黃土路基補(bǔ)強(qiáng)分層壓實(shí)度檢測(cè)方法

周志軍, 2，張志鵬，郭濤，徐天宇

黃土路基補(bǔ)強(qiáng)分層壓實(shí)度檢測(cè)方法

周志軍1, 2，張志鵬1，郭濤3，徐天宇1

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2. 西安長(zhǎng)大公路工程檢測(cè)中心，陜西 西安 710064；3. 中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350013)

為了快速有效地檢測(cè)路基分層壓實(shí)度，以黃土路基為例，提出通過(guò)液壓夯實(shí)機(jī)的夯擊補(bǔ)強(qiáng)作用來(lái)檢測(cè)路基分層壓實(shí)度的思路。基于分層壓實(shí)理論，建立液壓夯實(shí)的基本模型并推導(dǎo)了夯前和夯后分層壓實(shí)度的關(guān)系，設(shè)計(jì)并開(kāi)展液壓夯實(shí)足尺模型試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：深度超過(guò)約1.5 m時(shí)，壓實(shí)效果可以忽略；路基分層界面沉降量和表層夯沉量具有階段性變化特征，分別以0.8～1.2 m和6～9擊為界限。引入有效壓實(shí)深度的概念并建立其回歸公式；采用回歸方法得到了表層夯沉量、有效壓實(shí)深度和分層界面沉降量之間的玻爾茲曼函數(shù)關(guān)系；采用線性回歸方法得到了夯后分層壓實(shí)度與分層界面沉降量及表層夯沉量之間的關(guān)系；推導(dǎo)出夯前路基分層壓實(shí)度計(jì)算公式，形成了黃土路基補(bǔ)強(qiáng)分層壓實(shí)度檢測(cè)方法。將液壓夯實(shí)法運(yùn)用于實(shí)體工程，其計(jì)算結(jié)果和灌砂法檢測(cè)結(jié)果的誤差在2%以內(nèi)。

道路工程；黃土路基；液壓夯實(shí)法；模型試驗(yàn)；有效壓實(shí)深度

黃土廣泛分布于世界各地，約占全球陸地面積的10%[1]。黃土具有疏松、濕陷的特性，因此需要嚴(yán)格控制黃土地區(qū)路基質(zhì)量[2]。而路基壓實(shí)度是評(píng)價(jià)路基質(zhì)量的重要參數(shù)，直接關(guān)系到路基的工作性能和使用壽命[3]。因此，對(duì)路基壓實(shí)度的控制和檢測(cè)具有重要意義。目前我國(guó)常用的壓實(shí)度檢測(cè)方法包括環(huán)刀法、灌砂法、灌水法等，均是采用簡(jiǎn)單的等效原理，將土體的特征參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行換算，進(jìn)而獲得簡(jiǎn)單直觀的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而計(jì)算壓實(shí)度的基本數(shù)據(jù)以得到壓實(shí)度值[4]。這些方法簡(jiǎn)單高效，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的發(fā)展與實(shí)踐。但是隨著公路施工技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)壓實(shí)度的控制愈發(fā)嚴(yán)格，現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)壓實(shí)度的方法存在許多的問(wèn)題與不足，如可靠性差、檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高等問(wèn)題，且檢測(cè)局限于路基表層，無(wú)法檢測(cè)分層壓實(shí)度，已不能滿足快速發(fā)展的交通土建工程的需求。因此，需要研究新的路基壓實(shí)度檢測(cè)技術(shù)。液壓夯實(shí)機(jī)自1990年由英國(guó)BSP公司成功研發(fā)[5]，經(jīng)過(guò)近30 年的發(fā)展，在舊路基改擴(kuò)建夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)、建筑垃圾路基填筑補(bǔ)強(qiáng)、三背路基夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)及路面表層微裂破碎等方面得到了廣泛應(yīng)用，形成了較完整的液壓夯實(shí)法加固補(bǔ)強(qiáng)路基的體系[6?12]。司癸卯等[13]對(duì)液壓夯實(shí)機(jī)的壓實(shí)效果和影響范圍進(jìn)行了研究；劉本學(xué)等[14]基于動(dòng)力碰撞理論對(duì)液壓夯實(shí)機(jī)的作用機(jī)理進(jìn)行了分析研究；馮雄輝等[15]基于ADINA有限元分析軟件建立了不同深度下液壓夯實(shí)機(jī)處理高速公路臺(tái)背的模型，認(rèn)為夯實(shí)作用區(qū)域的應(yīng)力呈“八”字型向下傳播。相關(guān)研究成果對(duì)于工程的建設(shè)具有重要參考意義，但研究方向多局限于路基補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)液壓夯實(shí)機(jī)的夯實(shí)效果研究不夠深入全面，缺乏指導(dǎo)實(shí)際工程的理論方法。本文通過(guò)室內(nèi)足尺模型試驗(yàn)，分析液壓夯實(shí)作用下黃土路基各物理力學(xué)參數(shù)的變化，建立土體特征參數(shù)的聯(lián)系，確定各計(jì)算參數(shù)值，形成了通過(guò)液壓夯實(shí)法檢測(cè)黃土路基壓實(shí)度的體系，為黃土地區(qū)的路基壓實(shí)度檢測(cè)提供了參考和指導(dǎo)。

