王正君，來慶輝，康 浩，李欣欣，趙春梅，莊晶晶

(黑龍江大學 水利電力學院，哈爾濱 150080)

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水利堤頂公路壓實度的快速檢測

王正君，來慶輝，康 浩，李欣欣，趙春梅，莊晶晶

(黑龍江大學 水利電力學院，哈爾濱 150080)

為了研究水利堤頂公路壓實度的快速檢測方法,結(jié)合土的半無限彈性體理論，以回彈模量作為土基抗壓強度的指標,介紹便攜式落錘彎沉儀(PFWD)和落球式巖土力學特性檢測儀(SEH-FBT)快速檢測法。通過實驗室實驗和現(xiàn)場實踐相結(jié)合，測得試驗數(shù)據(jù)，并且同時與環(huán)刀法測得壓實度相對比，用SPSS軟件將數(shù)據(jù)進行擬合，建立相關關系。結(jié)果表明：PFWD和SEH-FBT以及環(huán)刀檢測的數(shù)據(jù)之間存在很強的相關性，可以建立非線性回歸方程作為工程評價依據(jù)。

PFWD；SEH-FBT；快速檢測；回彈模量；SPSS

在當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)量不達標，使用不到規(guī)定年限等問題。這是由多方面的原因造成的，但從技術角度講，施工過程中對水利堤頂公路的壓實過程不夠重視，導致壓實質(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)水利堤頂公路壓實度檢測中，有環(huán)刀法、灌砂法和核子密度儀法等檢測手段。前兩者檢測速度慢，對土壩有一定的破壞作用，而核子密度儀法使用過程中存在一定輻射危險。在施工過程中，能夠?qū)Φ虊螇簩嵉馁|(zhì)量做出即時快速、客觀可靠的總體評價，可為工程施工提供極大的幫助，提高堤壩的檢測效率。因此，本文討論兩種可用于堤壩壓實度快速檢測的儀器，即便攜式落錘彎沉儀(PFWD)和落球式檢測儀(SEH-FBT)。克服傳統(tǒng)的壓實度檢測方法存在的檢測時間長、對路基有損傷、所需人員多等缺點。通過連續(xù)檢測路基回彈模量的變化，可有效地評價路基在碾壓過程中剛度的變化，進而評價路基的壓實狀態(tài)，此前基于回彈模量的壓實檢測已在高速鐵路路基施工質(zhì)量檢測控制中得到應用[1]。

1 原理及檢測方法

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定材料彎沉和回彈模量。

PFWD檢測方法[3]： ①連接好設備，打開開關；②預加3次荷載，打開數(shù)據(jù)采集設備；③調(diào)整導桿到基本垂直，釋放落錘，重復3次，記錄數(shù)值；④再次按開始鍵，顯示平均值和回彈模量。

SEH-BT是基于Hertz碰撞理論[4-5]，通過網(wǎng)格布點可多點測試一定范圍和厚度填方路基，經(jīng)過對巖土材料的塑性修正直接測試材料的變形模量，能明確且敏感地反映碾壓的效果，從而為評價堤防路基的均勻性提供基礎數(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。因此可以將碰撞過程分為壓縮過程和回彈過程(圖1)。

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

SEH-FBT快速檢測法：①連接好設備，打開開關；②打開數(shù)據(jù)采集設備，不同材料系數(shù)設定；③把剛性球體提到一定的高度，通常距測點為50 cm；④球體自由下落與土體碰撞，采集數(shù)據(jù)。

2 檢測數(shù)據(jù)分析

在黑龍江省黑龍江干流堤防工程項目支持下，在實驗室對普通非黏性土進行PFWD檢測并與傳統(tǒng)方法環(huán)刀法對比。對第十三標段黏性土和十四標段砂性土施工現(xiàn)場土質(zhì)進行試驗，在同一測試點分別用PFWD、SEH-FBT 進行試驗，測得其回彈模量。通過現(xiàn)場試驗，并結(jié)合文獻[6]將動彈模量與沉降值進行擬合分析。本文應用SPSS軟件進行回歸方程的擬合和相關性分析，對于不同土質(zhì)材料，分析環(huán)刀測得的壓實度，PFWD與SEH-FBT測得的回彈模量之間的相關性。

