基于塑性應變增量法的路基壓實效果檢測評價

黃 濤,徐大眾,姚 鑫,王俊剛,肖斌超

(1.青島理工大學 土木工程學院 青島市 266033;2.山東省路橋集團有限公司 濟南市 250014;3.五冶集團上海有限公司 上海市 201900)

0 引言

道路工程中,路基壓實效果是保證道路質量和使用壽命的關鍵因素[1]。路基在施工期和使用期將受到面層結構重量、車輛荷載等作用,這就要求路基具有足夠的強度以承受上部結構所傳遞的荷載。通常情況下,各土層的壓實效果越好,路基的強度越高、工后壓縮沉降量越小。因此,路基的壓實效果評價是路基土方施工過程中唯一的評價項目。

在一般道路工程中,壓實檢測運用較多的為灌砂(水)法[2],填石路基可采用沉降差法[3],但兩種方法都有一定缺陷。灌砂法存在檢測時間長和操作中準確性問題。嚴格按照烘干法確定土樣的干容重或按規范規定頻次全額檢測壓實度都將耗用大量時間,甚至與攤鋪、碾壓的作業時間相當。此外,主客觀原因形成的用于最大干容重標定的土樣與現場填土不匹配,導致不達標的壓實土方被判定為合格。沉降差法是以水準儀測定的地表沉降評估新鋪土層壓縮量,存在如下技術問題:(1)水準儀的讀數誤差與沉降差法控制指標同量級,容易形成誤判;(2)地表沉降既包括新鋪層沉降,也包括已鋪層和土基沉降,碾壓時已鋪層的壓縮沉降和土基的沉降或上升(地下水活動引起)都可能影響實測結果,從而對壓實效果形成誤判;(3)地表沉降為總沉降,土層碾壓時有上密下疏的特點,沉降差法的總沉降合格不能保證新鋪土層底部的壓實效果;(4)沉降差法的評定過程較為耗時。

基于上述壓實檢測方法中存在的不足,文章采用自研路基土層厚度實時檢測裝置進行了現場驗證試驗。通過與壓實度法、沉降差法對比分析,驗證了基于土層厚度實時檢測裝置的土層塑性應變增量法評價壓實效果的可行性和優越性,為道路施工提供了一種新型實時檢測評價壓實效果的方法。

1 試驗裝置與方案

1.1 裝置介紹及原理

自研裝置[4-5]是一種埋置在荷載作用處正下方土層中,可以實時檢測土層厚度變化情況的裝置,構造見圖1。裝置板間厚度通過套管3和5保護的位移傳感器6測定。初始狀態止動螺栓4壓緊,套管3和5支撐上下板。受荷后螺栓4滑動,套管3和5脫離,上下板改由板間土支撐,于是板間土厚被位移傳感器實時測得。裝置布設時宜將底板放置到新鋪層底面,頂板埋在土層中,以確保新鋪層最疏松部分達到技術要求。當對新鋪層進行碾壓時,裝置中位移傳感器采集數據通過無線發射裝置傳到物聯網平臺,使用者在物聯網平臺下載數據,通過數學模型對下載數據處理后實時對測點技術狀態做出評價。

圖1中:1為下夾土板定位孔、2為定位螺栓、3為支撐套管、4為止動螺栓、5為帶導軌變徑擋土套管、6為位移傳感器、7為下夾土板、8為上夾土板、9為上夾土板定位孔、10為錨固栓孔。圖1 自研裝置構造圖

裝置的評價參數采用的是應變增量,其計算方法是通過裝置測出前一次碾壓后的顯示高度Sn-1與本次碾壓后的顯示高度Sn,兩者相減即為裝置兩板間土層的變形量,見式1。后由變形量與本次碾壓前的板間土層厚dn-1的比值計算出真實應變,即土層本次碾壓后新增的塑性應變,見式2。應變增量與本次碾壓前的土層厚度hn(包括板間土厚、板厚和板外土層厚度)的乘積即為本次碾壓后該壓實層的沉降量,見式3。

ΔS=Sn-1-Sn

(1)

(2)

Δzn=εT×hn

(3)

1.2 工程概況與測點布設

驗證試驗選在臨淄至臨沂高速公路第四標段Ak1+200～Ak1+300施工段內,路基寬34.5m。由于該路段填料含石量高,設計確定該路段以沉降差為壓實效果評價標準,設計壓路機碾壓模式下相鄰兩遍的地表沉降差小于2mm視為合格。松鋪層整平后,將裝置依次逐層埋在測試段的土層中,埋設位置見表1和圖2。為驗證裝置的穩定性,在路基的縱向和豎向布設多個測點,且在裝置測點附近處設置壓實度檢測點(僅用于本項目對比研究,不作為壓實評價依據)、增設沉降差法測點。測點布設完畢并檢查無誤后,壓路機開始碾壓。各測點在首次碾壓前的初始板間厚度和松鋪厚度見表1。

