路基壓實(shí)效果評(píng)價(jià)方法研究

姚 鑫，張雪峰，王俊剛，王朝陽(yáng)

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266033)

道路的構(gòu)造為層狀體系，路基的強(qiáng)度對(duì)路面的強(qiáng)度和剛度起著很重要的作用，而路基的強(qiáng)度很大程度上決定于各填土層的壓實(shí)效果。高速公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)跑道、尤其是重載交通密集的疏港道路，對(duì)壓實(shí)效果的要求更加嚴(yán)格。

以壓實(shí)度和彎沉值作為指標(biāo)的現(xiàn)行評(píng)價(jià)體系存在一定不足。大部分檢(監(jiān))測(cè)技術(shù)[1]不能同時(shí)滿足正上方受荷和實(shí)時(shí)檢測(cè)壓實(shí)效果的條件。因此，提出一種能夠正上方受荷的實(shí)時(shí)檢測(cè)新型裝置對(duì)評(píng)價(jià)壓實(shí)效果是必要的。

1 評(píng)價(jià)壓實(shí)效果的方法和不足

工程中填料根據(jù)不同種類可分為：填土料、填石料、土石混合料，常用以下方法評(píng)價(jià)壓實(shí)效果。

式中：ρ—現(xiàn)場(chǎng)路基土的濕密度，g/cm3；

ω—現(xiàn)場(chǎng)路基土的含水率，%。

通過(guò)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2017)規(guī)定細(xì)粒土現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可以采用環(huán)刀法或灌砂法，粗粒土可以采用灌砂法、水袋法和鉆孔取樣蠟封法。同時(shí)核子密度儀可以作為快速檢測(cè)裝置，通過(guò)放射性元素檢測(cè)路基填料的含水量及密度，可以大大提高檢測(cè)效率，且不需要大量的工作人員。同時(shí)針對(duì)灌砂(水)法等對(duì)于粒徑較大的填料測(cè)定壓實(shí)度誤差較大問(wèn)題，徐會(huì)等[2]給出了改進(jìn)公式，以此減小誤差。密度檢測(cè)法理論較為成熟，應(yīng)用范圍廣。但在檢測(cè)時(shí)對(duì)路基損壞大，現(xiàn)場(chǎng)取樣困難，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，影響施工進(jìn)度。雖然核子密度儀不對(duì)路基造成破壞，但在檢測(cè)前需要提前與常規(guī)方法進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定，同時(shí)易受溫度和周圍環(huán)境影響，測(cè)定值的波動(dòng)性較大，散發(fā)的射線對(duì)人身體有害。

(2)抗力檢測(cè)法以彈性模量作為檢測(cè)指標(biāo)時(shí)，其彈性模量采用承載板或彎沉來(lái)測(cè)定，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)選定測(cè)定的前后兩次加卸載的回彈模量與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，來(lái)評(píng)價(jià)壓實(shí)效果。近年來(lái)，由于便攜式落錘彎沉儀價(jià)格適中，檢測(cè)速度快，和壓實(shí)度及傳統(tǒng)彎沉值相關(guān)性較高，所以目前常用它測(cè)量壓實(shí)填料的動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)，來(lái)評(píng)價(jià)壓實(shí)效果。李丹楓等[3]依托工程驗(yàn)證了PFWD評(píng)價(jià)壓實(shí)效果的可行性，同時(shí)為減小誤差指出承載板的荷載值應(yīng)為檢測(cè)點(diǎn)土體反饋于承載板的力。雖然該方法不破壞路基結(jié)構(gòu)，檢測(cè)范圍廣，能夠和變形相聯(lián)系，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)填料粒徑與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定可能存在差異，原地基的軟硬程度對(duì)檢測(cè)也有影響。

以檢測(cè)塑形變形評(píng)價(jià)壓實(shí)效果時(shí)，通過(guò)12t以上的壓實(shí)設(shè)備進(jìn)行碾壓，通過(guò)確定前后兩次變形差是否在規(guī)定范圍內(nèi)，來(lái)評(píng)價(jià)壓實(shí)效果。通常采用水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)簡(jiǎn)單快速，但依靠經(jīng)驗(yàn)性較大，尚沒(méi)有一套完整的標(biāo)準(zhǔn)去規(guī)定。

