動(dòng)態(tài)回彈模量測(cè)試儀在高速公路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)上的應(yīng)用研究

李炎飛

（安徽省高速公路試驗(yàn)檢測(cè)科研中心有限公司，安徽 合肥 230601）

安徽省高速公路“十二五”、 “十三五”發(fā)展規(guī)劃相繼實(shí)施以來(lái)，沿江、江淮及江南丘陵山區(qū)多條高速公路路基填筑陸續(xù)大量選用天然巖質(zhì)類材料替代石灰（水泥）改良土。這種土石混填或填石路基的應(yīng)用，很大程度提升了公路路基的填筑功效，有效保障了路基填筑質(zhì)量，同時(shí)也降低了工程造價(jià)。

然而，現(xiàn)行公路行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范針對(duì)路基填料的壓實(shí)質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，無(wú)論是灌砂法、灌水法或是沉降差等，均存在效率低、人為因素影響大等問(wèn)題。因此，依托安徽省交通科技項(xiàng)目《高速公路中粗粒土路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)方法和控制指標(biāo)研究》課題的相關(guān)成果，研發(fā)應(yīng)用便攜式動(dòng)態(tài)回彈模量測(cè)試儀快速無(wú)損檢測(cè)包括填土路基、土石混填路基和填石路基壓實(shí)質(zhì)量。

1 項(xiàng)目背景

池州長(zhǎng)江大橋接線K2+692-K18+153間斷分布挖方段巖體主要由中-強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、砂巖及安山巖組成，其中殷家匯互通區(qū)主要由中-強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)灰?guī)r、砂巖、泥巖組成。依據(jù)巖性工程性質(zhì)分析，除部分全風(fēng)化的泥巖水穩(wěn)性相對(duì)較差外，其余均可分類作為路基填料。將挖余巖性較好的集中堆放，統(tǒng)一使用碎石機(jī)粗加工成符合規(guī)范級(jí)配的通料碎石，直接用于臺(tái)背及路床填筑，以取代設(shè)計(jì)原灰（水泥）土路床及臺(tái)背設(shè)計(jì)方案，可優(yōu)化83萬(wàn)方。然而，土石混填或填石路基顆粒相互之間具有較強(qiáng)的嵌擠特性，相應(yīng)路基壓實(shí)過(guò)程受填料巖性、粒徑、級(jí)配以及含水率等多重因素的影響，其施工過(guò)程中壓實(shí)質(zhì)量的快速檢測(cè)評(píng)定與高效控制無(wú)法解決。

2 儀器設(shè)備

2.1 工作原理

采用一定質(zhì)量的落錘，以一定高度自由落下，模擬車輛行駛時(shí)對(duì)路基面產(chǎn)生的動(dòng)荷載效應(yīng)沖擊路基面，檢測(cè)路基在動(dòng)荷載作用下所發(fā)生的力和變形的參數(shù)，即動(dòng)態(tài)回彈模量Ep值。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

公路動(dòng)態(tài)回彈模量測(cè)試儀由加載裝置、承載板、回彈變形測(cè)定儀三部分組成。加載裝置主要由落錘、掛（脫）鉤裝置、導(dǎo)向桿、阻尼裝置構(gòu)成。智能承載板為圓形鋼板，上部設(shè)有電控盒，內(nèi)部裝有力和位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理器和無(wú)線傳輸模塊。回彈變形測(cè)定儀主要由數(shù)據(jù)采集顯示終端和打印機(jī)組成。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，應(yīng)注意不同材料類型的路基填料具有不同的力學(xué)參數(shù)（泊松比），相應(yīng)的，測(cè)試前應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況按照相關(guān)規(guī)范或者經(jīng)驗(yàn)在動(dòng)態(tài)回彈模量測(cè)試儀數(shù)據(jù)采集程序中進(jìn)行合理泊松比參數(shù)設(shè)置。

