動態回彈模量測試儀在高速公路路基壓實質量檢測上的應用研究

李炎飛

（安徽省高速公路試驗檢測科研中心有限公司，安徽 合肥 230601）

安徽省高速公路“十二五”、 “十三五”發展規劃相繼實施以來，沿江、江淮及江南丘陵山區多條高速公路路基填筑陸續大量選用天然巖質類材料替代石灰（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量，同時也降低了工程造價。

然而，現行公路行業技術標準規范針對路基填料的壓實質量的現場檢測方法，無論是灌砂法、灌水法或是沉降差等，均存在效率低、人為因素影響大等問題。因此，依托安徽省交通科技項目《高速公路中粗粒土路基壓實質量快速檢測方法和控制指標研究》課題的相關成果，研發應用便攜式動態回彈模量測試儀快速無損檢測包括填土路基、土石混填路基和填石路基壓實質量。

1 項目背景

池州長江大橋接線K2+692-K18+153間斷分布挖方段巖體主要由中-強風化凝灰質砂巖、砂巖及安山巖組成，其中殷家匯互通區主要由中-強風化碳質灰巖、砂巖、泥巖組成。依據巖性工程性質分析，除部分全風化的泥巖水穩性相對較差外，其余均可分類作為路基填料。將挖余巖性較好的集中堆放，統一使用碎石機粗加工成符合規范級配的通料碎石，直接用于臺背及路床填筑，以取代設計原灰（水泥）土路床及臺背設計方案，可優化83萬方。然而，土石混填或填石路基顆粒相互之間具有較強的嵌擠特性，相應路基壓實過程受填料巖性、粒徑、級配以及含水率等多重因素的影響，其施工過程中壓實質量的快速檢測評定與高效控制無法解決。

2 儀器設備

2.1 工作原理

采用一定質量的落錘，以一定高度自由落下，模擬車輛行駛時對路基面產生的動荷載效應沖擊路基面，檢測路基在動荷載作用下所發生的力和變形的參數，即動態回彈模量Ep值。

2.2 測試系統

公路動態回彈模量測試儀由加載裝置、承載板、回彈變形測定儀三部分組成。加載裝置主要由落錘、掛（脫）鉤裝置、導向桿、阻尼裝置構成。智能承載板為圓形鋼板，上部設有電控盒，內部裝有力和位移傳感器、數據采集器、數據處理器和無線傳輸模塊。回彈變形測定儀主要由數據采集顯示終端和打印機組成。進行現場測試時，應注意不同材料類型的路基填料具有不同的力學參數（泊松比），相應的，測試前應根據實際情況按照相關規范或者經驗在動態回彈模量測試儀數據采集程序中進行合理泊松比參數設置。

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態回彈模量檢測。可用于公路工程路基（臺背）壓實施工過程中填料壓實質量控制，層間動態回彈模量設計指標的檢測驗證及階段性工程交工驗收檢查使用，也可作為路基壓實質量設計參數使用。

3 技術準備

3.1 原材料

對擬用的中粗粒土開展物理力學特性研究，分別對不同取料場進行取樣，檢查最大粒徑、不均勻系數、顆粒級配，以確認是否滿足規范要求。對最大粒徑不滿足路床填筑要求的填料，進行破碎加工。經篩選后對滿足要求的填料進行重型擊實試驗，確定每種填料的最大干密度和最佳含水率，對超粒徑碎石進行相應的密度修正，并取樣對填料的CBR值進行試驗，以確定在路基填筑的可行性。

3.2 質量標準

圍繞《公路路基設計規范》 （JTGD30-2015）“回彈模量”設計及“豎向壓應變”驗算兩大關鍵指標，開展中粗粒土動態回彈模量室內標定試驗研究工作。采集了中粗粒土在不同的級配、含水率、壓實程度下的動態回彈模量變化規律及不同碾壓深度下的應力和應變變化規律等試驗數據。此外，還對不同模具尺寸效應進行了驗證，并與鐵路行業的動態變形模量進行了比對試驗。項目實施中根據填料類型及施工工藝確定壓實指標。

