粉砂土路基施工質量GeoGauge檢測有效性分析

何進，劉樹閣，楊廣慶

(1.河北省高速公路京雄籌建處，河北 保定 071799；2.石家莊鐵道大學，石家莊 050043)

1 引言

GeoGauge 作為一種快速測定壓實土體剛度和模量的路基施工質量測試儀器，能夠在現(xiàn)場簡便、快速、準確地檢測和監(jiān)控土的工程特性[1-2]。為了深入研究該檢測儀器設備使用的有效性，本文以常見的粉砂土公路路基結構為模擬對象，基于室內模型試驗和三維有限元數(shù)值模擬，探究了GeoGauge 的檢測影響深度以及含水率、壓實度變化對測試結果的影響。

2 室內模型試驗

2.1 試驗方案

考慮到GeoGauge 儀器測試時的影響范圍和邊界效應，室內試驗采用自行設計的一個內徑610 mm，高600 mm 的圓柱形鋼桶，由4 個半圓形鋼片拼接而成。該模型桶方便拆卸，節(jié)省人力并能提高試驗效率。

試驗用土為級配良好的粉砂土，其最佳含水率ωopt=12.0%，最大干密度ρdamx=1.83 g/cm3。試驗時將實驗桶放置在水泥混凝土地面上，按照設定的壓實度(93%、94%、96%）和含水率(最佳含水率，以2%含水率為間隔，最佳含水率上下各兩點）分層回填水泥土填料[3]，采用質量法控制壓實度，每層填料壓實厚度為5 cm，達到目標壓實度后即刻將GeoGauge 放在模型桶中心進行檢測，每個點檢測3 次，使用平均值作為最終的檢測結果。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 GeoGauge 測試影響深度

為了分析GeoGauge 檢測壓實粉砂土時的影響深度，每層土體壓實后測試其剛度值K，圖1為3 個不同壓實度93%、94%、96%條件下的測試結果。

由圖1可以得出：

1）在相同的壓實度條件下，隨著壓實層厚度的增加，實測壓實土頂面的剛度逐漸減小，壓實層厚度達到25 cm 后，實測剛度趨于穩(wěn)定。實測剛度值的變化速率隨壓實層厚度的增加呈減小的趨勢。

2）GeoGauge 測試的剛度值為動荷載作用下引起壓實土表面沉陷量的比值，其數(shù)值是GeoGauge 應力影響范圍內下承層性能的綜合反映。當壓實層厚度較小時，受水泥混凝土地面的影響，土體剛度數(shù)值較大。隨著厚度的增加，水泥混凝土地面的影響逐漸減小。當壓實層厚度達到25 cm 以后，水泥混凝土地面對檢測結果幾乎沒有影響，即可認為GeoGauge 在粉砂土中的影響深度約為25 cm。

3）壓實層厚度達到25 cm 以后的試驗結果表明：在相同含水率條件下，壓實粉砂土實測剛度K 隨著壓實度的增加而增大。94%壓實度時的實測數(shù)值較93%壓實度實測值提高6.1%，96%壓實度時的實測數(shù)值較93%壓實度實測值提高18.2%。

2.2.2 含水率對檢測結果的影響

通過壓實層厚度與檢測結果之間的關系可知，壓實層厚度在25 cm 以后GeoGauge 檢測剛度值趨于穩(wěn)定，所以本試驗壓實層厚度35cm，且了避免試驗結果的偶然性，對壓實度分別為93%、94%和96%的試驗結果進行了分析，圖2為3 種不同壓實度條件下的測試結果。

由圖2可以看出：

1）壓實度一定時，粉砂土的剛度值隨著含水率的增大呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢。在最優(yōu)含水率之后，3 條曲線的斜率均有所增加，即在最優(yōu)含水率之后剛度值隨著含水率的增加下降明顯。說明粉砂土中含水率對GeoGauge 檢測的剛度值影響較大。

