程勇剛，劉志楠

(安徽省七星工程測試有限公司,安徽 合肥 230088)

隨著我國高速公路建設不斷發(fā)展,四通八達的交通設施建設項目遍布各地。路基是保證道路穩(wěn)定受壓的基礎,在施工過程中,它的壓實質量決定道路在運行后是否能穩(wěn)定運行。因此,對高速公路路基壓實質量的檢測方法的開發(fā)受到了行業(yè)內外的廣泛關注。

目前,許多專家學者對路基壓實度檢測方法進行了相關研究。李盛等[1]將PFWD結合水袋法,以回彈模量預測填石路基孔隙率的方法評估路基質量,實現(xiàn)填石路基快速檢測的方案。張宜洛等[2]為避開含水率的干擾,聯(lián)立碎石壓實度、級配以及動態(tài)沖擊響應值之間的關系,采用瞬態(tài)沖擊頻譜分析方法,實現(xiàn)了快速檢測中粗粒土路基壓實度的功能。任少博[3]認為檢測方法和設備在施工現(xiàn)場易受到許多因素的干擾,難以準確得到路基是否達到理想的壓實狀態(tài),因此建立了壓路機振動頻率信號與路基壓實度之間的關系,能夠以振動加速度信號快速檢測路基壓實度并實現(xiàn)實時監(jiān)測。羅娟[4]提出采用灌砂法檢測路基壓實度應注意多種影響因素對最終檢測結果的影響。

本研究基于室內試驗數(shù)據(jù),對路基含水率、壓實度和路基剛度之間的關系進行分析,實現(xiàn)了含水率和壓實度能夠相互換算,從而實現(xiàn)路基剛度的快速檢測。通過試驗結果與現(xiàn)象,可以證明該方法的真實性和實用性,本文為粉砂路基和水泥土路基的壓實質量檢測提供了一種快速、有效的方案,推進了道路建設領域的發(fā)展。

1 試驗方法

1.1 路基壓實質量快速檢測方法

為研究路基壓實質量快速檢測方法,本文將路基壓實質量快速檢測方法應用于粉砂路基和水泥土路基,驗證這一方法的可行性。本文所采用的路基壓實質量快速檢測方法是一種基于材料抵抗振動產生小變形的能力所開發(fā)的檢測方法和相應的檢測設備。其主要原理在于:通過對檢測材料表面施加逐級遞增的循環(huán)荷載,并檢測循環(huán)荷載下檢測點的位移變化,來得到不同循環(huán)頻率下的材料剛度。其計算公式如式(1)所示,以其絕對值為路基的剛度。該方法檢測速度快,并且不會對受檢測材料造成損傷,是一種值得研究并推廣的試驗方法。

(1)

其中,G為材料剛度,N/m;f為循環(huán)荷載峰值,N;ε為檢測點變形量,m。

1.2 試驗方法

將準備好的試驗土樣在通風條件下勻速風干后,將其打碎混合均勻,然后隨機取樣測出土體的含水率。按土工試驗規(guī)范進行擊實試驗后,根據(jù)試驗得到的最優(yōu)含水率和最大干密度,進行試驗土樣的制備。制備過程中,在土中用霧化裝置噴灑適量的水分至目標含水率,并密封1 d,使其水分遷移均勻,避免制樣過程中產生起球顆粒。

水泥占干土質量3%的水泥土作為水泥土路基材料,以擊實試驗所得到的最優(yōu)含水率和最大干密度制備水泥土試樣。為了避免水泥土在制樣前就已固化,因此在養(yǎng)護前,先制好試樣,再將土樣密封1 d,以待試驗。

根據(jù)最大干密度計算試驗壓實度試樣所需質量的土樣,將土樣導入制樣桶內,并分層壓實。每層壓實后先將表面鑿毛,再壓實下一層。每層采用大型擊實錘保持同一擊實功,并在最頂層整平,以便于進行路基壓實質量快速檢測方法。完成制樣后,采用路基壓實質量快速檢測方法檢測其壓實度,并分析其相關性和準確性。

2 結果與討論

2.1 土層厚度和含水率對粉砂和水泥土路基剛度的影響

由圖1(a)可知,隨著粉砂路基的厚度不斷增大,路基的剛度不斷減小,并且在93%,94%,96%三種壓實度下均呈現(xiàn)這一特征。此外,這一減小的趨勢逐漸變緩至極限值,因此表明,這種快速檢測方法對路基剛度的檢測效果在粉砂層較薄時受到硬質地面的影響較為顯著。圖中可見,路基剛度在三種壓實度下存在臨界土層厚度為25 cm。當土層厚度低于臨界土層厚度時,隨著土層厚度的增加,路基剛度下降趨勢顯著;而當土層厚度高于臨界土層厚度時,土層厚度對路基剛度的影響不再顯著。

由圖1(b)可知,含水率對路基的壓實程度起到重要的作用。在相同壓實度下,粉砂路基剛度隨著粉砂含水率的增大而增大,直至最優(yōu)含水率12%。隨后,粉砂含水率繼續(xù)增大時,路基剛度不增反減,整體呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

