動(dòng)力錐貫入儀在公路路基壓實(shí)度檢測中的應(yīng)用

何 巖

（河北省大廠回族自治縣公路管理站，河北廊坊 065300）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路建設(shè)項(xiàng)目日益增多，為了提高公路項(xiàng)目的施工質(zhì)量，對(duì)公路路基壓實(shí)度進(jìn)行檢測至關(guān)重要，直接關(guān)系到公路的使用壽命[1]。DCP（Dynamic Cone Penetrometer，動(dòng)力錐貫入儀）檢測法是指將動(dòng)力錐貫入儀的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)與測試結(jié)果相結(jié)合，檢測的貫入度指標(biāo)與CBR（California Bearing Ratio，加州承載比）值之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，以驗(yàn)證檢測標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于貫入度與CBR 值的線性關(guān)系[2-3]。該檢測法具有檢測效果好、檢測精度高等特點(diǎn)。基于此，本文對(duì)動(dòng)力錐貫入儀法在公路路基質(zhì)量檢測中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 動(dòng)力錐貫入儀法的基本原理

動(dòng)力錐貫入儀是一種輕型設(shè)備，檢測中采用錘擊方式貫入，測頭入土檢測土基承載力。動(dòng)力錐貫入儀錘重為10 kg，錘入角度為60°，可用錘擊深度表示土基承載能力。動(dòng)力錐貫入儀在土基材料壓實(shí)質(zhì)量檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可直接獲取路基承載力數(shù)據(jù)，簡便易行，可操作性強(qiáng)。應(yīng)用動(dòng)力錐貫入儀法可獲得貫入度與CBR 值，結(jié)果顯示動(dòng)力錐貫入儀貫入度、CBR值與楊氏回彈模量之間具有相關(guān)性，可作為標(biāo)準(zhǔn)參考用于路基壓實(shí)質(zhì)量檢測，也可用于路基承載力評(píng)估[4-5]。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果可知[6-7]，動(dòng)力錐貫入儀錘擊數(shù)、貫入比率、貫入深度密切相關(guān)，可以將動(dòng)力錐貫入儀檢測結(jié)果作為評(píng)估路基承載力和壓實(shí)質(zhì)量的有效手段。FWD（Falling Weight Deflectomete，落錘式彎沉儀）常用來進(jìn)行路基壓實(shí)質(zhì)量檢測，結(jié)合CBR 試驗(yàn)結(jié)果可知FWD 值與CBR 結(jié)果之間相關(guān)性突出，間接說明引入動(dòng)力錐貫入儀可作為有效評(píng)估手段，以檢測路基壓實(shí)質(zhì)量。此外，現(xiàn)場路基室內(nèi)試驗(yàn)、鉆芯取樣、動(dòng)力錐貫入儀法試驗(yàn)等結(jié)果證實(shí)，路基楊氏回彈模量、動(dòng)力錐貫入儀平均貫入值與路面含水量、路面結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，采用不同檢測手段獲取的路基承載力水平基本一致，檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2 動(dòng)力錐貫入儀法現(xiàn)場測試

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

使用動(dòng)力錐貫入儀進(jìn)行路基壓實(shí)度質(zhì)量檢測之前，應(yīng)該確保動(dòng)力錐貫入儀導(dǎo)向桿與探桿牢固連接，重復(fù)確認(rèn)聯(lián)軸處連接狀況，防止脫落。動(dòng)力錐貫入儀需要垂直放置于地面，記錄混凝土、硬土層期初數(shù)據(jù)，將期初數(shù)據(jù)作為零數(shù)據(jù)。結(jié)合實(shí)際需要選擇合理的檢測點(diǎn)，檢測點(diǎn)應(yīng)位于平整路基表層或基層。

2.2 試驗(yàn)步驟

（1）結(jié)合現(xiàn)場情況選擇平整、干凈的路基表面作為檢測點(diǎn)，選取樣本位置表面存在松動(dòng)浮土的，可拆除表層20 mm 以內(nèi)，重新放置動(dòng)力錐貫入儀設(shè)備。表層浮土層較厚的，可重新選擇周圍合適區(qū)域作為測量點(diǎn)。

（2）動(dòng)力錐貫入儀錐頭與鉆桿連接，確保其與待測點(diǎn)路基表面垂直，施工人員緊握手柄后，另一名操作人員將動(dòng)力錐貫入儀重錘提起，使之自由落下。

（3）獲取動(dòng)力錐貫入儀自由下垂的貫入度數(shù)據(jù)。保持動(dòng)力錐貫入儀重錘自由下落后貫入深度大于5 mm，對(duì)每次貫入度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。若單次貫入深度小于5 mm，則需增加貫入次數(shù)，并記錄貫入次數(shù)與貫入深度。

