動態(tài)回彈模量在路基壓實(shí)質(zhì)量評定中的應(yīng)用

摘" 要：路基壓實(shí)質(zhì)量檢測過程中，一般都會存在檢測參數(shù)多、檢測時間長、路基被損壞等問題。為快速、有效、準(zhǔn)確評定路基施工過程中的壓實(shí)質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)階段動態(tài)回彈模量的預(yù)估模型，基于回彈模量的各類測試方法的原理，介紹動態(tài)回彈模量測試儀在工程中的應(yīng)用，闡述填土路基的動態(tài)回彈模量與壓實(shí)度、土石路基和填石路基的動態(tài)回彈模量與沉降差的相關(guān)性，提出路基壓實(shí)質(zhì)量的評定方法。表明動態(tài)回彈模量與其他檢測參數(shù)相關(guān)性良好，可以作為路基壓實(shí)質(zhì)量的判定依據(jù)，為類似工程項(xiàng)目研究提供理論支撐和參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：路基;回彈模量;壓實(shí)度;沉降差;質(zhì)量評定

中圖分類號：U416.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2023）18-0145-05

Abstract： In the process of roadbed compaction quality inspection， there are generally many problems， such as many testing parameters， long testing time， roadbed damage and so on. In order to evaluate the compaction quality of roadbed quickly， effectively and accurately， according to the prediction model of dynamic resilient modulus at the present stage and based on the principle of various testing methods of resilient modulus， this paper introduces the application of dynamic resilient modulus tester in engineering， and expounds the correlation between dynamic resilient modulus and compaction degree of filling roadbed， dynamic resilient modulus and settlement difference of earth-rock roadbed and rockfill roadbed. The evaluation method of roadbed compaction quality is put forward. The results show that the dynamic rebound modulus has a good correlation with other testing parameters， which can be used as a basis for judging the compaction quality of roadbed， and provide theoretical support and reference for the research of similar projects.

Keywords： subgrade; rebound modulus; compactness; settlement difference; quality assessment

路基作為公路結(jié)構(gòu)主體組成的重要部分，其施工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響車輛行駛的安全和公路的使用壽命，路基壓實(shí)效果不佳很容易誘發(fā)一系列的公路質(zhì)量問題和安全隱患，路基壓實(shí)質(zhì)量的控制在施工過程中顯得更為重要。對于土質(zhì)路基、石方路基、土石路基，目前我國在高速公路施工現(xiàn)場路基壓實(shí)質(zhì)量檢測中常用的方法有環(huán)刀法、灌砂法、灌水法、沉降差法、核子密度儀法和探地雷達(dá)法等。路基的承載能力可以用貫入度、CBR（加州承載比）進(jìn)行評價，而在實(shí)際工程中，路基承受的荷載，僅用靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行評估是不全面的，如果能對不同填料的路基壓實(shí)質(zhì)量用相同的儀器進(jìn)行檢測，用統(tǒng)一的指標(biāo)進(jìn)行評定，就會提高工作效率和質(zhì)量。為了真正能夠更加安全有效地控制好路基施工過程中壓實(shí)作業(yè)質(zhì)量，使路基工程結(jié)構(gòu)部分的整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性能夠達(dá)到其設(shè)計(jì)指標(biāo)，我們需要選擇更全面、高效、嚴(yán)謹(jǐn)且科學(xué)的檢測和評定方法。隨著理論的創(chuàng)新和技術(shù)的不斷進(jìn)步，檢測儀器和評定方法在不斷更新。

