粉質(zhì)黏土路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

畢志剛，湯新星，王儀宇，李強(qiáng)，許強(qiáng)

(1.中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西 西安 710018；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)[1-2]不同于傳統(tǒng)點(diǎn)樣式的檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)碾壓面的檢測(cè)，是一種無損害路基的檢測(cè)技術(shù)，國內(nèi)外對(duì)其在路基壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)上已有許多相關(guān)研究。

在壓實(shí)程度方面：歐盟[3]和中國[4]標(biāo)準(zhǔn)均把壓實(shí)數(shù)據(jù)的通過率作為判定要求，美國明尼蘇達(dá)州[5]規(guī)定90%的壓實(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)大于0.9倍的目標(biāo)值。在壓實(shí)均勻性方面：中國[4]、美國明尼蘇達(dá)州[5]標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定壓實(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)不小于一定倍數(shù)的目標(biāo)值，歐盟[3]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓實(shí)數(shù)據(jù)需滿足正態(tài)分布。在壓實(shí)穩(wěn)定性方面：中國[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定前后兩遍壓實(shí)數(shù)據(jù)的相對(duì)大小不大于3%時(shí)滿足壓實(shí)穩(wěn)定性。除各國標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定外，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)一步研究。王龍等[6]基于PFWD無損檢測(cè)技術(shù)，提出均勻度指標(biāo)t評(píng)價(jià)路基的壓實(shí)均勻性。王翔等[7]基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，建立半變異函數(shù)模型來描述壓實(shí)數(shù)據(jù)的空間分布情況，并提出偏基臺(tái)值指標(biāo)評(píng)價(jià)路基的壓實(shí)均勻性。聶志紅等[8]提出自相關(guān)距離的近鄰加權(quán)估計(jì)識(shí)別法與地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半變異函數(shù)相結(jié)合，把異常指數(shù)αi作為單點(diǎn)異常值的判定指標(biāo)，很好地降低連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，提高其均勻性。高杰等[9]通過無核密度儀快速測(cè)定路基的壓實(shí)度，采用壓實(shí)度代表值、合格率及變異系數(shù)評(píng)價(jià)路基壓實(shí)質(zhì)量。劉東海等[10]基于Dempster-Shafer證據(jù)理論和DBSCA空間聚類分析方法，提出等效連續(xù)薄弱面積用于定量評(píng)價(jià)壓實(shí)薄弱區(qū)域。

國內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)雖然對(duì)連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)在路基壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)的運(yùn)用制定了相應(yīng)規(guī)定，但壓實(shí)程度、壓實(shí)均勻性與壓實(shí)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中缺乏考慮不合格區(qū)域的薄弱程度、面積大小以及空間分布狀態(tài)等因素，對(duì)此，本文嘗試采用標(biāo)準(zhǔn)偏移率q、最近鄰點(diǎn)指數(shù)R及變異系數(shù)CV相結(jié)合的方式對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法改進(jìn)

從鐵路路基規(guī)程中引入壓實(shí)程度、壓實(shí)均勻性以及壓實(shí)穩(wěn)定性3個(gè)評(píng)價(jià)方法在公路路基中應(yīng)用，針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)存在的缺陷，提出不同的計(jì)算方法。

1.1 壓實(shí)程度

《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定通過率應(yīng)不小于95%時(shí)，滿足壓實(shí)程度的要求，計(jì)算式(1)所示。

(1)

式中：VCVi為第i個(gè)測(cè)試單元的振動(dòng)壓實(shí)值；[VCV]為目標(biāo)壓實(shí)值。

但通過率計(jì)算簡(jiǎn)單，未考慮壓實(shí)值的相對(duì)大小與不合格區(qū)域面積大小的因素，因此基于相對(duì)判定法和加權(quán)平均思想，采用標(biāo)準(zhǔn)偏移率q[11]指標(biāo)來評(píng)價(jià)碾壓面的壓實(shí)程度，計(jì)算式(2)～式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

式中：Ai為壓實(shí)指標(biāo)VCVi所對(duì)應(yīng)的不合格區(qū)域面積；A為檢驗(yàn)區(qū)域的總面積；qi為目標(biāo)值的百分率；qt為壓實(shí)程度檢驗(yàn)的目標(biāo)值。

