土石混填路基壓實質(zhì)量檢測方法分析

吳龍躍 胡立 孫士亮

摘要：根據(jù)在控制路基壓實質(zhì)量中所起的作用，可將壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)分為兩類：物理性質(zhì)指標(biāo)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，分別對應(yīng)的檢測方法為密度檢測法和抗力檢測法。土石混合填料作為一種良好的填筑材料被越來越多的應(yīng)用于工程實踐中，若采用傳統(tǒng)的檢測方法檢測其壓實質(zhì)量，則存在諸多問題。通過對這些檢測方法的評價，分析其應(yīng)用在土石混填路基中的不足之處，提出采用連續(xù)壓實控制技術(shù)實現(xiàn)對土石混填路基壓實質(zhì)量的實時控制。

Abstract： According to the role played in controlling embankment compaction quality， compaction quality indicators can be divided into two categories： physical properties and mechanical properties of indicators， and the corresponding detection methods are density detection and resistance detection. As a kind of good filling material， soil-stone material is more and more used in engineering practice. If the traditional testing method is used to check the compaction quality of soil-stone embankment， there are many problems. Through the evaluation of these test methods， the shortcoming of its application in the soil-stone embankment is analyzed， and the real-time control of the compaction quality of the soil-stone embankment is proposed by using the continuous compaction control technology.

關(guān)鍵詞：土石混合填料;路基;檢測方法;控制指標(biāo);連續(xù)壓實控制技術(shù)

Key words： soil-stone material;embankment;detection method;control index;continuous compaction control technology

中圖分類號：U416.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0231-04

0 ?引言

我國西部地區(qū)多為山嶺丘陵，其地形，地貌和地質(zhì)水文條件復(fù)雜，修筑公路時為節(jié)約成本，往往就地取材，采用隧道、邊坡等開挖得到的土石混合料填筑路基。和一般的細(xì)粒土相比，土石混合料的粒徑變化大，含水狀態(tài)極不均勻，如果仍采用細(xì)粒土的壓實質(zhì)量檢測方法和評價標(biāo)準(zhǔn)，必然存在著檢測評價指標(biāo)的適用性、評價標(biāo)準(zhǔn)的合理性等問題[1]。隨著土石混合填料在我國路基工程中的大量使用，通過對傳統(tǒng)檢測方法的對比分析，提出一種針對土石混填路基的快速、穩(wěn)定、無損的壓實質(zhì)量評價方法。

1 ?土石混填路基壓實質(zhì)量的控制指標(biāo)

傳統(tǒng)檢測方法的壓實質(zhì)量控制指標(biāo)往往可以分為兩大類：物理性質(zhì)指標(biāo)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)[2]。其中物理指標(biāo)，例如壓實度K和孔隙率n等，表征的是路基土的密實狀況，間接的反應(yīng)了路基的強(qiáng)度和變形。而力學(xué)指標(biāo)，例如地基系數(shù)K30、動彈性模量Evd、變形模量Ev1、Ev2等，直接表征了路基的強(qiáng)度和變形性狀。

在實際工程中，根據(jù)不同的工程概況，將會選取不同的控制指標(biāo)，見表1。

2 ?不同控制指標(biāo)下的壓實質(zhì)量檢測方法

2.1 物理指標(biāo)下的壓實質(zhì)量檢測方法

物理指標(biāo)有壓實度K和孔隙率n等，反映的是填土壓實后的密實程度，而填土的密實程度和強(qiáng)度及變形密切相關(guān)。以物理指標(biāo)控制壓實質(zhì)量的方法稱為密度檢測法。

2.1.1 壓實度

壓實度K是現(xiàn)場土石混合填料碾壓后的干密度和室內(nèi)試驗測得的最大標(biāo)準(zhǔn)干密度的比值，它反應(yīng)的是土體的密實程度。

