路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)中便攜式落錘彎沉儀的應(yīng)用

謝開(kāi)銀

摘要 為探究便攜式落錘彎沉儀在公路路基壓實(shí)度檢測(cè)中應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)，文章以某新建公路段為例，對(duì)落錘彎沉儀和其余檢測(cè)技術(shù)展開(kāi)對(duì)比檢測(cè)，并對(duì)細(xì)粒土路堤壓實(shí)度、水泥土路床壓實(shí)度和回彈模量展開(kāi)擬合分析，構(gòu)建起落錘彎沉儀所測(cè)回彈模量和灌砂法所測(cè)壓實(shí)度間的相關(guān)公式。結(jié)果表明，便攜式落錘彎沉儀主要對(duì)待測(cè)路基展開(kāi)無(wú)損檢測(cè)，施測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便快捷，結(jié)果精度高，能為現(xiàn)場(chǎng)施工提供可靠指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 路基；壓實(shí)質(zhì)量；快速檢測(cè)；落錘彎沉儀

中圖分類(lèi)號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 2096-8949（2024）08-0098-03

0 引言

公路在運(yùn)行過(guò)程中，其路基主要承受自然環(huán)境和行車(chē)荷載的影響，發(fā)生變形、沉降、損壞的可能性較大，進(jìn)而影響公路運(yùn)行質(zhì)量和服役性能，這就要求路基除具備合理的斷面尺寸外，還應(yīng)具備較好的剛度與強(qiáng)度。剛度不足，路基自然缺乏足夠的抗變形能力；強(qiáng)度不足，則路基自身承載性能無(wú)法保證?！豆仿坊┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019）以壓實(shí)度為路基壓實(shí)質(zhì)量控制性指標(biāo)。傳統(tǒng)的路基壓實(shí)度檢測(cè)方法普遍面臨施測(cè)過(guò)程復(fù)雜，檢測(cè)成本高耗時(shí)，測(cè)值精度不高，對(duì)路基存在一定損傷等弊端。近年出現(xiàn)的便攜式落錘彎沉儀能較好地克服了常規(guī)路基壓實(shí)度檢測(cè)方法的弊端，檢測(cè)速度快、精度高，屬于無(wú)損檢測(cè)，其回彈模量等檢測(cè)指標(biāo)和路基壓實(shí)度之間存在較好的相關(guān)關(guān)系?；诖?，該文依托公路實(shí)際，對(duì)便攜式落錘彎沉儀在公路路基、路床壓實(shí)度快速檢測(cè)中的應(yīng)用展開(kāi)分析探討，以供借鑒參考。

1 工程概況

某公路線(xiàn)路長(zhǎng)84.36 km，為雙向六車(chē)道，整體式路基設(shè)計(jì)寬度為35.5 m。該公路K13+221.5～K25+221.5段主要為河流堆積而成的沖洪積地貌，以細(xì)粒土為主，基巖埋深大。河道內(nèi)及地勢(shì)低洼處主要分布軟弱土。在“就地取材”原則的指導(dǎo)下，該公路段以當(dāng)?shù)厣靶酝翞槁返烫盍?，路床則使用5%摻量的水泥土填筑。技術(shù)規(guī)范對(duì)路基填料內(nèi)細(xì)粒土或巨粒土含量不足50%情況下填料的最低強(qiáng)度有嚴(yán)格規(guī)定。為此，必須在該公路路基施工過(guò)程中加強(qiáng)填筑質(zhì)量檢測(cè)。

2 路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)原理及施測(cè)流程

2.1 檢測(cè)原理

便攜式落錘彎沉儀作為快速檢測(cè)路基承載性能的儀器，通常由加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)組成，其基本結(jié)構(gòu)情況見(jiàn)圖1。其中，導(dǎo)桿、質(zhì)量塊、緩沖墊、承載板屬于加載系統(tǒng)，荷載傳感器、位移傳感器屬于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳輸線(xiàn)及電腦軟件屬于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

