落球檢測(cè)在堤防填土工程質(zhì)量評(píng)估中的應(yīng)用

康浩，王正君，來(lái)慶輝

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150086)

落球檢測(cè)在堤防填土工程質(zhì)量評(píng)估中的應(yīng)用

康浩，王正君*，來(lái)慶輝

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150086)

在堤防工程中，堤防填土的力學(xué)性質(zhì)是影響堤防工程整體變形沉降及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。為了更好的監(jiān)測(cè)和控制填筑質(zhì)量，克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)堤防的損壞，本文介紹了落球檢測(cè)這種新型快速無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)落球檢測(cè)技術(shù)在堤防工程的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，采用網(wǎng)格布點(diǎn)的測(cè)試方法，獲得落球檢測(cè)結(jié)果及回彈變形模量分布圖，據(jù)此分析測(cè)區(qū)壓實(shí)程度及均勻性。避免傳統(tǒng)方法對(duì)堤防的破壞，從而保證了堤防的安全性和使用壽命。結(jié)果表明該技術(shù)對(duì)于評(píng)估堤防填土工程的巖土力學(xué)特性和均勻性十分有效，不僅快速而且反映直觀，后期需進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，該技術(shù)將會(huì)更好地廣泛應(yīng)用于堤防工程的質(zhì)量控制體系中。

堤防填土；落球檢測(cè)；均勻性；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

0 引言

眾所周知，在堤防填土施工中，采用的材質(zhì)主要為巖土類，具備天然性、多樣性和復(fù)雜性[1]等特點(diǎn)。在這種情況下，巖土材料力學(xué)特性[2-3](包括剛性和強(qiáng)度特性)，對(duì)于堤防工程就會(huì)顯得尤為重要。美國(guó)交通部聯(lián)邦公路管理局研究結(jié)果表明填方路基施工質(zhì)量控制[4-5]的要點(diǎn)是保證其工程力學(xué)特性和均勻性，堤防工程也是一樣，在評(píng)價(jià)其填土工程壓實(shí)質(zhì)量時(shí)，應(yīng)首先考慮變形模量[6]等力學(xué)特性，評(píng)估其均勻性。此外，填土施工具備較強(qiáng)的隱蔽性，當(dāng)填筑到上層部位以后，其下層部位的質(zhì)量就難以得到檢測(cè)和監(jiān)督。因此，長(zhǎng)久以來(lái)堤防工程界都在努力找尋一種可靠有效的技術(shù)手段，使之可以在施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確、直接、快速、方便的檢測(cè)堤防填土的力學(xué)特性。

在現(xiàn)有檢測(cè)方法中，常用的環(huán)刀法、灌水法檢測(cè)速度慢，設(shè)備及人為因素影響大，對(duì)堤防表面有一定的破壞作用。而核子密度法則存在一定的放射風(fēng)險(xiǎn)。本文所介紹的落球檢測(cè)[7]技術(shù)，它能夠快速、高效地對(duì)巖土材料的變形特性進(jìn)行檢測(cè)，避免目前堤防填土破損性檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)工的問(wèn)題；并可通過(guò)網(wǎng)格布點(diǎn)多點(diǎn)測(cè)試一定范圍和厚度的堤防填土，結(jié)合圖形分析技術(shù)，檢測(cè)堤防缺陷和填土均勻性；還能對(duì)填土工程的施工質(zhì)量進(jìn)行大面積，全方面的綜合監(jiān)測(cè)，有效地確保施工質(zhì)量。

1 落球檢測(cè)原理

1.1 變形特性原理

落球檢測(cè)理論是在Hertz[8-11]碰撞理論的基礎(chǔ)上，與巖土材料的塑性特征相結(jié)合，根據(jù)球狀剛性材料自由下落后和巖土材料的撞擊測(cè)試，以此推求待測(cè)材料的壓縮變形模量、回彈變形模量。

已知一個(gè)球狀剛性體M與剛性未知體N進(jìn)行碰撞，若未知材料N剛性越小，則撞擊后的接觸時(shí)間越長(zhǎng)。如圖1所示。

圖1 碰撞理論Fig.1 Collision theory

在此原理下，落球和半無(wú)限平面體間的撞擊接觸時(shí)間計(jì)算公式如下：

測(cè)得接觸時(shí)間Tc，就可以推求土體的變形模是E。

然而，Hertz碰撞理論只是在線彈性材料適用，對(duì)于巖土材料這種典型的彈塑性材料，應(yīng)當(dāng)把碰撞分成壓縮階段及回彈階段兩個(gè)過(guò)程。

其中變形模量Ec以壓縮階段的碰撞接觸時(shí)間來(lái)推求，回彈模量Eur則以回彈階段的碰撞接觸時(shí)間計(jì)算。下式中，泊松比μ可以預(yù)先進(jìn)行設(shè)置而且影響很小。