1 分層壓實(shí)理論

假定夯擊過(guò)程中，一定深度范圍Δ內(nèi)的土體被壓實(shí)，含水率保持不變且接近最佳含水率，建立如圖1所示基本模型。經(jīng)壓實(shí)后土體壓縮量為Δ。由于土體發(fā)生側(cè)向擠出，實(shí)際壓縮量小于Δ，因此引入修正系數(shù)，將土體實(shí)際壓縮量表示為Δ。的值介于0～1之間，并隨著深度變化而變化。

根據(jù)路基壓實(shí)度定義和土的干密度定義[16]，有：

式中：為路基壓實(shí)度；d為土的干密度；s是土粒質(zhì)量；dmax為土的最大干密度；為土體體積。

(3)

將路基按每土層厚度為進(jìn)行分層，將每層土體從上向下依次編號(hào)為0，1，2，3，…，，如圖2(a)所示。則每分層土體上層界面深度=，下層界面深度=(+1)，=0，1，2，3，…。夯擊之后，如圖2(b)所示，上層界面深度變?yōu)?i>i+s，下層界面深度變?yōu)?+1)+(i+1)d，s為分層界面處的沉降量。夯前土層厚度Δ=，夯后土層厚度Δ1為下層界面深度與上層界面深度之差，即：

則土層壓縮量為

聯(lián)立式(3)，取Δ=即可得到：

為了探究夯擊前后黃土物理指標(biāo)的變化情況并獲取相關(guān)參數(shù)，本文進(jìn)行了足尺模型試驗(yàn)，探究液壓夯實(shí)機(jī)夯擊作用下各個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的變化規(guī)律與相互關(guān)系，從而完善路基補(bǔ)強(qiáng)分層壓實(shí)度檢測(cè)方法。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 土樣基本物性

試驗(yàn)用黃土土粒細(xì)小，含少量粉土和黏土，大部分粒徑在0.074～0.25 mm之間。土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)疏松，含水率低，含有少量鈣質(zhì)結(jié)晶，具有典型的陜西黃土特征。在試驗(yàn)土槽取得原狀土后，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)確定土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1和表2 所示。

表1 試驗(yàn)黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 黃土壓縮試驗(yàn)

2.2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)所采用的夯擊補(bǔ)強(qiáng)設(shè)備為西安長(zhǎng)大公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司研發(fā)的HHT-66液壓夯實(shí)機(jī)，設(shè)備尺寸為1 359 mm×1 350 mm×3 725 mm，夯錘尺寸為700 mm×700 mm，最大夯擊頻率為30次/min，最大夯擊能量為66 kJ。

如圖3所示，試驗(yàn)是在8 m×8 m×1.8 m的模型路基上進(jìn)行的[17]。路基共分為6層，每層厚0.3 m。路基表面共設(shè)12個(gè)夯點(diǎn)，每個(gè)夯點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的落錘高度和夯擊次數(shù)。夯錘的落錘高度分別為2.2 m(工況1)、1.6 m(工況2)和0.7 m(工況3)，對(duì)應(yīng)的夯擊能分別為66，48和21 kJ。夯擊次數(shù)分別為3擊、6擊、9擊和12擊。夯點(diǎn)尺寸為0.7 m×0.7 m，與夯錘尺寸相同。相鄰夯點(diǎn)間距為1 m，既方便液壓夯實(shí)機(jī)連續(xù)工作，同時(shí)保證夯點(diǎn)之間不發(fā)生相互作用[18]。