2）對檢測結果采用多項式擬合，壓實度為93%時，最大剛度峰值所對應的含水率為11.6%；壓實度為94%時，最大剛度峰值所對應的含水率為11.4%；壓實度為96%是，最大剛度峰值所對應的含水率為11.5%。從以上結果可以看出，剛度的最大值在最優(yōu)含水率附近。

2.2.3 壓實度與檢測結果的關系

為了分析壓實度對GeoGauge 檢測結果的影響，將最優(yōu)含水率下的粉砂土，分多次加入模型桶內壓實，在最后一層填筑時，每壓實一遍進行一次高度的檢測，根據(jù)粉砂土填料填筑質量計算其壓實度，然后用GeoGauge 在模型桶中心位置進行檢測。圖3為粉砂土在不同壓實度下所對應的剛度值。

從圖3可以看出，GeoGauge 檢測剛度值隨粉砂土壓實度的增加而增大，且粉砂土壓實度和GeoGauge 檢測剛度值之間具有良好的指數(shù)關系，判定系數(shù)為0.9848，說明應用GeoGauge檢測粉砂土路基壓實度是可行的。

3 GeoGauge 動態(tài)力檢測及影響深度

3.1 GeoGauge 動態(tài)力檢測

試驗時，根據(jù)GeoGauge 底座圓環(huán)的接觸面積將微型應變式土壓力盒放在鋼板上，然后用標準砂進行覆蓋，將GeoGauge放在土壓力盒上，并利用DASP 軟件進行信號采集和數(shù)據(jù)處理，設備調試好后打開GeoGauge，采集GeoGauge 從開始測量到輸出結果的全過程底座施加在土壓力盒上的力。采用時域分析中的最大值進行分析，從而得出GeoGauge 在檢測過程中施加在土體表面力的最大值在17 N 左右。

3.2 模型建立

以室內模型試驗中模型桶的尺寸為依據(jù)，建立三維有限元數(shù)值模型，對GeoGauge 施加在土體表面的動應力傳遞規(guī)律進行分析，以應力衰減程度為90%的位置為GeoGauge 的影響深度。圓柱形土體的直徑610 mm，高600 mm，動態(tài)力以圓環(huán)的形式施加在圓柱體中心位置，圓環(huán)尺寸與GeoGauge 底座一致，荷載形式為半正弦曲線，荷載時程為2 s。模型采用四面體單元進行劃分。

3.3 影響深度分析

GeoGauge 施加的動態(tài)力的頻率在100～196 Hz，以4 Hz為增量共25 個頻率。本文在模型中分別施加了頻率為100 Hz、196 Hz 的動態(tài)力，探究不同頻率荷載下GeoGauge 的影響深度。圖4為17 N 動態(tài)力在100 Hz、196 Hz 時，沿深度方向的分布情況。從圖4可以看出，路基土體的表層壓應力最大，沿著深度方向不斷衰減，至黃色區(qū)域時應力已衰減至初始應力的10%。此時的深度大致為250 mm，計算結果與室內模型試驗的結果一致。且在3 種不同頻率荷載作用下，應力在地基土體中的傳遞規(guī)律基本一致，由此可知，荷載頻率的大小對應力沿深度方向的傳遞影響較小。

圖5為應力沿水平方向的分布情況，由5 可以看出，應力以小于45°的方向向下傳遞，圓環(huán)作用的表層應力最大，并向兩側迅速衰減，在模型的邊界位置應力接近于零，由此可知，內徑為610 mm 的模型桶對GeoGauge 不存在邊界效應，滿足室內模型試驗的要求。

4 結語

本文基于室內模型試驗和三維有限元模型，研究分析了在粉砂土中GeoGauge 檢測影響深度以及含水率、壓實度變化對測試結果的影響。結果表明：

1）在粉砂土中，GeoGauge 檢測影響深度在25 cm 左右。

2）在粉砂土中，GeoGauge 檢測剛度值隨著含水率的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且剛度最大值出現(xiàn)在最優(yōu)含水率附近。

3）在粉砂土中，GeoGauge 檢測剛度值隨著壓實度的增加而增大，且剛度和壓實度之間存在良好的指數(shù)關系。