（4）連續(xù)貫入、錘擊、測量，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，確保各項(xiàng)參數(shù)符合結(jié)構(gòu)層需求。若路基材質(zhì)堅(jiān)硬，連續(xù)錘擊10 次以上，錘擊深度或貫入量無任何改變則停止錘擊，更換錘入點(diǎn)重新進(jìn)行貫入，記錄對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，或使用鉆孔設(shè)備將該點(diǎn)堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)層鉆透后重新檢測。

（5）檢測結(jié)束將貫入桿和落錘拆卸后，取出動(dòng)力錐貫入儀設(shè)備。

3 數(shù)據(jù)分析

以現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)和相關(guān)參考文獻(xiàn)[8]的參考值為基礎(chǔ)，制作貫入深度—錘擊次數(shù)曲線，將其作為動(dòng)力錐貫入儀檢測結(jié)果，并按照式（1）、式（2）分別計(jì)算動(dòng)力錐貫入儀貫入度Dd和現(xiàn)場CBR 值。

式中，Dd表示貫入量，單位mm/10 擊；a、b 表示換算系數(shù)；n表示錘擊次數(shù)。

分別在100 mm 和150 mm 厚的路基土層中進(jìn)行動(dòng)力錐貫入儀試驗(yàn)和現(xiàn)場CBR 試驗(yàn)，檢測結(jié)果見表1。

表1 路基土層DCP、CBR 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 的結(jié)果，采用二次多項(xiàng)式對(duì)貫入度和CBR 值進(jìn)行擬合，以線性函數(shù)對(duì)lgDd與lg（CBR）進(jìn)行擬合，路基土層厚100 mm時(shí)Dd—CBR 關(guān)系曲線如圖1 所示；路基土層厚150 mm 時(shí)Dd—CBR 關(guān)系曲線如圖2 所示；路基土層厚100 mm 時(shí)lg（CBR）—lgDd關(guān)系曲線如圖3 所示；路基土層厚150 mm 時(shí)lg（CBR）—lgDd關(guān)系曲線如圖4 所示。

圖1 路基土層厚100 mm 時(shí)Dd—CBR 關(guān)系曲線

圖2 路基土層厚150 mm 時(shí)Dd—CBR 關(guān)系曲線

圖3 路基土層厚100 mm 時(shí)lg（CBR）—lgDd關(guān)系曲線

圖4 路基土層厚150 mm 時(shí)lg（CBR）—lgDd 關(guān)系曲線

由圖1、圖2 可知：①厚度為100 mm 時(shí)，路基土層動(dòng)力錐貫入儀貫入度與CBR 之間以二次多項(xiàng)式評(píng)估效果最佳，相關(guān)系數(shù)為0.81，相關(guān)數(shù)據(jù)之間的離散水平高，需進(jìn)行進(jìn)一步的耦合擬合兩者關(guān)系；②隨著lgDd的增大，lg（CBR）取值減小，即lg（CBR）與lgDd之間存在負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.76，證實(shí)現(xiàn)場CBR 值與動(dòng)力錐貫入儀貫入度之間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)不足。

由圖3 和圖4 可知：①厚度為150 mm 時(shí)，路基土層動(dòng)力錐貫入儀貫入度與現(xiàn)場CBR 值之間以二次多項(xiàng)式評(píng)估的效果最佳，相關(guān)系數(shù)為0.83，相關(guān)數(shù)據(jù)相對(duì)分散，可進(jìn)一步耦合提高數(shù)據(jù)相關(guān)度；②隨著lgDd的增大，lg（CBR）取值減小，即lg（CBR）與lgDd之間存在負(fù)相關(guān)性，兩者相關(guān)系數(shù)為0.80，此時(shí)相關(guān)系數(shù)大于路基土層厚度為100 mm 的數(shù)據(jù)，表明動(dòng)力錐貫入儀貫入度與現(xiàn)場CBR 值隨著檢測深度的增加相關(guān)性提高。

結(jié)合上述分析結(jié)果，采用二次多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)相結(jié)合的方式對(duì)動(dòng)力錐貫入儀貫入度與現(xiàn)場CBR 值進(jìn)行擬合，以規(guī)范兩者之間的線性關(guān)系（表2）。

