快速液壓夯動力補(bǔ)強(qiáng)效果無損評價試驗(yàn)

李晉，崔言晨，姜鵬，2*，程德剛，崔新壯,2，左珅

(1.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，濟(jì)南 250357；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061；3.濟(jì)南金曰公路工程有限公司，濟(jì)南 250101)

公路工程建設(shè)中保證路基壓實(shí)度能夠有效地提高道路的承載能力和使用壽命，然而目前路基壓實(shí)施工中，在路基施工弱碾?yún)^(qū)諸如三背(橋臺背、擋墻墻背、涵洞涵背)回填處、路肩邊坡溝槽處、既有路基改擴(kuò)建結(jié)合處、各種填挖部接縫處等場地狹窄的位置填筑時，一些大型壓實(shí)機(jī)械不能進(jìn)場或運(yùn)行不便，而小型的夯實(shí)設(shè)備又存在壓實(shí)功過小、施工效率低下等問題，導(dǎo)致這些位置的壓實(shí)質(zhì)量較差[1]?？焖僖簤汉粚?shí)技術(shù)是近年來新興起來的一種夯實(shí)技術(shù)，通過高強(qiáng)度、高頻率反復(fù)施壓，快速液壓夯壓實(shí)效果良好，施工作業(yè)盲區(qū)小，且對臨近構(gòu)筑物破壞性影響小[2]。Mohammed等[3]通過原位試驗(yàn)研究了快速液壓夯夯實(shí)作業(yè)前后的地基土指標(biāo)，評價了其地基改良效果，總結(jié)了液壓夯的工程應(yīng)用性；苗學(xué)云等[4]依托青海東部某公路工程探究了液壓夯施工參數(shù)對涵洞涵背回填處夯實(shí)效果的影響，基于壓實(shí)度這一工程指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化了液壓夯實(shí)的施工工藝；朱家劍等[5]基于現(xiàn)場試驗(yàn)研究，進(jìn)一步提出了液壓夯補(bǔ)強(qiáng)路基質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

由此可見，快速液壓夯可以有效提高土的承載力，且機(jī)動靈活，工程應(yīng)用性高，然而目前多采用灌砂法等壓實(shí)度抽樣檢測的方法進(jìn)行液壓夯夯實(shí)質(zhì)量檢測[6]。顯然，在大規(guī)模的路基壓實(shí)處理工程中，這些方法效率低下，受人為因素影響較大，雖然對于單個樣本而言準(zhǔn)確度較高，但檢測結(jié)果不具有普遍代表性，且大多檢測方法都屬于破壞性有損檢測。瞬態(tài)面波無損探測是一種進(jìn)行壓實(shí)效果評價行之有效的方法[7-8]，基于對頻散曲線的分析可以建立波速和各種物理力學(xué)參數(shù)的計(jì)算模型。董海文等[9]通過灌砂法現(xiàn)場測得壓實(shí)度，建立了瑞雷面波速與壓實(shí)度關(guān)系；婁曉龍[10]采用環(huán)刀法計(jì)算現(xiàn)場某層碾壓完填土的平均壓實(shí)度，然后和該層填土平均波速進(jìn)行標(biāo)定得到了壓實(shí)度與瑞雷波波速關(guān)系；劉會勛等[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)擬合出了壓實(shí)度與瑞雷波波速的數(shù)學(xué)模型。由此可見，瞬態(tài)面波探測多直接采用現(xiàn)場路基表面壓實(shí)度或室內(nèi)壓實(shí)度標(biāo)定，而實(shí)際上，土體表層高頻段面波信噪比較低會引起較大誤差[12]，在無法得知現(xiàn)場土體內(nèi)部土體參數(shù)信息，考慮單一、片面的壓實(shí)度指標(biāo)開展瑞雷波速標(biāo)定工作具有一定局限性。

因此，現(xiàn)采用現(xiàn)場原位試驗(yàn)與瞬態(tài)面波無損探測技術(shù)相結(jié)合的方式評價液壓夯路基動力補(bǔ)強(qiáng)效果，在考慮現(xiàn)場實(shí)測路基土內(nèi)部含水率指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出一套基于瞬態(tài)面波的壓實(shí)度無損檢測經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，合理、高效地對路基壓?shí)效果進(jìn)行快速無損評價，以期對保證夯實(shí)質(zhì)量、提高施工效率產(chǎn)生一定工程意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 回填土性質(zhì)

