既有公路路基工程檢測方法與工程實(shí)例分析

王成青,孔綱強(qiáng),吳躍東,高 磊

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098)

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既有公路路基工程檢測方法與工程實(shí)例分析

王成青1,2,孔綱強(qiáng)1,2,吳躍東1,2,高 磊1,2

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098)

摘要:簡要總結(jié)國內(nèi)外既有公路路基的主要工程病害及類型,著重歸納總結(jié)目前國內(nèi)外常用的既有公路路基工程檢測方法,并分析各類方法的技術(shù)原理、適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)等技術(shù)特點(diǎn)。結(jié)合江蘇沿海高速公路既有路基處治工程實(shí)例,詳細(xì)分析了鉆探取芯有損檢測方法和地質(zhì)雷達(dá)無損檢測方法的應(yīng)用及其對工程處治效果評價的作用,結(jié)果表明:地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用于垂直注漿檢測,對成樁邊界可以清晰判別;路基鉆探取芯檢測可以直觀定量地反映路基液塑限、密度、干密度、含水量等指標(biāo),在局部勘察方面具有明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞:既有路基;路基病害;地質(zhì)雷達(dá);鉆探取芯;檢測方法;現(xiàn)場試驗(yàn)

隨著高速公路的運(yùn)營和交通量的快速發(fā)展,既有公路路基病害逐漸凸顯[1]。路基病害類型多種多樣,針對既有公路路基開展相關(guān)檢測工作,高效、快速且準(zhǔn)確地對既有公路路基的工程質(zhì)量進(jìn)行有效評價,是擺在廣大工程技術(shù)人員面前的重要課題[2-3]。針對既有公路路基檢測評價,最早美國學(xué)者提出采用路基設(shè)計及施工控制的壓實(shí)度指標(biāo),后來提出采用強(qiáng)度及變形指標(biāo)作為路基填土質(zhì)量的控制參數(shù)[4-5]。近年來,我國先后引入德國、日本、法國等國家先進(jìn)的路基質(zhì)量評估和檢測方法,并研究了新的適應(yīng)不同等級道路的規(guī)范、規(guī)定[4-5]。但是,國內(nèi)外在針對既有公路路基的檢測評價上尚缺乏成熟的先進(jìn)技術(shù),且現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)路基現(xiàn)場檢測的方法和評價指標(biāo)僅限于新建路基表面,而不能進(jìn)行深層檢測。因此,總結(jié)既有公路路基狀況的檢測評價技術(shù)是當(dāng)前急需解決的技術(shù)問題[6-7]。

本文在簡要介紹國內(nèi)外公路路基的主要工程病害及類型的基礎(chǔ)上,歸納總結(jié)目前國內(nèi)外常用的既有公路路基工程檢測方法,并分析各類方法的技術(shù)原理、適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)等;結(jié)合江蘇沿海高速公路既有公路路基沉降病害處治工程實(shí)例,詳細(xì)分析鉆探取芯有損檢測方法和地質(zhì)雷達(dá)無損檢測方法的應(yīng)用及其對工程處治效果評價的作用。

1 主要工程病害

不同年代、不同地區(qū),由于降雨量不均、車輛速度和運(yùn)量不一、基床土質(zhì)存在差異,使得既有公路路基狀態(tài)十分復(fù)雜,病害類型、分布形式、發(fā)育程度等呈復(fù)雜多樣性和隨機(jī)性,加大了既有公路路基檢測的難度。路基病害調(diào)查的主要目的是對舊路基狀況及病害程度進(jìn)行普查;調(diào)查的主要任務(wù)是查明路基裂縫和沉陷的數(shù)量、長度、寬度、分布位置以及路基周圍的地形地質(zhì)情況,舊路基填料的巖性、土石含量和表觀密實(shí)程度以及路基整體穩(wěn)定性狀況等,為路基檢測及路基病害處治設(shè)計與施工提供參考依據(jù)。既有公路路基的主要工程病害如表1所示。

表1 既有公路路基工程病害分類

2 國內(nèi)外常用檢測方法

檢測方法的分類多種多樣,不同的分類方法可以達(dá)到不同的目的,下面分有損檢測和無損檢測兩個大類對常用檢測方法進(jìn)行匯總與分析。

2. 1 有損檢測方法

目前國內(nèi)外常用的有損檢測方法包括現(xiàn)場CBR檢測和回彈模量檢測、深層核子密度濕度儀檢測、動力觸探測試與標(biāo)貫試驗(yàn)檢測、現(xiàn)場DCP檢測、平板載荷試驗(yàn)、鉆探取芯檢測等。

