基于靜載試驗(yàn)的高速公路土質(zhì)路基壓實(shí)度測(cè)定方法

■廣東省高速公路有限公司深汕西分公司擴(kuò)建管理處 王鵬

當(dāng)前，由于公路建設(shè)逐漸向山區(qū)伸展，高速公路土質(zhì)路基已成為較為普遍的公路路基之一。為確保土質(zhì)路基能夠?qū)崿F(xiàn)高速施工以及高質(zhì)量測(cè)定，需設(shè)計(jì)可靠的新式高速公路土質(zhì)路基測(cè)定技術(shù)，但目前的高速公路土質(zhì)路基壓實(shí)度測(cè)定仍舊使用傳統(tǒng)的測(cè)定方法，創(chuàng)新程度較低，無(wú)法適應(yīng)不斷發(fā)展的測(cè)定模式，在測(cè)定過(guò)程中對(duì)路基的損害較大，且測(cè)定的結(jié)果精準(zhǔn)程度較低，無(wú)法適應(yīng)高速公路土質(zhì)路基壓實(shí)度的快速測(cè)定需求[1]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于靜載試驗(yàn)的高速公路土質(zhì)路基壓實(shí)度測(cè)定方法，結(jié)合高速公路土質(zhì)路基壓實(shí)度檢測(cè)狀況進(jìn)行初始數(shù)據(jù)分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有路基壓實(shí)度測(cè)定技術(shù)進(jìn)行技術(shù)檢驗(yàn)操作，提升技術(shù)的創(chuàng)新程度，加強(qiáng)對(duì)路基材料的管理；根據(jù)路基混合材料的特性判斷其對(duì)壓實(shí)度測(cè)定的影響，按照相應(yīng)的測(cè)定模式進(jìn)行測(cè)定研究，獲取精準(zhǔn)的測(cè)定數(shù)據(jù)。

基于靜載試驗(yàn)的高速公路土質(zhì)路基數(shù)據(jù)分析

不同級(jí)別的高速公路土質(zhì)路基土石材料在經(jīng)過(guò)壓實(shí)后的受力性質(zhì)不同，在路基含石量不斷增加的情況下，混合土石材料的骨架特征明顯程度不斷提升，當(dāng)含石量在25%以下時(shí)，路基混合土石材料的受力特征與細(xì)粒土石相同，力的分布較為均勻；當(dāng)內(nèi)部混合土石材料含石量在80%以上時(shí)，粗顆粒的骨架特征形成，混合土石材料受力作用主要由粗顆粒承擔(dān)，細(xì)顆粒起到相應(yīng)的輔助作用，用來(lái)填充內(nèi)部空隙。由于顆粒自身具有較強(qiáng)的固定性，有利于提升整體路基的承載力，此時(shí)的粗顆粒起到完全支撐骨架的作用；當(dāng)內(nèi)部混合土石材料含石量在100%時(shí)，內(nèi)部缺少充足的細(xì)顆粒填充縫隙，土石材料形成完全骨架，路基表面的受力作用也由骨架完全承擔(dān)[2]。因此，為有效發(fā)揮混合土石材料內(nèi)部的粗顆粒的骨架作用，同時(shí)結(jié)合細(xì)顆粒的輔助填充作用，本文路基選用的土石混合材料的含石量在65%至85%之間，在此分配情況下，路基材料具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，受力范圍較為均勻，同時(shí)充分發(fā)揮了粗顆粒與細(xì)顆粒各自的作用，形成良好的路基基礎(chǔ)材料[3]。

由于路基土石混合材料的壓縮特征是確保路基穩(wěn)固的關(guān)鍵指標(biāo)，針對(duì)不同的土石混合材料含石量，其壓縮性力學(xué)指標(biāo)相應(yīng)不同。路基內(nèi)部土層的壓縮形變主要包含內(nèi)部土石部分自主壓縮、顆?？障都皻怏w壓縮、顆?？障端c氣體排放。其中，空隙數(shù)量縮減是造成路基內(nèi)部土層壓縮形變的重要原因，根據(jù)獲取的形變數(shù)據(jù)判斷不同路基材料對(duì)壓實(shí)度測(cè)定的影響，保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析操作[4]。

基于靜載試驗(yàn)的高速公路土質(zhì)路基壓實(shí)度測(cè)定方法

在實(shí)際工作過(guò)程中，需根據(jù)分析的路基基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選擇適宜的高速公路土石路基壓實(shí)度測(cè)定方法。由于壓實(shí)度是一種涵蓋多元因素的復(fù)雜問(wèn)題，本文將壓實(shí)過(guò)程劃分為材料排序過(guò)程、空隙填充過(guò)程、土石分離過(guò)程、鞏固過(guò)程四個(gè)步驟。