路基填筑過(guò)程中，于各分層界面處鋪撒大白粉對(duì)標(biāo)記分層界面進(jìn)行標(biāo)記；在夯點(diǎn)及其正下方的各分層界面處埋設(shè)沉降釘，通過(guò)水準(zhǔn)儀測(cè)量記錄其初始標(biāo)高；每層各選3處位置用灌砂法測(cè)量填土壓實(shí)度，取均值作為分層壓實(shí)度。夯擊結(jié)束后，從路基頂面開(kāi)始對(duì)夯點(diǎn)逐層開(kāi)挖，用灌砂法進(jìn)行夯后分層壓實(shí)度檢測(cè)，并用水準(zhǔn)儀測(cè)量沉降釘高程變化以確定夯后各分層界面沉降量。

圖3 試驗(yàn)分層路基模型

3 數(shù)據(jù)處理與回歸分析

3.1 壓實(shí)度與沉降量變化規(guī)律

表3列出了各夯點(diǎn)處的分層壓實(shí)度。結(jié)果表明，夯錘落距對(duì)分層壓實(shí)度有顯著影響。隨著深度的增加，壓實(shí)度的增加值明顯減小，當(dāng)深度達(dá)到一定范圍(1.5～1.8 m)時(shí)，壓實(shí)效果可以忽略不計(jì)。當(dāng)夯擊次數(shù)為3時(shí)，各層路基的壓實(shí)度均顯著提高，且隨著夯擊次數(shù)的增加，分層壓實(shí)度增長(zhǎng)速率減小。結(jié)果表明，夯擊次數(shù)對(duì)路基壓實(shí)度的改善作用有限，這可能是由于路基初始?jí)簩?shí)度較大和土體發(fā)生回彈所致[19]。

表3 不同夯擊次數(shù)下分層壓實(shí)度

圖4描繪了各夯點(diǎn)處分層界面沉降量和表層夯沉量的變化曲線。結(jié)果表明，分層界面沉降曲線在不同夯錘落距和不同夯擊次數(shù)下表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，按深度可分為快速變化區(qū)(0～0.9 m)和穩(wěn)定區(qū)(0.9～1.8 m)?？焖僮兓瘏^(qū)分層界面沉降量較大，隨著深度的增加，沉降迅速減小，且受夯擊次數(shù)的影響較大。在穩(wěn)定區(qū)，分層界面沉降量較小，隨深度增加而緩慢減小，且受夯擊次數(shù)的影響不明顯。隨著夯擊次數(shù)的增加，表面夯沉量增幅下降。當(dāng)夯擊次數(shù)達(dá)到一定值時(shí)(工況1和工況2約為6次，工況3約為9次)，表面夯沉量基本穩(wěn)定。

(a′)，(a″) 工況1；(b′)，(b″)工況2；(c′)，(c″)工況3

3.2 有效壓實(shí)深度

由于夯擊能量的吸收和消散，隨著深度的增加，土體的沉降和壓實(shí)度增幅均逐漸減小，當(dāng)深度超過(guò)某數(shù)值后，夯擊的壓實(shí)效果已經(jīng)不明顯。因此，可以認(rèn)為只有該深度范圍內(nèi)的土體被有效壓實(shí)，記為有效壓實(shí)深度。取壓實(shí)度值提高≥3%的范圍內(nèi)為有效壓實(shí)深度，如圖5所示。在本試驗(yàn)中，以測(cè)得的各層平均壓實(shí)度為各層中點(diǎn)深度處壓實(shí)度；由于壓實(shí)度變化較小，可假設(shè)壓實(shí)度的變化為線性變化[20]，以此確定有效壓實(shí)深度。

