低液限粉質黏土公路路基壓實控制指標的對比優化

劉富曉

(惠州市鑫達建筑工程檢測有限公司 惠州 516001)

0 引 言

合理的路基壓實狀態是公路結構承載力的基礎,路基的欠壓與過壓均不利于公路的結構狀態[1-3].在文獻[4]中,采用壓實度指標控制路基的壓實狀態,根據交通荷載、路基層位與公路等級制定壓實度要求.壓實度是路基土壓實后的實測干密度與其最大干密度之間的比值,僅是表征路基土物理性質的相對指標,并不具有力學意義,且壓實度需進行單點檢測,覆蓋面較小且檢測效率較低.

振動壓實值VCV是路基連續壓實狀況的常用控制指標,可在壓實過程中基于振動輪的加速度連續計算,效率較高且覆蓋面較廣,目前其檢測方法已形成相應的行業規范[5].地基系數K30和動態變形模量Evd基于路基在荷載作用下的應力應變曲線測得,具備相應的力學意義,可以直接反映路基的承載能力,且其檢測效率高于壓實度檢測.K30和Evd兩項指標最早用于鐵路路基壓實狀態的評估,已寫入現行TB10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》[6]中,但暫未加入現行JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》[7]中.

考慮到相比于傳統的壓實度K指標,VCV、K30和Evd三項指標在現場檢測的便利性或力學意義方面存在優勢,VCV、K30和Evd三項指標在公路路基壓實質量控制中的應用于研究逐漸增加.黎卿[8]測試了天然砂礫壓實后的地基系數K30,證實了其與干密度與灌砂法所測壓實度K之間均具有顯著的線性相關性.王萬展[9]研究了公路填石路基壓實后的地基系數K30與壓實度K之間的相關性,據此以地基系數K30控制填石路基的壓實質量.胡志文等[10]證實了采用沉降差和動態變形模量Evd指標相結合的方法控制巨粒土公路路基施工壓實質量的可行性.姜宏[11]研究了以振動壓實值VCV與動態變形模量Evd指標控制公路土石混填路基壓實狀態的可行性,指出VCV指標可反映路基填筑層整體的結構抗力,而Evd指標僅可反映填筑層表面以下500 mm深度范圍內的壓實程度.國外常用的諧波比CMV指標與振動壓實值VCV指標相類似,均基于壓實過程中壓路機所受土基反作用力計算得到[12-14].

現行的文獻[4]中仍以壓實度作為路基壓實質量的控制指標,需基于對應關系將所測得的VCV,K30,Evd指標轉換為壓實度K,但對于不同的路基填料,VCV,K30,Evd指標與壓實度指標K的對應關系各異,需進行具體標定.低液限粉質黏土是一種常見的細粒土路基填料,文中依托廣東省S40羅信高速茂名段建設工程,現場檢測壓實過程中與壓實完成后路基土的壓實度K、振動壓實值VCV、地基系數K30,以及動態變形模量Evd之間的對應關系,據此優化單一的壓實度控制指標,形成基于振動壓實值VCV、地基系數K30,以及動態變形模量Evd的路基土壓實狀態控制指標.

1 壓實控制指標

1.1 壓實度K

路基土壓實度K是壓實后實測的路基土干密度與其最大干密度之比.

(1)

根據文獻[7],細粒土的最大干密度由擊實試驗測得,現場的路基土干密度由灌砂法測得.根據文獻[4]的規定,壓實度為路基壓實施工的控制指標,高速公路路基各層的壓實度應滿足表1中各項要求.

表1 高速公路路基壓實度要求

1.2 振動壓實值VCV

在文獻[5]中,采用振動壓實值VCV連續評價路基的壓實狀態,并要求采用一次函數擬合VCV值與其他壓實評價指標之間的相關性,且二者之間的相關系數應不小于0.7.VCV值的計算式為

(2)

1.3 地基系數K30和動態變形模量Evd

K30和Evd的測試方法依據文獻[10]進行,檢測K30時,在直徑300 mm的承載板上以0.04 MPa的增量逐級加載,當承載板下沉量為基準量Ss=1.25 mm時,所對應的荷載強度記作σ.檢測Evd時,10 kg的落錘下落至直徑300 mm的承載板上,形成峰值為(7 070±70.7) N的沖擊荷載,承載板的下沉量記作S.