(3)波法檢測(cè)通過(guò)錘擊的方式對(duì)地面產(chǎn)生瞬間沖擊力，在介質(zhì)中生成三種波，分別是橫波、縱波和面波，通過(guò)檢測(cè)面波中瑞雷波的波速，從而評(píng)價(jià)壓實(shí)效果。張獻(xiàn)民等[4]通過(guò)研究分析，發(fā)現(xiàn)瑞雷波的波速與密度成正比，并構(gòu)建了波速和填料密度的數(shù)學(xué)模型，為ρ=0.3316V0.3316。雖然波法檢測(cè)操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，檢測(cè)速度快，但對(duì)于波在各種填料中的傳播規(guī)律和機(jī)理研究不足，級(jí)配變化較大時(shí)也需要多次標(biāo)定，同時(shí)需要較高水準(zhǔn)的專業(yè)人員操作。

(4)連續(xù)壓實(shí)控制檢測(cè)法[5]由振動(dòng)型壓路機(jī)、壓實(shí)度儀和壓實(shí)記錄儀構(gòu)成。它通過(guò)在振動(dòng)型壓路機(jī)上安裝傳感器，檢測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)，通過(guò)振動(dòng)輪和路基填料間的作用力大小實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)壓實(shí)效果。該方法能夠?qū)簩?shí)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全過(guò)程覆蓋，大大提高檢測(cè)效率，通過(guò)陳軍等[6]研究，證明連續(xù)壓實(shí)控制檢測(cè)法對(duì)評(píng)價(jià)壓實(shí)效果是可行的，與其它檢測(cè)指標(biāo)相關(guān)性較好。但其研發(fā)過(guò)程繁瑣，精度較低，操作復(fù)雜，檢測(cè)前需要先建立連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)參數(shù)和壓實(shí)度的關(guān)系模型。

綜上，不同評(píng)價(jià)壓實(shí)效果的方法在檢測(cè)結(jié)果的可靠性、應(yīng)用范圍和理論上存在不同。雖然密度檢測(cè)法原理簡(jiǎn)單，操作方便，但檢測(cè)效率低。抗力檢測(cè)法和波法操作簡(jiǎn)便，但需要相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，結(jié)果存在偏差。連續(xù)壓實(shí)控制檢測(cè)法實(shí)施難度大，國(guó)內(nèi)道路施工沒(méi)有統(tǒng)一的壓實(shí)效果評(píng)價(jià)體系。

2 新型壓實(shí)評(píng)價(jià)裝置

2.1 裝置簡(jiǎn)介

新型裝置[7]直接和路基土層的變形相聯(lián)系，在檢測(cè)時(shí)通過(guò)采集傳感器的變化數(shù)據(jù)，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)土層壓實(shí)的變形情況對(duì)比，以此檢測(cè)當(dāng)前土層的壓實(shí)效果。在裝置應(yīng)用時(shí)，根據(jù)松鋪層厚度調(diào)節(jié)裝置高度，測(cè)量精度達(dá)0.01mm。具有不破壞土層結(jié)構(gòu)，不影響施工、實(shí)時(shí)檢測(cè)和測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

（2）某大學(xué)內(nèi)部控制制度執(zhí)行效果。對(duì)實(shí)現(xiàn)高校內(nèi)部控制目標(biāo)發(fā)揮的積極作用，在一定程度上可以體現(xiàn)內(nèi)部控制制度的執(zhí)行效果。本文調(diào)查了學(xué)生對(duì)內(nèi)部制度起到的作用以及其效果的評(píng)價(jià)。作用的效果分為非常大、大、一般、不大、沒(méi)有關(guān)系五個(gè)選項(xiàng)，分別賦予的權(quán)重分值為 5，4，3，2，1。

裝置的變形監(jiān)測(cè)部分主要由夾土板、套筒和伸縮測(cè)距傳感器組成，如圖1。上夾土板(部件2)和下夾土板(部件9)之間形成待測(cè)的土層空間。支撐套管(部件4)和帶導(dǎo)軌變徑套管(部件6)防止周圍土粒影響內(nèi)部傳感器。裝置通過(guò)伸縮測(cè)距傳感器監(jiān)測(cè)土層變形。

