水利堤頂公路壓實(shí)度的快速檢測(cè)

王正君，來(lái)慶輝，康 浩，李欣欣，趙春梅，莊晶晶

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

?

水利堤頂公路壓實(shí)度的快速檢測(cè)

王正君，來(lái)慶輝，康 浩，李欣欣，趙春梅，莊晶晶

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

為了研究水利堤頂公路壓實(shí)度的快速檢測(cè)方法,結(jié)合土的半無(wú)限彈性體理論，以回彈模量作為土基抗壓強(qiáng)度的指標(biāo),介紹便攜式落錘彎沉儀(PFWD)和落球式巖土力學(xué)特性檢測(cè)儀(SEH-FBT)快速檢測(cè)法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且同時(shí)與環(huán)刀法測(cè)得壓實(shí)度相對(duì)比，用SPSS軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：PFWD和SEH-FBT以及環(huán)刀檢測(cè)的數(shù)據(jù)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，可以建立非線性回歸方程作為工程評(píng)價(jià)依據(jù)。

PFWD；SEH-FBT；快速檢測(cè)；回彈模量；SPSS

在當(dāng)前的一些新建或改建的黑龍江干流堤壩工程中，出現(xiàn)了堤壩質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，使用不到規(guī)定年限等問(wèn)題。這是由多方面的原因造成的，但從技術(shù)角度講，施工過(guò)程中對(duì)水利堤頂公路的壓實(shí)過(guò)程不夠重視，導(dǎo)致壓實(shí)質(zhì)量不能滿足規(guī)定的要求，是水利堤壩出現(xiàn)沉陷等破壞的主要原因之一。在傳統(tǒng)水利堤頂公路壓實(shí)度檢測(cè)中，有環(huán)刀法、灌砂法和核子密度儀法等檢測(cè)手段。前兩者檢測(cè)速度慢，對(duì)土壩有一定的破壞作用，而核子密度儀法使用過(guò)程中存在一定輻射危險(xiǎn)。在施工過(guò)程中，能夠?qū)Φ虊螇簩?shí)的質(zhì)量做出即時(shí)快速、客觀可靠的總體評(píng)價(jià)，可為工程施工提供極大的幫助，提高堤壩的檢測(cè)效率。因此，本文討論兩種可用于堤壩壓實(shí)度快速檢測(cè)的儀器，即便攜式落錘彎沉儀(PFWD)和落球式檢測(cè)儀(SEH-FBT)?？朔鹘y(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)方法存在的檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)路基有損傷、所需人員多等缺點(diǎn)。通過(guò)連續(xù)檢測(cè)路基回彈模量的變化，可有效地評(píng)價(jià)路基在碾壓過(guò)程中剛度的變化，進(jìn)而評(píng)價(jià)路基的壓實(shí)狀態(tài)，此前基于回彈模量的壓實(shí)檢測(cè)已在高速鐵路路基施工質(zhì)量檢測(cè)控制中得到應(yīng)用[1]。

1 原理及檢測(cè)方法

PFWD由加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成[2]。是通過(guò)采用圓形垂直剛性分布荷載作用下的彈性半空間接觸理論直接測(cè)定材料彎沉和回彈模量。

PFWD檢測(cè)方法[3]： ①連接好設(shè)備，打開(kāi)開(kāi)關(guān)；②預(yù)加3次荷載，打開(kāi)數(shù)據(jù)采集設(shè)備；③調(diào)整導(dǎo)桿到基本垂直，釋放落錘，重復(fù)3次，記錄數(shù)值；④再次按開(kāi)始鍵，顯示平均值和回彈模量。

SEH-BT是基于Hertz碰撞理論[4-5]，通過(guò)網(wǎng)格布點(diǎn)可多點(diǎn)測(cè)試一定范圍和厚度填方路基，經(jīng)過(guò)對(duì)巖土材料的塑性修正直接測(cè)試材料的變形模量，能明確且敏感地反映碾壓的效果，從而為評(píng)價(jià)堤防路基的均勻性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Hertz碰撞理論僅適用于線彈性材料，巖土材料是典型的彈塑性材料。因此可以將碰撞過(guò)程分為壓縮過(guò)程和回彈過(guò)程(圖1)。