路基CBR檢測和回彈模量檢測可獲得判定路基強(qiáng)度的回彈模量、壓縮模量等指標(biāo),檢測結(jié)果準(zhǔn)確,但測試過程復(fù)雜,費(fèi)用相對較高,一般不建議大規(guī)模采用[8]。一些經(jīng)過改良的CBR檢測方法(可檢測到的指標(biāo)可參考現(xiàn)行規(guī)范),通常較為便捷可靠,但大多效率較低,對行車有干擾,且檢測標(biāo)準(zhǔn)很難統(tǒng)一。深層核子密度濕度儀檢測法主要用于檢測路基的密實(shí)度和含水量[9],需要對既有公路路基開孔以檢測深層路基,可解決現(xiàn)行規(guī)范僅適用于路基路面表層檢測的問題。該檢測方法可以參考現(xiàn)行規(guī)范分析評價檢測指標(biāo),較為方便,但需要局部開挖,干擾行車。動力觸探測試可以測定路基強(qiáng)度并對其穩(wěn)定性作出評價,還可以記錄到土層在深度上變化的信息。標(biāo)貫試驗(yàn)檢測法多用于砂性土承載力的測試,設(shè)備簡單,操作方便,但只能用于表層檢測,且干擾行車[9]。其中有一種小型貫入試驗(yàn)法可以檢驗(yàn)基床、封閉層及換土的強(qiáng)度?，F(xiàn)場DCP檢測法是目前國際上普遍采用的既有公路路基檢測方法,在檢測路基結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度和分層情況方面優(yōu)勢明顯[8]。平板載荷試驗(yàn)法可檢測地基系數(shù)K30、變形模量Ev1和Ev2、動態(tài)變形模量Evd及落錘式路基動剛度等,其檢測值可依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范同新線進(jìn)行對比,其中K30值能更加直觀有效地表征路基承載能力及剛度,但耗時較多,檢測值離散性大[10]。落錘式路基動剛度檢測可以解決既有公路地基系數(shù)K30不易檢測的困難,但對行車有一定影響。路基鉆探取芯檢測通過鉆取路基不同層位的土樣檢測其液塑限、密度、干密度、含水量等指標(biāo),了解路基的土性、密實(shí)狀況,繼而判斷路基強(qiáng)度[11],同時直觀定量地反映路基其他特性。這種檢測方法準(zhǔn)確、直觀,但由于取樣及后期試驗(yàn)過程中諸多因素對土樣的影響,容易導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)受到一定干擾。

2. 2 無損檢測方法

目前國內(nèi)外常用無損檢測方法包括波速法、電測法、瞬態(tài)瑞利波法、貝克曼梁式彎沉儀法、自動彎沉儀及落錘式彎沉儀法、地質(zhì)雷達(dá)法等。

波速法分為跨孔波速法和面波法,可用于確定地層及其物理力學(xué)指標(biāo),測試速度快,不影響行車,但分辨率低,易受頻率、含水量等因素影響[12]。電測法通過分析電場分布規(guī)律來認(rèn)識地質(zhì)構(gòu)造,分析地層電性差異來反映地層變化,可用于大范圍路基病害尋找和大致分布范圍調(diào)查,但精度不高、檢測速度慢而且難以與地層物理力學(xué)指標(biāo)建立有效聯(lián)系。瑞利波速度與橫波速度具有很好的相關(guān)性,可以用來評價巖土工程特性,瞬態(tài)瑞利波法通過檢測瑞利波速來評價既有公路路基質(zhì)量及工作狀態(tài)[13],其儀器便于攜帶、操作簡單、速度極快、分辨率高,不影響行車,在實(shí)際工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,是一種值得推廣的既有公路路基檢測方法。路基檢測中運(yùn)用較多的彎沉儀有貝克曼梁式彎沉儀、自動彎沉儀、落錘式彎沉儀及便攜式落錘彎沉儀等。貝克曼梁式彎沉儀操作簡單、方便,但對行車的負(fù)荷特征以及彎沉形狀描述相對較少,而且它依靠手工操作,速度較慢,還容易造成主觀誤差,不宜用于大規(guī)模檢測。自動彎沉儀可進(jìn)行高密集點(diǎn)的路面強(qiáng)度檢測,更為高效。落錘式彎沉儀(FWD)是目前國際上最先進(jìn)的路面強(qiáng)度無損檢測設(shè)備之一[14]。該設(shè)備重量輕,便于操作,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測,特別適用于高等級公路路面和機(jī)場的彎沉檢測和承載能力評定。便攜式落錘彎沉儀(PFWD)是繼常規(guī)落錘彎沉儀后的又一種新的動力模量快速無損檢測設(shè)備[15]。該儀器具備便于攜帶、操作簡單、精度高等優(yōu)勢,是一種值得推廣的新型儀器。地質(zhì)雷達(dá)法可用于探明路基結(jié)構(gòu)的分層,其原理是由天線定向向路基發(fā)射電磁波,在介質(zhì)介電常數(shù)改變的地方會發(fā)生折射與反射,通過記錄反射波便能確定各個結(jié)構(gòu)層的交界位置[16]。運(yùn)用該方法可以探測路基病害的位置及其發(fā)育程度,繼而分析路基的地質(zhì)情況[17]。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)具有高精度、無損、方便快速等諸多優(yōu)點(diǎn),但只能對路基壓實(shí)的疏密程度進(jìn)行描述,而不能聯(lián)系土的物理力學(xué)性質(zhì)來預(yù)測路基病害的發(fā)展。