表1 測點位置和初始厚度表

圖2 道路縱斷面測點相對位置示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 各方法的檢測評價結果

(1)壓實度法

采用灌砂法對測段路基進行壓實度檢測,檢測結果見表2。從表2中可知,各測點處的壓實度均在規范要求[6]以上,證明該測段滿足路基設計施工要求。

表2 灌砂法壓實度檢測結果

(2)沉降差法

沉降差法檢測中,每當壓路機碾壓一遍后,用水準儀測量各測點處的表面高程,并與碾壓前表面高程相減,得出碾壓后的沉降量,檢測結果見表3。隨著碾壓的進行,分級沉降量逐漸減小至零,累計沉降量逐漸增大。各測點在碾壓六遍后的沉降量均滿足設計小于2mm的要求。

表3 沉降差法檢測表 單位:mm

(3)塑性應變增量法

利用自研裝置所進行的塑性應變增量法壓實檢測評價,原理如前文所述。測量結果見表4,并繪制同一豎向位置測點的塑性應變與碾壓遍數的關系圖(圖3)。根據表4和圖3可知,整體上新增的塑性應變隨著碾壓遍數的增加逐漸減小,變化規律與工程實際相符。并且同一碾壓遍數下,不同測點處的塑性應變大小接近,表明松鋪厚度對塑性應變影響較小,采用塑性應變增量法可消除層厚對評價壓實效果的影響。

表4 塑性應變增量法檢測表

圖3 同一豎向測點塑性應變與碾壓遍數關系圖

2.2 塑性應變增量法與其他方法對比

(1)塑性應變增量法與壓實度法對比

理論上壓實度法試驗段需采集8個壓實度樣本。按2組人員采集樣本考慮,現場取樣約需要2h,烘干需要6～8h,則每層檢測需要8～10h,嚴重影響施工進度。而塑性應變增量法可提供土層中實時的壓實狀態,不需要耗時即可獲取壓實評價。同時受主觀和客觀因素影響較小,所測數據穩定準確。

(2)塑性應變增量法與沉降差法對比

地表沉降為各土層壓縮沉降之和,故測點8處的地表沉降為8、7、6測點所對應的各土層及6測點以下所有新填土層壓縮沉降之和(假定土基沉降為0)。圖4為自研裝置所測得的測點8的板間土層厚度(左側縱坐標)和測點6、7的板間土層厚度變形量(右側縱坐標)。由監測數據分析可知,在對測點8進行碾壓時,位于同一縱斷坐標不同層的測點6、7也會產生沉降。在碾壓過程中,測點8處板間沉降分別為11.61mm、4.27mm、3.55mm、2.89mm、1.83mm、0.56mm。測點6、測點7新增板間厚度變形量之和分別為0.24mm、0.18mm、0.16mm、0.09mm、0.01mm、0,僅為測點8處的2.07%、4.22%、4.51%、3.11%、0.55%、0。第五遍后測點8處仍有板間沉降,但測點6、7處已幾乎不再新增變形量,新鋪層以下的土層壓縮量呈0→峰值→遞減→0的變化趨勢。每次碾壓后下部土層的新增沉降相對于新鋪層的沉降很小,尤其是新鋪層接近碾壓5次后,已無底層沉降量,此時新鋪層沉降即為地表沉降。

圖4 不同測點的板間沉降變形時程圖

用塑性應變增量法推算沉降差法在精度上是可靠的,可以說在接近壓實指標時兩者是一致的。塑性應變增量法可對不同厚度的土層做同一性評價,比沉降差法的評價更進一步。道路工程中,壓實評價檢測應以當前新鋪層的壓實效果為準,塑性應變增量法可以準確反映每一新鋪層的沉降。但沉降差法檢測的是整個路基的沉降,而非對應新鋪層的沉降。由于地下水位變化、凍融等因素的影響,路基土層會產生升降。沉降差法可能會出現對當前新鋪層的壓實評價過低或過高情況。

為判定兩種方法的一致性,將塑性應變增量法實測結果推算沉降差與水準儀測量的沉降差對比。圖5為測點1、2處的分級沉降量對比圖,從圖5中可見,兩種方法變化趨勢一致,各節點數據的相對差值很小,在水準儀的測量誤差范圍內。按實際壓實土層厚和2mm的沉降差標準,推算當沉降差法采用水準儀測量時,各測點土層允許的最大塑性應變增量為7.6×10-3。因此可用土層厚度實時檢測裝置代替水準儀作為沉降差法測量設備,消除沉降差法的技術問題。

圖5 測點1、2處塑性應變法與沉降差法分級沉降量對比圖

3 結論與展望

文章提出了塑性應變增量法用于檢測評價路基壓實效果。通過與壓實度法和沉降差法對比,驗證了本方法用于檢測評價壓實效果的可行性和有效性。塑性應變增量法可實現對土層碾壓狀態的實時評價,受外界因素干擾小,數據更加精準可靠,避免了評價不準確現象,確保工程質量。并且能夠滿足快速施工要求,縮短工期,降低造價。

由于樣本數量有限,尚不能確定塑性應變增量法的規范性技術指標,本方法的推進還需要深入的理論支持和針對不同道路等級和工況的試驗研究。但在評價指標確定之前,以土層厚度實時檢測裝置代替水準儀,以塑性應變增量法推算出新鋪層沉降差,按沉降差法對機場跑道等高標準道路進行評價,可有助于提高效率和質量標準。