基于PFWD的市政道路路基壓實質(zhì)量檢測方法研究

王千年

(武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北 武漢 430312)

1 引 言

市政道路路基的施工壓實質(zhì)量是影響道路后期使用的重要影響因素[1-3]。傳統(tǒng)的路基壓實質(zhì)量由壓實度、彎沉值等指標控制，但壓實度與彎沉值等指標在檢測過程中存在一定的不足，如破壞路基原有結(jié)構(gòu)、檢測速度慢等[4-8]。因此，本文以武漢濱湖大道路基試驗段工程為背景，采用動態(tài)變形模量Evd為路基壓實質(zhì)量控制指標，分析了路基松鋪厚度及碾壓遍數(shù)對壓實度與動態(tài)變形模量之間相關(guān)性的影響，對PFWD用于市政道路路基壓實質(zhì)量檢測可行性進行了驗證。

2 PFWD基本原理

2.1 便攜式落錘彎沉儀的組成

便攜式落錘彎沉儀也稱手持式落錘彎沉儀(簡稱PFWD)，由加載、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)組成，是在一般落錘彎沉儀的基礎(chǔ)上進行一定的改進，具有輕便、準確等優(yōu)點。PFWD可以快速檢測公路路基的動態(tài)變形模量，從而判斷公路路基的壓實質(zhì)量[9-12]。便攜式落錘彎沉儀的組成的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 便攜式落錘彎沉儀

2.2 PFWD的工作原理

傳統(tǒng)的市政道路一般通過壓實度來控制路基施工質(zhì)量，而壓實度反映的是路基填料的物理指標，只是對路基壓實質(zhì)量的間接反映[13-15]?？紤]到運營期道路承受車輛動荷載的沖擊，以PFWD檢測的動態(tài)變形模量作為市政道路路基壓實質(zhì)量控制標準，更加貼合實際情況，其工作原理為：將10 kg的落錘沿著導(dǎo)桿提升到一定的高度然后釋放，在重力作用下，落錘通過緩沖墊對承載板產(chǎn)生一定的沖擊，并沿著承載板傳遞給道路路基，使得路基產(chǎn)生一定的沉降變形，而PFWD的通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(壓力傳感器和位移傳感器)將路基的彎沉值、動應(yīng)變和動應(yīng)力等參數(shù)傳輸給計算機，并通過公式(1)計算用于描述路基動力特性的動態(tài)變形模量指標——Evd。

(1)

式中：Evd為動態(tài)變形模量，MPa；p承載板所受壓力，kPa；δ為承載板半徑，mm；μ為路基填料泊松比；l為承載板中心沉降值，mm。

相關(guān)研究表明[16-18]，PFWD落錘通過承載板對路基的作用時間很短，此時路基表現(xiàn)為彈性變形，通過分析不同落錘質(zhì)量及高度下路基的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎呈線性，因此，可以采用線彈性理論來分析PFWD的檢測結(jié)果，并把所得的路基動態(tài)變形模量值近似當做路基回彈模量值。

3 市政道路路基壓實質(zhì)量檢測方案

市政道路施工過程中多以壓實度作為路基壓實質(zhì)量的控制指標，傳統(tǒng)壓實度檢測方法的檢測周期長影響施工進度，且會對原有路基造成一定的破壞。而PFWD檢測方法不僅檢測速度快，而且是無損檢測，但在實際施工過程中對壓實度與動態(tài)變形模量的相關(guān)性進行分析是十分有必要的[19，20]。

3.1 壓實度的確定

市政道路壓實度是指壓實后路基填料的現(xiàn)場干密度與室內(nèi)最大干密度的比值，如公式(2)所示

(2)

式中:K為壓實度；ρd為現(xiàn)場干密度，g/cm3；ρdmax為室內(nèi)最大干密度，g/cm3。

公式(2)中的最大干密度可通過灌砂法或者灌水法獲得，而室內(nèi)最大干密度則根據(jù)現(xiàn)場路基填料最大粒徑的范圍進行室內(nèi)擊實試驗得到，可通過擴大現(xiàn)場試坑體積的方法，來提高壓實度的精確值。

3.2 試驗段路基壓實質(zhì)量檢測方案

以武漢濱湖大道路基試驗段工程為背景，對試驗段路基的動態(tài)變形模量進行檢測，其中試驗段選取長度為30 m，每個測點之間的間距為2 m或者3 m，測點具體布置如圖2所示，在每個測點處進行壓實度及動態(tài)變形模量檢測，并對檢測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，建立PFWD與壓實度之間的經(jīng)驗關(guān)系。