圖1 裝置剖視圖

2.2 裝置工作原理

(1)通過(guò)下夾土板定位孔(部件1)和上夾土板定位孔(部件8)連接傳感器與上下夾土板(部件2和9)，并通過(guò)定位螺栓(部件3)固定，防止傳感器(部件7)傾斜。

(2)止動(dòng)螺栓(部件5)將帶導(dǎo)軌變徑套管(部件6)固定，確保傳感器有足夠的初始位移空間。

(3)在上部荷載作用下帶導(dǎo)軌變徑套管(部件6)脫離止動(dòng)螺栓(部件5)的約束，由此轉(zhuǎn)換為板間土層支撐上下夾土板，由此測(cè)量土層變形。

(4)將傳感器線纜引出土層外，并連接數(shù)據(jù)發(fā)射端，在移動(dòng)端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)土層碾壓狀態(tài)下塑形變形的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

(5)傳感器線纜長(zhǎng)度根據(jù)工程情況確定。路基填料變形過(guò)程中，夾土板帶動(dòng)套管內(nèi)傳感器跟隨填料共同運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而測(cè)得精確填料層塑性變形數(shù)據(jù)。

3 新型裝置壓實(shí)效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)

試驗(yàn)場(chǎng)地位于青島市膠州某道路施工現(xiàn)場(chǎng)，路基填料土為土石混合料，填料最大粒徑為6cm，含石率為30%，松鋪高度為30cm。在松鋪層整平后選取四個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝埋設(shè)裝置，裝置的頂面和底面與當(dāng)前松鋪?lái)斆婧偷酌嫫烬R。裝置安裝后實(shí)施壓路機(jī)(KS225H-2)碾壓，工作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壓路機(jī)工作參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果分析：

圖2為實(shí)測(cè)路基碾壓過(guò)程中變形時(shí)程曲線，從圖中可見(jiàn)，在初始階段待檢測(cè)時(shí)，傳感器顯示高度為49.04mm。隨著壓實(shí)開(kāi)始，被壓實(shí)填料產(chǎn)生塑性變形，每一臺(tái)階為一次碾壓的壓縮變形量，在碾壓前4次，單次塑性變形量顯著。當(dāng)碾壓8～9遍后，最終塑性變形量接近于零。同時(shí)根據(jù)碾壓后裝置顯示高度計(jì)算得出壓實(shí)土層厚度為26.682cm。后通過(guò)灌砂法測(cè)定壓實(shí)度為95.7%，滿足工程壓實(shí)度95%的要求。試驗(yàn)結(jié)束后挖出裝置，各功能組件完好，均能承受壓路機(jī)荷載。圖3為四個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)度與變形曲線，表明各測(cè)點(diǎn)壓實(shí)度滿足路基填筑壓實(shí)要求，相關(guān)性較好。綜上所述，針對(duì)粒徑適中的填料，在壓實(shí)過(guò)程中通過(guò)該裝置檢測(cè)塑形變形量，分析和評(píng)價(jià)壓實(shí)效果是可行的。

圖2 路基變形時(shí)程曲線

圖3 壓實(shí)度與變形曲線

4 結(jié)論與展望

路基壓實(shí)的目的是期望有較小的變形和抵抗變形的能力，承受路面和上部車輛帶來(lái)的荷載。

綜上，當(dāng)前已有評(píng)價(jià)壓實(shí)效果的方法存在諸多不足。通過(guò)自研的新型實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得塑形變形量，其壓實(shí)度滿足要求，說(shuō)明該裝置可應(yīng)用于快速評(píng)價(jià)壓實(shí)效果。同時(shí)可深入研究建立針對(duì)荷載標(biāo)準(zhǔn)、填土性質(zhì)等評(píng)價(jià)壓實(shí)效果的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)快速直接地確定本層路基填料是否達(dá)到壓實(shí)要求，以此節(jié)約施工工期，實(shí)現(xiàn)更好的施工壓實(shí)效果控制。