由規(guī)程要求不合格區(qū)域占總面積應(yīng)不大于5%，要求變化率應(yīng)不大于3%，則q=0.05×0.03=0.001 5，因此擬定qt=0.15%作為目標(biāo)值。

1.2 壓實(shí)均勻性

《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定實(shí)測(cè)壓實(shí)值不小于其平均值的0.8時(shí)，則滿足壓實(shí)均勻性的要求，計(jì)算式(5)所示。

(5)

不合格點(diǎn)的空間分布情況對(duì)壓實(shí)均勻性有較大影響，但規(guī)程并未考慮這一因素，因此采用一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用的最近鄰點(diǎn)指數(shù)法來評(píng)價(jià)薄弱區(qū)域的空間分布特征[11]。最近鄰點(diǎn)指數(shù)R計(jì)算式(6)～式(9)所示。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：n為區(qū)域內(nèi)總數(shù)；A為區(qū)域面積；D為點(diǎn)密度；ri為點(diǎn)i與最近點(diǎn)的距離；r1為所有點(diǎn)的最鄰近距離的平均數(shù)；rE為理論上的標(biāo)準(zhǔn)距離。

本文參考梁會(huì)民等[12]提出的指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)R≤0.5，點(diǎn)聚集分布；0.5

1.3 壓實(shí)穩(wěn)定性

《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定，第i遍振動(dòng)壓實(shí)值與第i+1遍之差的相對(duì)大小小于3%時(shí)，則滿足壓實(shí)穩(wěn)定性的要求，計(jì)算式(10)所示。

(10)

式中：VCVn為第n遍的振動(dòng)壓實(shí)值；[δ]為控制精度，取3%。

但此判定方式需要?jiǎng)澐? m2單元，實(shí)際中操作較為困難，且存在數(shù)據(jù)相差較大較小的情況，因此考慮總體數(shù)據(jù)本身，采用類似變異系數(shù)的計(jì)算方式來評(píng)價(jià)碾壓面的壓實(shí)穩(wěn)定性，計(jì)算式(11)～式(12)所示。

(11)

(12)

按規(guī)程要求前后兩遍振動(dòng)壓實(shí)值變化率應(yīng)不大于3%，將其帶入式(12)、式(13)近似得出控制精度[CV]=0.03。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本文依托莆炎高速公路，雙向六車道，設(shè)計(jì)速度100 km·h-1，路基寬度33.5 m(整體式)、16.75 m(分離式)，采用公路-I級(jí)的汽車荷載等級(jí)，7級(jí)設(shè)防地震烈度。莆炎高速公路(三明境)YA13合同段，位于福建省三明市尤溪縣和大田縣境內(nèi)，線路全長(zhǎng)11.33 km。該路段填方總量571.7萬m3，其中高填土路堤11段，合計(jì)長(zhǎng)度1 969 m。

2.2 路基填料

試驗(yàn)段中采用粉質(zhì)黏土作為路基填料，為土樣參數(shù)如表1、表2所示。

表1 粉質(zhì)黏土土樣參數(shù)

表2 粉質(zhì)黏土土樣級(jí)配

2.3 機(jī)械設(shè)備

路基壓實(shí)過程中采用的碾壓機(jī)械及其性能參數(shù)，如圖1、表3所示。

表3 碾壓機(jī)械及其性能參數(shù)

(a) 22 t壓路機(jī) (b) 32 t壓路機(jī)

2.4 施工工藝及系統(tǒng)安裝

填料由自卸車送往試驗(yàn)段，進(jìn)行分層攤鋪，攤鋪采用漸進(jìn)式攤鋪，先用推土機(jī)粗平，再由平地機(jī)精平，用石灰粉分割不同的試驗(yàn)段。

加速度傳感器焊接在壓路機(jī)振動(dòng)輪輪軸上，傳感器檢測(cè)方向與輪軸方向垂直，同時(shí)垂直于地面。傳感設(shè)備基站安裝在試驗(yàn)場(chǎng)地附近，測(cè)量天線安裝在壓路機(jī)頂部，顯示屏置于駕駛室內(nèi)，使工作人員可以直接操作讀取VCV數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。

