隧道棄渣填筑高速公路路基及壓實(shí)度的測(cè)定

高宇

摘要：利用隧道棄渣作路堤填料，不僅可降低公路建設(shè)成本，還可保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。本文提出用隨車式壓實(shí)度實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量路基的壓實(shí)度，其優(yōu)點(diǎn)在于方便、快捷、準(zhǔn)確的對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行全面連續(xù)檢測(cè)，以便于進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量控制。該成果可直接應(yīng)用于路基土壓實(shí)工程，可提高壓實(shí)效率，減輕壓實(shí)度檢測(cè)工作量，便于壓實(shí)質(zhì)量控制。

關(guān)鍵詞：隧道棄渣；壓路機(jī)；檢測(cè)；壓實(shí)度；加速度

1.概述

隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)的不斷推進(jìn)和國(guó)家高速公路網(wǎng)的不斷完善，山區(qū)高速公路建設(shè)越來(lái)越多，在不同地區(qū)高速公路建設(shè)過(guò)程中橋隧所占比例逐步提高。然而這些隧道所產(chǎn)生的大量棄渣，常見(jiàn)的處理方法是簡(jiǎn)單的將隧道棄渣堆砌，堆放于公路路基兩側(cè)或附近臨河、溝谷區(qū)域，這種方式不僅占用了大量的土地資源，也對(duì)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境造成了極大的破壞，增大水土流失、破壞植被、預(yù)埋安全隱患。因此，將這些隧道棄渣重新利用，對(duì)于公路建設(shè)的成本降低、生態(tài)環(huán)保具有重要意義。

對(duì)于在公路施工中，壓實(shí)是整個(gè)工序至關(guān)重要的一環(huán)，壓實(shí)度是否合格是判定工程質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一條重要標(biāo)準(zhǔn) 。傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)技術(shù)存在一些缺點(diǎn)，如取樣點(diǎn)少、代表性差，不能提供全面的壓實(shí)信息；費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、勞動(dòng)量大、費(fèi)用昂貴；需要熟練的操作技巧，試驗(yàn)結(jié)果復(fù)現(xiàn)性差；無(wú)法在壓實(shí)過(guò)程中測(cè)量或估計(jì)壓實(shí)的程度，壓實(shí)不足或壓實(shí)過(guò)度，所以人們一直在尋求一種能夠在壓實(shí)過(guò)程中連續(xù)對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行測(cè)量的方法。本文提出隨車式壓實(shí)度實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)，利用ICP 加速度傳感器連續(xù)測(cè)量路基壓實(shí)度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該方案的可行性 。

2.理論分析

壓實(shí)過(guò)程就是增加單位體積內(nèi)土壤顆粒的數(shù)量，減少孔隙率的過(guò)程。

振動(dòng)壓路機(jī)在作業(yè)時(shí)，因振動(dòng)輪的振動(dòng)使其對(duì)鋪層材料作用一個(gè)往復(fù)沖擊力，振動(dòng)輪對(duì)鋪層每沖擊一次，被壓實(shí)材料中就產(chǎn)生一個(gè)沖擊波。同時(shí)，這個(gè)沖擊波在被壓實(shí)的材料內(nèi)沿著縱深方向擴(kuò)散和傳播，被壓實(shí)材料顆粒之間的摩擦力也由初始的靜摩擦狀態(tài)逐漸進(jìn)入到動(dòng)摩擦狀態(tài)。所以在進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)時(shí)，在被壓材料層中作用有內(nèi)力和外力。內(nèi)力包括料粒間的粘結(jié)力、摩擦力和料粒的重量； 外力包括由于振動(dòng)作用傳遞給被壓材料顆粒的慣性力和上層材料的重力。

材料受強(qiáng)迫振動(dòng)后，由于各料粒的質(zhì)量及所處的位置不同，所產(chǎn)生的慣性力也就不同。此時(shí)，料粒間的粘結(jié)膜發(fā)生張緊現(xiàn)象，若慣性力不大，難以克服料粒間的摩擦力和粘結(jié)力，則各顆粒仍處于原始位置；若慣性力很大，足以破壞顆粒間的摩擦力和粘結(jié)力，在這種情況下，料粒在其自重力和上層物料重力的作用下相互脫離，發(fā)生位移，就會(huì)占據(jù)最低穩(wěn)定位置，排除氣相和液相，互相楔緊、擠緊、達(dá)到密實(shí) 。