3 工程實(shí)例應(yīng)用與分析

各種檢測方法各有優(yōu)缺點(diǎn),對于不同的檢測工程,要根據(jù)其檢測目的,選擇不同的方法進(jìn)行綜合檢測。下面以地質(zhì)雷達(dá)無損檢測以及鉆探取芯有損檢測方法在既有公路路基檢測評估中的應(yīng)用為例,介紹兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。

3. 1 地質(zhì)雷達(dá)法

對江蘇沿海高速(鹽連K854、K865、K866段)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測,在保證安全的前提下,沿著緊急停車道靠近車道3布設(shè)一條縱向測線,測線長度約為40m。測試使用意大利IDS公司RIS系列地質(zhì)雷達(dá),整套雷達(dá)系統(tǒng)由主機(jī)、天線、軟件三部分組成。該套設(shè)備采用最新一代雷達(dá)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高度智能化和一體化,大大提高了雷達(dá)探測的準(zhǔn)確度和成圖的清晰程度。使用80 MHz的低頻天線,測量深度為20 m,精度為5 cm。

圖1 K854段檢測結(jié)果

a. K854段。K854段為豎向鉆孔旋噴樁,地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果如圖1所示。由圖1可見,處理區(qū)域與正常路段區(qū)別明顯。5 m以內(nèi)界面分層清晰。豎向旋噴注漿漿液在土質(zhì)較弱處黏結(jié)在一處,在圖像中形成較大的樁體圖像,樁頭約在路面下3 m處。未處理路基疏松區(qū)也存在漿液,猜測是從土質(zhì)強(qiáng)度較小或空隙較大處滲透形成。深度10 m處存在土層分層,測線方向0～5 m、深度4～7. 5 m處存在一處裂隙。路面下無明顯的強(qiáng)反射波,反射波波形分布均勻,反射能量無大的變化,說明在整個探測深度內(nèi)路基層密實(shí)度較高,道路健康狀況良好。

b. K865段。K865段采用路面外斜向注漿方式處理地基,地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果如圖2所示,異常體均在圖中標(biāo)注。由圖2可見,地質(zhì)雷達(dá)圖像顯示無明顯樁體存在。9. 5 m以下土層分層明顯,原有土層厚度較大,受到注漿漿液的影響。測線末端路面凸起(橋頭搭接處),沉降差異最大達(dá)20 cm。整個測線區(qū)域內(nèi),路基層密實(shí)度較好,在深度2. 5 m、長度5m處存在同向軸錯斷現(xiàn)象,存在脫空異常。整個表層(1～3m)范圍內(nèi)土層波形混亂,健康狀況不良。

圖2 K865段檢測結(jié)果

c. K866段。K866段采用路面外斜向引孔注漿方式處理路基,地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,深度11 m以下土層分層明顯,原有土層厚度內(nèi)無漿液侵入現(xiàn)象。深度1～3. 5 m路基病害較嚴(yán)重,深度3. 5 m以下土層較均勻。路基表層健康狀況不良。圖像中黑色線以右土層與左側(cè)有差異,右側(cè)圖形波形幅值較大,推測為富水砂土層。

圖3 K866段檢測結(jié)果

3. 2 鉆探取芯檢測法

由于江蘇沿海高速公路連鹽段前期軟基處理的理念不同,部分軟基路段采用不處理的方式,因此自建成并投入運(yùn)營以來工后沉降較大,使局部路段路面表現(xiàn)出不同程度的差異沉降變形病害。通過路基鉆探取芯法來確定采用高壓旋噴樁加固和注漿加固后的強(qiáng)度指標(biāo)。

a.高壓旋噴樁加固段。高壓旋噴樁凝固達(dá)到一定強(qiáng)度后,對K853+990～K854+020施工路段進(jìn)行鉆孔取芯。該路段每半幅路面選取3個孔位檢驗(yàn)點(diǎn),鉆孔深度20 m,從3 m處開始取芯,每1 m取1個芯樣,每個鉆孔取18個芯樣。樁體芯樣送至河海大學(xué)巖土工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)(主要是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn))。左半幅(鹽城至連云港方向)路面3根取樣樁的樁芯土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 路面樁芯土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計,樁身芯土土樣的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度低于0. 1 MPa的試樣僅占14. 29%,占比最高的部分為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度0. 1～0. 3 MPa的試樣,占59. 18%,其余試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均在0. 3 MPa以上,占26. 53%。所有試樣28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為0. 434 MPa,滿足工程設(shè)計要求以及GB50202—2002《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求。