2.5 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，將試驗(yàn)段分為3個(gè)部分，每個(gè)試驗(yàn)段長(zhǎng)為90 m，寬為4 m，松鋪厚為50 cm。采用不同的碾壓組合讓試驗(yàn)段呈現(xiàn)不同的密實(shí)狀態(tài)，其中輕度密實(shí)狀態(tài)：1遍靜壓+1遍弱振；中度密實(shí)狀態(tài)：1遍靜壓+2遍強(qiáng)振+1遍弱振；重度密實(shí)狀態(tài)：1遍靜壓+4遍強(qiáng)振+1遍弱振?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段的平面布置圖見圖3所示。

圖2 試驗(yàn)段的平面布置圖(單位：m)

圖3 檢測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：m)

在試驗(yàn)段上，采用傳統(tǒng)的灌砂法和連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)兩種檢測(cè)方式，在試驗(yàn)段上選取合理的檢測(cè)點(diǎn)，隨之對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。在每個(gè)試驗(yàn)段上選取6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)間相距15 m，檢測(cè)點(diǎn)的選取位置如圖4所示。

11月20日，以“能源領(lǐng)域的人工智能和大數(shù)據(jù)創(chuàng)新”為主題的第九屆道達(dá)爾中國科學(xué)論壇在北京舉行。論壇聚焦能源行業(yè)的人工智能和大數(shù)據(jù)應(yīng)用，分享人工智能、大數(shù)據(jù)等創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及趨勢(shì)，國內(nèi)頂尖研究機(jī)構(gòu)成果，互聯(lián)網(wǎng)及創(chuàng)投企業(yè)的創(chuàng)新解決方案以及能源巨頭應(yīng)用人工智能和大數(shù)據(jù)案例。

2.6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在各個(gè)試驗(yàn)段碾壓完成后，采用灌砂法對(duì)布置的檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量其壓實(shí)度，并導(dǎo)出相應(yīng)位置下的VCV值，粉質(zhì)黏土填料的壓實(shí)度與VCV關(guān)系如圖4所示。

VCV

可以看出，VCV與壓實(shí)度具有較好的相關(guān)性，采用灌砂法測(cè)得每一種壓實(shí)狀態(tài)的試驗(yàn)段壓實(shí)度，將對(duì)應(yīng)的VCV與壓實(shí)度進(jìn)行擬合，依據(jù)根據(jù)最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算得到粉質(zhì)黏土填料的擬合方程，粉質(zhì)黏土填料的擬合方程為y=0.302 1x+74.24,相關(guān)系數(shù)R2=0.950，由該路段設(shè)計(jì)要求路基壓實(shí)度需滿足95%，則VCV目標(biāo)值為68.72。圖中數(shù)據(jù)具有分段聚集性，因?yàn)檫M(jìn)行相關(guān)性試驗(yàn)時(shí)，采用的是不同密實(shí)狀態(tài)分段進(jìn)行碾壓，測(cè)量的數(shù)據(jù)不能保證其連續(xù)性。

2.7 碾壓遍數(shù)

取用相同的土樣作為填土材料，選擇其他碾壓參數(shù)不變下碾壓遍數(shù)變化的不同壓路機(jī)進(jìn)行影響分析，不同壓路機(jī)下粉質(zhì)黏土填料的VCV值變化如圖5所示。

檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量

可以看出，隨著碾壓遍數(shù)的增加，VCV值逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，表明碾壓面具有較好的壓實(shí)質(zhì)量。不論是22 t還是32 t壓路機(jī)，弱振過后的第一遍強(qiáng)振對(duì)粉質(zhì)黏土填料的作用相差不大，之后在強(qiáng)振作用下，粉質(zhì)黏土的VCV值大幅度增大，而最后趨于穩(wěn)定時(shí)，32 t壓路機(jī)作用下的VCV值變化明顯比22 t壓路機(jī)作用下的穩(wěn)定。采用32 t壓路機(jī)時(shí)，前2遍碾壓測(cè)得的VCV值明顯比采用22 t壓路機(jī)稍大一些，但最后都會(huì)在相同的一定范圍變化，說明激振力越大，則對(duì)路基壓實(shí)的作用也越大，而最終使路基趨于相差不大的壓實(shí)程度。

2.8 壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.8.1 壓實(shí)程度分析

由相關(guān)性試驗(yàn)計(jì)算得出的連續(xù)壓實(shí)控制指標(biāo)的目標(biāo)值VCV，分別計(jì)算通過率，以及標(biāo)準(zhǔn)偏移率q對(duì)粉質(zhì)黏土路基的壓實(shí)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表4、表5所示。

