便攜式彎沉儀在土石混填路基壓實(shí)質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

江 鋒

（福州路港交通工程試驗檢測有限責(zé)任公司，福建 福州 350000）

高速公路路基在運(yùn)營過程中長期受車輛荷載和自然環(huán)境因素的影響，經(jīng)常出現(xiàn)各種各樣的損壞、變形等病害，這都會對高速公路的使用質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。因此，在進(jìn)行高速公路設(shè)計時不僅要考慮路基的斷面尺寸、坡度、彎度等，還要求路基具有長期抵御交通荷載、自然環(huán)境變化影響的強(qiáng)度和剛度。一般情況下，施工質(zhì)量，尤其是路基壓實(shí)度的質(zhì)量直接決定著路基的長期使用能力，路基的變形和破壞也常常是與路基壓實(shí)度控制不足直接相關(guān)的。因此，如果在高速公路施工過程中能夠?qū)ζ鋲簩?shí)質(zhì)量進(jìn)行快捷、實(shí)用的評估，將有利于提升施工現(xiàn)場的路基檢測能力。從目前常用的檢測設(shè)備來看，便攜式落錘彎沉儀在易操作、便捷、不損壞路基結(jié)構(gòu)等方面具有良好的技術(shù)特點(diǎn)，能夠測定路基的回彈模量等參數(shù)，而回彈模量又能夠與路基的壓實(shí)度建立很好的關(guān)系。此外，在《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2017）中，交通荷載并不是靜態(tài)荷載，而是一種長期作用的動態(tài)荷載，原來用于路基設(shè)計的靜態(tài)荷載得到的指標(biāo)目前已經(jīng)全部改為了對應(yīng)的動態(tài)指標(biāo)。由此可見，探究便攜式落錘彎沉儀測定動態(tài)荷載對應(yīng)的回彈模量，將其用于控制路基壓實(shí)度具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。

1 便攜式彎沉儀檢測路基壓實(shí)質(zhì)量的原理

便攜式彎沉儀也叫微型落錘式彎沉儀或手持式落錘彎沉儀，是用于建筑或道路地基表面動力承載力檢測的小型設(shè)備。如圖1 所示，便攜式彎沉儀主要包括落錘、鎖定桿、橡膠墊塊、壓力和位移傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置等部件。它的基本工作原理是對路基在持續(xù)的交通荷載作用下路基的動態(tài)沖擊作用進(jìn)行仿真，在落錘釋放后，它會在重力的作用下沿著桿體自由下落，并作用于下部的承載板上形成動態(tài)的沖擊荷載，產(chǎn)生沖擊應(yīng)力波。此時路基檢測的位置會與承載板形成共同體，在沖擊荷載的作用下發(fā)生彎沉，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)@種彎沉作用進(jìn)行采集和記錄，進(jìn)而利用相關(guān)的理論公式得到路基的回彈模量。從土的本構(gòu)關(guān)系的角度，路基可以被看作是一種彈塑性材料，其應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系一般為非線性的。便攜式彎沉儀處于工作狀態(tài)時，沖擊應(yīng)力波在土中傳播的時間比較短暫，約為25ms，在較短的時間內(nèi)，路基土由于慣性作用以彈性變形為主，尚來不及產(chǎn)生足夠的塑性變形，在應(yīng)力波衰減后，可以將路基土的應(yīng)變完全看作彈性應(yīng)變，于是便攜式彎沉儀測得的回彈模量主要以彈性變形模量為主。鑒于此，許多研究都將便攜式彎沉儀采集到的力與位移之間的關(guān)系看作線彈性關(guān)系，并采用彈性力學(xué)中的相關(guān)理論進(jìn)行分析，將動彈性模量等效為回彈模量。

圖1 便攜式彎沉儀組成部件示意圖

2 便攜式彎沉儀對土石混填路基壓實(shí)質(zhì)量的檢測及控制

2.1 京臺線建甌至閩侯高速公路福州段工程概況

京臺線建甌至閩侯高速公路起自建甌弓魚，接浦城（浙閩界）至建甌高速公路，途經(jīng)南平、寧德、福州，全長155.285km。京臺高速公路福州段接京臺高速公路寧德段，起點(diǎn)位于福建寧德古田縣與福州閩清縣兩市交界處的黃竹山特長隧道中部，樁號K99+128；終點(diǎn)位于福建福州閩侯縣荊溪鎮(zhèn)港頭村，直接與福州繞城高速公路西北段相接，樁號K152+079.607，線路全長52.951 607km。