圖1 線彈性材料和巖土材料變形情況對(duì)比Fig.1 Deformation of linear elastic material compare with rock and soil

SEH-FBT快速檢測(cè)法：①連接好設(shè)備，打開(kāi)開(kāi)關(guān)；②打開(kāi)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，不同材料系數(shù)設(shè)定；③把剛性球體提到一定的高度，通常距測(cè)點(diǎn)為50 cm；④球體自由下落與土體碰撞，采集數(shù)據(jù)。

2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

在黑龍江省黑龍江干流堤防工程項(xiàng)目支持下，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)普通非黏性土進(jìn)行PFWD檢測(cè)并與傳統(tǒng)方法環(huán)刀法對(duì)比。對(duì)第十三標(biāo)段黏性土和十四標(biāo)段砂性土施工現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，在同一測(cè)試點(diǎn)分別用PFWD、SEH-FBT 進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得其回彈模量。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并結(jié)合文獻(xiàn)[6]將動(dòng)彈模量與沉降值進(jìn)行擬合分析。本文應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行回歸方程的擬合和相關(guān)性分析，對(duì)于不同土質(zhì)材料，分析環(huán)刀測(cè)得的壓實(shí)度，PFWD與SEH-FBT測(cè)得的回彈模量之間的相關(guān)性。

2.1 室內(nèi)PFWD測(cè)得回彈模量與環(huán)刀法壓實(shí)度相關(guān)分析

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)PFWD測(cè)得回彈模量與環(huán)刀法測(cè)得壓實(shí)度進(jìn)行相關(guān)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1，得到的擬合曲線見(jiàn)圖2。

當(dāng)相關(guān)系數(shù)r>0.5時(shí)，兩變量為強(qiáng)相關(guān)。由表1得PFWD檢測(cè)的回彈模量與環(huán)刀壓實(shí)度三次曲線擬合時(shí)相關(guān)系數(shù)r=0.805，其回歸方程為：

y=45.362+10.838x-0.936x2+0.27x3

(1)

式中y為環(huán)刀壓實(shí)度(%)；X為PFWD測(cè)得回彈模量(MPa)。

表1 室內(nèi)PFWD測(cè)得回彈模量與環(huán)刀法壓實(shí)度相關(guān)分析Table 1 Indoor PFWD resilient modulus of elasticity and cutting ring compaction correlation analysis

圖2 室內(nèi)PFWD測(cè)得回彈模量與環(huán)刀法壓實(shí)度相關(guān)分析Fig.2 PFWD indoor resilient modulus of elasticity and cutting ring compaction correlation analysis

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)PFWD測(cè)得回彈模量與環(huán)刀法測(cè)得壓實(shí)度進(jìn)行相關(guān)分析，壓實(shí)度與回彈模量之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，隨著回彈模量的增加，對(duì)應(yīng)壓實(shí)度逐漸增大，可以通過(guò)觀察回彈模量的變化分析土的壓實(shí)度。

2.2 施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中PFWD與SEH-FBT測(cè)得回彈模量相關(guān)分析

利用PFWD和SEH-FBT對(duì)現(xiàn)場(chǎng)十三標(biāo)段和十四標(biāo)段的堤頂路面進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表2和表3，得到的擬合曲線見(jiàn)圖3和圖4。

由表2得現(xiàn)場(chǎng)十三標(biāo)段的PFWD與SEH-FBT檢測(cè)的回彈模量進(jìn)行指數(shù)擬合時(shí)相關(guān)系數(shù)r=0.712，其回歸方程為:

y=10.35x0.042

(2)

式中y為PFWD測(cè)得回彈模量(MPa)；X為SEH-FBT測(cè)得回彈模量(MPa)。

表2 十三標(biāo)段PFWD與SEH-FBT測(cè)得回彈模量相關(guān)分析Table 2 Analysis of PFWD and SEH-FBT thirteen section modulus of elasticity

表3 十四標(biāo)段PFWD與SEH-FBT測(cè)得回彈模量相關(guān)分析Table 3 Analysis of PFWD and SEH-FBT fourteen section modulus of elasticity

