基于連續(xù)壓實及動態(tài)變形模量檢測技術(shù)的土石混填路基壓實質(zhì)量研究

郝夢龍

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司,山西 太原 030000)

1 工程概況

靜樂豐潤至興縣黑峪口公路是一條東西走向的高速公路,東起靜樂縣豐潤鎮(zhèn)南與李家會村之間,并設(shè)置靜樂樞紐互通與太佳高速相接,終點位于陜西省榆林市神木縣馬鎮(zhèn)盤塘村,并與陜西神盤一級公路對接。該高速公路全長約550 km,其中路基段占線路總里程長度的75%,填方高度最大可達30 m。

靜樂豐潤至興縣黑峪口高速公路全線東高西低,全段地貌主要表現(xiàn)為中山侵蝕黃土地貌、寬谷堆積地貌、中山侵蝕基巖地貌等,其建成將有效緩解區(qū)域內(nèi)公路交通,并對帶動沿線地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展有非常重要的意義。

路基填方段的填料中含有大量的坡積土、殘積土等,按照風(fēng)化程度劃分,可劃分為強風(fēng)化土石混合填料、全風(fēng)化路基填料及中風(fēng)化路基填料,不同風(fēng)化程度土石混合填料的參數(shù)及顆粒級配分別如表1、表2所示。

表1 不同風(fēng)化程度土石混合填料的參數(shù)

表2 現(xiàn)場土石混合填料的顆粒級配

2 高填方路基壓實質(zhì)量檢測技術(shù)

路基在壓實過程中會發(fā)生宏觀變形,根據(jù)變形程度的不同大致可分為塑性變形和彈性變形,如公式(1)所示

s=s1+s2

(1)

式中:s為土石混填路基的總變形量,mm;s1為土石混填路基的彈性變形量,mm;s2為土石混填路基的塑性變形量,mm。常見的路基壓實質(zhì)量檢測方法有連續(xù)壓實控制技術(shù)和動態(tài)變形模量檢測技術(shù)。

2.1 連續(xù)壓實控制技術(shù)

振動壓路機在工作過程中,相當(dāng)于通過振動輪給路基結(jié)構(gòu)不斷施加循環(huán)的動荷載,因此可將振動壓路機看作一個激勵設(shè)備,通過傳感器獲得路基在循環(huán)振動荷載作用下的動力響應(yīng),從而對路基的結(jié)構(gòu)抗力進行評價。按照動力學(xué)分析,可將兩者之間的接觸看成彈簧和阻尼器進行連接,此時路基結(jié)構(gòu)抗力表達式如公式(2)所示

F=Psinωt-Ma

(2)

式中:F為路基結(jié)構(gòu)抗力,kN;P為激振力振幅,cm;ω為振動角頻率,Hz;M為振動輪質(zhì)量,kg;a為振動輪的響應(yīng)加速度,m/s2。

由公式(2)可知,當(dāng)振動壓路機的一些壓實工藝參數(shù)固定時,可通過對振動輪的加速度進行檢測,從而得到土石混填路基的結(jié)構(gòu)抗力。將振動輪的加速度信號進行處理后得到振動壓實值VCV,以振動壓實值VCV指標(biāo)對土石混填路基的壓實質(zhì)量進行評價。

2.2 動態(tài)變形模量檢測技術(shù)

在實際施工過程中,多利用輕型落錘彎沉儀對路基填料的動態(tài)變形模量Evd進行檢測,其工作原理為[4]: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(便攜式落錘彎沉儀)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(3)計算用于描述路基動力特性的動態(tài)變形模量指標(biāo)Evd。

(3)

式中:Evd為動態(tài)變形模量,MPa;p為承載板所受壓力,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[5],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(dāng)做路基回彈模量值。

3 試驗方案及結(jié)果分析

3.1 試驗方案

在實際施工過程中,碾壓遍數(shù)及松鋪厚度施工單位容易控制,并且是對土石混填路基壓實質(zhì)量有重要影響的因素之一,因此本試驗段對不同碾壓遍數(shù)(2遍、4遍、6遍)及松鋪厚度(40 cm、50 cm、60 cm)下的高填方土石混填路基進行連續(xù)壓實及動態(tài)變形模量試驗,研究分析不同碾壓遍數(shù)及松鋪厚度條件下土石混填路基的壓實質(zhì)量,并對不同工況下檢測到的振動壓實值VCV與動態(tài)變形模量Evd之間的相關(guān)性進行分析,如表3所示。

表3 不同試驗工況

首先根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告,選取典型路段作為試驗段,然后根據(jù)現(xiàn)場施工情況,并結(jié)合表3中的試驗方案,對壓路機碾壓完成后的路面進行布點,布點時可通過膩子粉對監(jiān)測點進行標(biāo)記。

考慮到不影響施工進度,試驗段長度選取30 m,測點之間的間距選取2 m或者3 m,對碾壓完畢后的輪跡進行Evd及VCV測試。

連續(xù)壓實檢測步驟如下所示。

(1)在整平后的路基上面使用膩子粉標(biāo)定試驗范圍及測點,在測試前需要將壓路機的參數(shù)及施工參數(shù)等相關(guān)參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)采集設(shè)備,然后將磁性傳感器放置到壓路機支架上面。

(2)壓路機開始碾壓,碾壓過程中需要注意壓路機的碾壓輪不能超過試驗邊界,并且壓路機應(yīng)該從距離試驗界限較遠處開始起振,以保證壓路機參數(shù)在試驗段內(nèi)的穩(wěn)定性。

(3)當(dāng)壓路機達到試驗界限的邊緣,啟動數(shù)據(jù)采集設(shè)備,碾壓過程中應(yīng)盡量保證壓路機的速度恒定,一般為2.5～3.6 km/h,當(dāng)壓路機離開試驗界限時,停止數(shù)據(jù)采集,并提示駕駛員停止振動并將壓路機停止。