2.3 適用范圍

適用于公路工程最大粒徑小于150mm的填土路基、土石混填路基以及填石路基的動(dòng)態(tài)回彈模量檢測(cè)。可用于公路工程路基（臺(tái)背）壓實(shí)施工過(guò)程中填料壓實(shí)質(zhì)量控制，層間動(dòng)態(tài)回彈模量設(shè)計(jì)指標(biāo)的檢測(cè)驗(yàn)證及階段性工程交工驗(yàn)收檢查使用，也可作為路基壓實(shí)質(zhì)量設(shè)計(jì)參數(shù)使用。

3 技術(shù)準(zhǔn)備

3.1 原材料

對(duì)擬用的中粗粒土開展物理力學(xué)特性研究，分別對(duì)不同取料場(chǎng)進(jìn)行取樣，檢查最大粒徑、不均勻系數(shù)、顆粒級(jí)配，以確認(rèn)是否滿足規(guī)范要求。對(duì)最大粒徑不滿足路床填筑要求的填料，進(jìn)行破碎加工。經(jīng)篩選后對(duì)滿足要求的填料進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定每種填料的最大干密度和最佳含水率，對(duì)超粒徑碎石進(jìn)行相應(yīng)的密度修正，并取樣對(duì)填料的CBR值進(jìn)行試驗(yàn)，以確定在路基填筑的可行性。

3.2 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

圍繞《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》 （JTGD30-2015）“回彈模量”設(shè)計(jì)及“豎向壓應(yīng)變”驗(yàn)算兩大關(guān)鍵指標(biāo)，開展中粗粒土動(dòng)態(tài)回彈模量室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)研究工作。采集了中粗粒土在不同的級(jí)配、含水率、壓實(shí)程度下的動(dòng)態(tài)回彈模量變化規(guī)律及不同碾壓深度下的應(yīng)力和應(yīng)變變化規(guī)律等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，還對(duì)不同模具尺寸效應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證，并與鐵路行業(yè)的動(dòng)態(tài)變形模量進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)。項(xiàng)目實(shí)施中根據(jù)填料類型及施工工藝確定壓實(shí)指標(biāo)。

3.3 試驗(yàn)段

選取路段長(zhǎng)度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要確認(rèn)，一般不宜小于200m。試驗(yàn)過(guò)程中，依據(jù)JTGF80/1《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，按路基不同結(jié)構(gòu)層、不同填料種類開展比對(duì)試驗(yàn)，建立動(dòng)態(tài)回彈模量與壓實(shí)程度的相關(guān)關(guān)系式。比對(duì)過(guò)程詳細(xì)記錄，分析結(jié)果報(bào)告作為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。不同類型路基的比對(duì)參數(shù)為：1）對(duì)于填土路基，選取的比對(duì)參數(shù)為壓實(shí)度（灌砂法）。2）對(duì)于土石和填石路基，選取的比對(duì)參數(shù)為沉降差或孔隙率。

進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)土方填料、土石混填料、石方填料，分別建立路基填筑層壓實(shí)度和沉降差與動(dòng)態(tài)回彈模量的相關(guān)關(guān)系。應(yīng)注意，建立關(guān)系時(shí)的動(dòng)態(tài)回彈模量應(yīng)具有代表性，可反映該試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的整體動(dòng)態(tài)回彈模量，為使得動(dòng)態(tài)回彈模量值更真實(shí)的反映實(shí)際情況，應(yīng)至少檢測(cè)不下于15個(gè)測(cè)點(diǎn)的模量數(shù)據(jù)，并剔除異常值數(shù)據(jù)之后，采用取均值的方式得到代表性動(dòng)態(tài)回彈模量值。