上述過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，并且存在相互影響的關(guān)系。在材料排序過(guò)程中，根據(jù)壓實(shí)裝置的荷載方式重新排列土石顆粒，形成相應(yīng)的排序過(guò)程；在空隙填充階段，觀察由不同大小的顆粒組成的路基土層內(nèi)部，將較小的顆粒沿著空隙，在外推力的作用下被填充至較大顆粒之間孔隙，實(shí)現(xiàn)空隙填充[5]；在土石分離過(guò)程中，由于土層內(nèi)部顆粒之間被大量的水填充，需利用揉搓與外部壓力的作用將土石之間的水壓擠出來(lái)，實(shí)現(xiàn)土石的分離；在鞏固過(guò)程中，由于路基表面將受到高速?zèng)_擊力，路基表層土石顆粒破碎，進(jìn)而被填充至內(nèi)部材料的空隙中，由此鞏固路基基礎(chǔ)[6]。

生成上述過(guò)程步驟，將導(dǎo)致單位體積內(nèi)土石材料顆粒數(shù)量的增長(zhǎng)，降低空隙率，實(shí)現(xiàn)路基土體的壓實(shí)。均勻粗顆粒土體與碎顆粒的壓實(shí)，需要依靠土石顆粒的重新排序與顆粒接觸區(qū)域局部破碎來(lái)實(shí)現(xiàn)。土石混合材料由粗顆粒與細(xì)顆?；旌隙桑瑝簩?shí)度在兩者之間，壓實(shí)過(guò)程是在壓實(shí)裝置施加的荷載壓力下，粗顆粒與細(xì)顆粒重新排序，彼此靠近，擠出內(nèi)部空隙氣體，使單位體積內(nèi)土石顆粒數(shù)量增長(zhǎng)[7]。土石混合材料內(nèi)部的含石量大小決定了土石顆粒的接觸情況，不同土石材料含石量的壓實(shí)過(guò)程不同。當(dāng)土石材料內(nèi)部含石量較少的情況下，土體顆粒間產(chǎn)生壓擠，此時(shí)的壓實(shí)主要由細(xì)顆粒內(nèi)部的形變而產(chǎn)生。該類土石混合材料的壓實(shí)特征與均勻土質(zhì)相似，當(dāng)土石材料內(nèi)部含石量在40%以上時(shí)，土石材料內(nèi)部粗顆粒相互擠壓構(gòu)成骨架，土石顆粒由原來(lái)的擠壓轉(zhuǎn)化為嵌擠，在嵌擠的同時(shí)，隨著土石中的粗顆粒的破碎，破碎的程度根據(jù)含石量的情況而定，顆粒內(nèi)部空隙由細(xì)顆粒與部分被壓碎的粗顆粒共同填充；當(dāng)土石材料內(nèi)部含石量較大時(shí)，其路基擠壓過(guò)程與土石填充過(guò)程大致相同，通過(guò)壓碎土石內(nèi)部粗顆粒，促使顆粒內(nèi)部發(fā)生擠壓，進(jìn)而磨損內(nèi)部顆粒形成顆粒位移，實(shí)現(xiàn)路基壓實(shí)[8]。但在此過(guò)程中，其內(nèi)部細(xì)顆粒數(shù)量較少，土石間的空隙無(wú)法得到填充，因此，本文在進(jìn)行壓實(shí)度測(cè)定的過(guò)程中，根據(jù)路基內(nèi)部土石的顆粒度進(jìn)行壓實(shí)判斷，選取粗細(xì)顆粒比例一定的材料執(zhí)行路基壓實(shí)度測(cè)定操作，同時(shí)單元體尺寸，獲取相應(yīng)的單元體示意圖（圖1）。

圖1 單元體示意圖

由于壓實(shí)能夠有效提升路基表面的強(qiáng)度，減少車輛行駛過(guò)程中對(duì)路基表面造成的形變影響，同時(shí)提升路基表層材料的不透水性以及表層穩(wěn)定性。本文選用靜壓實(shí)、沖擊壓實(shí)與振動(dòng)壓實(shí)相結(jié)合的方法進(jìn)行壓實(shí)度測(cè)定，并設(shè)置靜壓實(shí)示意圖（圖2）。