便攜式落錘彎沉儀主要展開(kāi)行駛狀態(tài)車(chē)輛對(duì)路基沖擊過(guò)程及程度的模擬，并借助落錘的自由落體過(guò)程對(duì)承載板進(jìn)行沖擊，以模擬行車(chē)動(dòng)力加載，使路基與承載板均表現(xiàn)出一定的豎向位移和彎沉，進(jìn)而借助壓力傳感器和位移傳感器等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)施荷后的彎沉、動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變等值展開(kāi)檢測(cè)與采集，此后根據(jù)位移及壓力等峰值展開(kāi)待測(cè)路基動(dòng)彈性模量計(jì)算。以上過(guò)程主要通過(guò)處理軟件進(jìn)行，即時(shí)分析后得出待測(cè)路基回彈模量值[1]。

公路路基為彈塑性結(jié)構(gòu)，雖然并非線(xiàn)性本構(gòu)關(guān)系，但在落錘彎沉儀施測(cè)期間，錘擊荷載的作用時(shí)間十分短暫，在路基土表現(xiàn)出塑性變形前荷載基本已經(jīng)卸除，故可簡(jiǎn)單視為路基在荷載沖擊下只發(fā)生彈性應(yīng)變，所測(cè)出的也主要為回彈變形。根據(jù)線(xiàn)彈性理論，待測(cè)路基動(dòng)態(tài)變形模量理論計(jì)算公式如下：

（1）

式中，Evd——待測(cè)路基動(dòng)態(tài)變形模量（MPa）；p——承載板承受壓力實(shí)測(cè)值（kPa）；δ——承載板設(shè)計(jì)半徑（mm）；μ——泊松比，按照0.35取值；l——承載板中心彎沉實(shí)測(cè)值（mm）。

2.2 施測(cè)過(guò)程

在展開(kāi)該公路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)前，操作人員應(yīng)當(dāng)全面熟悉待測(cè)路段技術(shù)資料，擬定出合理可行的檢測(cè)方案，并在待測(cè)段路基處設(shè)定測(cè)點(diǎn)。將便攜式落錘彎沉儀送達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后按操作流程組裝，并將電池安裝到位；此后通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與電腦串口及儀器底座I/O端口相連；開(kāi)啟電腦并運(yùn)行數(shù)據(jù)分析軟件。結(jié)合公路工程實(shí)際及檢測(cè)目的，進(jìn)行軟件中環(huán)境溫度、泊松比、承載板半徑等測(cè)試參數(shù)設(shè)定。此后，單擊MakeDrop圖標(biāo)啟動(dòng)軟件。

在滑桿處固定鎖定桿，以便將落錘高度確定在相應(yīng)位置，進(jìn)而固定落錘。將便攜式落錘彎沉儀上方手柄穩(wěn)住后按壓保護(hù)插銷(xiāo)，從而使落錘在重力作用下自由下落并錘擊儀器底部橡膠板。以上過(guò)程中荷載、位移等參數(shù)值由軟件自動(dòng)采集，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后生成路基回彈模量。檢測(cè)人員結(jié)合顯示結(jié)果初判數(shù)據(jù)的合理性，若合理則保存檢測(cè)數(shù)據(jù)，相反則刪除后展開(kāi)再次檢測(cè)。

該公路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)采用的是ZFG2000型手持落錘彎沉儀，可展開(kāi)待測(cè)路段動(dòng)態(tài)彎沉及動(dòng)態(tài)回彈模量值實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)記錄。此類(lèi)彎沉儀加載裝置中落錘重10 kg，裝置總重15 kg，在18.0±1.5 ms的持續(xù)沖擊時(shí)間段內(nèi)可施加的沖擊力峰值達(dá)到7.45 kN；系統(tǒng)承載板自重15 kg，結(jié)構(gòu)厚度為20 mm，設(shè)計(jì)直徑300 mm；沉陷測(cè)定儀長(zhǎng)×寬×高為（210×80×25）mm，自重0.4 kg，可展開(kāi)10～225 MPa范圍的動(dòng)彈性模量測(cè)試，并能展開(kāi)（0.1～0.2）±0.02 mm的沉陷測(cè)試，并能在0～50 ℃范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 土樣物理力學(xué)性能檢測(cè)