(3)

(4)

2 現場試驗

廣東省S40羅信高速全長129.82 km,為雙向四車道高速公路,設計速度100 km/h.選取羅信高速茂名段中某填方試驗段,試驗段路基所用填料為低液限粉質黏土,根據文獻[11],路基土的各項指標見表2,土顆粒級配見圖1.

圖1 路基土的級配曲線

表2 路基土的各項指標

所用壓路機為徐工XS225型振動壓路機,強振模式下的激振力為420 kN,振動頻率為33 Hz.壓實層位為路基下路床,每層路基土的松鋪厚度為50 cm,控制松鋪土層的含水率在最佳含水率±2%的范圍內,以強振模式壓實五遍.由表1可知:高速公路下路床應保證96%以上的壓實度.選取30個測點,在第一、二、五遍壓實結束后,測試所選各測點處路基土的壓實度K、K30和Evd,在壓實過程中實時檢測各測點處的振動壓實值VCV.振動壓實值VCV在壓實過程中實時同步測試,檢測范圍為壓實路段各處,對于后續將進行壓實度K、K30和Evd測試的測點位置應注意做好標記.測試壓實度K、K30和Evd時,其測點位置應取在同一層壓實完成的土體表面的相鄰處,但測點不應選取同一位置,避免測試過程中的加載使所測位置壓實度增大.為避免含水率等土體參數的變動,在壓實結束后盡快進行測試,首先進行操作較易的Evd測試,此后進行地基系數K30測試,最后進行有損檢測的壓實度K測試.

3 測試結果分析

3.1 各遍壓實后K與VCV、K30和Evd的相關性

共進行五遍強振壓實,第一、二、五遍壓實完成后在30處測點測得的路基土壓實度K與振動壓實值VCV、K30和Evd之間的相關性分別見圖2～4,第一、二、五遍壓實完成后在30處測點所測的路基土壓實度K平均值變化見圖5.在各遍壓實后,路基土壓實度K與VCV、K30和Evd之間均呈線性正相關關系.

圖2 各遍壓實后壓實度K與振動壓實值VCV之間的關系

圖3 各遍壓實后壓實度K與地基系數K30之間的關系

圖4 各遍壓實后壓實度K與動態變形模量Evd之間的關系

圖5 各遍壓實后30處測點的平均壓實度

因此,對各遍壓實后K與VCV、K與K30、K與Evd進行線性擬合,形如式(5)所示,以式(6)計算相關系數r,r越大表明路基壓實度K與x之間的線性關系越好.擬合結果與相應的相關系數r匯總于表3.

表3 線性擬合結果與相關系數

K=kx+b

(5)

(6)

式中:k和b為擬合參數,分別代表直線的斜率與截距;x為與VCV、K30和Evd;i為擬合所用的數據組數,此處取i=30.

由圖2～4與表3可知:隨著壓實遍數增加,K與VCV指標,K與K30指標,K與Evd指標之間的線性擬合式不斷發生變化,表現出擬合斜率k下降,截距b上升的趨勢.在第一遍壓實后,壓實度K與振動壓實值VCV、地基系數K30和動態變形模量Evd的相關系數r在0.770～0.793,表明此時難以由VCV、K30、Evd三項力學響應指標控制路基土的壓實度.隨著壓實遍數的增加,K與VCV、K30、Evd的相關系數r顯著增大,表明壓實度K與VCV、K30、Evd三項指標間的線性關系增強.推測其原因在于,隨著壓實遍數的增加,路基土內部的孔隙率降低而均質性提升.VCV、K30、Evd三項指標均基于路基土的力學響應測得,此時路基土的整體性提升,因此其力學響應指標與表征其壓實物理狀態的壓實度指標K之間的相關性上升.

