手持式落錘彎沉儀在路基壓實度檢測和評價中的應用

俞先江，馬圣昊，王 正，王宏偉

(江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210014)

手持式落錘彎沉儀在路基壓實度檢測和評價中的應用

俞先江，馬圣昊，王 正，王宏偉

(江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210014)

通過宿揚高速公路路基施工中進行Evd試驗、施工現(xiàn)場灌砂法測量壓實度，確定了Evd與路基土壓實度的經(jīng)驗公式相關系數(shù)，然后通過現(xiàn)場壓實度測試進行了驗證，給出了使用Evd進行路基施工控制的推薦值。

手持式落錘彎沉儀；路基壓實度；經(jīng)驗公式；現(xiàn)場測試方法；評價指標

1 便攜式落錘彎沉儀

便攜式落錘彎沉儀(Portable Falling Weight Deflectometer，簡稱 PFWD)是一種能夠對路基和地基承載能力進行檢測的新型儀器。該儀器測試時間短，測試精度好。它由加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)三部分組成。

加載系統(tǒng)包括垂直導桿、鎖閉裝置、橡膠墊塊和落錘等，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括由位移傳感器和壓力傳感器等采集設備，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)據(jù)傳輸裝置和數(shù)據(jù)處理軟件等組成。

路基土屬于彈塑形體，在受到外部荷載的作用下，會產(chǎn)生彈性變形和塑形變形，變形的本構關系為非線性，但如果落錘沖擊作用時間很短時，可以認為路基內的塑形變形還未發(fā)生時，荷載已經(jīng)卸除，在整個變形過程中，只有彈性變形過程，無塑形變形過程，因此可以采用線彈性理論分析測試結果，得到的路基模量值認為是路基回彈模量值。

2 手持式落錘彎沉儀試驗理論分析

PFWD的基本原理為，通過將某一重量的落錘提升至某一高度，然后沿導桿垂直下落，落錘沖擊下方的承載板和底座，在落錘的沖擊荷載下，路基表面會產(chǎn)生向下的豎向位移，通過位于儀器底部承載板上的壓力傳感器和位移傳感器就可以得到整個下落過程中的瞬時荷載和瞬時位移，通過儀器內部的軟件處理后，即可以根據(jù)荷載和位移的峰值來確定路基的動態(tài)回彈模量Evd(MN/m2)值。

承載板試驗屬于靜載試驗，而PFWD試驗屬于動載試驗，兩者性質不同，對于這個問題已經(jīng)通過理論分析和比較證明了無論是承載板試驗還是PFWD試驗都可以采用彈性層狀體系來分析，誤差在容許范圍內，因此將路基看作彈性半空間體。由于PFWD以承載板作用于路基表面，用落錘豎向垂直荷載做為沖擊荷載，因此用PFWD測定動態(tài)回彈模量，采用理論模型為剛性承載版下的彈性半空間體模型，圖1為圓形垂直剛性荷載下的路基受力圖。

圖1 剛性承載板下彈性半空間體受力圖

剛性圓形承載板下作用下彈性半空間體內任一點的豎向位移表達式如下式所示：

(1)

式中：w為路基內部任意一點的位移，μm；r、z分別為徑向和豎向坐標，cm；δ和p分別為承載板半徑(cm)和承載板上荷載的平均壓力，MPa；E為路基回彈模量，MPa；μ為土的泊松系數(shù)，土的泊松系數(shù)為0.35；J0為0階貝塞爾函數(shù)；x為積分變量。

對于路基頂面承載板中心位置處，把r=0，z=0帶入上式，即為路基表面的垂直位移(路基表面彎沉)

(2)

將PFWD測的的應力最大值p及最大彎沉值l帶入公式中即可以得到路基模量Ep為

(3)

3 試驗條件和試驗結果

3.1 路基土物理性質

本文試驗依托于江蘇省宿揚高速建設項目，在宿揚高速泗洪段，路基填料主要為黏性土，路床96區(qū)摻灰量為7%，壓實度要求不低于96%。為了研究PFWD在檢測路基土壓實效果上的應用，在2016年7月到8月對該段道路96區(qū)填土進行了路基壓實狀況和變形模量的關系檢測。

首先對試驗所用的土的物理性質進行試驗，所選土樣主要來自于3#取土坑，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)對所選土樣進行了顆粒分析試驗、界限含水率試驗和土的擊實試驗。

表1 土的主要物理性質指標

表2 土的篩分試驗結果

表3 不同灰劑量土的擊實試驗結果

3.2 灌砂法測壓實度與Evd對比試驗方法

灌砂法測壓實度與Evd測試的布置方法，為了盡量減小Evd測試過程對該路基的二次壓實影響，路基施工過程碾壓時都是采取縱向碾壓，碾壓一遍之后，采取一次移動1/3～1/2輪的方式，因此可以認為在一條縱向碾壓帶上，不同位置所受到的壓實功是一樣的，排除土質均勻性的影響，而由于碾壓之前充分的翻拌，在相鄰位置土的均勻性也認為是一致的，因此Evd測試時采取縱向布設間隔0.5～1 m，縱向測試5個點，參照《土工試驗規(guī)程》采取誤差分析指標變異系數(shù)進行分析，即在平行試驗中，變異系數(shù)≤12%視為有效。在任意Evd兩測點中間位置進行灌砂法測量壓實度試驗。

