基于靜力貫入的路基壓實度確定方法

摘要：為了建立公路路基壓實度檢測的新方法，在研究靜力貫入路基變形力學機理基礎上，深入考慮路基土體變形的非線性特征，引進分級加載和地基沉降分析的分層總和分析的思想，結(jié)合增量廣義虎克定律和DuncanChang模型，建立了以路基土體初始孔隙率、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角等為參數(shù)的路基貫入荷載位移分析模型.基于上述靜力貫入位移分析模型，根據(jù)實測路基靜力貫入荷載位移曲線，引進自適應遺傳模擬退火優(yōu)化反演分析方法，建立了基于靜力貫入試驗的路基壓實度檢測方法，該方法不僅可以檢測路基壓實度，還可以測定路基土體其他物理力學參數(shù)，而且，該方法還具有檢測速度快和效率高的特點.通過工程實例計算和與現(xiàn)有方法的對比分析，表明了本文方法的合理性與可行性.

關鍵詞：路基；靜力貫入試驗；孔隙率；壓實度；DuncanChang模型；反演分析

中圖分類號：U416.1文獻標識碼：A

壓實度是路基路面施工質(zhì)量檢測的關鍵指標之一[1].為了保證公路路基建設質(zhì)量，不可避免地要頻繁而大量地進行路基壓實度檢測，其檢測工作量繁重，因此，發(fā)展快速而可靠的公路路基壓實度檢測技術與方法成為快速而安全地進行公路路基建設的保證，這正是本文研究的出發(fā)點.

目前，公路路基壓實度檢測方法大體可分為灌水（砂）法和波法，盡管這兩類方法已在一般路基壓實度檢測中得到了較廣泛的應用，但是，將其應用于土石混填路基壓實度檢測仍存在局限性和不足.其一，采用灌水（砂）法[2]檢測路基壓實度， 需要攜帶較多的量砂，而且事先必須開挖試坑，因而不僅要破壞路基，而且對于土石混填路基來說，開挖施工困難，工作效率低，嚴重影響了黃金季節(jié)路基工程的施工進度；其二，波法主要包括瑞利波法[3-4]、瞬態(tài)沖擊波法[5]和核子密度儀法[6]等， 由于人們對于波在路基中的傳播規(guī)律與機理認識不足，盡管這類方法檢測效率高，但其檢測精度較差，難以滿足工程檢測要求.

為此，長安大學和陜西省高速公路建設集團公司的科研人員[7]將靜力貫入試驗移置到專用汽車上，通過測試路基的荷載位移曲線即Ps曲線，以達到測試路基壓實度的目的，從而初步發(fā)展了一套基于靜力貫入試驗的路基壓實度快速檢測新方法.其原理是根據(jù)貫入深度與壓實度的經(jīng)驗關系來確定路基壓實度，但對于不同的路基或土石混填路基，此關系極其復雜，即使能針對特定的路基建立起這種關系，往往也不具備普遍適用性，這就使該方法存在很大的局限性，精度也受到限制.隨后，曹文貴等[8]和羅宏等[9]將路基靜力貫入過程視為集中荷載作用在半無限空間的彈性問題，并認為路基變形模量的變化是由于路基被壓密而引起的，引進分級加載的思想，利用布辛奈斯克解導出了路基貫入變形與貫入荷載及初始孔隙率的關系，在此基礎上利用靜力貫入試驗曲線得到了初始孔隙率的確定方法，進而建立出了基于靜力貫入試驗的土石混填路基壓實度的確定方法.但是，靜力貫入路基時并非集中荷載作用，路基材料也遠非彈性材料，使得該方法建立的理論分析模型與實際存在較大差異，導致檢測精度仍然存在問題；于是，曹文貴等[10]將靜力貫入荷載視為均布荷載，而將貫入變形視為貫入形成的土石柱壓縮變形及柱端沉降兩部分，采用分級加載的思想和虎克定律導出了路基貫入變形與初始孔隙率的解析模型，從而大大提高了基于靜力貫入試驗的路基壓實度檢測的精度.但是，由于其仍然將路基材料視為彈性材料，無法反映路基材料變形的非線性本質(zhì)特征，致使基于靜力貫入試驗的土石混填路基壓實度檢測方法還是難以滿足工程檢測精度的要求，盡管如此，該方法仍然為路基壓實度的檢測提供了一條新的思路.

綜上所述，基于靜力貫入試驗來確定路基壓實度的關鍵在于對靜載或靜力貫入變形機理及路基材料變形的非線性特性的正確認識.為此，本文從深入研究土石混填路基在貫入荷載作用下的貫入變形和力學機理入手，充分考慮路基材料變形的非線性特征，在此基礎上，結(jié)合DuncanChang模型，建立靜力貫入變形和貫入荷載及路基初始孔隙率之間新的關系模型，進而完善基于靜力貫入試驗的路基壓實度檢測原理，以期大幅度提高路基壓實度檢測精度，使該方法在工程中能夠得到廣泛應用.

1 靜力貫入路基壓實度測定原理

在靜力貫入試驗中，隨著貫入荷載的增加，探頭底部的路基表面會發(fā)生沉降，形成貫入坑，該沉降即為探頭的豎向位移.路基產(chǎn)生貫入變形的根本原因在于路基表面貫入荷載P作用下引起路基土體內(nèi)的應力，由于土體中存在孔隙，在附加應力的作用下孔隙被壓縮，土體便會產(chǎn)生豎向變形，土體的豎向變形與土體孔隙率的變化有關，于是可以根據(jù)靜力貫入試驗得到Ps曲線，并通過反演分析求得土體的初始孔隙率，最終求得路基的壓實度.基于上述原理，利用靜力貫入試驗測定土石混填路基的壓實度的關鍵之一就是測定路基靜力貫入試驗中貫入荷載P與路基表面豎向位移或沉降s的關系曲線，要利用該曲線確定路基的初始孔隙率就必須建立起反映路基孔隙率或壓實度變化的路基貫入荷載與其豎向位移或沉降的解析模型.下面將詳細探討路基壓實度分析模型建立的方法與過程.

2靜力貫入路基表面豎向位移模型

5結(jié)論

本文結(jié)合路基靜力貫入試驗的特點，在研究靜力貫入路基變形力學機理的基礎上，對基于靜力貫入的路基壓實度檢測原理及壓實度確定方法進行了深入探討，由此可得如下結(jié)論.

1）在靜力貫入變形力學機理研究基礎上，深入考慮路基體變形的非線性特性，引進分級加載的思想，采用增量廣義虎克定律、Duncan-Chang模型以及分層總和法，建立出了以初始孔隙率，泊松比，粘聚力和內(nèi)摩擦角等為參數(shù)的路基靜力貫入的荷載位移分析模型，為基于靜力貫入試驗確定路基壓實度奠定了基礎.

2）基于本文建立的路基靜力貫入荷載位移分析模型，引入自適應遺傳模擬退火優(yōu)化反演分析方法，建立出了基于靜力貫入試驗的路基壓實度確定方法，實例分析表明了本文方法較現(xiàn)有方法更具合理性與可行性.

3）本文方法不僅可以檢測路基壓實度，也可以測定路基其他物理力學參數(shù)，亦可以用于路基沉降計算，較現(xiàn)有其它壓實度檢測方法具有明顯的優(yōu)越性.同時，本文建立的路基壓實度檢測方法具有檢測速度快，檢測效率高的特點，為實現(xiàn)路基快速機械化施工提供了技術保障.

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