公路路基快速無損檢測方法與試驗研究

張蔚原

（寧夏回族自治區(qū)道路運輸事務(wù)中心，寧夏 銀川 750000）

隨著我國陸路交通的技術(shù)水平不斷提高，公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)獲得了快速發(fā)展。截止到目前，我國公路總里程超過500萬公里，成為世界第一的公路交通大國?？焖侔l(fā)展的公路交通給人們的出行帶來了極大便利，也為信息交流和經(jīng)濟發(fā)展提供了重要支撐。但是，在公路設(shè)施不斷完善和快速發(fā)展的同時，人們的出行總量和頻次也不斷提高，給公路交通提出了新的壓力和挑戰(zhàn)。在公路的構(gòu)成結(jié)構(gòu)中，路基發(fā)揮非常重要的作用。為了確保路面的安全與穩(wěn)定，路基建造一般選擇土質(zhì)材料。作為支撐路面的重要結(jié)構(gòu)，路基不僅要承擔(dān)路面的載荷，還要承擔(dān)路面以上運輸車輛的載荷以及自身的填料載荷。在這樣的情況下，施工階段就對路基的建造質(zhì)量進行快速、高效、無損的準確檢測，對公路建設(shè)具有十分重要的意義。該文將以壓實度為重要參量，構(gòu)建公路路基的快速無損檢測方法并進行試驗研究。

1 路基填充材料的顆粒均勻度篩選分析

目前，考察公路路基建造質(zhì)量的最常見指標就是壓實度。為了測得公路路基的壓實度，可以采用灌砂法進行測量。但是灌砂法的操作流程煩瑣、測量速度慢，無法滿足快速檢測的需求。代替灌砂法的一些先進方法包括承載板法、貝克曼法等，使用條件的要求也比較高，很多常規(guī)條件下的測量都受到限制。綜合多方面的因素考量，該文選擇便攜式彎沉儀作為壓實度的測量設(shè)備，并圍繞這個設(shè)備構(gòu)建測量方法和測量試驗。

便攜式彎沉儀可以便攜操作，使用條件要求不高，操作難度也低，檢測的靈活性好，有很多優(yōu)勢。為了更好地使用便攜式彎沉儀，先要明確路基填充材料的組成成分及材料顆粒的均勻度。路基填充材料以土質(zhì)材料最常見，而土質(zhì)材料顆粒的粒徑又有很大差異，其可能出現(xiàn)的粒徑范圍小到微米級，大到厘米級。據(jù)此應(yīng)大致區(qū)分土質(zhì)粒徑的范圍，再進行有針對性的測量。對土質(zhì)粒徑大小差異和不均勻程度，一般采用兩個參數(shù)刻畫，第一個參數(shù)稱為不均勻細數(shù)，其計算如公式（1）所示。

式中：參數(shù)C表示土質(zhì)粒徑的不均勻系數(shù)；參數(shù)表示土質(zhì)含量中不大于此粒徑的占比為10%的參與測量的粒徑；參數(shù)表示土質(zhì)含量中不大于此粒徑的占比為60%的參與測量的粒徑。

第一個參數(shù)稱為曲率系數(shù)，其計算如公式（2）所示。

式中：參數(shù)C表示土質(zhì)粒徑的曲率系數(shù)；參數(shù)表示土質(zhì)含量中不大于此粒徑的占比為10%的參與測量的粒徑；參數(shù)表示土質(zhì)含量中不大于此粒徑的占比為30%的參與測量的粒徑；參數(shù)表示土質(zhì)含量中不大于此粒徑的占比為60%的參與測量的粒徑。

在路基測試樣土中，該文選擇2000g的樣品作為測試土質(zhì)，并根據(jù)不同篩孔大小的篩子進行篩選，分別統(tǒng)計出不同粒徑土質(zhì)的占比，進而將其繪制成統(tǒng)計曲線形式，如圖1所示。

圖1 路基土質(zhì)樣品粒徑大小的統(tǒng)計曲線

根據(jù)圖1可知，在該文測試的路基土質(zhì)中，各粒徑大小的顆粒含量比較均勻，再根據(jù)不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)的測算結(jié)果，可知該文路基土質(zhì)的填充材料達到了優(yōu)良等級。