（1）

式中，ρd為填料的現(xiàn)場干密度，g/cm3;ρdmax為填料的標(biāo)準(zhǔn)干密度，g/cm3。

從式（1）可以看出，針對土石混填路基需要解決三個問題：現(xiàn)場干密度ρd的確定、標(biāo)準(zhǔn)干密度ρdmax的確定以及現(xiàn)場干密度ρd和標(biāo)準(zhǔn)干密度ρdmax的對等性[3]要求。

①現(xiàn)場干密度ρd的確定

傳統(tǒng)的方法有灌砂法和灌水法，使用灌砂（水）法采取樣品時，需要手工操作如挖坑、稱重等，其精度受人為因素影響，方怡洵[4]、李浩[5]結(jié)合工程實踐，分析了影響灌砂法試驗精度的因素。對于級配均勻的細(xì)粒土而言，這種影響尚能接受，但是對于土石混合填料而言，誤差較大。由于土石混合填料的粒徑大，可以通過擴(kuò)大試坑體積來提高精度，但導(dǎo)致工作量和檢測時間增加，難以滿足規(guī)范要求的測試頻率，還有可能影響施工進(jìn)度。

為了加快檢測速度，并不破壞土層結(jié)構(gòu)，工程中提出了核子密度儀法和瑞利波法，姚保才[6]將灌砂法和核子密度儀測得的干密度ρd進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的相關(guān)性，李青山等人[7]通過室內(nèi)試驗建立了剪切波速Vs和干密度ρd的關(guān)系模型，并和傳統(tǒng)檢測方法的結(jié)果進(jìn)行比較，一致性較好。核子密度儀法和瑞利波法雖然快速高效，但是其工作參數(shù)受土石混合填料的顆粒級配和粗顆粒含量影響較大，對于料源變化較大的路段需要多次標(biāo)定。

②標(biāo)準(zhǔn)干密度ρdmax的確定

目前常見的確定標(biāo)準(zhǔn)干密度的方法有表面振動儀法、振動臺法以及擊實法。對于土石混合填料而言，確定其標(biāo)準(zhǔn)干密度ρdmax時有幾個問題需要解決。

1）粒徑大：按照目前各國的規(guī)范，無論是表面振動和振動臺法還是室內(nèi)擊實試驗，被測土料都存在最大粒徑的范圍限制，例如，我國《土木工程試驗規(guī)范》規(guī)定土料的最大粒徑dmax？燮60mm。而實際工程中土石混合填料的最大粒徑明顯超過了上述粒徑范圍。目前處理超粒徑料的方法主要有三種：剔除法（超粒徑料含量不大于10%），等重量替代法[8]（超粒徑料含量不大于50%），相似級配法[9]（超粒徑料含量大于50%的卵漂石、堆石）。

2）含石量變化大：在土石混填路基中，每一點的含石量相差很大，測得的土石混合填料密度值呈離散性分布[10]，若以某一含石量下的標(biāo)準(zhǔn)干密度來控制壓實度，則很有可能出現(xiàn)壓實度大于1的情況?？紤]到土石混合填料的含石量變化大，閆秀萍[11]利用室內(nèi)擊實試驗得到標(biāo)準(zhǔn)干密度和含石量（d？叟5mm）的關(guān)系曲線來確定不同含石量下的標(biāo)準(zhǔn)干密度。

3）非均質(zhì)性：計算標(biāo)準(zhǔn)干密度時假設(shè)填料均質(zhì)，即填料材質(zhì)是同一種。而土石混合填料是非均質(zhì)材料，即使含石量相同，標(biāo)準(zhǔn)干密度也會發(fā)生變化，周立新[12]提出了填料不同壓實度對應(yīng)的固體體積率控制指標(biāo)建議值。

③現(xiàn)場干密度ρd和標(biāo)準(zhǔn)干密度ρdmax的對等性

室內(nèi)外試驗所用土石混合填料的顆粒組成、級配要有對等性且室內(nèi)擊實功數(shù)據(jù)和相應(yīng)的壓實機(jī)具應(yīng)相匹配，這樣式（1）的計算結(jié)果才有意義。但考慮到取樣的代表性、材料的變異性等因素，直接的對等性很難得到滿足。