表4 粉質(zhì)黏土填料的通過率及標(biāo)準(zhǔn)偏移率q(22 t壓路機(jī))

表5 粉質(zhì)黏土填料的通過率及標(biāo)準(zhǔn)偏移率q(32 t壓路機(jī))

按照通過率的評(píng)價(jià)方式，由表5、表6可以看出，通過不同噸位壓路機(jī)進(jìn)行“弱振1遍+強(qiáng)振3遍”的碾壓方式后，粉質(zhì)黏土路基可以達(dá)到95%以上的通過率，滿足壓實(shí)程度的要求，再強(qiáng)振1遍過后，通過率有所提高，且由表中計(jì)算結(jié)果可知，粉質(zhì)黏土路基采用32 t壓路機(jī)碾壓的路基通過率比22 t壓路機(jī)要稍高一些，表明32 t壓路機(jī)的作用效果更佳。

按照標(biāo)準(zhǔn)偏移率q的性質(zhì)，q值越小，碾壓面不合格區(qū)域范圍越小或者不合格值越接近于目標(biāo)值，說明碾壓面的壓實(shí)程度越好。由表5、表6可以看出，22 t壓路機(jī)和32 t壓路機(jī)作用下，粉質(zhì)黏土路基的q值均小于0.15%，即路基滿足壓實(shí)程度要求；對(duì)于粉質(zhì)黏土路基，32 t壓路機(jī)碾壓路基的q值與22 t壓路機(jī)相差不大，說明兩種壓路機(jī)碾壓完成后的作用效果相近；可以擬定q≤0.15%，作為評(píng)定填土路基滿足壓實(shí)程度的要求的標(biāo)準(zhǔn)。

壓實(shí)程度分析表明：通過率在一定程度上可以體現(xiàn)出路基的壓實(shí)程度，但僅考慮合格的測(cè)試單元，具有一定的局限性，而標(biāo)準(zhǔn)偏移率指標(biāo)會(huì)更好一些，它還考慮到不合格區(qū)域面積的大小以及其VCV與目標(biāo)值的相對(duì)大小兩個(gè)因素，可以更合理的評(píng)價(jià)整個(gè)碾壓面的壓實(shí)程度。

2.8.2 壓實(shí)均勻性分析

參考《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程》規(guī)定[7]，不同壓路機(jī)下粉質(zhì)黏土填料的壓實(shí)均勻性判定如圖6所示。

實(shí)際中最近鄰點(diǎn)指數(shù)R是通過采集到的數(shù)據(jù)輸入到ARCGIS軟件中，由軟件進(jìn)行計(jì)算得出點(diǎn)的最鄰近距離，運(yùn)用式(6)～式(9)得出最近鄰點(diǎn)指數(shù)R如表6、表7所示。

表6 最近鄰點(diǎn)指數(shù)R計(jì)算結(jié)果(22 t壓路機(jī))

由圖6可以看出，粉質(zhì)黏土路基在采用22 t、32 t壓路機(jī)碾壓完成后，其最后測(cè)得VCV值均大于其平均值的0.8，即按照規(guī)程規(guī)定，粉質(zhì)黏土路基都滿足均勻性的要求。

檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量

按照最近鄰點(diǎn)指數(shù)R判斷標(biāo)準(zhǔn)，R>0.5時(shí)符合均勻性要求[12]。由表7、表8可以看出，不同噸位壓路機(jī)進(jìn)行“弱振1遍+強(qiáng)振3遍”的碾壓方式后，粉質(zhì)黏土路基R值均大于0.5。路基采用32 t壓路機(jī)碾壓后存在的不合格點(diǎn)數(shù)量比22 t壓路機(jī)少，但路基采用22 t壓路機(jī)的最近鄰點(diǎn)指數(shù)R高于32 t壓路機(jī)，說明22 t壓路機(jī)碾壓后的路基存在的不合格點(diǎn)位置更加分散，不存在不合格點(diǎn)聚集分布導(dǎo)致路基不均勻沉降，即路基的均勻性更好。

表7 最近鄰點(diǎn)指數(shù)R計(jì)算結(jié)果(32 t壓路機(jī))