圖2 靜壓實(shí)示意圖

在靜壓實(shí)下，壓路裝置依靠自身重量壓實(shí)土體，在滾動(dòng)壓實(shí)的過(guò)程中，壓路裝置的壓輪依據(jù)相應(yīng)的靜荷載以較為緩慢的速度滾壓填充材料，在路基填充材料表面施以短暫時(shí)間的靜壓力。壓輪下方填充材料在外力的作用下生成形變現(xiàn)象，部分被推向前方，同時(shí)一部分被壓擠至外側(cè)，另一部分被壓擠向下。由于形變具有可逆形變與不可逆形變兩種不同的形式，當(dāng)外界荷載作用消失時(shí)，可逆形變情況下可恢復(fù)初始狀態(tài)，不可逆形變情況下，土體體積縮小或形成塑性流動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，選用沖擊壓實(shí)作用將路基表層土體進(jìn)行外力沖擊操作，增強(qiáng)填充材料的穩(wěn)固性，縮減材料內(nèi)部空隙，并設(shè)置相應(yīng)的沖擊壓實(shí)示意圖（圖3）。

圖3 沖擊壓實(shí)示意圖

選用振動(dòng)壓實(shí)的方式在路基表面形成振動(dòng)荷載，強(qiáng)化路基表層的受力程度，同時(shí)加大對(duì)路基表面土石破碎數(shù)據(jù)的管理，將破碎的土石顆粒填充至內(nèi)部土石空隙中，由此確保路基壓實(shí)測(cè)定工作的順利開展，同時(shí)設(shè)置振動(dòng)壓實(shí)示意圖（圖4）。

圖4 振動(dòng)壓實(shí)示意圖

根據(jù)上述操作實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路土質(zhì)路基壓實(shí)度的測(cè)定研究，完成整體測(cè)定操作。

實(shí)驗(yàn)與研究

實(shí)驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究模型，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作場(chǎng)景，為排除原有裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本文在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行審核，改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置整體性差、操作不便、不靈活的弊端，同時(shí)進(jìn)行如下具體裝置設(shè)計(jì)操作：

針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集裝置，控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集速率的穩(wěn)定性，根據(jù)接收裝置的接收速率調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)射速率。選用量程為85kN的傳感器作為數(shù)據(jù)位移的數(shù)據(jù)傳輸裝置，管理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過(guò)程，同時(shí)整合收集的數(shù)據(jù)程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，并調(diào)整實(shí)驗(yàn)基槽，設(shè)置實(shí)驗(yàn)基槽示意圖（圖5）。

圖5 實(shí)驗(yàn)基槽示意圖

實(shí)驗(yàn)液壓裝置選用體積較小、重量較輕、便于移動(dòng)的小型裝置，有效發(fā)揮其壓、拉雙功能，對(duì)路基表面進(jìn)油速度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而調(diào)節(jié)不同尺寸的探頭，根據(jù)不同的速率執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)，調(diào)節(jié)液壓裝置的中心壓強(qiáng)，配合相應(yīng)的裝置材料實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)反力裝置根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的具體情況進(jìn)行設(shè)置，在確保實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地能夠提供足夠的反力的條件下，為提升整體裝置的靈活程度，選用灑水車進(jìn)行反力數(shù)據(jù)的提供操作，選擇的車輛最大載重為15t。為有效結(jié)合其他車輛，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇長(zhǎng)度相同的槽鋼，選用高強(qiáng)螺栓固定槽鋼，將固定的槽鋼作為實(shí)驗(yàn)反力梁進(jìn)行保存。利用預(yù)留的螺栓固定實(shí)驗(yàn)千斤頂裝置，同時(shí)連接整套懸掛裝置與車架，確保不同裝置處于緊密的連接狀態(tài)中，有效提升實(shí)驗(yàn)裝置的靈活程度。

根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)地面狀況改進(jìn)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)桿，將實(shí)驗(yàn)導(dǎo)桿分成均勻的小段，進(jìn)而更好地調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地之間的距離，并設(shè)置導(dǎo)桿尺寸示意圖（圖6）。

圖6 導(dǎo)桿尺寸示意圖

分配位移計(jì)的連接位置，調(diào)節(jié)位移程度，同時(shí)增加內(nèi)部位移距離，減少位移計(jì)與裝置的直接接觸次數(shù)，縮減裝置的占用面積，有效擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)的操作空間。分別調(diào)節(jié)裝置的連接緊湊程度，根據(jù)不同的裝置形狀分配裝置的存儲(chǔ)位置。

調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)探頭的測(cè)定狀態(tài)，同時(shí)調(diào)整不同模式的實(shí)驗(yàn)操作裝置，對(duì)比不同的內(nèi)部模型探頭，選取形狀為圓形的探頭作為實(shí)驗(yàn)探頭，通過(guò)對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的基礎(chǔ)操作模式。

實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作裝置，選擇適宜的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，截取一段高速公路土質(zhì)路基。首先將路基表面規(guī)整平緩，并將實(shí)驗(yàn)路段劃分為若干個(gè)相同的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，選用尺寸不同的探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