壓縮時(shí)變形模量

式中：k為對(duì)應(yīng)修正系數(shù)；Tcc為相應(yīng)的接觸時(shí)間，Tcc=2Tc_c，Tc_c為球體與巖土材料碰撞過(guò)程中的壓縮時(shí)間。

回彈時(shí)變形模量

其中，Tcr為相應(yīng)的接觸時(shí)間，可取Tc。

1.2 數(shù)據(jù)處理

(1)材料修正。因?yàn)閹r土材料粒徑大小和性質(zhì)的不同，會(huì)使得落球所測(cè)得的變形模量發(fā)生不同程度的變化。根據(jù)巖土材料的種類不同，采用了材料修正系數(shù)進(jìn)行修正，修正系數(shù)通常介于0.67～0.90，且材料粒徑越小，修正系數(shù)越大[12]。此外，根據(jù)材料種類，給出了參考泊松比μ，見(jiàn)表1。

表1 材料修正Tab.1 Material correction

(2)誤差修正。在實(shí)際的工程試驗(yàn)中，難免會(huì)碰到石塊之類的大粒徑材料。傳統(tǒng)的測(cè)試手段(如挖坑灌砂法[13]，平板載荷試驗(yàn)[14]等)往往要想辦法避開(kāi)這些大粒徑材料。落球檢測(cè)技術(shù)也不例外[15]，當(dāng)下落球體撞擊大石塊后，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的反常變大，因此本技術(shù)以等價(jià)變形法[16]進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，可以有效地降低主觀因素的影響，減少實(shí)驗(yàn)誤差。其計(jì)算公式如下：

式中：N為采集總次數(shù)；Ei為每次采集的試驗(yàn)結(jié)果。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)例

2.1 測(cè)試概況

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用的落球式巖土力學(xué)特性測(cè)試儀如圖2所示，落球重量為19.1 kg。

圖2 落球式巖土力學(xué)特性測(cè)試儀Fig.2 Falling ball tester for mechanical properties of geo-material

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)選取正在施工中的松花江流域某新建堤防(2個(gè)標(biāo)段)。利用落球檢測(cè)技術(shù)對(duì)碾壓完成后的彈性模量和彎沉進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)2個(gè)標(biāo)段不同區(qū)域的變形模量分布狀況進(jìn)行均勻性評(píng)估。同時(shí)用傳統(tǒng)方法環(huán)刀法和灌水法等在相應(yīng)測(cè)區(qū)典型位置檢測(cè)數(shù)值，與落球法檢測(cè)結(jié)果相對(duì)比。

2.2 測(cè)試內(nèi)容

第一標(biāo)段為粘土填筑，第二標(biāo)段為砂土填筑。每一個(gè)標(biāo)段隨機(jī)選取一個(gè)測(cè)區(qū)，各測(cè)區(qū)橫向布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為1.5 m；縱向布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距1 m。最終形成5行，5列的網(wǎng)格布點(diǎn)。在每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采集，并用測(cè)試儀主機(jī)進(jìn)行處理。之后在第一標(biāo)段用環(huán)刀法，第二標(biāo)段用灌水法分別在典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，以此評(píng)估工程質(zhì)量。

2.3 測(cè)試結(jié)果

落球測(cè)試結(jié)果如圖3～圖6所示，通過(guò)軟件解析，可以直觀的看到測(cè)區(qū)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形模量、回彈模量、彎沉和地基系數(shù)K30等[17-18]檢測(cè)指標(biāo)，以此對(duì)堤防填土工程壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。而在生成的回彈變形模量分布圖中，淺色代表對(duì)應(yīng)區(qū)域變形模量較小，深色則相反，據(jù)此來(lái)反映堤防填土工程壓實(shí)的均勻性。

采用傳統(tǒng)環(huán)刀法及灌水法在圖4和圖6中所標(biāo)示的3個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)的結(jié)果如下，見(jiàn)表2。

表2 壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Compaction test results %

圖3 一標(biāo)測(cè)試區(qū)域壓實(shí)指標(biāo)結(jié)果一覽Fig.3 A list of results of compaction indexes for the first section of the test area

圖4 一標(biāo)測(cè)試區(qū)域回彈變形模量分布圖Fig.4 Distribution of rebound elastic modulus for the first section of the test area

圖5 二標(biāo)測(cè)試區(qū)域壓實(shí)指標(biāo)結(jié)果一覽Fig.5 A list of results of compaction indexes for the second section of the test area

圖6 二標(biāo)測(cè)試區(qū)域回彈變形模量分布圖Fig.6 Distribution of rebound elastic modulus for the second section of the test area