試驗(yàn)路段選擇G220東深線長清陳莊至長清平陰界段改建工程文昌立交路基段，場地上部自地表填土以下分布有濕陷性黃土，呈褐黃色，可塑—硬塑狀態(tài)，含白色鈣質(zhì)條紋，少量植物根系、姜石、碎石，具蟲孔，對用于鋪筑的填料進(jìn)行隨機(jī)取樣后，分別進(jìn)行土壤液限塑限、摻灰(6%)前后顆粒密度、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)、加州承載比(California bearing ratio，CBR)測定等試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(表1)鑒定土壤類別并確定指導(dǎo)現(xiàn)場施工的相關(guān)指標(biāo)。根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(JTGC 20—2011)，判定場地內(nèi)黃土為一般性粉質(zhì)黏土，濕陷系數(shù)為輕微—中等，濕陷等級為I級(輕微濕陷)，利用土方最大干密度為1.93 g/cm3，最佳含水量為12.0%，路基分層填筑高度為5 m，為了減少道路占地，右側(cè)設(shè)有扶壁式擋墻，支擋結(jié)構(gòu)厚度0.5 m，高6.1 m，扶壁厚度0.5 m。

表1 土工試驗(yàn)結(jié)果

1.2 機(jī)械參數(shù)

快速液壓夯主要由液壓系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、夯錘、夯板、夯架、緩沖裝置等組成。采用山東泰安恒大機(jī)械有限公司生產(chǎn)的高速液壓夯實(shí)機(jī)在原來初步壓實(shí)完畢后的路基上進(jìn)行夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)，其具體參數(shù)見表2。

表2 泰安恒大機(jī)械技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

2.1 瞬態(tài)面波試驗(yàn)方案

采用HC84液壓夯進(jìn)行夯實(shí)作業(yè)，在規(guī)定區(qū)域完成方案中的夯實(shí)組數(shù)(每組10錘)，如圖1所示，然后分別開展瞬態(tài)面波無損檢測，試驗(yàn)現(xiàn)場采集分析工作選用PDS-LV無線面波儀、PDSPS無線動測儀和瞬態(tài)瑞雷波分析軟件SWCT。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選定檢波器頻率為100～200 Hz，采樣道數(shù)為12道檢波器，道間距為1 m，偏移距2 m，采樣間隔5 μs～50 ms，采樣數(shù)據(jù)長度為1 024點(diǎn)。觸發(fā)方式外觸發(fā)，激振設(shè)備為鐵錘和錘墊，用瞬態(tài)瑞雷波法共檢測3個斷面(夯實(shí)0組斷面、夯實(shí)2組斷面、夯實(shí)4組斷面)和9個測點(diǎn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場夯實(shí)方案

圖2 瞬態(tài)面波現(xiàn)場無損檢測

2.2 土工試驗(yàn)方案

根據(jù)試驗(yàn)方案，采用HC84液壓夯夯實(shí)完成計(jì)劃的夯實(shí)組數(shù)后，本著盡量少破壞現(xiàn)場的原則，在規(guī)定區(qū)域采用鉆孔機(jī)干取規(guī)定深度(地表以下0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m)的芯樣并進(jìn)行編號，如圖3所示。

圖3 鉆孔取芯及芯樣檢測

同時依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[13]采用環(huán)刀法現(xiàn)場制備試樣，整平干取芯樣的兩端，用修土刀將芯樣四周剝掉取芯樣內(nèi)核，削成略大于環(huán)刀直徑的土柱。稱取環(huán)刀質(zhì)量m1，然后在其內(nèi)壁涂抹一薄層凡士林，刀口向下放在土柱上，然后將環(huán)刀垂直下壓，邊壓邊削，至土樣伸出環(huán)刀上部為止。削去兩端余土，使土樣與環(huán)刀口面齊平，并用剩余土樣采用酒精燃燒法測得含水率w；擦凈環(huán)刀外壁，稱得環(huán)刀與土合質(zhì)量m2，精確至0.1 g，最后計(jì)算得干密度ρd、孔隙比e，并記錄數(shù)據(jù)。

3 瞬態(tài)面波探測工作原理

(1)

在同一測點(diǎn)對一系列頻率f求取相應(yīng)的VRi值就可以得出一條VR-f曲線，即所謂的頻散曲線，即

λR=VR/f

(2)

可將VR-f曲線轉(zhuǎn)換為VR-λR曲線，VR-λR曲線的變化規(guī)律就反映了該點(diǎn)介質(zhì)深度上的變化規(guī)律，沿測線不同的VR-λR曲線則反映了介質(zhì)沿剖面方向上的變化特征。