(4)重復(fù)以上步驟;將采集到的數(shù)據(jù)輸入到分析軟件里面,可以得到路基的壓實程度、穩(wěn)定性等指標(biāo)。另外對布點處的VCV進行提取,方便和該測點處動態(tài)變形模量Evd進行對比。

動態(tài)變形模量檢測步驟如下。

(1)首先對測點處進行整平,并將荷載板放置在測點上面,保證荷載板底面和底面完全接觸。

(2)將荷載板與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接起來,并松開落錘,將重錘沿著導(dǎo)向桿做自由落體運動,重復(fù)以上步驟3次。

(3)對數(shù)據(jù)進行采集及保存,可以得到該測點處路基的動態(tài)變形模量。

3.2 試驗結(jié)果分析

(1)VCV檢測結(jié)果

對不同松鋪厚度及碾壓遍數(shù)條件下土石混填路基的VCV值指標(biāo)進行統(tǒng)計,如圖1所示。

圖1 不同碾壓遍數(shù)及松鋪厚度下土石混合填路基的VCV值

由圖1可知,當(dāng)土石混填路基的松鋪厚度一定時,隨著壓路機碾壓遍數(shù)的增加,連續(xù)壓實值VCV幾乎呈現(xiàn)增加的趨勢,且連續(xù)壓實值VCV在碾壓前期增加速度較快,后期緩慢,在進行連續(xù)壓實值VCV試驗時,需要注意控制施工工藝的規(guī)范性,以防止出現(xiàn)連續(xù)壓實值VCV異常值。

根據(jù)測點處的動態(tài)變形模量可知,其路基表面的密實程度較低,故在碾壓初期(碾壓遍數(shù)達到2遍時),路基填料的預(yù)壓效果較弱,顆粒破碎情況較少,所以振動壓路機的作用效果明顯,從而使得路基的結(jié)構(gòu)抗力增加較快,連續(xù)壓實值VCV快速增加。隨著碾壓遍數(shù)的增加,路基的結(jié)構(gòu)抗力增加到一定程度,土石混填路基的密實度也達到一定的數(shù)值,該階段土石混填路基的變形以彈性變形為主,若要進一步提高土石混填路基的壓實度,需要更高的壓實能量,而壓路機的壓實能量是固定的,因此,土石混填路基的結(jié)構(gòu)抗力增加緩慢,連續(xù)壓實值VCV表現(xiàn)為基本持平。

當(dāng)土石混填路基的松鋪厚度為50 cm時,在碾壓初期,振動壓路機的作用效果更為明顯,當(dāng)松鋪厚度為70 cm時,在碾壓后期,由于土石混填路基松鋪厚度較大,在填料中難免存在一些更大的顆粒,在較大松鋪厚度情況下,前期碾壓不足致使大顆粒完全破碎,因此在碾壓后期仍然出現(xiàn)較多顆粒的破碎及位置重新排列,路基填料級配不斷改善,所以碾壓后期連續(xù)壓實值VCV持續(xù)增加。

(2)VCV與動態(tài)變形模量相關(guān)性分析

結(jié)合以上的試驗結(jié)果,對碾壓遍數(shù)為5遍,不同松鋪厚度條件下,土石混填路基連續(xù)壓實值VCV及動態(tài)變形模量的相關(guān)性進行分析,結(jié)果表4所示。

表4 不同工況下連續(xù)壓實值VCV及動態(tài)變形模量相關(guān)性

由表4可知,當(dāng)松鋪厚度為50 cm及60 cm時,松鋪厚度越大,連續(xù)壓實值VCV與動態(tài)變形模量相關(guān)性系數(shù)越低。當(dāng)松鋪厚度為70 cm時,由于土石混填路基下鋪強度較大的強風(fēng)化及中風(fēng)化花崗片麻巖,動態(tài)變形模量的離散性較大,所以連續(xù)壓實值VCV與動態(tài)變形模量之間的相關(guān)性幾乎為零。

4 結(jié) 論

考慮到施工成本及施工進度,通常將土石混合填料作為高速公路的路基填料,而土石混合填料的物理力學(xué)特性較為復(fù)雜,以靜樂豐潤至興縣黑峪口高速公路路基填筑工程為背景,通過現(xiàn)場試驗,對不同碾壓遍數(shù)及松鋪厚度條件下,高填方土石混填路基的連續(xù)壓實值VCV與動態(tài)變形模量值進行研究,得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)土石混填路基的松鋪厚度一定時,隨著壓路機碾壓遍數(shù)的增加,連續(xù)壓實值VCV幾乎呈現(xiàn)增加的趨勢,且連續(xù)壓實值VCV在碾壓前期增加速度較快,后期緩慢,在進行連續(xù)壓實值VCV試驗時,需要注意控制施工工藝的規(guī)范性,以防止出現(xiàn)連續(xù)壓實值VCV異常。

(2)在進行土石混填路基壓實過程中,一味地增加碾壓遍數(shù)不一定能夠達到較好的壓實效果,可能造成人力及物力的浪費,應(yīng)結(jié)合松鋪厚度及施工工藝等參數(shù)合理選擇碾壓遍數(shù),試驗結(jié)果表明,實際工程中碾壓遍數(shù)達到5遍左右即可。

(3)當(dāng)松鋪厚度為70 cm時,土石混填路基的連續(xù)壓實值VCV與動態(tài)變形模量之間的離散性較大,當(dāng)松鋪厚度為50 cm及60 cm時,松鋪厚度越大,則連續(xù)壓實值VCV與動態(tài)變形模量相關(guān)性系數(shù)越低,分別為0.714、0.760。