基于填石路基的K30與Evd檢測(cè)方法相關(guān)性分析及選用

王方林 何東坡

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

填石路基不同于土路基，路基填料由70%以上的石料組成，承載能力強(qiáng)，后續(xù)沉降量小，排水性能好，是一種優(yōu)良的路基建筑材料[1]，由于路基中存在大量孔隙，在壓實(shí)過程中孔隙逐漸變少，強(qiáng)度逐漸增大。研究碾壓后的路基填筑質(zhì)量，如何尋找合適且精確的檢測(cè)手段就十分必要。

1 工程概況

本試驗(yàn)路位于京漠公路(樟嶺至西林吉段)，國(guó)道北京至漠河公路樟嶺(塔漠界)至西林吉段工程起于塔河與漠河交界K375+850處，與國(guó)道京漠公路瓦拉干至樟嶺(塔漠界)段終點(diǎn)順接，止于漠河至北極村公路K4+500處，與漠北公路銜接。全長(zhǎng)81.202 km，主線和漠河支線采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，瀝青混凝土路面，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，路路寬12 m，路面寬度10.5 m，A1標(biāo)段樁號(hào)K375+850～K425+290共48 km。對(duì)試驗(yàn)路的填料進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)，37.5 mm篩上質(zhì)量占比70%以上，按照規(guī)范屬于填石路基。

2 填石路基檢測(cè)

2.1 動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)測(cè)試原理

動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)反映了路基在動(dòng)荷載作用下的承載力指標(biāo)，是一種路基填筑質(zhì)量檢測(cè)方法，該試驗(yàn)利用落錘自由下落時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)荷載，模擬車輛運(yùn)行時(shí)對(duì)路基面產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)，進(jìn)行動(dòng)力加載，檢測(cè)路基在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變參數(shù)，并以此計(jì)算反映動(dòng)態(tài)變形模量Evd值。動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)測(cè)試應(yīng)用動(dòng)荷載，補(bǔ)充地基系數(shù)K30平板荷載試驗(yàn)僅用靜力加載，而缺少反映道路通行時(shí)受到動(dòng)荷載的影響的缺點(diǎn)。

2.2 動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)測(cè)試方法

動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀由加載裝置、載荷板和沉陷測(cè)定儀三部分組成。儀器可以測(cè)得沉陷測(cè)試范圍： 0.1 mm～2.0 mm±0.05 mm，動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)測(cè)試范圍：10 MPa

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試操作方法：將荷載板置于事先平整好的平面上，將測(cè)試導(dǎo)桿和落錘組裝好，利用水準(zhǔn)泡來觀察導(dǎo)桿是否垂直于地面；將落錘提高到指定位置并由掛鉤固定住，扳動(dòng)掛鉤使落錘落下，落錘作用在荷載板后，回彈時(shí)應(yīng)迅速抓住落錘，并使之回歸掛鉤位置。注意不要使得落錘第二次沖擊在鋼板上，否則影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。進(jìn)行三次預(yù)沖擊，然后進(jìn)行三次正式測(cè)試并做記錄，記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置和填料的相關(guān)數(shù)據(jù)[2]。測(cè)試時(shí)應(yīng)穩(wěn)定荷載板的位置，使之盡量不要移動(dòng)。

檢測(cè)中應(yīng)遵循以下要點(diǎn)：

1)測(cè)試平面須用工具或者通過荷載板的轉(zhuǎn)動(dòng)、推移來整平。在上述方法無(wú)效時(shí)，可以用少量的填料進(jìn)行整平；

2)測(cè)試前檢測(cè)導(dǎo)桿的垂直情況，應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試平面垂線夾角小于5°；

3)測(cè)試前檢查儀器的落距與出場(chǎng)時(shí)是否一致；

4)每點(diǎn)測(cè)試前先做三次預(yù)沖擊，旨在消除部分路基表面存在松動(dòng)的影響，減少路基塑性變形帶來的影響，可使最終檢測(cè)結(jié)果更精確。