近年來，許多學(xué)者通過建立動態(tài)回彈模量預(yù)估模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證擬合，研究指出利用便攜式落錘彎沉儀現(xiàn)場測定的動態(tài)回彈模量值可以作為評定路基壓實(shí)質(zhì)量的統(tǒng)一指標(biāo)，并在實(shí)際工程中得到了驗(yàn)證。李彪彪等[1]在室內(nèi)采用材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行承載板試驗(yàn)并測得各級應(yīng)力狀態(tài)的靜態(tài)模量值，對各級加載的模量值進(jìn)行修訂、計(jì)算得到相應(yīng)含水率及壓實(shí)度條件下的靜態(tài)回彈模量。同時采用各級加載條件下的三向應(yīng)力狀態(tài)值作為動態(tài)模量的三向應(yīng)力邊界條件，利用各自狀態(tài)下的回歸系數(shù)計(jì)算各級應(yīng)力狀態(tài)下的動態(tài)回彈模量值，以室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)及有限元分析為基礎(chǔ)，建立了黏土動態(tài)與靜態(tài)回彈模量之間的數(shù)學(xué)模型，使路基結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了由靜態(tài)到動態(tài)的轉(zhuǎn)變，為路基結(jié)構(gòu)勘察設(shè)計(jì)、試驗(yàn)檢測、交竣工驗(yàn)收和耐久性評價提供了理論參考。路基土動態(tài)回彈模量是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。張軍輝等[2]、劉君等[3]根據(jù)不同變量將預(yù)估模型分成以應(yīng)力為變量的預(yù)估模型、基質(zhì)吸力耦合到應(yīng)力變量中的預(yù)估模型、基質(zhì)吸力作為獨(dú)立應(yīng)力變量的預(yù)估模型3種。動態(tài)回彈模量的影響因素主要有壓實(shí)度、偏應(yīng)力、含水率、圍壓和加載時長等。王立功[4]通過重復(fù)加載動三軸試驗(yàn)建立了全面考慮濕度狀態(tài)、壓實(shí)狀態(tài)及應(yīng)力狀態(tài)的路基粉土動態(tài)回彈模量預(yù)估模型，得出路基粉土的動態(tài)回彈模量隨含水率與偏應(yīng)力的增大而減小，隨圍壓與壓實(shí)度的增大而增大，且對荷載具有明顯的應(yīng)力（軟化）依賴性，對路基粉土動態(tài)回彈模量的影響程度依次為壓實(shí)度、偏應(yīng)力、含水率和圍壓。彭俊輝等[5]通過有限元數(shù)值計(jì)算、試探性試驗(yàn)，選取土樣為高液限粉土和低液限黏土2種典型的路基土，制備了96%壓實(shí)度、最佳含水率下的試件開展考慮行車荷載加卸載時長的動態(tài)回彈模量試驗(yàn)。試驗(yàn)得出2種土質(zhì)動態(tài)回彈模量隨循環(huán)偏應(yīng)力和加載時長的增大有減小趨勢，隨圍壓增大呈增大趨勢。路基土動態(tài)回彈模量的影響規(guī)律在不同加載時長下，隨圍壓、循環(huán)偏應(yīng)力的變化基本一致。錢俊峰[6]通過對土石混合料的基本物理性質(zhì)試驗(yàn)和室內(nèi)動三軸試驗(yàn)，建立了能綜合考慮材料組成、物理狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的土石混合料動回彈模量預(yù)估模型，土石混合料的回彈模量與偏應(yīng)力水平、體應(yīng)力水平有關(guān)，在各種不同的壓實(shí)度條件下，土石混合料的回彈模量值，均隨含石量的增加而增長。

以上研究的預(yù)估模型均表明，路基壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)與路基動態(tài)回彈模量值之間的相關(guān)性良好，可以作為路基壓實(shí)質(zhì)量檢測和評定的依據(jù)。

1" 路基回彈模量測定法

1.1" 剛性承載板法

本方法適用于施工現(xiàn)場，在壓實(shí)的路基表面，通過承載板上的千斤頂對路基逐級加載、卸載進(jìn)行測試的一種方法，對每級荷載下對應(yīng)的路基回彈變形值進(jìn)行測定記錄，通過計(jì)算求得土基回彈模量。先在已碾壓成型的路基頂面現(xiàn)場選取一處水平試驗(yàn)點(diǎn)，用細(xì)砂找平，路基表面砂子不可覆蓋全部，以防形成夾層。安置好承載板后使承載板處于水平，用水平尺進(jìn)行現(xiàn)場校正，測點(diǎn)上安置好試驗(yàn)車，垂球懸掛在加勁橫梁中部進(jìn)行測試，使之恰好與承載板中心對準(zhǔn)后收起。然后將測力環(huán)、千斤頂、球座及百分表等安裝好，將2臺貝克曼梁的測頭分別置于承載板立柱的支座上。通過千斤頂預(yù)壓后對其進(jìn)行逐級加載和卸載，將百分表讀數(shù)進(jìn)行記錄，計(jì)算各級荷載下對應(yīng)的回彈變形、總變形和各級壓力下的影響量，回彈變形計(jì)算值為各級壓力的回彈變形值加上該級的影響量，由此繪出荷載壓強(qiáng)-回彈變形曲線。計(jì)算相應(yīng)于各級荷載下的土基回彈模量值，試驗(yàn)結(jié)束前，取各級回彈變形計(jì)算值，由線性回歸方法計(jì)算得出路基回彈模量E值。其檢測得到的為靜態(tài)回彈模量，且該檢測方法費(fèi)時費(fèi)力，數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜。