該公路相應(yīng)區(qū)段分布的砂性土外觀呈黃褐色，粒徑在2～5 cm之間，選取代表性土樣展開(kāi)篩分試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)砂性土樣展開(kāi)重型擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果顯示，在5%、8.7%、11.5%、13.4%、14%的含水率下，土樣干密度依次取1.257 g/cm3、1.966 g/cm3、2.141 g/cm3、1.520 g/cm3和1.555 g/cm3。通過(guò)繪制土樣擊實(shí)曲線(xiàn)，最終以9.8%為最佳含水率，以2.108 g/cm3為最大干密度。結(jié)合填料承載比試驗(yàn)、塑液限試驗(yàn)結(jié)果可以看出，此類(lèi)土料適用于公路路基填筑。

3 路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)結(jié)果

3.1 路基回彈模量和壓實(shí)度的相關(guān)性

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，該公路路基壓實(shí)度應(yīng)達(dá)到94%及以上，為此，碾壓遍數(shù)應(yīng)為5遍。為展開(kāi)回彈模量值與壓實(shí)度值之間的相關(guān)關(guān)系，在該公路樁號(hào)K44+250處細(xì)粒土路堤段展開(kāi)測(cè)試。為盡可能降低下承層剛度對(duì)試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果的不利影響，將測(cè)點(diǎn)布置在相應(yīng)層位[2]。具體而言，在該樁號(hào)附近按10 m間隔布設(shè)2個(gè)斷面，各斷面均按7 m間距設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3.1.1 碾壓遍數(shù)與回彈模量

為研究路堤回彈模量隨碾壓遍數(shù)變化的趨勢(shì)規(guī)律，在該公路相應(yīng)樁號(hào)處路堤每碾壓1遍，均通過(guò)便攜式落錘彎沉儀展開(kāi)測(cè)點(diǎn)處回彈模量值的測(cè)試。所得出的檢測(cè)結(jié)果匯總見(jiàn)表2。根據(jù)對(duì)測(cè)值的比較分析看出，路堤回彈模量值隨碾壓遍數(shù)的增多而持續(xù)增大，但增速有減緩趨勢(shì)；待碾壓遍數(shù)達(dá)到并超出5遍后路堤回彈模量值趨于穩(wěn)定。

3.1.2 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度

在該公路相應(yīng)樁號(hào)段細(xì)粒土路堤碾壓施工期間展開(kāi)試驗(yàn)，每完成1遍碾壓后均隨機(jī)選擇1個(gè)點(diǎn)位通過(guò)灌砂法檢測(cè)實(shí)際壓實(shí)度，所得到的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)結(jié)果得知，在對(duì)該公路段細(xì)粒土路堤展開(kāi)碾壓的過(guò)程中，壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增多而持續(xù)增大，但增長(zhǎng)幅度趨緩。

3.1.3 路堤回彈模量與壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系

待該公路段三層細(xì)粒土路堤填筑碾壓施工結(jié)束后，展開(kāi)比較檢測(cè)。先通過(guò)落錘彎沉儀測(cè)出回彈模量，再改用灌砂法檢測(cè)實(shí)際壓實(shí)度。針對(duì)取得的結(jié)果展開(kāi)回歸分析，通過(guò)各種回歸模型進(jìn)行測(cè)值擬合處理。最終得出的回歸方程見(jiàn)表4，表中Ep為路堤回彈模量（MPa）；K為壓實(shí)度（%）。

根據(jù)以上結(jié)果可以看出，不同擬合結(jié)果中相關(guān)系數(shù)取值均達(dá)到0.8以上，充分表明該公路試驗(yàn)段細(xì)粒土路堤填筑施工期間實(shí)測(cè)回彈模量值和壓實(shí)度相關(guān)性良好。指數(shù)函數(shù)相關(guān)系數(shù)取值最大，最能反映路堤回彈模量和壓實(shí)度之間的函數(shù)關(guān)系[3]?？梢?jiàn)，便攜式落錘彎沉儀能替代常規(guī)的灌砂法展開(kāi)公路工程細(xì)粒土路堤壓實(shí)效果檢測(cè)，能真實(shí)反映碾壓施工質(zhì)量及效果。