由圖5可知:當第五遍壓實完成后,所選取的30個測點的平均壓實度已達到97.5%,超過表1中對高速公路下路床96%的壓實度要求,可結束壓實過程.此時,K-VCV,K-K30,K-Evd之間線性擬合的相關系數均大于0.94,表明VCV、K30和Evd均與路基土壓實度之間有較好的線性關系.

3.2 壓實完成后K、K30與Evd之間的相關性

對比VCV、K30和Evd三項力學響應指標之間的相關性,并根據式(6)計算相關系數r,結果見圖6.由圖6可知:此時K30與VCV指標、Evd與K30指標、Evd與VCV指標之間均有較好的線性相關性,且相關系數均大于0.9,表明采用上述三項力學響應指標評價低液限粉質黏土路基壓實狀態的一致性較好.

圖6 第五遍壓實后VCV、K30、Evd之間的關系

3.3 基于VCV、K30或Evd指標的路基壓實控制

根據表1的高速公路路基各層的壓實度要求,應用振動壓實值VCV、地基系數K30和動態變形模量Evd三項力學響應指標,優化低液限粉質黏土路基的壓實狀態控制要求,結果見表4.

表4 基于三項力學響應指標的高速公路路基壓實狀態控制要求

對于不同的路基填料,需分別標定VCV,K30,Evd指標與壓實度指標K之間的對應關系,本文所給出的對應公式僅適用于所測路基的低液限粉質黏土填料,且含水率在最佳含水率11.2%±2%的范圍內.傳統的壓實度K指標僅可在施工完成后檢測公路路基的壓實質量,且為單點檢測,難以發現零散存在的壓實不良段落,而若發現壓實不良的段落,還需進一步返工.VCV指標可以在壓實過程中連續實時控制壓實質量,實時發現壓實不足的區域并對應調整壓路機的壓實參數,且可有效防止路基土過壓實的出現.

在壓實后對路基壓實質量的檢測中,壓實度指標是路基土壓實后的實測干密度與其最大干密度之間的比值,并不具有力學意義,且采用灌砂法檢測壓實度時,所檢測的僅為路基表面數公分深度范圍內的壓實質量,檢測效率與結果誤差較大.相比而言,K30和Evd指標具有直接的力學意義,檢測效率與結果準確性較好,且K30和Evd指標可體現路基土內部數十公分深度范圍內的力學承載能力.本文的研究表明,在公路路基壓實過程中采用VCV指標進行壓實質量的實時監測,在壓實完成后采用K30和Evd指標進行壓實質量的評價是可行的,相比于傳統的壓實度K指標具有力學性能上的明顯優勢.應當指出的是,表4中對于VCV、K30和Evd指標的控制范圍由壓實度換算標定得到,基于現場試驗與數值模擬,直接基于各類路基填料的性質,確定VCV、K30和Evd指標的控制范圍,是后續研究的重要方向.

4 結 論

1) 隨著壓實遍數的增加,K-VCV,K-K30,K-Evd之間線性擬合式的斜率k下降,截距b上升,且相關系數增加,壓實完成后各擬合式的相關系數均大于0.94.

2) 相比于壓實度K指標,振動壓實值VCV、地基系數K30和動態變形模量Evd的力學意義或測試簡便度均占優勢,較好的線性關系有利于基于VCV、K30或Evd指標對路基壓實狀態進行評價與控制.

3) 壓實完成后,K30-VCV、Evd-K30、Evd-VCV指標之間均有較好的線性相關性,且相關系數均大于0.9,表明采用上述三項力學響應指標評價低液限粉質黏土路基壓實狀態的一致性較好.

4) 應用振動壓實值VCV、地基系數K30和動態變形模量Evd三項力學響應指標,優化了對低液限粉質黏土路基中上下路床與上下路堤壓實狀態的控制要求.