京臺線建甌至閩侯高速公路采用雙向4 車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度100 km/h（大目溪互通K120+500～K126+000 段設(shè)計速度80 km/h），路基寬度26m，交通工程及沿線設(shè)施等級A 級，服務(wù)水平二級，路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸載雙輪組單軸100kN；其余技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2003）執(zhí)行。

2.2 路基填料物理力學(xué)性能

根據(jù)土的分類，取回的京臺線建甌至閩侯高速公路福州段現(xiàn)場土樣中主要分為細(xì)粒土、粗粒土和巨粒土3 種粒組的土，三者分別占比為2.6%、74.5%和22.9%，以粗粒土為主，巨粒土次之，細(xì)粒土最少。其中巨粒土的占比超過總質(zhì)量的15%，故定名為漂（卵）石質(zhì)土。通過篩分試驗得到的級配曲線可以計算出該土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為55.1 和5.6。路基土中巨粒巖石的母巖以花崗巖為主，對其鉆芯后開展單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)該巖石的強(qiáng)度較高，單軸飽和壓縮強(qiáng)度大多超過60 MPa，屬于硬巖范疇，達(dá)到了路基填筑的標(biāo)準(zhǔn)（≥15MPa）。對土樣進(jìn)行重型Ⅱ-2法擊實(shí)試驗，得到的最大干密度ρmax=2.31g/cm3，最優(yōu)含水量為8.1%。

2.3 便攜式彎沉儀對路堤壓實(shí)質(zhì)量的檢測

2.3.1 施工工藝

路基施工主要采用振動碾壓法，碾壓之前應(yīng)根據(jù)實(shí)驗室內(nèi)測得的最優(yōu)含水量8.1%將填料的含水量控制在8.1%±0.2%以內(nèi)，并將填料進(jìn)行分層平整攤鋪。本工程中共進(jìn)行了6 次碾壓，首先進(jìn)行1 次不振動的靜力碾壓，隨后進(jìn)行1 次振幅和頻率較小的弱碾壓，之后進(jìn)行3 次振幅和頻率較大的強(qiáng)振碾壓，最后1 次碾壓與首次碾壓方式相同，也采用靜力碾壓以達(dá)到收面的效果。

2.3.2 壓實(shí)沉降差觀測

在沉降差觀測之前，應(yīng)事先預(yù)備50 塊鋼板（規(guī)格為150mm×150mm×10mm）。為了確保鋼板在沉降差觀測過程中不發(fā)生明顯形變，這些事先預(yù)備的鋼板也應(yīng)用壓路機(jī)進(jìn)行反復(fù)碾壓。填料應(yīng)分層攤鋪，每層的松鋪厚度應(yīng)小于360mm。檢測點(diǎn)的選取應(yīng)考慮斷面的間距，約50m 設(shè)定一個檢測斷面。同一斷面上的兩個檢測點(diǎn)應(yīng)保持約3m 的間距，檢測點(diǎn)個數(shù)不少于10 個。

提前準(zhǔn)備的鋼板應(yīng)用紅色油漆作明顯標(biāo)記，鋼板的高程可采用水準(zhǔn)測量設(shè)備進(jìn)行精確量測。高程測定完成后開始進(jìn)行碾壓作業(yè)，每一遍碾壓作業(yè)之后還應(yīng)再進(jìn)行一次高程的精確量測。于是，通過測得的鋼板高程數(shù)據(jù)就能夠獲得各個檢測點(diǎn)上的沉降差。本工程中測得的彎沉值見表1。

表1 碾壓后測得的彎沉值

2.3.3 應(yīng)用便攜式彎沉儀檢測土石混填路堤

本次對便攜式彎沉儀主要是在試驗段上進(jìn)行的，試驗段選定的樁號為K140+860 ～ K141+000。通常情況下，下承層對各個測點(diǎn)的彎沉值影響比較明顯。因此，在京臺線建甌至閩侯高速公路福州段的試驗段中，如圖2 所示，主要選定第8～10層的路基進(jìn)行測點(diǎn)布置，測點(diǎn)沿縱向布置兩排，測點(diǎn)與測點(diǎn)在縱向上保持20m 間距，在橫向上保持10m 間距，測點(diǎn)個數(shù)為12 個，測點(diǎn)用油漆標(biāo)定。為了建立沉降值與回彈模量之間的關(guān)系，便攜式彎沉儀的測點(diǎn)位置應(yīng)布置在沉降差監(jiān)測點(diǎn)附近，兩者的間距不應(yīng)大于0.2m。