3.2 路床回彈模量和壓實(shí)度的相關(guān)性

結(jié)合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，該公路段水泥土路床壓實(shí)度應(yīng)達(dá)到96%及以上。碾壓遍數(shù)應(yīng)按照5遍控制。主要配備2臺(tái)振動(dòng)壓路機(jī)，2臺(tái)推土機(jī)，1臺(tái)平地機(jī)，1輛挖掘機(jī)，20輛裝載車(chē)，1臺(tái)ZAL632型水準(zhǔn)儀，灑水車(chē)及路拌機(jī)若干。

3.2.1 碾壓遍數(shù)和回彈模量

為展開(kāi)該公路試驗(yàn)段水泥土路床回彈模量和碾壓遍數(shù)間關(guān)系的分析，在水泥土路床每次碾壓結(jié)束后通過(guò)便攜式落錘彎沉儀檢測(cè)回彈模量。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，路床段碾壓遍數(shù)為1遍時(shí)各測(cè)點(diǎn)回彈模量值位于59.1～66.6 MPa之間，碾壓遍數(shù)增多至2遍、3遍、4遍和5遍時(shí)，測(cè)點(diǎn)處回彈模量值分別達(dá)到84.5～98.1 MPa、120.7～129.5 MPa、

141.4～149.8 MPa、151.5～158.1 MPa。據(jù)此看出，水泥土路床壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增多而持續(xù)增大，但增速表現(xiàn)出趨緩趨勢(shì)；當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到5遍及以上后回彈模量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。這一趨勢(shì)特征與細(xì)粒土路堤壓實(shí)過(guò)程基本一致。

3.2.2 碾壓遍數(shù)和壓實(shí)度

為探求該公路水泥土路面回彈模量值與壓實(shí)度之間的變量關(guān)系，在每次碾壓結(jié)束后隨機(jī)選取測(cè)點(diǎn)展開(kāi)壓實(shí)度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。據(jù)此看出，水泥土路床壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增多而呈增大趨勢(shì)，但增速逐漸減緩。這一變化趨勢(shì)與水泥土路床回彈模量隨壓實(shí)度的變化趨勢(shì)基本一致。

3.2.3 路床回彈模量與壓實(shí)度的相關(guān)關(guān)系

待該公路試驗(yàn)段各層水泥土路床碾壓施工結(jié)束后展開(kāi)比對(duì)測(cè)試。測(cè)試期間，先通過(guò)落錘式彎沉儀進(jìn)行相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處回彈模量檢測(cè)，再按照灌砂法檢測(cè)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)處壓實(shí)度[4]。將所得到的測(cè)值進(jìn)行擬合分析，得出兩變量間的函數(shù)關(guān)系式，詳見(jiàn)表6。表中，Ep′為水泥土路床回彈模量（MPa）；K′為水泥土路床壓實(shí)度（%）。

根據(jù)表中取值，不同擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8以上，說(shuō)明公路試驗(yàn)段水泥土路床填筑后回彈模量值和壓實(shí)度相關(guān)性良好。其中，對(duì)數(shù)函數(shù)相關(guān)系數(shù)取值最大，最能反映水泥土路床回彈模量和壓實(shí)度之間的函數(shù)關(guān)系[5]?？梢?jiàn)，便攜式落錘彎沉儀能替代常規(guī)的灌砂法展開(kāi)公路工程水泥土路床壓實(shí)效果快速無(wú)損檢測(cè)，真實(shí)體現(xiàn)碾壓效果。

4 結(jié)論

該文分析結(jié)果表明，便攜式落錘彎沉儀的檢測(cè)指標(biāo)和其余測(cè)試方法的指標(biāo)之間存在較好的相關(guān)關(guān)系，落錘彎沉儀完全適用于公路路基壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)。此類(lèi)設(shè)備檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性，且其所測(cè)路基回彈模量和灌砂法所測(cè)壓實(shí)度之間存在一定相關(guān)關(guān)系，表明此類(lèi)無(wú)損檢測(cè)設(shè)備對(duì)于公路路基現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)和施工質(zhì)量控制完全適用。值得注意的是，該研究?jī)H對(duì)細(xì)粒土路堤壓實(shí)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)中便攜式落錘彎沉儀的應(yīng)用展開(kāi)分析，對(duì)于實(shí)際工程而言，路基填料類(lèi)型多樣，有必要展開(kāi)此類(lèi)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在其余不同類(lèi)型填料路基壓實(shí)度檢測(cè)中適應(yīng)性的研究。

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