圖5 工況1有效壓實(shí)深度

根據(jù)試驗(yàn)所確定的不同工況下的有效壓實(shí)深度，回歸得到有效壓實(shí)深度與表層夯沉量0之間的關(guān)系：

其中：0為初始有效壓實(shí)深度，與錘重和落距有關(guān)；為修正系數(shù)。回歸計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 有效壓實(shí)深度回歸結(jié)果

3.3 分層界面沉降量與深度的關(guān)系

模型試驗(yàn)得到的不同工況及不同夯擊次數(shù)下分層界面沉降量隨深度變化的曲線，均具有S型函數(shù)的趨勢(shì)。經(jīng)回歸分析，S型函數(shù)中玻爾茲曼函 數(shù)[21]與分層界面沉降量曲線具有極高的相似度，如式(8)所示：

將分層界面沉降曲線按玻爾茲曼函數(shù)擬合，如圖6為工況1夯擊6次情況下的分層界面沉降量與玻爾茲曼函數(shù)的擬合情況。

圖6 分層界面沉降量擬合曲線(工況1，6擊)

分析發(fā)現(xiàn)，系數(shù)1與表層夯沉量0相似，0接近有效壓實(shí)深度。推測(cè)路基在深度處的沉降量s與有效壓實(shí)深度及表層夯沉量0相關(guān)，從而在玻爾茲曼函數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，引入曲線擬合系數(shù)，和，定義出s與的關(guān)系：

表5為不同工況和不同夯擊數(shù)下玻爾茲曼函數(shù)各擬合參數(shù)的取值。通過(guò)分別對(duì)，和進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)表層夯沉量0與修正系數(shù)線性相關(guān)，有效壓實(shí)深度與修正系數(shù)和線性相關(guān)，如圖7所示。其擬合得到的計(jì)算式如下所示：

因此，可以利用表層夯沉量與有效壓實(shí)深度計(jì)算修正系數(shù)，和。

表5 有效壓實(shí)深度回歸結(jié)果

3.4 分層壓實(shí)度與分層界面沉降量的關(guān)系

將夯后各分層壓實(shí)度值按深度變化繪制曲線，與分層界面沉降量曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較為相似的變化趨勢(shì)，如圖8所示。

進(jìn)一步地，對(duì)各分層壓實(shí)度值與分層界面沉降量與表層夯沉量之比進(jìn)行回歸分析，其關(guān)系符合關(guān)系一元線性模型。因此可按下式獲取各分層壓實(shí)度值：

其中：和為擬合系數(shù)，根據(jù)工況確定取值。

3種不同工況下的擬合情況如圖9所示。

3.5 分層土體壓縮量修正系數(shù)

根據(jù)式(6)可得：

圖8 分層壓實(shí)度曲線和分層界面沉降曲線(工況1，6擊)

(a) 工況1；(b)工況2；(c) 工況3

通過(guò)對(duì)夯前、夯后壓實(shí)度及夯前深度與夯后深度數(shù)據(jù)的回歸分析，確定各分層的壓縮量修正系數(shù)如表6所示。

3.6 計(jì)算夯前分層壓實(shí)度

通過(guò)計(jì)算得到夯后各分層壓實(shí)度、各分層界面處沉降量后，結(jié)合各分層壓縮量修正系數(shù)，就可以得到夯前路基各分層壓實(shí)度，如下式所示：

表6 分層修正系數(shù)回歸結(jié)果

至此，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算分層壓實(shí)度的目標(biāo)。液壓夯實(shí)法檢測(cè)黃土路基壓實(shí)度的流程可由圖10概括 表示。

4 應(yīng)用實(shí)例

運(yùn)用液壓夯實(shí)法，對(duì)某路基工程進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)。使用壓路機(jī)對(duì)填筑路基進(jìn)行初次壓實(shí)，然后選取A、B、C三點(diǎn)，按工況1進(jìn)行夯擊，通過(guò)液壓夯實(shí)機(jī)監(jiān)控設(shè)備觀察并記錄每一擊的夯沉量。為保證土體得到充分壓實(shí)，當(dāng)單擊夯沉量增量小于10 mm時(shí)，停止檢測(cè)，記錄數(shù)據(jù)如表7所示。

