土石混填路基壓實質量檢測方法分析

吳龍躍 胡立 孫士亮

摘要：根據在控制路基壓實質量中所起的作用，可將壓實質量檢測指標分為兩類：物理性質指標和力學性質指標，分別對應的檢測方法為密度檢測法和抗力檢測法。土石混合填料作為一種良好的填筑材料被越來越多的應用于工程實踐中，若采用傳統的檢測方法檢測其壓實質量，則存在諸多問題。通過對這些檢測方法的評價，分析其應用在土石混填路基中的不足之處，提出采用連續壓實控制技術實現對土石混填路基壓實質量的實時控制。

Abstract： According to the role played in controlling embankment compaction quality， compaction quality indicators can be divided into two categories： physical properties and mechanical properties of indicators， and the corresponding detection methods are density detection and resistance detection. As a kind of good filling material， soil-stone material is more and more used in engineering practice. If the traditional testing method is used to check the compaction quality of soil-stone embankment， there are many problems. Through the evaluation of these test methods， the shortcoming of its application in the soil-stone embankment is analyzed， and the real-time control of the compaction quality of the soil-stone embankment is proposed by using the continuous compaction control technology.

關鍵詞：土石混合填料;路基;檢測方法;控制指標;連續壓實控制技術

Key words： soil-stone material;embankment;detection method;control index;continuous compaction control technology

中圖分類號：U416.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0231-04

0 ?引言

我國西部地區多為山嶺丘陵，其地形，地貌和地質水文條件復雜，修筑公路時為節約成本，往往就地取材，采用隧道、邊坡等開挖得到的土石混合料填筑路基。和一般的細粒土相比，土石混合料的粒徑變化大，含水狀態極不均勻，如果仍采用細粒土的壓實質量檢測方法和評價標準，必然存在著檢測評價指標的適用性、評價標準的合理性等問題[1]。隨著土石混合填料在我國路基工程中的大量使用，通過對傳統檢測方法的對比分析，提出一種針對土石混填路基的快速、穩定、無損的壓實質量評價方法。

1 ?土石混填路基壓實質量的控制指標

傳統檢測方法的壓實質量控制指標往往可以分為兩大類：物理性質指標和力學性質指標[2]。其中物理指標，例如壓實度K和孔隙率n等，表征的是路基土的密實狀況，間接的反應了路基的強度和變形。而力學指標，例如地基系數K30、動彈性模量Evd、變形模量Ev1、Ev2等，直接表征了路基的強度和變形性狀。

在實際工程中，根據不同的工程概況，將會選取不同的控制指標，見表1。

2 ?不同控制指標下的壓實質量檢測方法

2.1 物理指標下的壓實質量檢測方法

物理指標有壓實度K和孔隙率n等，反映的是填土壓實后的密實程度，而填土的密實程度和強度及變形密切相關。以物理指標控制壓實質量的方法稱為密度檢測法。

2.1.1 壓實度

壓實度K是現場土石混合填料碾壓后的干密度和室內試驗測得的最大標準干密度的比值，它反應的是土體的密實程度。

（1）

式中，ρd為填料的現場干密度，g/cm3;ρdmax為填料的標準干密度，g/cm3。

從式（1）可以看出，針對土石混填路基需要解決三個問題：現場干密度ρd的確定、標準干密度ρdmax的確定以及現場干密度ρd和標準干密度ρdmax的對等性[3]要求。

①現場干密度ρd的確定

傳統的方法有灌砂法和灌水法，使用灌砂（水）法采取樣品時，需要手工操作如挖坑、稱重等，其精度受人為因素影響，方怡洵[4]、李浩[5]結合工程實踐，分析了影響灌砂法試驗精度的因素。對于級配均勻的細粒土而言，這種影響尚能接受，但是對于土石混合填料而言，誤差較大。由于土石混合填料的粒徑大，可以通過擴大試坑體積來提高精度，但導致工作量和檢測時間增加，難以滿足規范要求的測試頻率，還有可能影響施工進度。

為了加快檢測速度，并不破壞土層結構，工程中提出了核子密度儀法和瑞利波法，姚保才[6]將灌砂法和核子密度儀測得的干密度ρd進行對比分析，發現兩者具有較好的相關性，李青山等人[7]通過室內試驗建立了剪切波速Vs和干密度ρd的關系模型，并和傳統檢測方法的結果進行比較，一致性較好。核子密度儀法和瑞利波法雖然快速高效，但是其工作參數受土石混合填料的顆粒級配和粗顆粒含量影響較大，對于料源變化較大的路段需要多次標定。

