)的土基回彈變形值，進(jìn)而計(jì)算分析路基的回彈模量。試驗(yàn)中所需要的設(shè)備、儀具主要有加載設(shè)備、千斤頂、測(cè)力計(jì)、剛性承載板、路面彎沉儀等。

承載板法測(cè)定路基回彈模量的試驗(yàn)過程為首先整平路基土體表面，并采用細(xì)砂填平路基凹凸不平位置，之后水平安置承載板，并在承載板上放置千斤頂、測(cè)力計(jì)，在加載汽車后軸架設(shè)反力架橫梁。然后將兩臺(tái)彎沉儀的測(cè)頭置于承載板立柱支座上，并將測(cè)量變形的百分表歸零。在測(cè)試的過程中，首先開始采用千斤頂加載，加載至0.05 MPa，穩(wěn)壓1 min，以確保承載板與土基之間能夠緊密接觸，之后卸載，穩(wěn)壓1 min，并將指針對(duì)零。在試驗(yàn)過程中，采用逐級(jí)加載試驗(yàn)方法，荷載小于0.1 MPa 時(shí)，按照0.02 MPa 間隔加載，之后每級(jí)增加0.04 MPa，當(dāng)最終回彈變形值超過1 mm 后即可停止加載，并取樣測(cè)定土體的含水量。最后取走千斤頂，計(jì)量百分表讀數(shù)，再將加載汽車開出10 m 以外后重新讀數(shù)，確定百分表讀數(shù)差的平均值即為總影響量。

對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，首先計(jì)算各級(jí)荷載作用下的回彈變形，即:

回彈變形(L)=(加載后讀數(shù)平均值—卸載后讀數(shù)平均值)×彎沉儀杠桿比;之后計(jì)算總變形(L')=(加載后讀數(shù)平均值—加載初始前讀數(shù)平均值)×彎沉儀杠桿比;各級(jí)荷載下的土基回彈模量Ei=πD×Pi(1－μ2)/4* L1;土基回彈模量的計(jì)算公式為:E0=πD ×∑Pi(1－μ2)/4＊∑L1;公式中:μ 為土的泊松比;D 承載板直徑;Pi為承載板壓力;L1為相對(duì)于荷載Pi 的回彈變形(cm)。

2.2 貝克曼梁法測(cè)定公路路基回彈模量

貝克曼梁法測(cè)定路基回彈模量主要是利用桿桿原理，通過加載汽車對(duì)路面加載，并借助百分表記錄分析路基土體表面的回彈彎沉，進(jìn)而計(jì)算土基回彈模量。由于測(cè)試方法簡(jiǎn)單，因而貝克曼梁法在公路路基回彈模量的試驗(yàn)檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。采用貝克曼梁法測(cè)定公路路基回彈模量主要適用于土基厚度不小于1 m 的粒料整層表面，試驗(yàn)過程中需要的設(shè)備儀具主要有標(biāo)準(zhǔn)車、貝克曼梁、百分表、接長(zhǎng)桿等。在試驗(yàn)過程中，首先確定測(cè)定點(diǎn)，之后選擇面積不小于3 m×2 m，厚度不宜小于1 m 的試槽，并在試槽內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)。測(cè)定過程中采用標(biāo)準(zhǔn)車實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)處的路面回彈彎沉值Li，并記錄數(shù)據(jù)。

對(duì)于路基土體回彈模量的計(jì)算，首先計(jì)算回彈彎沉的平均值:

L=ΣLi/N;S=〔Σ(Li－L)2〕0.5/(N－1);r0=0.675 ×S

式中:L 為回彈彎沉的平均值(0.01 mm);S 為回彈彎沉測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)差(0.01 mm);r0為回彈彎沉測(cè)定的自然誤差(0.01 mm);Li為各測(cè)點(diǎn)的回彈彎沉值;N 為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

之后計(jì)算代表彎沉值及路基土體回彈模量:

L1=L+S;E1=(2pδ/L1)×(1－μ2)×a

式中:L1為計(jì)算代表彎沉;p 為測(cè)定車輪的平均垂直荷載，MPa;δ 為測(cè)定用標(biāo)準(zhǔn)車雙圓荷載單輪傳壓面測(cè)量圓的半徑，cm;μ 為測(cè)定層材料的泊松比，根據(jù)部頒路面設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定取用;a 為彎沉系數(shù)，一般取值0.712。

2.3 FWD 評(píng)價(jià)公路路基回彈模量試驗(yàn)方法

FWD 即落錘式彎沉儀，其工作原理主要是通過彎沉儀上的重錘在一定高度的自由下落，來模擬標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試車后軸單側(cè)動(dòng)荷載，并通過承載板對(duì)公路路基施加一半正弦脈沖力，造成路基表面產(chǎn)生變形，并通過落錘式彎沉儀的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)采集，形成彎沉盆以及最大彎沉等相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算路基回彈模量。采用落錘式彎沉儀測(cè)定公路路基回彈模量具有方便快速、安全準(zhǔn)確等一系列的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段在公路路基試驗(yàn)檢測(cè)中，落錘式彎沉儀的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的階段。

采用FWD 測(cè)定路基土體的回彈模量，在將彎沉儀運(yùn)送至測(cè)定地點(diǎn)以后，將承載板中心對(duì)準(zhǔn)測(cè)定點(diǎn)，自動(dòng)落下承載板，并放下位移傳感器，之后啟動(dòng)落錘裝置，讓落錘自由落下，使沖擊力作用于承載板之上，并記錄路基土體的變形量，得到最大彎沉和彎沉盆。在實(shí)驗(yàn)過程中，一般控制每一測(cè)定點(diǎn)的重復(fù)測(cè)定不少于3 次，取平均值作為計(jì)算依據(jù)。對(duì)于路基回彈模量的計(jì)算需要使用反算程序來計(jì)算，當(dāng)前在公路路基試驗(yàn)檢測(cè)中應(yīng)用較多的路基回彈模量反算程序主要有PAVERS、BAP、EVERCALC、MODCDMP5、PEDD、MICHBACK、ELMOD4、MODULUS51 等反算程序，反算途徑也主要是通過對(duì)彎沉盆的擬合來實(shí)現(xiàn)。需要注意的是如果采用落錘式彎沉儀進(jìn)行路基土體回彈模量的評(píng)價(jià)分析，還應(yīng)當(dāng)對(duì)FWD 法測(cè)定的回彈模量與承載板回彈模量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 語

路基回彈模量試驗(yàn)檢測(cè)作為公路項(xiàng)目建設(shè)中關(guān)鍵與基礎(chǔ)性的試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于公路工程的整體施工質(zhì)量控制也具有重要的影響。對(duì)于公路路基回彈模量試驗(yàn)檢測(cè)方法的選擇，應(yīng)當(dāng)根據(jù)公路路基實(shí)際情況，嚴(yán)格按照試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程的相關(guān)要求，進(jìn)行回彈模量的試驗(yàn)檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)精度控制與結(jié)果分析作為重點(diǎn)，準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)公路路基回彈模量實(shí)際情況，判定路基的綜合狀況，進(jìn)而完善公路設(shè)計(jì)以及施工方案。

［1］中華人民共和國(guó)交通部.公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程(JTG E60－2008)［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［2］中華人民共和國(guó)交通部.公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40－2007)［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］劉兆平，李宜鋒.土基回彈模量與壓實(shí)度及含水量的相關(guān)性研究［J］.公路與汽運(yùn)，2010，(3).