壓實(shí)均勻性分析表明：規(guī)程規(guī)定壓實(shí)均勻性的判定方式考慮了整體數(shù)據(jù)，忽略了局部不合格區(qū)域的影響。相比于規(guī)程規(guī)定，最近鄰點(diǎn)指數(shù)在評(píng)價(jià)壓實(shí)均勻性上更具優(yōu)越性，它能很好地體現(xiàn)出路基壓實(shí)過程中不合格點(diǎn)的空間分布，同時(shí)也體現(xiàn)碾壓面存在大面積的不合格區(qū)域，為后期是否進(jìn)行補(bǔ)壓提供依據(jù)。

2.8.3 壓實(shí)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

參考《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程》[7]規(guī)定，不同壓路機(jī)下粉質(zhì)黏土填料的壓實(shí)穩(wěn)定性判定如圖7所示。變異系數(shù)和規(guī)程規(guī)定的計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 粉質(zhì)黏土壓實(shí)代表值

按照規(guī)程計(jì)算，由表9所示，粉質(zhì)黏土路基中22 t壓路機(jī)和32 t壓路機(jī)變化率平均值分別為2.38和2.14，均滿足規(guī)程要求。由圖7可以看出，采用22 t壓路機(jī)碾壓完成后，粉質(zhì)黏土的前后兩次的VCV存在波動(dòng)較大的部分，說明采用22 t壓路機(jī)進(jìn)行碾壓的穩(wěn)定性稍差些，同時(shí)側(cè)面說明規(guī)程的不足之處。采用32 t壓路機(jī)碾壓完成后，最后兩次的VCV值變化幅度不大，比22 t壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)的穩(wěn)定性更好，效果更佳。

按照變異系數(shù)的性質(zhì)，CV越小，前后兩遍測(cè)得壓實(shí)數(shù)據(jù)的變化越小，說明路基壓實(shí)穩(wěn)定性越好。由表9可以看出，22 t壓路機(jī)作用下，粉質(zhì)黏土路基的CV=2.90，而32 t壓路機(jī)作用下，粉質(zhì)黏土路基的CV=6.60，不滿足判定要求，說明兩次的VCV變化較大，這種區(qū)域難以長(zhǎng)期支承重復(fù)荷載。但由圖8可以看出，整體上這種變化又較為平均，事后對(duì)該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)壓即可滿足要求。

壓實(shí)穩(wěn)定性分析表明：規(guī)程規(guī)定雖然可以很好地判定路基穩(wěn)定性的情況，但在實(shí)際中操作較為困難，而采用類似變異系數(shù)的方式，還可以判斷出路基在碾壓完成后是否存在數(shù)據(jù)較為離散的區(qū)域，而且計(jì)算方式更為簡(jiǎn)便，體現(xiàn)出變異系數(shù)在評(píng)價(jià)路基穩(wěn)定性中的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

1) 壓實(shí)程度評(píng)價(jià)：標(biāo)準(zhǔn)偏移率指標(biāo)計(jì)算考慮不合格區(qū)域面積的大小及其VCV與目標(biāo)值的相對(duì)大小的影響，比通過率指標(biāo)更合理地評(píng)價(jià)路基的壓實(shí)程度。擬定q≤0.15%作為標(biāo)準(zhǔn)偏移率評(píng)定填土路基滿足壓實(shí)程度的要求的標(biāo)準(zhǔn)。

2) 壓實(shí)均勻性評(píng)價(jià)：規(guī)程的判定方式在實(shí)際中易操作，而最近鄰點(diǎn)指數(shù)R考慮不合格點(diǎn)的空間分布方式的影響，其值能表現(xiàn)出是否存在不合格區(qū)域集中現(xiàn)象，可為事后是否需補(bǔ)壓提供依據(jù)，體現(xiàn)出最近鄰點(diǎn)指數(shù)的優(yōu)越性。

3) 壓實(shí)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)：規(guī)程的判定方式雖較簡(jiǎn)單，但在實(shí)際中不易操作，而變異系數(shù)CV的計(jì)算方式不難使用，且其值可以體現(xiàn)出路基是否存在數(shù)據(jù)離散的區(qū)域，能更合理地評(píng)價(jià)路基的穩(wěn)定性。

4) 對(duì)于粉質(zhì)黏土路基，相比于32 t壓路機(jī)，22 t壓路機(jī)在壓實(shí)均勻性和穩(wěn)定性上效果良好，在壓實(shí)程度上作用效果稍差，但最終可滿足填筑要求，綜合考慮在粉質(zhì)黏土路基中可采用22 t壓路機(jī)。