動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)測(cè)試存在以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，測(cè)試結(jié)果能較為準(zhǔn)確反映出路基的壓實(shí)情況，測(cè)試者經(jīng)過簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可掌握測(cè)試方法。其單點(diǎn)測(cè)試快，平均在5 min以內(nèi)，在小范圍內(nèi)測(cè)量迅速。適合在狹小的場(chǎng)地如橋頭等地點(diǎn)測(cè)試，在施工過程中可以同步監(jiān)測(cè)路基施工質(zhì)量而不影響施工進(jìn)度，是一種較為先進(jìn)的路基質(zhì)量檢測(cè)方法。雖然動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)測(cè)試存在眾多優(yōu)點(diǎn)且使用方便，但是要控制其測(cè)試過程中產(chǎn)生的誤差，需要測(cè)試人員嚴(yán)格按照說明書操作。如果路基表層有松土，會(huì)產(chǎn)生異常低的數(shù)值，預(yù)壓后會(huì)減少異常數(shù)值，必須將測(cè)點(diǎn)清理平整后，再進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。

2.3 地基系數(shù)(K30)檢測(cè)原理

地基系數(shù)(K30)檢測(cè)是在剛性板上逐級(jí)施加荷載，檢測(cè)在荷載作用下地基的強(qiáng)度。地基系數(shù)K30的檢測(cè)結(jié)果與填料本身性質(zhì)、加載的方式、荷載板的形狀、大小都相關(guān)，Evd測(cè)試與K30測(cè)試使用的荷載板同為半徑15 cm的圓形荷載鋼板，但各自加載方式不同，檢測(cè)原理也不相同。

2.4 地基系數(shù)(K30)測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要注意以下幾點(diǎn)：測(cè)試場(chǎng)地應(yīng)事先整平，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)處于斜坡時(shí)，由于測(cè)試?yán)蒙喜亢奢d的重力，所以需要將測(cè)試點(diǎn)所在位置整理水平。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況來合理選擇測(cè)點(diǎn)位置，避開附近震源。

1)注意保持路基原始狀態(tài)，避免測(cè)點(diǎn)選在有松動(dòng)大石塊的位置；將荷載板置于測(cè)試平面上，使荷載板與地面接觸良好不存在脫空現(xiàn)象，必要時(shí)可鋪少量中砂或細(xì)沙找平。

2)放置荷載板：使用水準(zhǔn)尺將荷載板調(diào)整至水平。荷載板最外緣與反力裝置支撐點(diǎn)間距大于1 m。

3)荷載板中心凹槽內(nèi)放置千斤頂承力裝置，使千斤頂保持豎直。

4)安裝測(cè)橋：測(cè)橋的支撐底座設(shè)置在荷載板外緣的1 m以外，千分表須在測(cè)橋兩端相互對(duì)稱，與荷載板中心保持相同距離。

5)加載試驗(yàn)：在試驗(yàn)開始前先加 0.01 MPa荷載，進(jìn)行預(yù)壓30 s，等待路基穩(wěn)定后解除荷載，將百分表讀數(shù)作為初始值；以0.04 MPa作為每一級(jí)加載量，靜置1 min所產(chǎn)生的沉降量不應(yīng)大于剛加載產(chǎn)生的1%，滿足條件后記錄千分表讀數(shù)，進(jìn)行下一級(jí)荷載增加工作。當(dāng)路基總下沉量超過1.25 mm時(shí)或者荷載超過地基所能承受的最大壓力達(dá)到地基的屈服點(diǎn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)立即停止[3]。由于加載不均和土體本身狀態(tài)影響，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重傾斜，出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜時(shí)應(yīng)將試驗(yàn)點(diǎn)下挖30 cm并重新進(jìn)行試驗(yàn)。本次測(cè)試過程中并未出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。

3 動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)與地基系數(shù)(K30)相關(guān)性分析及檢測(cè)方法選用

3.1 試驗(yàn)路檢測(cè)結(jié)果

選取試驗(yàn)路京漠公路K415+000～K415+250的填石路基路段作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，為了不影響其他施工環(huán)節(jié)，在路基的右側(cè)路段選取7個(gè)點(diǎn)位作為檢測(cè)目標(biāo)，在同一點(diǎn)上分別使用動(dòng)態(tài)變形模量以及地基系數(shù)按照上文所述進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)先使用動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，以免地基系數(shù)檢測(cè)過后的測(cè)試點(diǎn)過度碾壓，影響測(cè)試準(zhǔn)確性。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 K30與Evd檢測(cè)數(shù)據(jù)