②標準干密度ρdmax的確定

目前常見的確定標準干密度的方法有表面振動儀法、振動臺法以及擊實法。對于土石混合填料而言，確定其標準干密度ρdmax時有幾個問題需要解決。

1）粒徑大：按照目前各國的規范，無論是表面振動和振動臺法還是室內擊實試驗，被測土料都存在最大粒徑的范圍限制，例如，我國《土木工程試驗規范》規定土料的最大粒徑dmax？燮60mm。而實際工程中土石混合填料的最大粒徑明顯超過了上述粒徑范圍。目前處理超粒徑料的方法主要有三種：剔除法（超粒徑料含量不大于10%），等重量替代法[8]（超粒徑料含量不大于50%），相似級配法[9]（超粒徑料含量大于50%的卵漂石、堆石）。

2）含石量變化大：在土石混填路基中，每一點的含石量相差很大，測得的土石混合填料密度值呈離散性分布[10]，若以某一含石量下的標準干密度來控制壓實度，則很有可能出現壓實度大于1的情況。考慮到土石混合填料的含石量變化大，閆秀萍[11]利用室內擊實試驗得到標準干密度和含石量（d？叟5mm）的關系曲線來確定不同含石量下的標準干密度。

3）非均質性：計算標準干密度時假設填料均質，即填料材質是同一種。而土石混合填料是非均質材料，即使含石量相同，標準干密度也會發生變化，周立新[12]提出了填料不同壓實度對應的固體體積率控制指標建議值。

③現場干密度ρd和標準干密度ρdmax的對等性

室內外試驗所用土石混合填料的顆粒組成、級配要有對等性且室內擊實功數據和相應的壓實機具應相匹配，這樣式（1）的計算結果才有意義。但考慮到取樣的代表性、材料的變異性等因素，直接的對等性很難得到滿足。

2.1.2 孔隙率

《時速200km新建鐵路線橋隧站設計暫行規定》首次在我國鐵路路基施工監測中采用孔隙率指標，孔隙率n的大小同樣反映了土體的密實程度。

（2）

式中，ρd為填料的現場干密度，g/cm3;G為填料的顆粒密度，g/cm3。

由式（2）可知，我們需要確定現場干密度ρd和顆粒密度G。其中，現場干密度ρd通常利用灌砂（水）法或核子密度儀法等確定，顆粒密度G根據相關試驗規程求得。求顆粒密度G時，需要將土石分離分別測定，不僅工作量大而且兩者之間沒有明確的粒徑明確分界，很難分離。所以，黃俊[13]從孔隙率的定義出發（土的孔隙體積Vv與土總體積V的比值），用灌砂法測得填料的總體積V，然后將填料烘干后用排水法測得填料的孔隙體積Vv，避免了土石分離。另外，李少波[14]通過試驗建立了土石混合填料剪切波速Vs和孔隙率n的相關分析模型，提出應用剪切波速Vs評價土石混填路基壓實質量的新方法。和壓實度K相比，以孔隙率n為控制指標具有很多優點：

①對于土石混合填料而言，標準干密度ρdmax的確定困難，而以孔隙率n為控制指標時，則不需要確定標準干密度ρdmax。

②由于土石混合填料的非均質性，使得確定的壓實干密度上下波動較大。但類似相關經驗表明，對于非均質填料其孔隙率相對穩定有規律[15]，能夠較好的反映路基壓實質量的整體性狀。

不足之處是：

①顆粒密度G是使用視密度Gs還是毛體積密度Gm沒有明確的規定，以至于不同檢測者所計算結果產生較大偏差。唐沛[16]將這兩種孔隙率的測試結果進行比較分析，發現將毛體積密度Gm看作填料的顆粒密度G更為合理。王龍煒[17]提出在填料內部孔隙填充量不足情況下，取視密度Gs和毛體積密度Gm兩者的平均值作為填料的顆粒密度G。

②土石混合填料級配變化較大，采用統一的孔隙率常定指標可能出現超過檢測精度容許的誤差。

2.2 力學指標下的壓實質量檢測方法

用單一的物理指標很難反應土石混填路基的穩定和變形特征，所以在檢測密實度的基礎上，直接將強度和變形指標（如地基系數K30、變形模量Ev1、Ev2、動彈性模量Evd以及塑性變形增量等）作為反映路基強度的控制指標，即抗力檢測法。

2.2.1 地基系數K30及變形模量Ev1、Ev2

地基系數K30及變形模量Ev1、Ev2都是通過靜態平板載荷試驗得到，但是兩者在計算方法、分級加載增量以及加載的時間間隔上都有所不同。和傳統的物理控制指標相比，利用平板載荷試驗求得地基系數K30及變形模量Ev1、Ev2作為路基壓實質量的控制指標有很多優點：