2.1.2 孔隙率

《時速200km新建鐵路線橋隧站設(shè)計暫行規(guī)定》首次在我國鐵路路基施工監(jiān)測中采用孔隙率指標(biāo)，孔隙率n的大小同樣反映了土體的密實程度。

（2）

式中，ρd為填料的現(xiàn)場干密度，g/cm3;G為填料的顆粒密度，g/cm3。

由式（2）可知，我們需要確定現(xiàn)場干密度ρd和顆粒密度G。其中，現(xiàn)場干密度ρd通常利用灌砂（水）法或核子密度儀法等確定，顆粒密度G根據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程求得。求顆粒密度G時，需要將土石分離分別測定，不僅工作量大而且兩者之間沒有明確的粒徑明確分界，很難分離。所以，黃俊[13]從孔隙率的定義出發(fā)（土的孔隙體積Vv與土總體積V的比值），用灌砂法測得填料的總體積V，然后將填料烘干后用排水法測得填料的孔隙體積Vv，避免了土石分離。另外，李少波[14]通過試驗建立了土石混合填料剪切波速Vs和孔隙率n的相關(guān)分析模型，提出應(yīng)用剪切波速Vs評價土石混填路基壓實質(zhì)量的新方法。和壓實度K相比，以孔隙率n為控制指標(biāo)具有很多優(yōu)點：

①對于土石混合填料而言，標(biāo)準(zhǔn)干密度ρdmax的確定困難，而以孔隙率n為控制指標(biāo)時，則不需要確定標(biāo)準(zhǔn)干密度ρdmax。

②由于土石混合填料的非均質(zhì)性，使得確定的壓實干密度上下波動較大。但類似相關(guān)經(jīng)驗表明，對于非均質(zhì)填料其孔隙率相對穩(wěn)定有規(guī)律[15]，能夠較好的反映路基壓實質(zhì)量的整體性狀。

不足之處是：

①顆粒密度G是使用視密度Gs還是毛體積密度Gm沒有明確的規(guī)定，以至于不同檢測者所計算結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。唐沛[16]將這兩種孔隙率的測試結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)將毛體積密度Gm看作填料的顆粒密度G更為合理。王龍煒[17]提出在填料內(nèi)部孔隙填充量不足情況下，取視密度Gs和毛體積密度Gm兩者的平均值作為填料的顆粒密度G。

②土石混合填料級配變化較大，采用統(tǒng)一的孔隙率常定指標(biāo)可能出現(xiàn)超過檢測精度容許的誤差。

2.2 力學(xué)指標(biāo)下的壓實質(zhì)量檢測方法

用單一的物理指標(biāo)很難反應(yīng)土石混填路基的穩(wěn)定和變形特征，所以在檢測密實度的基礎(chǔ)上，直接將強(qiáng)度和變形指標(biāo)（如地基系數(shù)K30、變形模量Ev1、Ev2、動彈性模量Evd以及塑性變形增量等）作為反映路基強(qiáng)度的控制指標(biāo)，即抗力檢測法。

2.2.1 地基系數(shù)K30及變形模量Ev1、Ev2

地基系數(shù)K30及變形模量Ev1、Ev2都是通過靜態(tài)平板載荷試驗得到，但是兩者在計算方法、分級加載增量以及加載的時間間隔上都有所不同。和傳統(tǒng)的物理控制指標(biāo)相比，利用平板載荷試驗求得地基系數(shù)K30及變形模量Ev1、Ev2作為路基壓實質(zhì)量的控制指標(biāo)有很多優(yōu)點：

①K30及變形模量Ev1、Ev2物理意義明確、原理簡單，都是直接表征路基強(qiáng)度和變形的指標(biāo)。

②在某些情況下，即使路基填土的壓實度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但其強(qiáng)度指標(biāo)仍然很低，不能滿足路基要求。此時，引入地基系數(shù)K30及變形模量Ev1、Ev2指標(biāo)，則可以較好的控制路基的壓實質(zhì)量。