1.2" 貝克曼梁法

本方法適用于路基厚度不小于1 m的粒料整層表面，也適用于在既有道路表面測試路基路面的綜合回彈模量。對各點(diǎn)的回彈彎沉值利用貝克曼梁進(jìn)行測試，然后通過公式計(jì)算求得該材料的回彈模量值[7]。利用貝克曼梁在路基頂部測量車輪中心面的回彈彎沉Li，采用彈性半空間體公式，利用測試車輪的平均垂直荷載、測試用加載車雙圓荷載單輪傳壓面當(dāng)量圓的半徑、測試層材料的泊松比和彎沉系數(shù)，計(jì)算土基、整層材料路基路面材料的回彈模量或既有道路的綜合回彈模量。該測量方法簡便，在工程上得到了普遍認(rèn)可，但是標(biāo)準(zhǔn)荷載難以控制。

1.3" 落球儀測試法

本方法不適用于最大粒徑超過 100 mm的土質(zhì)路基模量測試，適用于黏土、粉土、砂石土及礫石土土質(zhì)路基的壓縮模量和回彈模量的快速測試[7]。落球儀裝置最大影響深度為250 mm，由碰撞裝置、信號采集裝置、測試及解析軟件等組成。測試前先選擇好測試區(qū)域，并做好標(biāo)記進(jìn)行相應(yīng)編號，每車道測區(qū)可間隔10～20 m為一處，每處測區(qū)不少于 7 個測點(diǎn)，各測點(diǎn)應(yīng)避開明顯的大粒徑填料，用中粗砂找平，測點(diǎn)間間距應(yīng)大于 500 mm。將落球儀放穩(wěn)至測點(diǎn)上調(diào)節(jié)好位置，手扶把手垂直提升至限定位置，松開把手讓球冠做自由落體運(yùn)動，使其與測試面進(jìn)行碰撞，設(shè)備自動采集測點(diǎn)數(shù)據(jù)并輸出，確認(rèn)有效后保存，再由測點(diǎn)模量計(jì)算出測區(qū)模量。由于落球測試的深度范圍比貝克曼梁彎沉要淺，因此落球測試的結(jié)果受測試區(qū)表面材料影響較大。當(dāng)表面材料有重車反復(fù)過往的路段時，落球測試的回彈模量結(jié)果則明顯偏大，表面濕潤時，落球測試的回彈模量結(jié)果明顯偏小。

1.4" 落錘式彎沉儀（FWD）法

FWD法是采用落錘式彎沉儀測試路表頂面在沖擊荷載作用下的瞬時變形，即動態(tài)彎沉，再根據(jù)所測彎沉值反算回彈模量，以便評價路基路面的承載能力。雖然FWD檢測得到的指標(biāo)為動態(tài)指標(biāo)，但是其設(shè)備較大，需要牽引車牽引至現(xiàn)場，對檢測場地有一定要求，在實(shí)際使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)牽引車難以到達(dá)現(xiàn)場的情況;而且設(shè)備昂貴，檢測時傳感器容易被污染，檢測數(shù)據(jù)比較容易失真。由于路面使用狀況不同，且路基狀況、水文條件、溫度及路面結(jié)構(gòu)的材料等不同，相關(guān)性關(guān)系也有所不同，為了提高數(shù)據(jù)的科學(xué)性、適用性，一般需分各種情況做相關(guān)性試驗(yàn)。

1.5" 便攜式落錘彎沉儀（PFWD）法

便攜式落錘彎沉儀是一種適用于路基表面的動力承載能力的試驗(yàn)檢測設(shè)備。通過釋放落錘做自由落體運(yùn)動，對承載板進(jìn)行動力加載沖擊，模擬車輛在高速行駛時對路面路基產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)，沖擊荷載通過承載板在路基測試部位出現(xiàn)豎向位移形成彎沉，由數(shù)據(jù)采集裝置對動荷載后產(chǎn)生的彎沉值、動應(yīng)變和動應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行記錄，計(jì)算機(jī)中的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后依據(jù)相應(yīng)的理論計(jì)算公式得出動態(tài)回彈模量值。