3.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提方案的可行性，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。所需主要設(shè)備有：18t振動(dòng)壓路機(jī)1臺(tái)ICP加速度傳感器一個(gè)，數(shù)據(jù)采集儀等。先把加速度傳感器如圖1所示安裝到振動(dòng)軸或最能反映振動(dòng)輪振動(dòng)情況的位置上，隨后把數(shù)據(jù)傳輸線接到采集儀ICP接口上，再把筆記本電腦與采集儀用網(wǎng)線連接好，打開(kāi)數(shù)據(jù)采集軟件， 設(shè)置好采集參數(shù)準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)采集，在壓路機(jī)振動(dòng)輪起振時(shí)，開(kāi)始數(shù)據(jù)的采集。本實(shí)驗(yàn)采集儀型號(hào)是DH5901，2通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、通道帶寬0～200kHz、A/D分辨率12Bit、最大靜態(tài)誤差：≤±0.3%，采集軟件為DHSDAS5901?，F(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)時(shí)，如果出現(xiàn)自譜窗口顯示高頻部分幅度過(guò)大或其他不太正?，F(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)調(diào)整傳感器的位置、排除干擾源。

圖1 加速度傳感器安裝位置

4.試驗(yàn)結(jié)果分析

在本實(shí)驗(yàn)中我們采取用灌砂法測(cè)定其壓實(shí)度，壓路機(jī)每碾壓一遍，選取三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定， 表1為壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系。

表1 壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系

碾壓遍數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

壓實(shí)度（%） 75.3 81.9 86.7 91.6 93.2 95.5 97.1 98.2 97.1 96.8

從上表可以看出，隨著碾壓遍數(shù)的逐漸增加，壓實(shí)度的不斷變大且壓實(shí)度的增量越來(lái)越小，壓到一定程度后壓實(shí)度不會(huì)再增加，而過(guò)多的碾壓可能會(huì)導(dǎo)致壓實(shí)度的下降。

據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平和對(duì)采集的振動(dòng)加速度信號(hào)的分析和處理，我們可以用振動(dòng)加速度信號(hào)來(lái)反映壓實(shí)度值，其方法主要有下面兩種：直接分析信號(hào)幅值或有效值的幅值法和對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的諧波法 。本文采用有效幅值法進(jìn)行試驗(yàn)。

加速度傳感器輸出的是電壓信號(hào)，所以采集到的電壓信號(hào)大小也就間接反映出了振動(dòng)輪振動(dòng)加速度的變化情況。隨著振動(dòng)壓路機(jī)碾壓遍數(shù)的增加，振動(dòng)輪的振動(dòng)信號(hào)的幅值或有效值也隨著增加，對(duì)采集到的信號(hào)分析和處理后，得出加速度隨著碾壓遍數(shù)的變化如下表2所示：

表2 加速度有效值與碾壓遍數(shù)

碾壓遍數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8

加速度（ ）

28.1 34.1 37.63 40.08 45.45 52.83 52.18 51.93

從上表可以看出，隨著碾壓遍數(shù)的增加，激振信號(hào)有效值的確也在相應(yīng)的增加，從而也證明了激振信號(hào)有效值可以反映出路基土壤的壓實(shí)度。

路基對(duì)振動(dòng)輪反作用力越大，加速度就越大，即在振動(dòng)輪沒(méi)有跳振的情況下，路基的壓實(shí)度越好。這樣就可以利用加速度的變化情況與用灌砂法測(cè)的壓實(shí)度

進(jìn)行對(duì)比，并建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成內(nèi)置專家系統(tǒng)，再通過(guò)軟件編程即可實(shí)現(xiàn)壓實(shí)度值的直接讀取見(jiàn)圖2。

圖2 壓實(shí)度與振動(dòng)輪加速度之間關(guān)系圖

根據(jù)圖2可求出線性回歸曲線為 ，此即有效加速度與壓實(shí)度的關(guān)系，相關(guān)系數(shù) ， ，認(rèn)為加速度與壓實(shí)度兩個(gè)變量有很強(qiáng)的線性相關(guān)性。根據(jù)這一原理可以有效防止了“欠壓”和“過(guò)壓”的發(fā)生。采用這種方法可以實(shí)時(shí)地、有效地控制壓實(shí)質(zhì)量。

5.結(jié)論

（1）隧道棄渣作為建筑垃圾的一種，將它重新利用是一項(xiàng)科學(xué)而又環(huán)保的系統(tǒng)工程；

（2）利用加速度傳感器測(cè)量路基壓實(shí)度的方法是可行的；

（3）壓實(shí)度連續(xù)檢測(cè)技術(shù)可以再壓實(shí)過(guò)程中測(cè)量和評(píng)估壓實(shí)狀態(tài)，有效地提高工作效率，保證工程質(zhì)量，可獲得明顯的經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)

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