在等效半空間條件下由激振產(chǎn)生的瑞雷波傳播速度VR與動剪切模量G、密度ρ關(guān)于泊松比μ的關(guān)系為

(3)

可以看到，當(dāng)土質(zhì)參數(shù)確定時，瑞雷波速VR與土體密度ρ存在冪函數(shù)關(guān)系，土體密度ρ可以通過瑞雷波速VR反算得到，而對于填土路基，其壓實(shí)度K=ρ/ρ0，其中ρ0為土體試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)所達(dá)到的最大干密度，因此壓實(shí)度K理論表達(dá)可推導(dǎo)為

(4)

式(4)中：a、b為相關(guān)系數(shù)，考慮了動剪切模量G、密度ρ、泊松比μ、最大干密度ρ0等參數(shù)，對于每種土質(zhì)是固定常數(shù)。

基于此理論，目前學(xué)者們通過瞬態(tài)面波儀測得瑞雷波速以及通過灌砂法測得壓實(shí)度，可標(biāo)定出相關(guān)系數(shù)a、b，從而得到式(4)的具體表達(dá)式進(jìn)行土體內(nèi)部壓實(shí)度值檢測。實(shí)際上通過灌砂法僅可以測得路基土體水平表面的壓實(shí)度值，并無法測得路基沿著縱向深度變化的壓實(shí)度值，僅以土體表面壓實(shí)度推導(dǎo)表達(dá)式[式(4)]必然會產(chǎn)生部分偏差，影響結(jié)果精度，因此擬在瞬態(tài)面波無損探測的基礎(chǔ)上考慮土體內(nèi)部參數(shù)變化，提出一種基于瞬態(tài)面波的壓實(shí)度檢測方法及應(yīng)用。

4 結(jié)果與分析

4.1 瞬態(tài)面波檢測

回填路基與原狀路基、地基同層數(shù)之間必定存在一定的物性差異，在這些物性分界面處瑞雷波會發(fā)生頻散現(xiàn)象，其傳播速度又與填料物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)[16-17]，從而為基于瞬態(tài)面波的壓實(shí)度檢測應(yīng)用提供了研究方向。根據(jù)試驗(yàn)方案采用HC84液壓夯進(jìn)行夯實(shí)，夯實(shí)完規(guī)定遍數(shù)后開展瞬態(tài)面波無損勘探，得到結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 未夯實(shí)路基斷面瞬態(tài)面波探測

圖5 夯實(shí)2組路基斷面瞬態(tài)面波探測

圖6 夯實(shí)4組路基斷面瞬態(tài)面波探測

通過圖4～圖6波速云圖可以看出，由于路基分層填筑施工，瑞雷波波速呈現(xiàn)明顯的層狀分布，路基高程為5 m，對應(yīng)深度在-4.8 m左右的位置云圖顏色變深，波速變快，表明由此處往下巖土體的密實(shí)度增高，屬于地基部分。從波速云圖可以看出由淺處到深處(從路基表面到地基)波速是呈增大趨勢的，反映出當(dāng)前路基斷面由淺到深土體密實(shí)度越來越高。相比于自重壓實(shí)因素，機(jī)械壓實(shí)更能夠明顯提高土體的密實(shí)度。由不同夯實(shí)次數(shù)下的路基斷面波速云圖，即圖4(b)、圖5(b)和圖6(b)對比可看出，夯實(shí)次數(shù)越多的斷面，同一深度處的瑞雷波速較大，在5 m深度處(路基底部)，未夯實(shí)的路基斷面波速為1 000 m/s左右，而夯實(shí)2組的路基斷面波速達(dá)到1 600 m/s左右，夯實(shí)4組的路基斷面瑞雷波速可達(dá)2 800 m/s左右，由此可見液壓夯可以有效提高土的密實(shí)度，工程應(yīng)用性高。

在層狀介質(zhì)中，瑞雷波能量的傳播深度和它的波長有關(guān)，波長越長的瑞雷波，它的能量傳至地表以下的深度也越大。瑞雷波傳播的速度與瑞雷波傳播深度內(nèi)介質(zhì)的彈性參數(shù)有關(guān)，包括介質(zhì)的密度、壓縮波和剪切波速度，而主要的影響參數(shù)是介質(zhì)的剪切波速度。注意到三種工況下的波速云圖在1 m深度左右的位置波速變慢，本來波速較高的斷面區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了波速較低的顏色帶，分析施工階段在路基分層填筑到4 m高程左右的位置出現(xiàn)夏季降雨，隨后迫于工期收緊填料沒有進(jìn)行充分翻挖晾曬，僅靠壓實(shí)機(jī)械進(jìn)行振動壓實(shí)后就繼續(xù)填筑下一層填土，這一層的填料含水率較大，介質(zhì)的密度不高，壓縮波和剪切波速度傳播受到很大影響，在后期不同工況下的波速云圖中也得以體現(xiàn)。由此可見，研究水平地層瑞雷波的頻散特征，可以較為精確地求得地層內(nèi)部不同深度的彈性參數(shù)，通過反演分析即可對地層的速度和介質(zhì)層厚度進(jìn)行劃分。