根據(jù)行業(yè)標準規(guī)定，土質(zhì)顆粒粒徑大小在60mm～200mm的稱謂巨粒；土質(zhì)顆粒粒徑大小在0.075mm～60mm的稱謂粗粒；土質(zhì)顆粒粒徑大小在0.002mm～0.075mm的稱謂細粒。進一步還可以細分為土質(zhì)顆粒粒徑大小在2mm～60mm的稱謂礫；土質(zhì)顆粒粒徑大小在0.075mm～2mm的稱謂砂。從圖1中的曲線可以看出，該文測試的土質(zhì)填充材料中，巨粒含量為0，粗粒含量超過90%，細粒含量接近10%。

2 便攜式彎沉儀測量方法與測量流程

2.1 便攜式彎沉儀的測量方法

便攜式彎沉儀是該文選取的路基檢測核心設(shè)備，其操作原理簡單、使用方便，僅需兩個操作者即可以完成整個公路路基的質(zhì)量檢測。從測量原理上看，便攜式彎沉儀通過自身攜帶的重錘以自由落體的方式自由落下，對公路路基形成垂直方向上的沖擊，公路路基會形成垂直方向上的應(yīng)力。重錘對公路路基施加的載荷會引起公路路基垂直方向上的位移，通過記錄這個位移大小，再根據(jù)對應(yīng)關(guān)系就可以計算出回彈模量，形成對公路路基質(zhì)量的測量。

該文中選擇的便攜式彎沉儀的主要參數(shù)及參數(shù)的取值范圍見表1。

表1 該文選擇的便攜式彎沉儀的參數(shù)

便攜式彎沉儀測量出的動回彈模量的結(jié)果如公式（3）所示。

式中：參數(shù)表示最后計算得出的動回彈模量，它代表公路路基的建造質(zhì)量，出于計算精度的考慮，此處的動回彈模量結(jié)果應(yīng)至少保留小數(shù)點后兩位；參數(shù)代表沉彎儀底部承載板的半徑大??；參數(shù)代表沉彎儀底部承載板的董愛應(yīng)力變化；參數(shù)代表計算過程中采用的泊松系數(shù)；參數(shù)代表測量過程中可能發(fā)生的最大彎沉值。

2.2 便攜式彎沉儀的測量流程

在實際使用中，采用便攜式彎沉儀進行公路路基質(zhì)量的檢測，其流程一般包括三個環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)，準備階段；第二個環(huán)節(jié)，開始測量階段；第三個環(huán)節(jié)，結(jié)束階段。由這三個環(huán)節(jié)構(gòu)成的測量流程，如圖2所示。

圖2 便攜式彎沉儀的測量流程

在準備階段，主要是根據(jù)便攜式彎沉儀的使用要求進行設(shè)備安裝，并進行相應(yīng)的測量前檢查，如彎沉儀的電池電量是否充足、彎沉儀的電氣線路是否正常，設(shè)備能否正常啟動，設(shè)備與上位機聯(lián)接是否有效，彎沉儀底部的承載板能否與被測表面準確貼合。

在開始測量階段，先要對整個測量區(qū)域進行檢查，在測量區(qū)域內(nèi)公路路基上選擇合適的幾個測量點。然后按照順序，在每個測量點位置上逐一展開測量。測量開始后，先進行測試準備。一切就緒后，釋放彎沉儀的重錘，并保證重錘下落過程中保持無干擾的自由落體狀態(tài)，使其準確地沖擊到底部承載板上。這時，上位機會實時顯示沖擊載荷的測量結(jié)果、路基發(fā)生的位移以及測量得出的彈性模量，并實時保存結(jié)果或更新已有的保存結(jié)果。當(dāng)前測量點完成測量后，順移到下一個測量點繼續(xù)測量。

在結(jié)束階段，移除測量設(shè)備，確保電氣線路斷開、上位機停機等。如果測量中設(shè)置了路障，也應(yīng)拆除以保持公路的暢通。

3 基于便攜式彎沉儀的公路路基快速檢測

3.1 便攜式彎沉儀和其他設(shè)備測量結(jié)果的對比

為了證實便攜式彎沉儀在公路路基質(zhì)量測量中的有效性，該文將彎沉儀和其他設(shè)備的測量效果進行測試性對比。此處選擇了公路路基檢測中比較常用的土壤模量剛度儀。剛度儀也是測量土壤壓實度的常用設(shè)備，其測量結(jié)果準確，但測試過程比較煩瑣。