③和傳統(tǒng)的灌砂（水）法相比，試驗時不破壞土層結(jié)構(gòu)。

不足之處：

①進(jìn)行平板載荷試驗時需要大型配重設(shè)配及相關(guān)人員配合，費時較長，特別是既有鐵路路基檢測，幾乎無法應(yīng)用。另外，平板載荷試驗對試驗條件、試驗人員技術(shù)及試驗場地（例如試驗場地的平整度、儀器儀表的穩(wěn)定性、氣候條件、荷載穩(wěn)定性及沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)等）的要求較高，如果不滿足相應(yīng)的條件，將得不到正確的結(jié)果[18]。

②平板載荷試驗要求被測填料的最大粒徑不大于載荷板直徑的1/4，且級配較均勻。土石混合填料的粒徑大、級配變化大，導(dǎo)致平板載荷試驗的結(jié)果離散性很大，難以反映路基的整體壓實質(zhì)量。

③由土力學(xué)原理知，平板載荷試驗的結(jié)果代表兩倍載荷板直徑深度范圍內(nèi)土體的特性，當(dāng)該深度范圍內(nèi)原地基較軟時，測試結(jié)果大部分反映了原地基的情況而非填料特性[19]。

變形模量Ev2和地基系數(shù)K30在試驗時有不少相同之處，可以通過大量的室內(nèi)外試驗和理論分析，找出兩者相關(guān)性[20]-[21]。實際工程中二者選一，可以減少很多檢測時間和工作量，加快施工進(jìn)度。

2.2.2 動彈性模量Evd

德國1997年提出將動彈性模量Evd作為路基壓實質(zhì)量的控制指標(biāo)，我國也于2004年將動彈性模量Evd的檢測方法納入《鐵路土工試驗規(guī)程》（TB10102-2004）中，動彈性模量Evd值可由便攜式落錘彎沉儀（PFWD）測得，故也稱PFWD法。和變形模量Ev2及地基系數(shù)K30相比，以動彈性模量Evd為控制指標(biāo)不僅繼承了其優(yōu)點（不破壞土層結(jié)構(gòu)、物理意義明確等），還克服了其部分缺點：

①無論是變形模量Ev2還是地基系數(shù)K30都是靜態(tài)平板載荷試驗獲得的，不能反映列車動荷載作用下路基的真實情況，而以動彈性模量Evd為控制指標(biāo)則能更加真實的評價路基在動荷載作用下的動力性質(zhì)。

②便攜式落錘彎沉儀（PFWD）體積小、重量輕且操作簡單，克服了平板載荷法不適用于狹窄施工場地的缺點。每個測點僅需2～3min，在施工中可以增加測點數(shù)量，使試驗數(shù)據(jù)更全面、更具代表性。

但也有不足之處：

①PFWD法也要求填料的粒徑不能過大、級配均勻。相關(guān)試驗表明動彈性模量Evd和地基系數(shù)K30之間具有一定的相關(guān)性，填料級配越均勻則相關(guān)性越強(qiáng)，所以對土石混合填料而言，使用PFWD法誤差較大。

②以動彈性模量Evd作為路基壓實質(zhì)量的控制指標(biāo)是建立在與地基系數(shù)K30進(jìn)行大量對比試驗的基礎(chǔ)之上的[22]，而地基系數(shù)K30試驗本身就存在很多的不確定性，導(dǎo)致兩者之間的相關(guān)性不太理想。另外儀器本身也有很多需要改進(jìn)和優(yōu)化的地方。

2.2.3 塑性變形增量

塑性變形法也稱表面沉降差法，塑性變形法的檢測指標(biāo)有兩類：密實控制性指標(biāo)和抗力檢測性指標(biāo)[23]。其中，密實控制指標(biāo)是指累計塑性變形率（加固前后填料的累計塑性變形增量除以填筑層加固厚度），它表明的是填筑層加固前后物理狀態(tài)的改善幅度和加固效果;抗力檢測指標(biāo)是指塑性變形增量（相鄰兩遍碾壓的高程差）也稱沉降差，它表明的是填筑層的力學(xué)性能。