4.2 土工試驗(yàn)檢測

根據(jù)試驗(yàn)方案采用HC84液壓夯進(jìn)行夯實(shí)作業(yè)，規(guī)定組數(shù)夯實(shí)完畢后，利用鉆孔機(jī)采用不加水的方式干取土芯，保證土樣參數(shù)不受影響，取得規(guī)定深度的土芯后，采用環(huán)刀法現(xiàn)場即時取樣(選擇土芯中央內(nèi)核作為取樣部位)開展土工試驗(yàn)，就地進(jìn)行含水率、干密度、壓實(shí)度、孔隙比等土體參數(shù)檢測，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 土體參數(shù)變化

由圖7可知，隨著距離地基的高度增加，干密度和壓實(shí)度逐漸提高，從距離地基1.0 m到距離地基5.0 m高度處(即路基表面)，夯實(shí)2組的壓實(shí)度從89.67%提高到97.01%，夯實(shí)4組的壓實(shí)度從90.24%提高到98.13%，在路基表面處夯實(shí)2組的路基壓實(shí)度與未夯實(shí)路基相比提高了1.95%，夯實(shí)4組的路基壓實(shí)度與未夯實(shí)路基相比提高了3.13%；從距離地基1.0 m到路基表面處，夯實(shí)2組的干密度從1.731 g/cm3提高到1.892 g/cm3，夯實(shí)4組的干密度從1.742 g/cm3提高到1.894 g/cm3，在路基表面處夯實(shí)2組的路基干密度與未夯實(shí)路基相比提高了0.91%，夯實(shí)4組的路基干密度與未夯實(shí)路基相比提高了1.01%。以上可看出夯實(shí)組數(shù)越多液壓夯壓實(shí)效果越明顯，路基深處的地方受到夯實(shí)作用影響減弱，逐漸呈現(xiàn)較大離散性。

注意到距離地基4 m左右處土體參數(shù)出現(xiàn)突變，究其原因仍是當(dāng)時降雨沒有充分翻挖晾曬路基填料，導(dǎo)致壓實(shí)度較差。土工試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了前文瞬態(tài)面波檢測結(jié)果，囿于現(xiàn)場填料性質(zhì)離散性較大，氣候降水影響，取樣點(diǎn)測得數(shù)據(jù)有限，壓實(shí)度孔隙比仍呈現(xiàn)較為明顯規(guī)律性，說明7 t夯錘的液壓夯影響范圍能夠有效覆蓋5 m厚的填料厚度。雖然增加夯擊次數(shù)能夠起到作用，但必然受到邊際效用遞減規(guī)律，過度夯實(shí)會造成資源浪費(fèi)，影響施工效率，如何判別填料是否達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，是目前液壓夯實(shí)施工作業(yè)面臨的問題，因此提出基于瞬態(tài)面波的壓實(shí)度檢測應(yīng)用，以期解決上述工程問題。

4.3 基于瞬態(tài)面波的壓實(shí)度檢測

土在最佳含水量狀態(tài)時能夠達(dá)到最佳壓實(shí)效果，含水率的增大會弱化路基覆土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[18]，李俊[19]也給出了固定含水率下土體壓實(shí)度與瑞雷波波速的關(guān)系，因此在進(jìn)行瑞雷波速與壓實(shí)度關(guān)系曲線標(biāo)定時有必要考慮含水率作為變量之一進(jìn)行回歸擬合，以期提高反演精度。測讀出三種工況下(未夯實(shí)、夯實(shí)2組、夯實(shí)4組)不同土層深度下(距離地基高度1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m)的瑞雷波波速值，如表3所示。

表3 土體參數(shù)