圖2 試驗段測點布置圖

具體檢測方案為：(1)選取具有地質(zhì)代表性的路段為試驗段，并按照圖2的布置方案，在每個測點處撒白石灰作為標記，并在標記處進行PFWD模量檢測(落錘質(zhì)量分別為10 kg和15 kg)；(2)根據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60—2008)，在測點處進行灌砂法試驗，檢測路基試驗段處的現(xiàn)場干密度，并結(jié)合室內(nèi)試驗計算壓實度。

4 壓實度與動態(tài)變形模量相關(guān)性分析

相關(guān)研究表明，市政道路路基的松鋪厚度、碾壓遍數(shù)等均是影響路基壓實度與動態(tài)變形模量的重要影響因素，因此，對不同松鋪厚度及碾壓遍數(shù)條件下的市政道路路基壓實度與動態(tài)變形模量的相關(guān)性進行研究分析。

4.1 松鋪厚度的影響

不同松鋪厚度下的工況如表1所示。

表1 不同松鋪厚度

不同松鋪厚度下壓實度與動態(tài)變形模量的相關(guān)性曲線如圖3～圖5所示。

圖4 松鋪厚度為60 cm

圖5 松鋪厚度為70 cm

由圖3～圖5可知，隨著松鋪厚度的增加，路基壓實度與動態(tài)變形模量之間的相關(guān)性逐漸減少，松鋪厚度為50 cm時，壓實度與動態(tài)變形模量之間的關(guān)系為K=0.099 24Evd+88.156 93，相關(guān)性系數(shù)為0.74；松鋪厚度為60 cm時，壓實度與動態(tài)變形模量之間的關(guān)系為K=0.123 27Evd+84.326 4，相關(guān)性系數(shù)為0.70；松鋪厚度為70 cm時，壓實度與動態(tài)變形模量之間的關(guān)系為K=0.144 54Evd+87.590 21，相關(guān)性系數(shù)為0.538；這是因為松鋪厚度越小，路基填料中的大顆粒塊石在壓路機的壓實作用下，破碎程度越高，填料顆粒越均勻，則測得的壓實度與動態(tài)變形模量之間的離散性越小，相關(guān)性系數(shù)增大。

4.2 碾壓遍數(shù)的影響

不同壓實下的工況如表2所示。

表2 不同壓實遍數(shù)

不同壓實遍數(shù)下壓實度與動態(tài)變形模量的線性關(guān)系如表3所示。

表3 不同壓實遍數(shù)下線性相關(guān)性方程

由表3可知，當?shù)缆仿坊盍系乃射伜穸燃皦簩崣C械一定時，壓實度與動態(tài)變形模量之間的相關(guān)性隨著碾壓遍數(shù)的增加，先增大后減?。郝坊雺?遍時，兩者之間的相關(guān)性系數(shù)為0.66，路基碾壓5遍時，兩者之間的相關(guān)性系數(shù)為0.74，路基碾壓6遍時，兩者之間的相關(guān)性系數(shù)為0.68。這是因為當松鋪厚度一定，在路基碾壓前期，隨著碾壓遍數(shù)的增加，路基填料表層中的大粒徑顆粒不斷被壓碎，并均勻的攤鋪到路基的表面，形成一層密實度較高的表層砂礫，此時道路路基抵抗變形的能力增加，壓實度與動態(tài)變形模量之間的相關(guān)性增強，由0.66增加為0.74；但當碾壓遍數(shù)達到一定次數(shù)后，路基表層以下更深處的填料破碎，形成密實骨架結(jié)構(gòu)，而PFWD監(jiān)測路基動態(tài)變形模量的深度有限，使得碾壓6遍后的動態(tài)變形模量值幾乎不變，從而導(dǎo)致壓實度與動態(tài)變形模量之間的離散性增大，相關(guān)性系數(shù)降低，由0.74變?yōu)?.68。

5 結(jié) 論

以武漢濱湖大道路基試驗段工程為背景，對試驗段路基的動態(tài)變形模量與壓實度進行檢測，并分析了路基松鋪厚度及碾壓遍數(shù)對動態(tài)變形模量與壓實度相關(guān)性的影響，得到以下結(jié)論。

(1)松鋪厚度是影響路基壓實度與動態(tài)變形模量的重要因素之一，路基松鋪厚度越小，路基填料顆粒在壓實作用下表現(xiàn)的越均勻，相關(guān)性系數(shù)也越大，當松鋪厚度為50 cm時，壓實度與動態(tài)變形模量的相關(guān)性最好。

(2)當?shù)缆仿坊盍系乃射伜穸燃皦簩崣C械一定時，壓實度與動態(tài)變形模量之間的相關(guān)性隨著碾壓遍數(shù)的增加，先增大后減小，碾壓遍數(shù)為5遍時，壓實度與動態(tài)變形模量的相關(guān)性最好。