PFWD在紅砂巖路基回彈模量快速檢測中的應用

楊 恒

(湖南省航務勘察設計研究院)

0 引 言

路基回彈模量是表征路基抗變形能力及路面結構設計的主要參數(shù)之一,對路基路面結構的強度、剛穩(wěn)定性、使用性能和使用壽命起著決定性的作用,因其受地質(zhì)條件、地區(qū)氣候、施工質(zhì)量、測試方法等諸多因素的影響,使其數(shù)值的確定比較困難,也就給設計與施工帶來很多的不確定因素和問題,其取值大小直接影響著路面結構層的設計厚度和路基路面的施工質(zhì)量。因此對路基回彈模量的快速檢測方法的研究是十分必要的。路基回彈模量的試驗測試方法主要有承載板法(室內(nèi)、室外)、彎沉測定(貝克曼梁彎沉儀和FWD落錘式彎沉儀測定)法等。這些測試手段都存在著測試時問長、測試復雜、測試人員多、偏僻地方不宜到達的缺點。因此尋找一種快速簡便的檢測方法至關重要。

便攜式落錘彎沉儀簡稱PFWD,是一種動力承載能力試驗檢測設備,是繼落錘彎沉儀(FWD)后的又一種新的動態(tài)模量快速檢測無損檢測設備。PFWD可用來確定路基承載能力,獲得路基的動態(tài)回彈模量。對于特殊土路基回彈模量及其性質(zhì)的研究對于公路路基路面設計、施工質(zhì)量控制等都具有十分重要的作用和實際意義。

1 PFWD的測試原理及檢測分析

便攜式落錘彎沉儀(PortableFallingWeightDeflectometer)簡稱PFWD,是一種動力試驗檢測設備,可獲得路基的動彈性模量。PFWD檢測流程如圖1。

圖1 PFWD檢測流程圖

路基是彈塑性體,其本構關系呈非線性。PFWD作用于路基表面時,由于PFWD沖擊力較小,作用時間很短,只有20ms,得到的荷載與變形關系近似線彈性。因此,可以采用彈性理論分析路基在PFWD荷載作用下的應力與位移。承載板屬靜載試驗,而PFWD檢測是動載試驗,兩者的性質(zhì)不相同?？蓪⒙坊暈閺椥园肟臻g體。同時,PFWD直接以剛性底盤作用于路基表面,以落錘沖擊底盤獲得荷載,所以用PFWD測定路基回彈模量時,理論模型可采用剛性承載板下的彈性半空間體模型。圖 2為剛性承載板下彈性半空間結構受力。

圖2 剛性承載板下彈性半空間結構受力圖

PFWD測定路基回彈模量所取的變形值即為表面中心處的垂直位移值,所以理論公式可由公式 1表示。

在實際測定路基回彈模量時,還要具體考慮式(1)中各參數(shù)的單位。上述式中,p為實測的承載板壓力,kPa;a為承載板半徑,現(xiàn)場通常采用半徑為 15cm的承載板,室內(nèi)一般采用直徑為5cm的承載板;μ為泊松系數(shù),對于路基土取μ=0.35;l為實測的承載板中心彎沉,μm;Ep為路基回彈模量,MPa。

2 路基情況

對京珠高速復線湖南段衡陽至桂陽高速公路(以下簡稱“衡桂高速”)有代表性的 3組巖樣進行了巖石礦物分析,紅砂巖的巖礦成分分析結果匯總見表 1。另外通過試驗測得它的液限是28.2%,塑限是20.9%。通過擊實試驗測得它的最大干密度為2.14g/cm3,最佳含水量為8.84%。紅砂巖屬于中生代白至紀(K)的沉積巖,通過偏光顯微鏡和電子顯微鏡觀察,紅砂巖呈孔隙式膠結,顆粒支撐,膠結物以泥質(zhì)為主,鐵質(zhì)次之,有大量勃土雜質(zhì)充填。鐵質(zhì)在紅砂巖中大多數(shù)是以浸染物的形式存在,因此對紅砂巖的工程性質(zhì)影響很小。此外,紅砂巖與其它一般石英質(zhì)砂巖相比,可以明顯看出紅砂巖孔隙率較高,且有不少大孔。

從紅砂巖的礦物成分分析結果可知,紅砂巖含有勃土礦物——膨潤土,是導致其遇水膨脹、變軟、風化的主要原因。膨潤土也叫斑脫巖或膨土巖,它最早發(fā)現(xiàn)于美國的懷俄明州的古地層中,為黃綠色的勃土,因加水膨脹成糊狀,后來就把這種性質(zhì)的勃土統(tǒng)稱為膨潤土。膨潤土的主要礦物成分是蒙脫石,含量在 80%～90%,另含有少量長石、石英、貝得石、方解石及火山玻璃。紅砂巖的松散的微觀結構及所含勃土礦物,是影響其工程性質(zhì)的物質(zhì)基礎和內(nèi)在原因。

表1 紅砂巖的礦物成分及其含量

對紅砂巖的在飽水狀態(tài)、自然狀態(tài)和干燥狀態(tài)三種情況下分別進行了單軸抗壓強度試驗,得到三種狀態(tài)下單軸抗壓強度的平均值分別為9.5MPa,16.3MPa和38.0MPa。紅砂巖的強度隨含水率的增大而減小,且減小的幅度比較大。在干燥狀態(tài)下紅砂巖的單軸抗壓強度大約是自然狀態(tài)下的2.5倍,而飽水狀態(tài)下紅砂巖的單軸抗壓強度大約是自然狀態(tài)下的強度 60。所以其并不是一種良好的路基填料,若作為路基填料應嚴格控制壓實。