測讀出26處土體參數(shù)數(shù)據(jù)，即試驗(yàn)樣本容量n=26，結(jié)合不同土層深度下的含水率變化，對不同土層深度下的壓實(shí)度K變化情況進(jìn)行曲線回歸擬合，其經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缡?5)所示，將該非線性回歸經(jīng)轉(zhuǎn)化為線性回歸模型計(jì)算相關(guān)系數(shù)可知R=0.886。查相關(guān)系數(shù)臨界值表可知，自由度df=24，在顯著性α=0.01水平下經(jīng)線性內(nèi)插計(jì)算得R0.01(24)=0.497，顯然R=0.886>R0.01(24)=0.497，表明該模型與實(shí)測壓實(shí)度具有顯著的相關(guān)性，其擬合曲面如圖8所示。

圖8 壓實(shí)度擬合曲面圖

(5)

式(5)中:K為壓實(shí)度，%；x為瑞雷波波速值，m/s；y為含水率，%；ρ0為最大干密度，現(xiàn)場實(shí)測中ρ0=1.93 g/cm3。

進(jìn)一步地，選取G220東深線長清陳莊至長清平陰界段改建工程K275+100～K275+300段左幅路基段現(xiàn)場部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，考慮到過度夯實(shí)造成的效果提升邊際效應(yīng)，設(shè)置夯實(shí)1組的效果檢測，其結(jié)果如表4所示。

由表4可見，計(jì)算壓實(shí)度誤差值能夠保持在±2%誤差之內(nèi)，由此可見本文推導(dǎo)的壓實(shí)度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯τ谝话阈苑圪|(zhì)黏土的壓實(shí)度檢測具備一定的普適性。觀察不同夯實(shí)工況下的地表壓實(shí)度實(shí)測情況，夯實(shí)1組壓實(shí)度比未夯實(shí)壓實(shí)度提高了1.59%，夯實(shí)2組壓實(shí)度比未夯實(shí)壓實(shí)度提高了2.16%，相對于夯實(shí)1組僅提升了0.57%。為避免過度夯實(shí)造成資源浪費(fèi)，因此建議最優(yōu)夯實(shí)效果的夯擊組數(shù)為1～2組即可。

表4 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證結(jié)果

5 結(jié)論

通過土工試驗(yàn)檢測和瞬態(tài)面波的壓實(shí)度檢測等方式開展快速液壓夯動力補(bǔ)強(qiáng)效果無損評價試驗(yàn)研究，得到結(jié)論如下。

(1)由于路基分層填筑施工，瑞雷波波速呈現(xiàn)明顯的層狀分布，從波速云圖可以看出由淺處到深處波速呈增大趨勢，反映出當(dāng)前路基斷面由淺到深土體密實(shí)度越來越高。相比于自重壓實(shí)因素，機(jī)械壓實(shí)更能夠明顯提高土體的密實(shí)度。由不同夯實(shí)次數(shù)下的路基斷面波速云圖對比可看出，夯實(shí)次數(shù)越多的斷面，同一深度處的瑞雷波速較大，液壓夯可以有效提高土的密實(shí)度，工程應(yīng)用性較高。

(2)干密度和壓實(shí)度隨著距離地基的高程增加逐漸提高，在路基5 m處夯實(shí)2組的路基壓實(shí)度與未夯實(shí)路基相比提高了1.95%，夯實(shí)4組的路基壓實(shí)度與未夯實(shí)路基相比提高了3.13%；在路基5 m處夯實(shí)2組的路基干密度與未夯實(shí)路基相比提高了0.91%，夯實(shí)4組的路基干密度與未夯實(shí)路基相比提高了1.01%?？煽闯鲭S著夯實(shí)組數(shù)增多，液壓夯壓實(shí)效果存在邊際效應(yīng)，提升并不明顯。

(3)瑞雷波速可以反算得到路基內(nèi)部不同深度處的壓實(shí)度，而目前研究僅考慮路基表面壓實(shí)度與瑞雷波反算壓實(shí)度進(jìn)行標(biāo)定，具有一定局限性。在進(jìn)行瑞雷波速與壓實(shí)度關(guān)系曲線標(biāo)定時考慮含水率對瑞雷波速的影響進(jìn)行回歸擬合，建立土體內(nèi)部縱向壓實(shí)度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以合理、高效地對土體壓實(shí)度變化趨勢進(jìn)行實(shí)時快速評價。

(4)通過壓實(shí)度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算誤差值保持在±2%誤差之內(nèi)，該模型對于一般性粉質(zhì)黏土的壓實(shí)度檢測具備一定的普適性，為快速液壓夯動力補(bǔ)強(qiáng)效果的無損評價提供了有力的支撐。同時，為了避免過度夯實(shí)，建議最優(yōu)夯實(shí)效果的夯擊組數(shù)為1～2組。