4 試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用

1）對(duì)于填土路基，根據(jù)不同碾壓遍數(shù)下路基動(dòng)態(tài)回彈模量代表值與壓實(shí)度的關(guān)系曲線，得出相關(guān)關(guān)系方程。圖1所示為依托課題現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段的灰土（摻灰不到1天，可作為素填土）填料路基試驗(yàn)段比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，可以看出對(duì)于填土類路基，動(dòng)態(tài)回彈模量與壓實(shí)度之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.99，表明相關(guān)性很好。其中，每個(gè)動(dòng)態(tài)回彈模量代表值均由不低于15個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。當(dāng)動(dòng)回彈模量與壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系建立后，經(jīng)過(guò)監(jiān)理審核批準(zhǔn)，便可以在路基壓實(shí)過(guò)程中和交工驗(yàn)收中采用動(dòng)態(tài)回彈模量快速控制或檢測(cè)路基填料的壓實(shí)質(zhì)量。比如，對(duì)于本課題依托的項(xiàng)目填土路基試驗(yàn)段，如圖所示，90區(qū)的動(dòng)態(tài)回彈模量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可定義為40MPa。

圖1 填土路基回彈模量～壓實(shí)度比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

2）對(duì)于土石混填路基，建立不同碾壓遍數(shù)下路基動(dòng)態(tài)回彈模量代表值與沉降差的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。圖2為經(jīng)合理修正（考慮振動(dòng)壓實(shí)后的表層松動(dòng)修正）后的某土石混填路基回彈模量與沉降差比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，可以看出相關(guān)數(shù)據(jù)具有很明顯的關(guān)聯(lián)性。根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)曲線，通過(guò)規(guī)范要求的5mm沉降差對(duì)應(yīng)的碾壓遍數(shù)與模量值作為壓實(shí)遍數(shù)要求與檢測(cè)合格判定值。比如，對(duì)于本課題依托的土石路基試驗(yàn)段，如圖所示，5mm沉降差對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)回彈模量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可定義為29MPa，碾壓遍數(shù)為4遍。

圖2 土石混填路基回彈模量～沉降差比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

3）對(duì)于填石路基，建立不同碾壓遍數(shù)下路基動(dòng)態(tài)回彈模量代表值與沉降差的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。圖3為經(jīng)和合理修正后的某填石路基回彈模量與沉降差比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，可以看出其具有很明顯的相關(guān)性。根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，可通過(guò)規(guī)范要求的5mm沉降差對(duì)應(yīng)的碾壓遍數(shù)與模量值作為壓實(shí)遍數(shù)要求與檢測(cè)合格判定值。比如，對(duì)于課題依托的填石路基試驗(yàn)段，如圖所示，5mm沉降差對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)回彈模量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可定義為49MPa，碾壓遍數(shù)為3遍。

圖3 填石路基回彈模量～沉降差比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)路基的動(dòng)態(tài)回彈模量值受填料最大粒徑、顆粒級(jí)配以及土體巖性、施工機(jī)具、工藝水平等諸多因素影響，當(dāng)這些影響因素在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，動(dòng)態(tài)回彈模量檢測(cè)值也會(huì)發(fā)生變化因此，這個(gè)變化在多大范圍之內(nèi)是容許的，即相關(guān)主要影響因素變化超出一定的范圍，則需要重新標(biāo)定壓實(shí)程度與動(dòng)態(tài)回彈模量的相關(guān)性。依托的科研課題的現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)表明，同樣施工工藝水平下，土體顆粒級(jí)配對(duì)動(dòng)態(tài)回彈模量值的影響較大。此外，壓路機(jī)影響也較大，包括振動(dòng)與靜壓、凸輪與光輪等，這些體現(xiàn)在壓實(shí)功的變化上。填料級(jí)配是否明顯變化，可以通過(guò)快速篩分試驗(yàn)，對(duì)比填料的級(jí)配曲線偏離情況來(lái)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用，充分體現(xiàn)了路基動(dòng)態(tài)回彈模量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的快速、準(zhǔn)確、非破損及設(shè)備便攜等特點(diǎn)，作為一種新的路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法，目前已申報(bào)安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路工程路基動(dòng)態(tài)回彈模量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》，必將有更廣闊的應(yīng)用前景。