在施工過程中經(jīng)常把沉降差和施工工藝參數(shù)結(jié)合起來作為路基壓實質(zhì)量的控制指標(biāo)，即試驗工程法。盧春[24]在試驗段上利用不同的施工參數(shù)進(jìn)行施工控制，通過試驗得到沉降差和壓實度的對應(yīng)關(guān)系，以獲得達(dá)到壓實度要求時所對應(yīng)的沉降差標(biāo)準(zhǔn)，作為正式施工時壓實質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)。沉降差的變化和壓實遍數(shù)關(guān)系密切，與施工工藝管理結(jié)合起來，已經(jīng)成為土石混填路基壓實質(zhì)量控制的主要方法之一。

利用塑性變形法控制路基壓實質(zhì)量時具有簡便、快捷、準(zhǔn)確以及便于推廣等特點，但也存在一些不足之處：

①利用高精密水準(zhǔn)儀檢測儀測量碾壓前后的沉降差時，受人為因素影響較大，且重現(xiàn)性差。

②土石混合填料性質(zhì)變化大，即使同一種土石混合料在相同的松鋪厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓機(jī)具下，最終的壓實效果也不相同，導(dǎo)致沉降差標(biāo)準(zhǔn)難以確定。

3 ?土石混填路基壓實質(zhì)量控制方法綜合分析

壓實度檢測技術(shù)歷經(jīng)多年使用，已經(jīng)形成了一套較為完善的方法及配套的室內(nèi)外試驗檢測儀器和標(biāo)準(zhǔn)。由于土石混合料粒徑大、非均質(zhì)，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)干密度ρdmax難以確定，所以在密度檢測法的基礎(chǔ)上提出了抗力檢測法。抗力檢測法和密度檢測法相比，能夠直接反映路基的強(qiáng)度和變形，但也有很多局限性。

無論是密度檢測法還是抗力檢測法都是在壓實后，取有限個測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，很難反應(yīng)整個壓實面的壓實質(zhì)量。而且，傳統(tǒng)檢測方法都屬于事后檢測，當(dāng)出現(xiàn)漏檢時，會引起返工影響施工進(jìn)度。針對傳統(tǒng)方法的不足，瑞典在1976年最先提出了連續(xù)壓實控制技術(shù)，它通過裝載在振動壓路機(jī)振動輪上的傳感器來連續(xù)測試振動輪的動態(tài)響應(yīng)信號，經(jīng)過處理得到諧波比（CMV），以此指標(biāo)來反映土體的壓實狀況。進(jìn)入80年代后，德國和瑞士也對此項技術(shù)從原理、設(shè)備、軟件等幾方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。目前連續(xù)壓實控制又稱作“智能壓實（IC）”，被歐美譽(yù)為筑路技術(shù)的“第三次革命”。

基本原理：將振動壓實機(jī)具作為加載設(shè)備，根據(jù)振動輪和碾壓層之間的相互作用，在振動輪的軸承上安裝加速度感應(yīng)器，檢測振動輪加速度，通過對振動信號的分析處理，判斷土體的壓實狀況。

合理性：連續(xù)壓實指標(biāo)的精度和連續(xù)壓實結(jié)果密切相關(guān)，保證連續(xù)壓實指標(biāo)的精度是該技術(shù)的關(guān)鍵。我國大量學(xué)者對連續(xù)壓實進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)連續(xù)壓實指標(biāo)和傳統(tǒng)壓實指標(biāo)之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性[25]-[27]。

連續(xù)壓實技術(shù)的評定指標(biāo)對于粗粒料碾壓控制具有局限性，并且其設(shè)備價格高昂、要求路基結(jié)構(gòu)是一個理想彈性半無限體。所以，對于土石混合填料而言，連續(xù)壓實控制技術(shù)在今后的改進(jìn)中可以從以下幾個方面進(jìn)行研究：