3.3 試驗段

選取路段長度可根據現場需要確認，一般不宜小于200m。試驗過程中，依據JTGF80/1《公路工程質量檢驗評定標準》，按路基不同結構層、不同填料種類開展比對試驗，建立動態回彈模量與壓實程度的相關關系式。比對過程詳細記錄，分析結果報告作為現場檢測標準依據。不同類型路基的比對參數為：1）對于填土路基，選取的比對參數為壓實度（灌砂法）。2）對于土石和填石路基，選取的比對參數為沉降差或孔隙率。

進行比對試驗時，針對土方填料、土石混填料、石方填料，分別建立路基填筑層壓實度和沉降差與動態回彈模量的相關關系。應注意，建立關系時的動態回彈模量應具有代表性，可反映該試驗區域內的整體動態回彈模量，為使得動態回彈模量值更真實的反映實際情況，應至少檢測不下于15個測點的模量數據，并剔除異常值數據之后，采用取均值的方式得到代表性動態回彈模量值。

4 試驗結果應用

1）對于填土路基，根據不同碾壓遍數下路基動態回彈模量代表值與壓實度的關系曲線，得出相關關系方程。圖1所示為依托課題現場試驗段的灰土（摻灰不到1天，可作為素填土）填料路基試驗段比對試驗結果，可以看出對于填土類路基，動態回彈模量與壓實度之間呈現良好的線性關系，其相關系數為0.99，表明相關性很好。其中，每個動態回彈模量代表值均由不低于15個測試數據統計得到。當動回彈模量與壓實度的相關關系建立后，經過監理審核批準，便可以在路基壓實過程中和交工驗收中采用動態回彈模量快速控制或檢測路基填料的壓實質量。比如，對于本課題依托的項目填土路基試驗段，如圖所示，90區的動態回彈模量檢測標準可定義為40MPa。

圖1 填土路基回彈模量～壓實度比對試驗結果

2）對于土石混填路基，建立不同碾壓遍數下路基動態回彈模量代表值與沉降差的對應關系曲線。圖2為經合理修正（考慮振動壓實后的表層松動修正）后的某土石混填路基回彈模量與沉降差比對試驗結果，可以看出相關數據具有很明顯的關聯性。根據對比試驗曲線，通過規范要求的5mm沉降差對應的碾壓遍數與模量值作為壓實遍數要求與檢測合格判定值。比如，對于本課題依托的土石路基試驗段，如圖所示，5mm沉降差對應的動態回彈模量檢測標準可定義為29MPa，碾壓遍數為4遍。

圖2 土石混填路基回彈模量～沉降差比對試驗結果

3）對于填石路基，建立不同碾壓遍數下路基動態回彈模量代表值與沉降差的對應關系曲線。圖3為經和合理修正后的某填石路基回彈模量與沉降差比對試驗結果，可以看出其具有很明顯的相關性。根據對比試驗結果，可通過規范要求的5mm沉降差對應的碾壓遍數與模量值作為壓實遍數要求與檢測合格判定值。比如，對于課題依托的填石路基試驗段，如圖所示，5mm沉降差對應的動態回彈模量檢測標準可定義為49MPa，碾壓遍數為3遍。

圖3 填石路基回彈模量～沉降差比對試驗結果

現場壓實路基的動態回彈模量值受填料最大粒徑、顆粒級配以及土體巖性、施工機具、工藝水平等諸多因素影響，當這些影響因素在現場發生改變時，動態回彈模量檢測值也會發生變化因此，這個變化在多大范圍之內是容許的，即相關主要影響因素變化超出一定的范圍，則需要重新標定壓實程度與動態回彈模量的相關性。依托的科研課題的現場和室內試驗表明，同樣施工工藝水平下，土體顆粒級配對動態回彈模量值的影響較大。此外，壓路機影響也較大，包括振動與靜壓、凸輪與光輪等，這些體現在壓實功的變化上。填料級配是否明顯變化，可以通過快速篩分試驗，對比填料的級配曲線偏離情況來監測。

5 結語

通過應用，充分體現了路基動態回彈模量現場測試的快速、準確、非破損及設備便攜等特點，作為一種新的路基壓實質量檢測方法，目前已申報安徽省地方標準《公路工程路基動態回彈模量現場測試規程》，必將有更廣闊的應用前景。