1.6" 室內(nèi)動態(tài)回彈模量測試法

動三軸試驗(yàn)即利用動三軸試驗(yàn)儀，在規(guī)定的加載條件下測定土的動態(tài)回彈模量，動三軸試驗(yàn)儀由三軸室、加載系統(tǒng)、荷載與變形響應(yīng)測量系統(tǒng)組成。按照規(guī)范要求將制備的試件置于三軸室內(nèi)，安裝位移傳感器，連通圍壓供給管和三軸室，通過設(shè)置圍壓和施加軸向荷載來模擬土體所受周圍約束作用，按照動三軸加載序列進(jìn)行加載測試。試驗(yàn)過程中采集每個加載序列最后5次循環(huán)的荷載、變形曲線、回彈變形平均值。按每個加載序列的最后5次循環(huán)的動態(tài)回彈變形計(jì)算動態(tài)回彈模量，并計(jì)算全部序列的均值。本方法包括標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、平衡濕度狀態(tài)、干濕循環(huán)條件和凍融循環(huán)條件4種狀態(tài)。適用于最大粒徑不超過20 mm的土體結(jié)構(gòu)[8]。

2" 路基動態(tài)回彈模量測試儀

通過模擬車輛行駛荷載作用，以落錘沖擊承載板施加瞬時動荷載進(jìn)行模擬，測出相應(yīng)測點(diǎn)的動態(tài)彎沉大小后，動態(tài)回彈模量采用剛性承載板下的彈性半空間體模型進(jìn)行計(jì)算，路基的剛性承載板下彈性半空間結(jié)構(gòu)受力圖如圖1所示。

落錘沖擊荷載的作用時間很短，只有25 ms左右，路基土來不及產(chǎn)生塑性應(yīng)變，荷載就已經(jīng)卸除，從而可以認(rèn)為在落錘的沖擊荷載作用下路基主要產(chǎn)生了彈性應(yīng)變，PFWD測得變形為動態(tài)回彈彎沉。大量試驗(yàn)資料表明，PFWD測得的荷載與變形擬合的曲線一般均呈線性關(guān)系，可以采用線彈性理論來分析，PFWD得到的動彈性模量值可近似等于路基回彈模量值。檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

動態(tài)回彈模量的理論計(jì)算公式見式（1）

式中：E0為路基動態(tài)回彈模量，MPa;D為承載板直徑，mm;l為承載板中心處的回彈變形，mm;P為承載板壓力，N;μ為路基材料泊松比，根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定取用，當(dāng)無規(guī)定時，參照J(rèn)TG 3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》，非黏性填料可取0.30，高黏性填料取0.50，一般可取0.35或0.40。

3" 路基壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)比對及評定

3.1" 比對試驗(yàn)

路基類型分為土方路基、石方路基和土石路基3種。土方路基路基壓實(shí)質(zhì)量一般用壓實(shí)度、彎沉作為關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)行評定，石方路基和土石路基壓實(shí)質(zhì)量用孔隙率、沉降差、彎沉作為關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)行評定。要想利用動態(tài)回彈模量值進(jìn)行評定，就要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際工程中要能與其他參數(shù)得到相同的評定效果，具有顯著的科學(xué)性和適用性。許多學(xué)者利用動態(tài)回彈模量測試儀現(xiàn)場進(jìn)行測試，并將動態(tài)回彈模量與規(guī)范的評定指標(biāo)進(jìn)行擬合，都得到了良好的效果。束冬林等[9]建立填土路基動態(tài)回彈模量與壓實(shí)度、土石混填和填石類路基動態(tài)回彈模量與沉降差之間的相關(guān)關(guān)系，采用“對應(yīng)性原則”確定相應(yīng)填料路基的動態(tài)回彈模量指出可將動態(tài)回彈模量作為間接反映路基壓實(shí)質(zhì)量評定指標(biāo)。李盛等[10]以廣連高速公路TJ09標(biāo)段的填石路基路試驗(yàn)段為工程背景，分別采用PFWD和水袋法對填石路基的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行檢測試驗(yàn)。建立填石路基的回彈模量、回彈彎沉與孔隙率之間的回歸模型，探究PFWD應(yīng)用于填石路基壓實(shí)質(zhì)量的快速檢測。回彈模量與孔隙率之間相關(guān)性良好。徐長春[11]基于PFWD進(jìn)行了室內(nèi)模型筒試驗(yàn)，探究了PFWD測得的回彈模量與壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系，依托京秦高速公路項(xiàng)目采用PFWD法對土石混填路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究，根據(jù)擬合的經(jīng)驗(yàn)公式提出評價標(biāo)準(zhǔn)，具有可行性。楊杰[12]依托京德高速公路和京秦高速公路建設(shè)工程，在現(xiàn)場進(jìn)行了PFWD與其他檢測方法聯(lián)合對比檢測試驗(yàn)。通過回歸分析，建立了PFWD的檢測指標(biāo)與其他傳統(tǒng)檢測方法的指標(biāo)之間的經(jīng)驗(yàn)公式，回彈模量與壓實(shí)度之間，回彈模量與碾壓遍數(shù)、沉降差之間，建立了線性回歸、指數(shù)回歸、對數(shù)回歸與乘冪回歸模型，都存在很好的相關(guān)性。表明PFWD在施工過程中可以實(shí)現(xiàn)對高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量的快速無損檢測，能夠極大地提高檢測效率，可以較快地反饋施工質(zhì)量，指導(dǎo)現(xiàn)場施工縮短施工周期。再根據(jù)傳統(tǒng)檢測方法的合格指標(biāo)初步提出了相應(yīng)的PFWD評價指標(biāo)，以便實(shí)現(xiàn)采用PFWD進(jìn)行高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測和評定。胡志文等[13]依托實(shí)際工程選定試驗(yàn)路段，利用沉降差和動態(tài)回彈模量值2種壓實(shí)檢測指標(biāo)對不同松鋪厚度和壓實(shí)工藝進(jìn)行壓實(shí)效果檢測分析，并對試驗(yàn)路段進(jìn)行沉降變形監(jiān)測。含巨粒土填料的動態(tài)回彈模量與沉降差在壓實(shí)過程中線性關(guān)系良好，用動態(tài)回彈模量值和沉降差2種指標(biāo)相結(jié)合控制路基壓實(shí)質(zhì)量是可行的。