①K30及變形模量Ev1、Ev2物理意義明確、原理簡單，都是直接表征路基強度和變形的指標。

②在某些情況下，即使路基填土的壓實度達到標準，但其強度指標仍然很低，不能滿足路基要求。此時，引入地基系數K30及變形模量Ev1、Ev2指標，則可以較好的控制路基的壓實質量。

③和傳統的灌砂（水）法相比，試驗時不破壞土層結構。

不足之處：

①進行平板載荷試驗時需要大型配重設配及相關人員配合，費時較長，特別是既有鐵路路基檢測，幾乎無法應用。另外，平板載荷試驗對試驗條件、試驗人員技術及試驗場地（例如試驗場地的平整度、儀器儀表的穩定性、氣候條件、荷載穩定性及沉降穩定標準等）的要求較高，如果不滿足相應的條件，將得不到正確的結果[18]。

②平板載荷試驗要求被測填料的最大粒徑不大于載荷板直徑的1/4，且級配較均勻。土石混合填料的粒徑大、級配變化大，導致平板載荷試驗的結果離散性很大，難以反映路基的整體壓實質量。

③由土力學原理知，平板載荷試驗的結果代表兩倍載荷板直徑深度范圍內土體的特性，當該深度范圍內原地基較軟時，測試結果大部分反映了原地基的情況而非填料特性[19]。

變形模量Ev2和地基系數K30在試驗時有不少相同之處，可以通過大量的室內外試驗和理論分析，找出兩者相關性[20]-[21]。實際工程中二者選一，可以減少很多檢測時間和工作量，加快施工進度。

2.2.2 動彈性模量Evd

德國1997年提出將動彈性模量Evd作為路基壓實質量的控制指標，我國也于2004年將動彈性模量Evd的檢測方法納入《鐵路土工試驗規程》（TB10102-2004）中，動彈性模量Evd值可由便攜式落錘彎沉儀（PFWD）測得，故也稱PFWD法。和變形模量Ev2及地基系數K30相比，以動彈性模量Evd為控制指標不僅繼承了其優點（不破壞土層結構、物理意義明確等），還克服了其部分缺點：

①無論是變形模量Ev2還是地基系數K30都是靜態平板載荷試驗獲得的，不能反映列車動荷載作用下路基的真實情況，而以動彈性模量Evd為控制指標則能更加真實的評價路基在動荷載作用下的動力性質。

②便攜式落錘彎沉儀（PFWD）體積小、重量輕且操作簡單，克服了平板載荷法不適用于狹窄施工場地的缺點。每個測點僅需2～3min，在施工中可以增加測點數量，使試驗數據更全面、更具代表性。

但也有不足之處：

①PFWD法也要求填料的粒徑不能過大、級配均勻。相關試驗表明動彈性模量Evd和地基系數K30之間具有一定的相關性，填料級配越均勻則相關性越強，所以對土石混合填料而言，使用PFWD法誤差較大。

②以動彈性模量Evd作為路基壓實質量的控制指標是建立在與地基系數K30進行大量對比試驗的基礎之上的[22]，而地基系數K30試驗本身就存在很多的不確定性，導致兩者之間的相關性不太理想。另外儀器本身也有很多需要改進和優化的地方。

2.2.3 塑性變形增量

塑性變形法也稱表面沉降差法，塑性變形法的檢測指標有兩類：密實控制性指標和抗力檢測性指標[23]。其中，密實控制指標是指累計塑性變形率（加固前后填料的累計塑性變形增量除以填筑層加固厚度），它表明的是填筑層加固前后物理狀態的改善幅度和加固效果;抗力檢測指標是指塑性變形增量（相鄰兩遍碾壓的高程差）也稱沉降差，它表明的是填筑層的力學性能。

在施工過程中經常把沉降差和施工工藝參數結合起來作為路基壓實質量的控制指標，即試驗工程法。盧春[24]在試驗段上利用不同的施工參數進行施工控制，通過試驗得到沉降差和壓實度的對應關系，以獲得達到壓實度要求時所對應的沉降差標準，作為正式施工時壓實質量的評價標準。沉降差的變化和壓實遍數關系密切，與施工工藝管理結合起來，已經成為土石混填路基壓實質量控制的主要方法之一。

利用塑性變形法控制路基壓實質量時具有簡便、快捷、準確以及便于推廣等特點，但也存在一些不足之處：

①利用高精密水準儀檢測儀測量碾壓前后的沉降差時，受人為因素影響較大，且重現性差。

②土石混合填料性質變化大，即使同一種土石混合料在相同的松鋪厚度、碾壓遍數、碾壓機具下，最終的壓實效果也不相同，導致沉降差標準難以確定。

3 ?土石混填路基壓實質量控制方法綜合分析

壓實度檢測技術歷經多年使用，已經形成了一套較為完善的方法及配套的室內外試驗檢測儀器和標準。由于土石混合料粒徑大、非均質，導致標準干密度ρdmax難以確定，所以在密度檢測法的基礎上提出了抗力檢測法。抗力檢測法和密度檢測法相比，能夠直接反映路基的強度和變形，但也有很多局限性。