圖2 每層路堤的測點(diǎn)位布置圖

每一層填料的碾壓都應(yīng)遵循施工方案中設(shè)定的壓實(shí)參數(shù)和壓實(shí)工法，本工程試驗段中共進(jìn)行10 層碾壓，每一層碾壓結(jié)束后都采用便攜式彎沉儀對預(yù)設(shè)的檢測點(diǎn)的彎沉值進(jìn)行檢測。為了達(dá)到路基土不產(chǎn)生明顯塑性變形以及路基面不產(chǎn)生明顯不平整度的目的，各個測點(diǎn)均進(jìn)行3 次預(yù)壓，預(yù)壓按照要求完成后方可進(jìn)行檢測。表2 中給出了在試驗段完成10 層碾壓后的回彈模量Ep值。

表2 碾壓后的回彈模量值

從表中可以看出，碾壓次數(shù)是影響路基土回彈模量的主要因素之一，碾壓遍數(shù)越多，回彈模量也相應(yīng)越大。我們發(fā)現(xiàn)，個別檢測點(diǎn)上出現(xiàn)與此現(xiàn)象相反的情況，這可能是由于土石混合填料在攤鋪碾壓后局部出現(xiàn)級配不良的情況，此時路基土孔隙度較大，壓實(shí)不充分，壓實(shí)質(zhì)量不好。另外，表2 中也能看出，回彈模量隨著碾壓遍數(shù)的增多，其增加的速率也趨于緩慢，可見，前期的碾壓使路基土中的孔隙壓縮更為明顯。

2.3.4 沉降與回彈模量的相關(guān)性分析

表3 中給出了在京臺線建甌至閩侯高速公路福州段試驗段上完成3 層碾壓后的回彈模量Ep值和沉降差值。3 層碾壓均遵循施工需要滿足的壓實(shí)參數(shù)和壓實(shí)工藝，監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)均為完成6遍碾壓的結(jié)果。將表中的沉降差與回彈模量繪于圖3 中，可以看出，京臺線建甌至閩侯高速公路福州段土石混填路基現(xiàn)場試驗測得的回彈模量Ep與沉降差ΔH 存在著良好的正相關(guān)關(guān)系，該關(guān)系可以擬合為：

表3 現(xiàn)場各個測點(diǎn)上的沉降差和回彈模量值

圖3 回彈模量與沉降差的關(guān)系

2.3.5 應(yīng)用效果

按照交通運(yùn)輸部《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》等有關(guān)文件對工程質(zhì)量進(jìn)行評定，經(jīng)各施工單位自檢、監(jiān)理工程師評定，并結(jié)合交工驗收質(zhì)量檢測單位的檢測情況和省交通質(zhì)監(jiān)局質(zhì)量檢測意見，京臺線建甌至閩侯高速公路福州段工程路基工程的質(zhì)量總體評價為：路基壓實(shí)度、彎沉、邊坡坡率和結(jié)構(gòu)物的混凝土強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)尺寸等實(shí)體項目共檢測1 853 點(diǎn)（組），合格率87.0%，其中路基邊坡坡率和排水工程尺寸合格率較低；砌筑工程表面平整、線條順直，涵洞工程洞身直順，進(jìn)出口順適，支擋工程表面平整；而路基基本穩(wěn)定，合格率100%。

由此可見，應(yīng)用便攜式彎沉儀對土石混填路堤壓實(shí)質(zhì)量的檢測效果良好，對于保證路基質(zhì)量起到了重要作用。

3 結(jié)語

（1）便攜式落錘彎沉儀是一種高速公路路基壓實(shí)效果試驗檢測的設(shè)備，在易操作、便捷、不損壞路基結(jié)構(gòu)等方面具有良好的技術(shù)特點(diǎn)，能夠大幅提高路基的質(zhì)量檢測效率，有效縮短道路的施工工期。（2）對于高速公路土石混填路基，彎沉值、回彈模量能夠較好地反映路基的壓實(shí)效果，可作為路基檢測中對壓實(shí)度指標(biāo)的補(bǔ)充，直接反映了路基的剛度大小和承載能力，是反映路基性能的重要參數(shù)。（3）采用便攜式落錘彎沉儀進(jìn)行土石混填路基現(xiàn)場試驗可以獲得路基的壓實(shí)沉降差、回彈模量等參數(shù)，兩者之間具有很好的正相關(guān)關(guān)系。