3 紅砂巖回彈模量PFWD現(xiàn)場快速檢測

我們通過使用PFWD、現(xiàn)場承載板、BB梁三種檢測方法對京珠高速復線湖南段衡陽至桂陽高速公路 1,2,3段的動回彈模量,靜回彈模量以及彎沉進行了檢測,所得檢測結果列于表 2中。

表2 紅砂巖路基回彈模量值

表中的PFWD所測模量是根據(jù)式 1計算所得。貝克曼梁反算模量 E1是根據(jù)公式 1計算得到的。貝克曼梁反算模量E1是根據(jù)下面的公式(2)計算得到的

式中:E1為計算的土基回彈模量,MPa;p為測定的車輪平均垂直單位壓力,MPa;r為測定用標準車雙圓荷載單輪傳面當量圓的半徑,cm;μ為測定層材料泊松比,根據(jù)部頒路面設計規(guī)范的規(guī)定取用;K為彎沉系數(shù),為0.712;S為回彈彎沉測定值標準差,0.01mm;Lr為計算代表彎沉。

現(xiàn)場承載板所得的模量E0根據(jù)下面的公式(3)得出

式中:E0為土基回彈模量,MPa;μ0為泊松比,根據(jù)部頒路面設計規(guī)范的規(guī)定取用,一般可取0.35;Pi為作用于Li的各級壓力值,MPa;Li為結束實驗前的各級計算回彈變形值,cm。

從表 2可以看出現(xiàn)場承載板所測的模量值是最大的, PFWD所測值是最小的。對動回彈模量Ep,靜回彈模量 E0以及通過彎沉 l得到的反算模量E1進行對比分析見圖 2,可以發(fā)現(xiàn)三者趨勢基本相似,證明了三種方法都可以較好的檢測路基回彈模量。

根據(jù)現(xiàn)場所得檢測數(shù)據(jù),對動回彈模量和靜回彈模量進行回歸分析。經(jīng)分析,紅砂巖在不同模型下的回歸公式及相關系數(shù)列如表 3中。

圖3 紅砂巖靜回彈模量E0、動回彈模量Ep以及反算模量E1對比圖

表3 紅砂巖動靜模量不同模型下的回歸公式及相關系數(shù)

從上表可以看出乘冪模型的相關系數(shù)是最高的,達到了0.922,而其它三種模型的相關系數(shù)要低一些。因此采用乘冪模型來進行回歸分析是最好的。若采用線性模型來分析動靜回彈模量的關系則存在一定的局限性,因為線性模型存在一截距,若動模量為零時,靜模量還是有值存在。另外由于四種回歸模型的相關系數(shù)都在0.91以上。表明PFWD所測得的動回彈模量與現(xiàn)場承載板所測得的靜回彈模量之間存在著很好的相關性。而 a,b系數(shù)則與所測數(shù)據(jù)的多少有很大關系,數(shù)據(jù)越多則得到的關系越準確。

4 路基回彈模量與壓實度和稠度的相關性分析

對衡桂高速 1,2,3段進行了壓實度試驗所得結果見表4。

表4 紅沙巖壓實度試驗結果及模量結果

經(jīng)回歸分析紅砂巖的模量與壓實度和稠度的關系如下

從式(4)和式(5)可以看出,相關系數(shù)超過0.7,表明個模量與壓實度和稠度(含水量)之間的相關性較好。理論上隨著壓實度的提高,路基回彈模量值也增加,而隨著含水量的變大或稠度減小,路基回彈模量值是減小的,即路基模量與壓實度和稠度呈正比例而與含水量呈反比例,式(4)和式(5)顯示回歸結果均與理論規(guī)律基本一致。

5 紅砂巖路基回彈模量合理取值

對于用紅砂巖的填土路基的回彈模量值,由于受含水量影響較大從且土質(zhì)本身不太穩(wěn)定而根據(jù)現(xiàn)場檢測結果,考慮一定的安全富余,建議參考值如表 5:

表5 紅砂巖路基回彈模量合理取值范圍

通過PFWD、現(xiàn)場承載板及貝克曼梁三種方法對京珠高速復線湖南段衡陽至桂陽高速公路上紅砂巖路基的典型地段進行了現(xiàn)場回彈模量檢測。通過對結果的分析得到如下結論。

(1)紅砂巖遇水膨脹、變軟、風化,孔隙率較高,并不是一種好的填料。且路基回彈模量變異性較大,所以工程實踐中,應采取相應措施,改良紅砂巖路基的性能,保證紅砂巖路基強度處于合理范圍內(nèi),對紅砂巖路基的壓實應嚴格控制。

(2)PFWD法、現(xiàn)場承載板法及貝克曼梁法測定的紅砂巖路基回彈模量相互之間的相關性良好,表明三種方法都可以有效評價紅砂巖路基的回彈模量;通過采用線性模型、對數(shù)模型、乘冪模型和指數(shù)模型四種回歸模型對動靜模量、動模量與彎沉及靜模量與彎沉的回歸分析,可以看出都是乘冪模型的相關性最好。因此,應采用乘冪模型來進行回歸。另外路基模量與壓實度和稠度呈正比例而與含水量呈反比例。

(3)考慮一定的安全富余得到衡桂高速紅砂巖路基回彈模量的合理取值范圍是32～54MPa。

總之,PFWD不僅是一種路基回彈模量快速檢測設備,而且也是一種路基施工質(zhì)量控制的快速檢測設備,其檢測結果可為路面設計和施工控制提供科學合理的依據(jù)。

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