無論是密度檢測法還是抗力檢測法都是在壓實后，取有限個測點的數據進行分析，很難反應整個壓實面的壓實質量。而且，傳統檢測方法都屬于事后檢測，當出現漏檢時，會引起返工影響施工進度。針對傳統方法的不足，瑞典在1976年最先提出了連續壓實控制技術，它通過裝載在振動壓路機振動輪上的傳感器來連續測試振動輪的動態響應信號，經過處理得到諧波比（CMV），以此指標來反映土體的壓實狀況。進入80年代后，德國和瑞士也對此項技術從原理、設備、軟件等幾方面進行了系統研究。目前連續壓實控制又稱作“智能壓實（IC）”，被歐美譽為筑路技術的“第三次革命”。

基本原理：將振動壓實機具作為加載設備，根據振動輪和碾壓層之間的相互作用，在振動輪的軸承上安裝加速度感應器，檢測振動輪加速度，通過對振動信號的分析處理，判斷土體的壓實狀況。

合理性：連續壓實指標的精度和連續壓實結果密切相關，保證連續壓實指標的精度是該技術的關鍵。我國大量學者對連續壓實進行了研究，發現連續壓實指標和傳統壓實指標之間具有較強的相關性[25]-[27]。

連續壓實技術的評定指標對于粗粒料碾壓控制具有局限性，并且其設備價格高昂、要求路基結構是一個理想彈性半無限體。所以，對于土石混合填料而言，連續壓實控制技術在今后的改進中可以從以下幾個方面進行研究：

3.1 碾壓過程動態控制指標體系

根據彈塑性力學理論及道路工程理論，分析散體填料在荷載作用下形成路基結構過程中狀態變化的關鍵要素以及變化規律，在此基礎上確立動態控制指標;根據路基與碾壓機具相互作用的力學原理建立動力學模型，分析路基結構形成過程中關鍵狀態變量（動態控制指標）與可測量之間的內在聯系，形成動態控制指標體系。

3.2 碾壓過程反饋控制原理

按照現代控制理論，建立路基碾壓質量反饋控制的一般技術原理，針對不同情況確定不同的控制量以及相關信息的動態量測技術;根據統計理論分析常規檢驗控制方法的特點和適用性，建立動態控制方法在驗收檢驗中的應用原理。

3.3 碾壓厚度的實時動態識別技術

主要采用北斗定位技術，研究如何根據碾壓機具在碾壓過程中三維坐標的變化來確定碾壓厚度，通過三維成像技術進行顯示，在此基礎上研究如何將此項技術集成為監控系統問題的具體方法。

3.4 粒料路基碾壓質量動態控制方法

根據填料在碾壓過程中發生塑性變形的特點，采用理論分析的方法，揭示常規控制指標如壓實度等的實質以與動態控制指標之間的內在關系;通過試驗的方法研究動態控制指標與常規控制指標如壓實度和彎沉等之間的統計意義下的關系，選擇不同類型的試驗路段，進行現場的碾壓質量動態控制試驗，確立粒料路基碾壓質量動態控制方法。

3.5 大粒徑填料碾壓控制的定量方法

在分析大粒徑路基碾壓質量控制存在的問題基礎上，通過對現有的經驗控制法如輪跡控制法、碾壓遍數控制法等進行剖析，分析這些經驗控制法的實質，根據路基工程特點，從路基結構的剛度、強度和穩定性方面出發，建立大粒徑填料在振動荷載作用下的結構穩定性特征以及判定原則，通過現場試驗，確定碾壓過程中的塑性變形狀態與動態控制指標之間的聯系并進行動態質量控制，確立大粒徑填料碾壓控制的定量方法。

雖然土石混合填料的復雜性、設備精度等因素增加了連續壓實控制技術的檢測難度，但其具有快速、穩定、無損且能夠實時連續檢測的優點，隨著科學技術的快速發展會使其成為路基壓實質量檢測中一種很有發展前途的技術。

4 ?結論與展望

傳統的檢測方法有密度檢測法和抗力檢測法，但是對于土石混填路基而言，這些檢測方法存在著許多局限性且都屬于事后點檢測，很難反應壓實層的整體性狀，所以提出了連續壓實控制技術。

連續壓實控制技術能夠快速、無損并且實時連續的檢測路基壓實質量。但由于受到多種因素的限制，到目前為止，國內還沒有統一的連續壓實質量檢測方法和完善的壓實質量評價體系，但可以預見，連續壓實控制技術具有非常廣闊的前景。

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