圖10 液壓夯實(shí)法檢測(cè)黃土路基壓實(shí)度流程圖

表7 表層夯沉量記錄

根據(jù)液壓夯實(shí)法計(jì)算，計(jì)算過(guò)程和結(jié)果如表8～11所示。

表8 系數(shù)計(jì)算表

表9 分層界面沉降量計(jì)算表

表10 夯后分層壓實(shí)度計(jì)算表

將計(jì)算所得結(jié)果與灌砂法所得結(jié)果對(duì)比，如表12所示，其誤差均小于2%，說(shuō)明本文的計(jì)算方法是合理可靠的，可以運(yùn)用此方法檢測(cè)黃土地區(qū)路基壓實(shí)度，也為黃土地區(qū)壓實(shí)度檢測(cè)工程提供了經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。

表11 夯前分層壓實(shí)度計(jì)算表

表12 計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

1) 根據(jù)分層壓實(shí)理論，推導(dǎo)了液壓夯實(shí)法檢測(cè)路基分層壓實(shí)度的公式，建立了通過(guò)分層界面沉降量確定分層壓實(shí)度的模型。

2) 隨著深度增加和夯擊次數(shù)提高，路基分層界面沉降具有階段性變化特征，分別以0.8～1.2 m和6～9擊為界限。壓實(shí)度提高值隨深度增加迅速衰減，引入有效壓實(shí)深度的定義，其取值和落錘高度、表層夯沉量相關(guān)。

3) 液壓夯實(shí)法得到的路基分層沉降曲線符合玻爾茲曼函數(shù)特征，其參數(shù)，和與表層夯沉量和有效壓實(shí)深度有關(guān)；分層壓實(shí)度值和分層界面沉降量有關(guān)，通過(guò)回歸分析分別得到各參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式。

4) 通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證，證實(shí)該計(jì)算方法可靠，為黃土地區(qū)路基分層壓實(shí)度檢測(cè)提供指導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)。

研究成果為路基分層壓實(shí)度檢測(cè)提供了新的思路，對(duì)黃土地區(qū)的路基補(bǔ)強(qiáng)檢測(cè)工程具有指導(dǎo)意義。由于路基土體具有多樣性，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸總結(jié)得到的計(jì)算方法僅適用于陜西地區(qū)一般黃土，在檢測(cè)前建議先對(duì)路基土進(jìn)行試驗(yàn)以獲取更為準(zhǔn)確的參數(shù)值。適用于其他土質(zhì)的路基分層壓實(shí)度檢測(cè)的液壓夯實(shí)法還有待進(jìn)一步研究。

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Layered compactness detection method of reinforcement the of loess subgrade

ZHOU Zhijun1, 2, ZHANG Zhipeng1, GUO Tao3, XU Tianyu1

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China;2. Xi’an Highway Engineering Testing Center, Xi’an 710064, China;3. CCECC Fuzhou Survey & Design Institute Co., Ltd., Fuzhou 350013, China)

In order to obtain the layer compactness of subgrade more quickly and effectively, this paper took loess subgrade as an example, and proposed the idea of detecting the subgrade layer compactness achieved by the hydraulic compactor. Based on the theory of layered compaction, the basic model of hydraulic compaction was established and the relationship between the initial layered compactness and the compacted layered compactness was deduced. A full-scale model test of hydraulic compaction was designed and carried out. The results show that the compaction effect can be ignored when the depth is more than about 1.5 m. The layered interface settlement of subgrade and ground settlement have the characteristics of stage change, which are bounded by 0.8～1.2 m and 6～9 tamping times respectively. The concept of improvement depth was introduced and its regression formula was established. The Boltzmann function relationship among ground settlement, improvement depth and layered interface settlement was obtained by regression method. The relationship among compacted layered compactness, layered interface settlement and ground settlement was obtained by linear regression method. The calculationformula of the initial layered compactness of subgrade was deduced and the method for detecting the compactness of loess subgrade was formed. The hydraulic compaction method was applied in a practical project, and the error between the calculation result and the detection result of sand filling method was within 2%.

Road engineering; loess subgrade; hydraulic compaction method; model test; improvement depth

U416.1

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3052 ? 11

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200161

2020?02?28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51878064)

周志軍(1975?)，男，江蘇泰興人，教授，博士，從事路基和橋梁樁基承載力及變形研究；E?mail：5974100@qq.com

(編輯 涂鵬)