3.3 現(xiàn)場試驗

首先在在路基施工期間進行壓實度和Evd試驗，現(xiàn)場96區(qū)路基填筑完成之后，采取了兩種不同的碾壓方式。

(1)碾壓5遍(其中振動壓實3遍，靜壓2遍)下稱3+2模式。

(2)碾壓5遍(其中振動壓實2遍，靜壓3遍)下稱2+3模式。

在Evd試驗中，對于第一種碾壓方式，采取的檢測手段為振動壓實3遍后，進行一次測試，靜壓一遍后進行第二次測試，全部靜壓完成后進行第三次測試。第二種碾壓方式下，振動壓實2遍后進行一次檢測，靜壓第一遍之后進行第二次檢測，靜壓第二遍后進行第三次檢測，全部碾壓完成后進行第四次檢測。每次進行檢測都采用2.2的方式分別進行Evd和灌沙法壓實度檢測。

3.4 試驗結果

表4 第1種碾壓方式Evd試驗結果

表5 第1種碾壓方式壓實度檢測結果

表6 第2種碾壓方式Evd試驗結果

表7 第2種碾壓方式壓實度檢測結果

采用4種模型對試驗結果進行分析：

(1)y=ax+b；(2)y=aln(x)+b；

(3)y=axb；(4)y=aebx

式中：y為壓實度，%；x為動態(tài)回彈模量Evd。

第二種碾壓方式回歸分析結果：

根據(jù)回歸分析的結果發(fā)現(xiàn)：第一種碾壓方式下(2)公式的相關系數(shù)最高為0.777。將壓實度控制指標96帶入回歸公式y(tǒng)=10.544ln(x)+45.67可得到Evd(96)=107.6。

在第二種碾壓方式下(1)公式的相關系數(shù)較高為0.996 6，帶入兩個公式y(tǒng)=0.0 821x+87.851得到Evd(96)=99.3。

兩個碾壓方式的試驗結論合并回歸分析發(fā)現(xiàn)(1)公式下的回歸系數(shù)最高為0.730 9，將壓實度控制指標96帶入回歸公式y(tǒng)=0.076 4x+87.78可以得到Evd(96)=107.6。

3.4 試驗段驗證

對于該路段隨機抽取了幾處進行了Evd和壓實度試驗，用于對上述試驗結果的驗證。驗證段落的檢測結果見表8。

表8 驗證結果

使用三個不同值進行結果驗證，發(fā)現(xiàn)如果使用99.3做為合格標準，檢測正確為6點錯位為2點，檢測正確率為75%。

使用107.6作為合格標準，檢測正確點數(shù)為8點錯誤為0點，合格率100%。

從試驗檢測的角度出發(fā)，也應該使用較大值為合格標準因此認為該路段96區(qū)壓實度的合格標準為Evd值>107.6。

4 結論與結語

(1)本文通過現(xiàn)場壓實過程中的試驗，分析了路基動態(tài)回彈模量Evd與壓實度的相關關系，結果表明針對高液限黏性土，Evd與壓實度有很好的相關關系，在一定范圍內可以適用線型回歸模型。

(2)通過驗證試驗表明，通過進行施工過程中的灌砂法壓實度與Evd的試驗得到的壓實度與Evd的相關關系，采用動態(tài)回彈模量來檢測路基壓實度是可行的，具有方便快捷的優(yōu)勢，既能滿足精度要求，又能加大檢測密度進行大范圍無損檢測。

(3)現(xiàn)場壓實質量檢測中，宜采用雙控的方法，首先通過手持式落錘彎沉儀的方法對路基段落的壓實度進行大范圍的檢測如果全部合格，可以認為該段落壓實度合格，如果有不滿足的薄弱點再對單點進行灌砂法壓實度檢測，作為判斷該段壓實程度的依據(jù)。

(4)在應用Evd檢測路基壓實度的過程中，路基動態(tài)回彈模量Evd與壓實度的關系模型的確定是最重要的環(huán)節(jié)，它是實際工程中測定路基壓實度的標準，只有首先確定了動態(tài)回彈模量Evd與壓實度的關系模型，才能在工程實測中實現(xiàn)路基壓實度快速的動態(tài)無損檢測。由于土質、氣候及施工工序的變化，都可能對壓實度與Evd的相關關系產(chǎn)生影響，因此建立相關模型時需要考慮多種因素，針對土質、氣候、路基層位的變化及時進行修正，不可盲目套用其他地區(qū)，其他工程或層位的相關關系。結合本次試驗，由于路基土取自同一個取土坑，兩試驗段均在相同的時間內碾壓，并且相隔距離較近，因此可以認為兩試驗段僅存在施工水平的差異，而最后結果表明，兩試驗段的試驗結果存在差異，會對關系曲線產(chǎn)生影響。

本次試驗只是針對細粒土，由于地區(qū)的限制，江蘇省處于平原微丘地帶，土質來源選擇較多，一般工程建設中都要求使用細粒土，而粗粒土由于粒徑和級配的原因，在適用條件上還需要進一步的研究。在實際操作過程中，由于灌砂法測量壓實度的不確定性因素較大，因此從前期的測量用具的標定，土的物理性質試驗及灌沙法現(xiàn)場操作都應該做到專人專做，避免操作人員素質的參差不齊產(chǎn)生的設備誤差。Evd在江蘇省宿揚高速公路的細粒土試驗取得了一定的成果，還需要對不同路基填料進行進一步試驗，來積累數(shù)據(jù)。

[1] 公路路基現(xiàn)場測試規(guī)程(JTG E60-2008)[S].

[2] 公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007)[S].

[3] 宋振欣. 手持式落錘彎沉儀(FWD)檢測土石混填路基壓實度在新疆庫阿高速公路施工中的應用[J]. 公路交通科技(應用技術版),2014,(10):139-143.

TU398

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1008-3383(2017)09-0017-03

2017-06-26