由表3得十四標(biāo)段的PFWD與SEH-FBT檢測(cè)的回彈模量進(jìn)行指數(shù)擬合時(shí)相關(guān)系數(shù)r=0.802，其回歸方程為：

y=12.499x0.07

(3)

式中y為PFWD測(cè)得回彈模量(MPa)；X為SEH-FBT測(cè)得回彈模量(MPa)。

利用PFWD和SEH-FBT分別檢測(cè)十三標(biāo)段和十四標(biāo)段堤頂路面的回彈模量并進(jìn)行相關(guān)分析。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，運(yùn)用兩種儀器測(cè)得的回彈模量都存在很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。在采用指數(shù)函數(shù)擬合時(shí)有良好的擬合效果，由于兩種土的土質(zhì)不同，得到的擬合方程略有差別。

圖3 十三標(biāo)段PFWD與SEH-FBT測(cè)得回彈模量相關(guān)分析Fig.3 Analysis of PFWD and SEH-FBT thirteen section modulus of elasticity

圖4 十四標(biāo)段PFWD與SHE-FBT測(cè)得回彈模量相關(guān)分析Fig.4 Analysis of PFWD and SEH-FBT fourteen section modulus of elasticity

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)兩種快速檢測(cè)方法與傳統(tǒng)環(huán)刀法實(shí)驗(yàn)室與工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的檢測(cè)試驗(yàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的非線性回歸分析，結(jié)果表明PFWD與SEH-FBT測(cè)得的回彈模量與環(huán)刀法測(cè)得的壓實(shí)度之間存在很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。PFWD與SEH-FBT對(duì)比環(huán)刀法測(cè)量壓實(shí)度具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)快速的優(yōu)點(diǎn)，因此，通過(guò)PFWD和SEH-FBT檢測(cè)回彈模量可以作為反映堤頂路面壓實(shí)度的指標(biāo)，在工程實(shí)際中應(yīng)用，并達(dá)到快速、無(wú)損檢測(cè)的目的。

[1] 胡光勝. PFWD在路基壓實(shí)狀態(tài)快速檢測(cè)及均勻性評(píng)價(jià)上的應(yīng)用[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 張孝彬，樂(lè)金朝.PFWD在粉土路基施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用研究[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào),2012.21(7):17-19.

[3] 查旭東. PFWD快速檢測(cè)路基模量研究[J].公路交通科技，2008,26(1):26-30.

[4] 何靜.基于落球式測(cè)試法的宕渣路基施工質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[5] 王曦光.落球式巖土力學(xué)測(cè)試儀的原理與應(yīng)用[J].北方交通,2016(6)：82-84.

[6] 王龍，解曉光，姜立東. 基于PFWD 碎石土路基壓實(shí)快速檢測(cè)與均勻性評(píng)價(jià)方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,45(2):66-71.

Rapid detection of compaction degree of hydraulic embankment

WANG Zheng-Jun，LAI Qing-Hui，KANG Hao，LI Xin-Xin，ZHAO Chun-Mei，ZHUANG Jing-Jing

(CollegeofHydraulicandElectricPower，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China)

To study the reasonable rapid detection method, combined with the semi-infinite elastic body theory of soil, the elastic modulus can be used as the index of compressive strength of soil, so the Portable Falling Weight (PFWD) and Falling Ball Tester for Mechanical Properties of Geo-material(SEH-FBT) rapid detection method are introduced.Through the combination of laboratory experiment and field practice, the detection data were measured, and the relative ratio was detected by ring knife method. The data were fitted by SPSS software, and the correlation was established.The results show that there is a strong correlation between the PFWD and the falling-ball method and the data detected by the ring-knife method, and the regression equation can be established as the basis for engineering evaluation.

PFWD;SEH-FBT; rapid detection; elastic modulus; SPSS

10.13524/j.2095-008x.2017.01.005

2016-09-30；

2016-11-25

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20170224.1023.012.html

黑龍江省黑龍江干流堤防工程科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(HGZL/KY-01)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)計(jì)劃引導(dǎo)項(xiàng)目(GZ16B013)

王正君(1971-)，男，黑龍江賓縣人，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：水利工程，E-mail:wzjsir@163.com。

TV871

A

2095-008X(2017)01-0030-04