3.2" 現(xiàn)場質(zhì)量評定方法

為便于實(shí)際應(yīng)用，將依據(jù)JTG 3450—2019《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》和JTG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊 土建工程》對路基壓實(shí)質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行逐級評定，實(shí)測項(xiàng)目中路基動態(tài)回彈模量用公式（2）表示。

式中：Er為路基的動態(tài)回彈模量代表值，MPa;Es為路基的動態(tài)回彈模量控制標(biāo)準(zhǔn)值，MPa; 為路基的動態(tài)彈性模量的平均值，MPa;tα為在t分布表格中隨著測量值和保證率而改變的系數(shù)，MPa;S為路基的動力彈性模量標(biāo)準(zhǔn)偏差，MPa。

當(dāng)Er≥Es時，單點(diǎn)動態(tài)回彈模量值均應(yīng)在95%Es以上，評定相應(yīng)分項(xiàng)工程合格;當(dāng)Er≥Es時，且單點(diǎn)路基動態(tài)回彈模量值全部大于等于85%Es且小于95%Es時，按測點(diǎn)數(shù)計(jì)算相應(yīng)合格率。當(dāng)Er≥Es，或某一單點(diǎn)路基動態(tài)回彈模量值小于85%Es時，該評定路段路基動態(tài)回彈模量為不合格，相應(yīng)分項(xiàng)工程為不合格。束冬林等[9]通過此方法，結(jié)合工程實(shí)例，驗(yàn)證以上評定方法可行。許忠印[14]基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，研究了檢測指標(biāo)的分布狀態(tài)、離散程度和集中趨勢對路基壓實(shí)均勻性狀態(tài)的影響，對路基壓實(shí)質(zhì)量檢測指標(biāo)的異常值采用單樣本t檢驗(yàn)法進(jìn)行處理，對單點(diǎn)檢測指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，通過統(tǒng)計(jì)指標(biāo)初步分析得出路基壓實(shí)質(zhì)量和路基壓實(shí)均勻程度，可以由回彈模量和彎沉值進(jìn)行表示。

4" 結(jié)論

通過理論分析和文獻(xiàn)查閱比對，結(jié)合工程實(shí)例，現(xiàn)得出以下結(jié)論。

1）路基回彈模量確定方法有承載板法、貝克曼梁法、落球儀測試法、落錘式彎沉儀（FWD）法、便攜式落錘彎沉儀（PFWD）法和室內(nèi)動態(tài)回彈模量測試法。

2）在不同的路基填筑材料中，用便攜式落錘彎沉儀（PFWD）法測量出的動態(tài)回彈模量值與規(guī)范中方法測出的壓實(shí)度、沉降差等指標(biāo)有著良好的關(guān)系，可以較好地反映路基的壓實(shí)質(zhì)量。

3）用動態(tài)回彈模量值對路基施工中的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行評價，推薦選用代表值，可以反映路基壓實(shí)均勻性狀態(tài)。

4）測試儀和評定方法在各地區(qū)的適用性可能有所差異，尚待進(jìn)一步驗(yàn)證，在今后的路基回彈模量現(xiàn)場測試中還需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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