組合實(shí)驗(yàn)裝置，將反力梁安裝至實(shí)驗(yàn)車輛底部，同時(shí)連接實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合不同的部件功能執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)操作。調(diào)整部件的連接模式，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置的管理。進(jìn)行靜載貫入研究，選取圓形探頭在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)執(zhí)行實(shí)驗(yàn)指令。在實(shí)現(xiàn)初始裝置準(zhǔn)備后，啟動(dòng)抽油泵裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)程抽油操作，分析探頭與路基緊密連接后的狀態(tài)，同時(shí)平衡采集數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，加強(qiáng)對(duì)車輛載重的管理，調(diào)節(jié)進(jìn)油閥門的進(jìn)油平衡。將實(shí)驗(yàn)探頭以平穩(wěn)的速率壓入土質(zhì)路基中，控制壓入深度為30mm，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程選用動(dòng)態(tài)裝置測(cè)量收集數(shù)據(jù)，直至試驗(yàn)研究完畢。

分析不同實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)情況，控制位移計(jì)的移動(dòng)狀態(tài)，加強(qiáng)對(duì)位移計(jì)的調(diào)節(jié)力度，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)區(qū)域選用不同的實(shí)驗(yàn)研究裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)操作，在實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的實(shí)驗(yàn)后，控制實(shí)驗(yàn)裝置探頭與位移計(jì)的距離，同時(shí)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)車輛，劃分實(shí)驗(yàn)路程，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)區(qū)域設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)。

整理尺寸不同的探頭裝置，采取力學(xué)模型獲取土質(zhì)路基壓實(shí)度檢測(cè)模型，并利用相應(yīng)的計(jì)算模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算測(cè)定，再與傳統(tǒng)測(cè)定方法進(jìn)行對(duì)比，探究測(cè)定方法的可靠性與精準(zhǔn)程度，獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

據(jù)圖7所示，本文方法測(cè)定結(jié)果A的擬合曲線與實(shí)測(cè)點(diǎn)相似程度較高，表明本文測(cè)定結(jié)果精準(zhǔn)程度最高。而傳統(tǒng)方法測(cè)定結(jié)果B、C、D的擬合曲線與實(shí)測(cè)點(diǎn)的相似程度較低，測(cè)定精準(zhǔn)程度較低。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由此可知，本文測(cè)定方法具有較強(qiáng)的測(cè)定能力，能夠在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)定研究，測(cè)定精準(zhǔn)程度較高。同時(shí)，由于本文在測(cè)定方法構(gòu)建的過(guò)程中不斷強(qiáng)化對(duì)土質(zhì)路基的數(shù)據(jù)獲取力度，進(jìn)而提升測(cè)定的可靠性與科學(xué)性，能夠更好地提高測(cè)定的有效程度。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前的高速公路土質(zhì)路基壓實(shí)度測(cè)定方法、測(cè)定結(jié)果精準(zhǔn)程度較差的問(wèn)題，調(diào)整測(cè)定方法存在的問(wèn)題，對(duì)高速公路土質(zhì)路基壓實(shí)度測(cè)定方法進(jìn)行了分析研究，并得出下列結(jié)論：

一是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，研究不同路基實(shí)驗(yàn)探頭形狀對(duì)靜力貫入曲線的影響，由此確定高速公里土質(zhì)路基壓實(shí)度測(cè)定裝置的探頭形狀以及基礎(chǔ)直徑長(zhǎng)度，可知測(cè)定裝置探頭的形狀為圓形，直徑大約在75mm左右，能夠?yàn)楸疚膶?shí)驗(yàn)研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

二是結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)研究，深入研究土質(zhì)路基在靜載情況下的變形條件，根據(jù)路基壓實(shí)度的內(nèi)部孔隙與路基變形之間的相關(guān)關(guān)系構(gòu)建形變模型，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)關(guān)系變化的描述，能夠有效提升研究結(jié)果的有效程度。

三是考慮在不同條件下路基的壓實(shí)度變化，同時(shí)引入分級(jí)調(diào)節(jié)的理念構(gòu)建基于靜載試驗(yàn)的路基表面土石位移基礎(chǔ)模型，由此計(jì)算出路基的移動(dòng)范圍，能夠提高測(cè)定的精準(zhǔn)程度。

四是根據(jù)土質(zhì)路基表面荷載位移曲線，分析路基表面土石位移運(yùn)算模型分析路基變化趨勢(shì)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)內(nèi)部變化曲線的管理程度，引入曲線擬合方案，整合路基孔隙數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取相應(yīng)的路基壓實(shí)度測(cè)定方法，提升整體測(cè)定研究的可靠性。