2.1 室內(nèi)PFWD測得回彈模量與環(huán)刀法壓實度相關分析

對于實驗室內(nèi)PFWD測得回彈模量與環(huán)刀法測得壓實度進行相關分析，分析結(jié)果見表1，得到的擬合曲線見圖2。

當相關系數(shù)r>0.5時，兩變量為強相關。由表1得PFWD檢測的回彈模量與環(huán)刀壓實度三次曲線擬合時相關系數(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)刀壓實度(%)；X為PFWD測得回彈模量(MPa)。

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

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

通過實驗室內(nèi)PFWD測得回彈模量與環(huán)刀法測得壓實度進行相關分析，壓實度與回彈模量之間存在較強的正相關關系，隨著回彈模量的增加，對應壓實度逐漸增大，可以通過觀察回彈模量的變化分析土的壓實度。

2.2 施工現(xiàn)場試驗中PFWD與SEH-FBT測得回彈模量相關分析

利用PFWD和SEH-FBT對現(xiàn)場十三標段和十四標段的堤頂路面進行檢測并進行相關分析，結(jié)果見表2和表3，得到的擬合曲線見圖3和圖4。

由表2得現(xiàn)場十三標段的PFWD與SEH-FBT檢測的回彈模量進行指數(shù)擬合時相關系數(shù)r=0.712，其回歸方程為:

y=10.35x0.042

(2)

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

表2 十三標段PFWD與SEH-FBT測得回彈模量相關分析Table 2 Analysis of PFWD and SEH-FBT thirteen section modulus of elasticity

表3 十四標段PFWD與SEH-FBT測得回彈模量相關分析Table 3 Analysis of PFWD and SEH-FBT fourteen section modulus of elasticity

由表3得十四標段的PFWD與SEH-FBT檢測的回彈模量進行指數(shù)擬合時相關系數(shù)r=0.802，其回歸方程為：

y=12.499x0.07

(3)

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

利用PFWD和SEH-FBT分別檢測十三標段和十四標段堤頂路面的回彈模量并進行相關分析。在現(xiàn)場試驗中，運用兩種儀器測得的回彈模量都存在很強的正相關關系。在采用指數(shù)函數(shù)擬合時有良好的擬合效果，由于兩種土的土質(zhì)不同，得到的擬合方程略有差別。

圖3 十三標段PFWD與SEH-FBT測得回彈模量相關分析Fig.3 Analysis of PFWD and SEH-FBT thirteen section modulus of elasticity

圖4 十四標段PFWD與SHE-FBT測得回彈模量相關分析Fig.4 Analysis of PFWD and SEH-FBT fourteen section modulus of elasticity

3 結(jié) 論

通過對兩種快速檢測方法與傳統(tǒng)環(huán)刀法實驗室與工程現(xiàn)場實踐相結(jié)合的檢測試驗，并進行數(shù)據(jù)的非線性回歸分析，結(jié)果表明PFWD與SEH-FBT測得的回彈模量與環(huán)刀法測得的壓實度之間存在很強的相關關系。PFWD與SEH-FBT對比環(huán)刀法測量壓實度具有操作簡單、檢測快速的優(yōu)點，因此，通過PFWD和SEH-FBT檢測回彈模量可以作為反映堤頂路面壓實度的指標，在工程實際中應用，并達到快速、無損檢測的目的。

[1] 胡光勝. PFWD在路基壓實狀態(tài)快速檢測及均勻性評價上的應用[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2013.

[2] 張孝彬，樂金朝.PFWD在粉土路基施工質(zhì)量控制中的應用研究[J].河南城建學院學報,2012.21(7):17-19.

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

[4] 何靜.基于落球式測試法的宕渣路基施工質(zhì)量檢測技術研究[D].西安:長安大學，2014.

[5] 王曦光.落球式巖土力學測試儀的原理與應用[J].北方交通,2016(6)：82-84.

[6] 王龍，解曉光，姜立東. 基于PFWD 碎石土路基壓實快速檢測與均勻性評價方法[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,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研究實驗項目(HGZL/KY-01)；黑龍江省應用技術研究和開發(fā)計劃引導項目(GZ16B013)

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

TV871

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