b.注漿加固段。待地基中水泥漿液固化具有一定強(qiáng)度后,即對K865+220～K865+280施工路段進(jìn)行鉆孔取芯以檢驗(yàn)注漿效果。該路段共選取3個孔位檢測點(diǎn)(分別住于K865 +230、K865 +250和K865+270處),鉆孔深度13 m,從3 m處開始取芯, 每1 m取1個芯樣,每個鉆孔取11個芯樣。芯樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn),試驗(yàn)所得參數(shù)如表2所示。由表2可知,與原勘察報告相比(加固前),注漿加固后土體的孔隙比減小,滲透系數(shù)降低,壓縮模量和抗剪強(qiáng)度均得到提高,注漿加固后土體的主要性能指標(biāo)變化量如表3所示。這說明注漿加固后土體的物理力學(xué)性能得到一定的改善,工后沉降顯著減少。

表2 K865+220～K865+280路段試樣試驗(yàn)結(jié)果

表3 注漿加固后土體主要性能指標(biāo)平均變化量

通過對以上兩種檢測方法在實(shí)際工程的應(yīng)用與分析,兩種檢測方法均能達(dá)到其檢測的目的。但是每種檢測方法均有其局限性,應(yīng)該綜合運(yùn)用當(dāng)前的各種技術(shù)手段,揚(yáng)長避短才能更好地檢測出既有公路路基存在的工程隱患,如建立以地質(zhì)雷達(dá)普查為主,結(jié)合地面局部勘察和路基信息系統(tǒng)的路基管理和評估模式。

4 結(jié) 論

a.地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用于江蘇沿海高速鹽連段,檢測效果較為明顯,對成樁邊界可以清晰判別;K865、K866段采用路面外斜向引體注漿方式,測線區(qū)域未檢測到注漿樁體的存在,原有地層界面明顯,推測該范圍內(nèi)未受到漿液擾動,可以判斷路基處理未對緊急停車道的加固起到作用。這說明地質(zhì)雷達(dá)法檢測既有公路路基病害是切實(shí)可行的。

b.鉆探取芯法應(yīng)用于江蘇沿海高速連鹽段高壓旋噴樁加固段,鉆探取芯結(jié)果顯示,所有試樣的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足本次工程設(shè)計要求以及GB50202—2002《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求;對注漿加固段,與原勘察報告相比(加固前),注漿加固后土體的孔隙比減小,滲透系數(shù)降低,壓縮模量和抗剪強(qiáng)度均得到提高。這說明注漿加固后土體的物理力學(xué)性能得到一定的改善,工后沉降顯著減小。路基鉆探取芯檢測可以直觀定量地反映路基塑液限、密度、干密度、含水量等指標(biāo),它在局部勘察方面具有明顯的優(yōu)勢。

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Detection methods for existing road subgrade engineering and project analysis

/ / WANG Chengqing1,2, KONG Gangqiang1,2, WU Yuedong1,2, GAO Lei1,2(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai Uniυersity, Nanjing 210098, China; 2. College of Ciυil and Transportation Engineering, Hohai Uniυersity, Nanjing 210098, China)

Abstract:The main engineering diseases and types of damage to road subgrade in China and abroad are briefly introduced, and the most commonly used detection methods are summarized. The principles, ranges of application, and advantages and disadvantages of these detection methods are comparatively analyzed. In combination with subgrade treatment of the Jiangsu coastal highway, applications of the core drilling detection method, which may cause damage, and the geological radar detection method, which does not cause damage, are analyzed in detail, and the effects of the two methods for subgrade treatments are also evaluated. The results show that the geological radar method can be used in grouting tests in the vertical direction, and the pile boundary can be clearly distinguished. They also show that the core drilling method can reflect indices of the plastic-liquid limit, density, dry density, and water content of road subgrade quantitatively and intuitively, and has obvious advantages in local surveying.

Key words:existing road subgrade; subgrade disease; geological radar; core drilling; detection method; field test

(收稿日期:2014- 12 29 編輯:鄭孝宇)

通信作者:孔綱強(qiáng)(1982—),男,副教授,博士,主要從事樁-土相互作用及能量樁技術(shù)與應(yīng)用研究。E-mail: gqkong1@163. com

作者簡介:王成青(1991—),男,碩士研究生,主要從事基于透明土材料的可視化模型試驗(yàn)研究。E-mail: hhutjwcq23@163. com

DOI:10. 3880/ j. issn. 1006- 7647. 2016. 02. 013

中圖分類號:TU41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1006- 7647(2016)02- 0069- 05

基金資助:國家自然科學(xué)基金(51278170);河海大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2013B31814,2014B07214)