試驗過程中選擇了40個測量點，各個測量點之間間隔為3米，分別采用便攜式彎沉儀和剛度儀進行測量，40個測量點位上形成的測量結(jié)果對例如圖3所示。

從圖3中可以看出，PFWD代表了便攜式彎沉儀，它測量并記錄的路基土質(zhì)壓實度模量如上方曲線所示，土壤模量剛度儀測量并記錄的路基土質(zhì)壓實度模量如下方曲線所示。從兩條曲線的對比結(jié)果可以看出，兩條曲線具有相同的走勢，各點位關(guān)聯(lián)度、相鄰點位間的曲線變化和起伏趨勢都具有較好的關(guān)聯(lián)度。這表明，便攜式彎沉儀和剛度儀一樣，是有效的公路路基質(zhì)量測量設(shè)備。也可以看到，兩條曲線在測量值幅度上有所差異，這是因為二者對壓實度的測量和核算標準有一定差異，并不是其中某一種設(shè)備測量結(jié)果不準。

圖3 彎沉儀和剛度儀的對比情況

3.2 土質(zhì)壓實度與路基建造中碾壓次數(shù)的關(guān)系

在公路路基的建造過程中，為了提升路基的建造質(zhì)量，要通過碾壓機的反復(fù)碾壓達到土質(zhì)更好的壓實效果。但是，是否碾壓次數(shù)越多，路基土質(zhì)的壓實度就會持續(xù)提高，需要通過試驗加以驗證。針對該文測試的公路段，在路基建造的過程中，每經(jīng)過一次碾壓，就采用便攜式彎沉儀進行壓實度的測量并記錄，進而得到公路路基壓實度和碾壓次數(shù)的關(guān)系，分別如圖4和圖5所示。

圖4 公路路基土質(zhì)中第一層壓實度與碾壓次數(shù)的關(guān)系曲線

圖5 公路路基土質(zhì)中第二層壓實度與碾壓次數(shù)的關(guān)系曲線

圖4是公路路基土質(zhì)層中第一層土質(zhì)在多次碾壓后壓實度的變化曲線。從圖4中的曲線可以看出，碾壓試驗一共進行了5次，壓實度測量點位選擇了4個。在前4次碾壓后測量中，4個點位的第一層土質(zhì)壓實度都有了比較大的提高。但第4次碾壓到第5次碾壓，第一層土質(zhì)的壓實度，4個測量點位上基本都沒有明顯變化。這表明，對臨近公路路面的路基第一層土質(zhì)，4次碾壓基本就可以達到最大壓實度的狀態(tài)。

圖5是公路路基土質(zhì)層中第二層土質(zhì)在多次碾壓后壓實度的變化曲線。從圖5中的曲線可以看出，碾壓試驗一共進行了5次，壓實度測量點位選擇了4個。在前4次碾壓后測量中，4個點位的第二層土質(zhì)壓實度都有了比較大的提高。從第4次碾壓到第5次碾壓，4個測量點位上的第二層土質(zhì)的壓實度增加趨勢的變化都逐漸減弱。但是，與第一層土質(zhì)不同，第5次碾壓對第二層土質(zhì)壓實度的提升仍然是有用的。

4 結(jié)語

公路路基建造質(zhì)量直接關(guān)系到公路使用壽命和公路交通運輸?shù)陌踩?，對我國陸路交通網(wǎng)的運營也具有重要意義。該文選擇便攜式彎沉儀作為公路路基建造質(zhì)量的關(guān)鍵檢測設(shè)備，依托其檢測原理構(gòu)建檢測方法和檢測流程，形成對公路路基建造質(zhì)量的新檢測手段。在該文所采用方法的驗證性試驗中，首先對比了便攜式彎沉儀和土壤模量剛度儀的測量結(jié)果，結(jié)果顯示彎沉儀的測量效果與剛度儀有極大的相似性，可以用于公路路基質(zhì)量的有效測量。其次測試了碾壓次數(shù)和路基土質(zhì)壓實度增加的關(guān)系，結(jié)果顯示4次碾壓就可以使公路路基的第一層土質(zhì)壓實度達到基本飽和的狀態(tài)。