3.1 碾壓過程動態(tài)控制指標(biāo)體系

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論及道路工程理論，分析散體填料在荷載作用下形成路基結(jié)構(gòu)過程中狀態(tài)變化的關(guān)鍵要素以及變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上確立動態(tài)控制指標(biāo);根據(jù)路基與碾壓機(jī)具相互作用的力學(xué)原理建立動力學(xué)模型，分析路基結(jié)構(gòu)形成過程中關(guān)鍵狀態(tài)變量（動態(tài)控制指標(biāo)）與可測量之間的內(nèi)在聯(lián)系，形成動態(tài)控制指標(biāo)體系。

3.2 碾壓過程反饋控制原理

按照現(xiàn)代控制理論，建立路基碾壓質(zhì)量反饋控制的一般技術(shù)原理，針對不同情況確定不同的控制量以及相關(guān)信息的動態(tài)量測技術(shù);根據(jù)統(tǒng)計理論分析常規(guī)檢驗控制方法的特點和適用性，建立動態(tài)控制方法在驗收檢驗中的應(yīng)用原理。

3.3 碾壓厚度的實時動態(tài)識別技術(shù)

主要采用北斗定位技術(shù)，研究如何根據(jù)碾壓機(jī)具在碾壓過程中三維坐標(biāo)的變化來確定碾壓厚度，通過三維成像技術(shù)進(jìn)行顯示，在此基礎(chǔ)上研究如何將此項技術(shù)集成為監(jiān)控系統(tǒng)問題的具體方法。

3.4 粒料路基碾壓質(zhì)量動態(tài)控制方法

根據(jù)填料在碾壓過程中發(fā)生塑性變形的特點，采用理論分析的方法，揭示常規(guī)控制指標(biāo)如壓實度等的實質(zhì)以與動態(tài)控制指標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)系;通過試驗的方法研究動態(tài)控制指標(biāo)與常規(guī)控制指標(biāo)如壓實度和彎沉等之間的統(tǒng)計意義下的關(guān)系，選擇不同類型的試驗路段，進(jìn)行現(xiàn)場的碾壓質(zhì)量動態(tài)控制試驗，確立粒料路基碾壓質(zhì)量動態(tài)控制方法。

3.5 大粒徑填料碾壓控制的定量方法

在分析大粒徑路基碾壓質(zhì)量控制存在的問題基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)有的經(jīng)驗控制法如輪跡控制法、碾壓遍數(shù)控制法等進(jìn)行剖析，分析這些經(jīng)驗控制法的實質(zhì)，根據(jù)路基工程特點，從路基結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面出發(fā)，建立大粒徑填料在振動荷載作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特征以及判定原則，通過現(xiàn)場試驗，確定碾壓過程中的塑性變形狀態(tài)與動態(tài)控制指標(biāo)之間的聯(lián)系并進(jìn)行動態(tài)質(zhì)量控制，確立大粒徑填料碾壓控制的定量方法。

雖然土石混合填料的復(fù)雜性、設(shè)備精度等因素增加了連續(xù)壓實控制技術(shù)的檢測難度，但其具有快速、穩(wěn)定、無損且能夠?qū)崟r連續(xù)檢測的優(yōu)點，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展會使其成為路基壓實質(zhì)量檢測中一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。

4 ?結(jié)論與展望

傳統(tǒng)的檢測方法有密度檢測法和抗力檢測法，但是對于土石混填路基而言，這些檢測方法存在著許多局限性且都屬于事后點檢測，很難反應(yīng)壓實層的整體性狀，所以提出了連續(xù)壓實控制技術(shù)。

連續(xù)壓實控制技術(shù)能夠快速、無損并且實時連續(xù)的檢測路基壓實質(zhì)量。但由于受到多種因素的限制，到目前為止，國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的連續(xù)壓實質(zhì)量檢測方法和完善的壓實質(zhì)量評價體系，但可以預(yù)見，連續(xù)壓實控制技術(shù)具有非常廣闊的前景。

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