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)回彈變形模量分布圖可以看出，無(wú)論是第一標(biāo)段還是第二標(biāo)段，均存在局部變形模量過(guò)高區(qū)域。

具體來(lái)看，對(duì)于第一標(biāo)段，采用粘土填筑，由于壓實(shí)后過(guò)去較長(zhǎng)時(shí)間，一方面來(lái)往重型車輛反復(fù)壓實(shí)，會(huì)使彈性模量變大，但總體上較為均勻，從數(shù)據(jù)上看也是如此；另一方面有測(cè)點(diǎn)落在車轍上，會(huì)出現(xiàn)測(cè)試結(jié)果急劇變小的情況出現(xiàn)，即客觀存在的測(cè)試誤差，可用前文提到的等價(jià)變形法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而從環(huán)刀法測(cè)試結(jié)果可以看出深色區(qū)域較淺色區(qū)域壓實(shí)度要高，整體上壓實(shí)度良好且均勻性要優(yōu)于第二標(biāo)段。

對(duì)于第二標(biāo)段，采用砂礫石填筑，雖然壓實(shí)度良好且表面平整，但砂礫石材料在受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)發(fā)生側(cè)向流動(dòng)和強(qiáng)度降低等問(wèn)題，對(duì)附近測(cè)點(diǎn)彈性模量造成一定影響。就測(cè)試結(jié)果來(lái)看，此標(biāo)段壓實(shí)度較高，對(duì)于局部變形模量較大的區(qū)域是否會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題需進(jìn)一步分析。從灌水法測(cè)得結(jié)果可以明顯看出，壓實(shí)程度存在顯著差異，深色區(qū)域彈性模量大，壓實(shí)度高，淺色區(qū)域彈性模量小，壓實(shí)度低。

3 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，相對(duì)于環(huán)刀法，灌水法等傳統(tǒng)方法，落球檢測(cè)技術(shù)操作簡(jiǎn)便，測(cè)試效率高，數(shù)據(jù)處理經(jīng)過(guò)多次修正，在對(duì)堤防工程的整體壓實(shí)情況及均勻性的評(píng)價(jià)中具有明顯的優(yōu)越性。對(duì)于一個(gè)測(cè)區(qū)只需短短幾分鐘就可完成網(wǎng)格布點(diǎn)的多點(diǎn)測(cè)試，并且集成度較高，能快速測(cè)定填土工程的變形模量、回彈模量和彎沉等評(píng)價(jià)壓實(shí)程度的巖土力學(xué)指標(biāo)，以及通過(guò)圖形處理反映其整體均勻性。不同于傳統(tǒng)方法只對(duì)某一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，其更側(cè)重大面積的多點(diǎn)采樣，生成的模量分布圖可以直觀地看出整個(gè)測(cè)區(qū)的壓實(shí)情況。落球檢測(cè)技術(shù)在堤防填土工程的質(zhì)量評(píng)估中可以作為一種有效的檢測(cè)手段進(jìn)行應(yīng)用。

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Application of the Falling Ball Test Method in Quality Assessmentof Embankment Filling Engineering

Kang Hao，Wang Zhengjun*，Lai Qinghui

(College of Water Conservancy and Electric Power，Heilongjiang University，Harbin，150086)

In the embankment engineering，the mechanical properties of the embankment fill are the key factors affecting deformation，settlement and structural stability of the whole embankment engineering.In order to preferably monitor and control the filling quality and overcome the damage to the embankment by traditional monitoring technology，the falling ball test method，a new fast non-destructive testing technology，was introduced and applied in embankment engineering site test.The results of falling ball test and the distribution diagram of the rebound elastic modulus were obtained by using the mesh point method，and thereby the degree of compaction and uniformity were analyzed.Compared to traditional method，this method avoids the damage to the embankment and thus ensures the safety and service life of the embankment.The results indicated that this method is quite effective for evaluation of the mechanical properties and the uniformity of geo-material in embankment fill，which is only fast but also intuitive.It would be better widely applied in the quality control system of embankment filling engineering through further improvements and optimization.

embankment fill；falling ball test；uniformity；site test

2016-09-20

黑龍江省黑龍江干流堤防工程科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)(HGZL/KY-01)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃引導(dǎo)項(xiàng)目(GZ16B013)

康浩，碩士研究生。研究方向：材料、無(wú)損檢測(cè)。

*通信作者：王正君，博士、教授。研究方向：材料、無(wú)損檢測(cè)。E-mail：wzjsir@163.com

康浩，王正君，來(lái)慶輝.落球檢測(cè)在堤防填土工程質(zhì)量評(píng)估中的應(yīng)用[J].森林工程，2017，33(3)：116-119.

U416.1

A

1001-005X(2017)03-0116-04