表2 路基土層DCP 貫入度與CBR 值的擬合方程

分析表2 可知：①路基土層厚度為100 mm 時(shí)，采用二次多項(xiàng)式對(duì)動(dòng)力錐貫入儀貫入度與現(xiàn)場CBR 關(guān)系擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)為0.76；②路基土層厚度為150 mm，采用線性函數(shù)對(duì)動(dòng)力錐貫入儀貫入度與現(xiàn)場CBR 關(guān)系擬合的相關(guān)系數(shù)與采用二次多項(xiàng)式擬合的系數(shù)取值相同，均為0.80；③動(dòng)力錐貫入儀試驗(yàn)路基土層大于100 mm 時(shí)采用線性函數(shù)擬合的效果更佳，相關(guān)數(shù)據(jù)與規(guī)范中的動(dòng)力錐貫入儀貫入度值與現(xiàn)場CBR 結(jié)果的擬合程度相似度高，證實(shí)該檢測手段可行。

4 動(dòng)力錐貫入儀法的工程應(yīng)用

4.1 路基、基層壓實(shí)質(zhì)量檢測與評(píng)估

動(dòng)力錐貫入儀能夠用于路基壓實(shí)質(zhì)量和承載力檢測，在項(xiàng)目施工中應(yīng)用效果突出，是評(píng)價(jià)道路強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)土質(zhì)軟硬程度的重要方法[5]。路基質(zhì)量檢測時(shí)，首先將動(dòng)力錐貫入儀檢測設(shè)備垂直置于路基表面，操作人員手持動(dòng)力錐貫入儀錐頭和操作探桿，使設(shè)備貫入路基土層至目標(biāo)厚度，獲取貫入度、貫入率、動(dòng)力錐貫入儀值等數(shù)據(jù)，對(duì)動(dòng)力錐貫入儀貫入度與現(xiàn)場CBR 值關(guān)系進(jìn)行分析，評(píng)估目標(biāo)路基材料的壓實(shí)質(zhì)量與分層情況。

4.2 評(píng)價(jià)舊路路基邊坡承載能力

隨著道路交通的不斷發(fā)展，交通流量與日俱增，部分地區(qū)會(huì)結(jié)合實(shí)際情況和通車需求進(jìn)行道路擴(kuò)建，故此需對(duì)舊道路路邊坡承載力、壓實(shí)質(zhì)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，結(jié)合檢測數(shù)據(jù)合理制定施工方案，提高削坡方案設(shè)計(jì)可行性，實(shí)現(xiàn)舊路邊坡合理利用、降低工程成本支出的目的。動(dòng)力錐貫入儀檢測法在舊路邊坡質(zhì)量評(píng)估中應(yīng)用廣泛，根據(jù)方案需求，在目標(biāo)路基路面200 mm×200 mm區(qū)域內(nèi)平整路面，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)連續(xù)5 次動(dòng)力錐貫入儀貫入試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如貫入率指標(biāo)均未達(dá)標(biāo)則停止貫入試驗(yàn)，調(diào)整施工目標(biāo)區(qū)域重復(fù)進(jìn)行貫入試驗(yàn)。結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果對(duì)舊路邊坡承載力水平進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合道路擴(kuò)展方案進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，對(duì)舊路削坡方案的可行性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，提高方案的可行性，避免施工盲目性導(dǎo)致質(zhì)量不佳。

4.3 管道回填土與路堤壓實(shí)質(zhì)量檢測質(zhì)量評(píng)估

公路項(xiàng)目多具有工期長、質(zhì)量要求高、場地有限的特征，對(duì)于一些管道回填過程中常規(guī)檢測手段可行性不佳，無法及時(shí)獲取管道土方回填密度數(shù)據(jù)，不利于后續(xù)工序的優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用動(dòng)力錐貫入儀法后，可及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地獲取回填土壓實(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)，操作簡便、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高，為節(jié)約工期、提高工程質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。動(dòng)力錐貫入儀法還廣泛應(yīng)用于路堤施工環(huán)節(jié)，在路堤工程周邊土體附近進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量檢測、施工中土體填筑質(zhì)量評(píng)估中應(yīng)用效果可觀。

4.4 路基土體初始數(shù)據(jù)分析

以動(dòng)力錐貫入儀試驗(yàn)結(jié)果作為土層分層結(jié)構(gòu)評(píng)估和路基承載力水平評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)來源，并對(duì)工程區(qū)域土體勘測，確定其結(jié)構(gòu)分層情況與性質(zhì)。

5 結(jié)論

動(dòng)力錐貫入儀法具備施工便捷、操作簡單、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)，可應(yīng)用于新建道路、管道施工、溝渠工程等領(lǐng)域。還可以應(yīng)用于路基承載力與壓實(shí)質(zhì)量分析、回填土質(zhì)量檢測、舊路邊邊坡承載力評(píng)估等方面，應(yīng)用前景廣闊。