按照規(guī)范《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中要求，路基表層(壓實(shí)度95%)，地基系數(shù)K30應(yīng)不小于150 MPa/m，根據(jù)TB 10020—2009(試行)高鐵路基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，基床表層級(jí)配碎石地基系數(shù)K30均大于190 MPa/m[4]。按照設(shè)計(jì)文件中的要求，路基干燥狀態(tài)下彎沉值不超過180(0.01 mm)，中濕狀態(tài)不超過200(0.01 mm)。通過彎沉值與彈性模量換算公式可得，干燥狀態(tài)路基頂面模量不小于40 MPa，規(guī)范中規(guī)定二級(jí)公路路基頂面變形模量不小于35 MPa，取其中相對(duì)高的40 MPa作為本次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，以上7個(gè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變形模量與地基系數(shù)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)文件要求，可以進(jìn)行下一步的相關(guān)性分析。

3.2 相關(guān)性分析及檢測(cè)方法選用

由于對(duì)以上兩種路基質(zhì)量檢測(cè)方法進(jìn)行相關(guān)性分析，根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則[5]，先剔除粗大誤差數(shù)據(jù)后進(jìn)行相關(guān)性擬合。進(jìn)行K30和Evd數(shù)據(jù)的回歸分析，由于二者都是對(duì)地基質(zhì)量檢測(cè)，且隨著碾壓程度的增加而增加，故采用線性模型分析，根據(jù)origin和excel的擬合顯示，擬合方程為y=0.302 7x-12.13(x為地基系數(shù)；y為動(dòng)態(tài)變形模量)，相關(guān)系數(shù)R2=0.901 6，如圖1所示。

相關(guān)系數(shù)數(shù)值接近1表明回歸方程整體的擬合度較好，二者呈強(qiáng)相關(guān)。從檢測(cè)原理上可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)雖然是施加動(dòng)載，但動(dòng)載在20 ms左右的時(shí)間內(nèi)與地基接觸完畢，在地基尚未產(chǎn)生塑性變形時(shí)已完成作用，可以認(rèn)為測(cè)量的是彈性模量，與靜態(tài)的地基系數(shù)存在檢測(cè)原理上的一致性[6]，分析二者相關(guān)性存在一定意義。兩種路基質(zhì)量方法作為無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，在不破壞路基完整性前提下，相比灌水法能節(jié)省路基檢測(cè)時(shí)間，為后續(xù)施工工序提供便利。建議對(duì)動(dòng)態(tài)回彈模量不足的區(qū)域進(jìn)行復(fù)測(cè)，以確定最終的補(bǔ)壓區(qū)域，減少機(jī)械臺(tái)班的浪費(fèi)。

4 結(jié)論

本文在京漠公路(樟嶺至西林吉)A1標(biāo)段的填石公路上，分別使用動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)和地基系數(shù)(K30)進(jìn)行路基填筑質(zhì)量的檢測(cè)，在試驗(yàn)路上布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，其測(cè)試結(jié)果均滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)要求。對(duì)兩種檢測(cè)方法的結(jié)果進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)測(cè)試與地基系數(shù)(K30)測(cè)試存在強(qiáng)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.901 6。證明兩種測(cè)試方法選擇其一即可，在這里優(yōu)先選用動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)進(jìn)行路基填筑質(zhì)量的檢測(cè)，其儀器簡(jiǎn)單易用，減少檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的工作量，降低檢測(cè)工作的復(fù)雜性，減少人力物力的使用，推薦作為質(zhì)量監(jiān)控手段，實(shí)時(shí)檢測(cè)填石路基頂面動(dòng)態(tài)變形模量，對(duì)檢測(cè)不合格路段及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)壓作業(yè)，可以有效提高施工效率，是一種優(yōu)秀的路基填筑質(zhì)量檢測(cè)方法。