由圖2(a)可知,水泥土路基的剛度隨著厚度增大不斷減小,其趨勢基本上與粉砂路基在檢測過程中所展現(xiàn)的規(guī)律一致,但區(qū)別在于水泥土路基的剛度在土層厚度較薄時差距較小。因為當土層厚度達到25 cm時,水泥土路基的剛度變化趨勢較為平緩,而且不同含水率下的水泥土路基的剛度差異也出現(xiàn)了更加明顯的區(qū)別。如圖2(b)所示,水泥土剛度隨含水率的發(fā)展趨勢與粉砂路基基本一致。因此更有利于本研究中粉砂路基和水泥土路基在路基壓實質量快速檢測方法下相互佐證,以驗證該方法的真實性和可靠性。

2.2 路基壓實質量快速檢測剛度與壓實度相關性研究

明確土層壓實度與土層剛度之間的關系對本文中路基壓實質量快速檢測方法是否準確可行有著至關重要的作用。因此,本文以粉砂路基和水泥土路基為研究對象,對兩種路基在不同壓實度下采用快速檢測方法進行試驗,得到路基土體在不同最優(yōu)含水率條件下,土層壓實度對應的土層剛度,其對應關系如表1所示。再將二者關系分別采用線性、指數(shù)、對數(shù)和冪函數(shù)關系進行擬合,比較其相關性,其關系分別如圖3,圖4所示。

表1 不同路基壓實度與剛度之間的對應值

根據(jù)圖3可知,對于粉砂路基而言:

1)粉砂路基的土層剛度隨著壓實度的增加而增加,在路基壓實質量快速檢測方法下,四種函數(shù)關系均獲得較好的擬合效果。這一現(xiàn)象說明,土體剛度與壓實度之間呈正相關,證明采用本文所提及的路基壓實質量快速檢測方法預測粉砂路基剛度是可行的。2)粉砂路基剛度與壓實土層厚度之間的關系在上述函數(shù)關系的擬合過程中均呈現(xiàn)較好的相關性,其相關系數(shù)均在0.96以上。其中,指數(shù)關系和冪函數(shù)關系的相關系數(shù)最高,均為0.98。此外,對數(shù)函數(shù)的相關系數(shù)最低,其值為0.96。

根據(jù)圖4可知,對于水泥土路基而言:

1)水泥土路基的土層剛度隨著壓實度的增加而增加,這一點與粉砂路基所呈現(xiàn)的規(guī)律一致。路基剛度與土層壓實度之間所呈現(xiàn)的規(guī)律存在較好的相關性,由此可見,該方法應用于水泥土路基中同樣也是切實可行的。

2)如粉砂路基一樣,水泥土路基剛度與壓實土層厚度之間的關系也呈現(xiàn)較好的相關性,并且相關系數(shù)均在0.96以上。其中,指數(shù)關系和冪函數(shù)關系表現(xiàn)的相關系數(shù)最高,均為0.98。此外,對數(shù)函數(shù)關系表現(xiàn)的相關系數(shù)最低,其值為0.96。其呈現(xiàn)出的變化趨勢與粉砂路基保持高度一致。

相比粉砂路基,水泥土路基剛度還受到水泥養(yǎng)護齡期的影響。因此,圖5是最優(yōu)含水率下,水泥土路基在96%壓實度時,不同齡期下剛度的變化過程。在28 d內,水泥土路基剛度隨著養(yǎng)護齡期的增加而增長;在7 d前,增長速度較快,7 d～28 d內,增長速率較7 d前較緩,這一點與水泥強度隨水泥養(yǎng)護齡期的變化趨勢一致,這是由于隨著養(yǎng)護齡期、水化產物的增加填補了水泥土中的空隙,使水泥土路基更加緊實,對水泥土抵抗循環(huán)荷載的能力起到了提升作用。由此可以認為,路基壓實質量快速檢測方法對水泥土路基的檢測效果是符合實際情況的。

2.3 不同種類路基快速檢測對比研究

根據(jù)圖6可以看出,隨著土層壓實度的增加,粉砂路基和水泥土路基的剛度都會增加。在相同最優(yōu)含水率下,粉砂路基剛度始終小于水泥土路基剛度,其規(guī)律均與工程實際情況相符合,能夠證明該檢測方法的真實性。

3 結論

本文提出了一種路基壓實質量快速檢測方法,通過對粉砂路基和水泥土路基進行室內模型試驗,明確了壓實度與路基剛度之間的關系,探究了該方法在路基工程中所需注意的影響因素,認為該方法能夠快速無損地得到路基的實際剛度。本文所得到的主要結論有:

1)若土層下方材質剛度較高,在土層厚度較薄時,該方法所得到的檢測結果易受到下方材質的影響,其檢測結果隨著土層厚度的增加而變得更加準確。此外,該臨界土層厚度為25 cm,即土層厚度超過25 cm后,下方材質對檢測結果影響不大。

2)在粉砂路基和水泥土路基中,剛度與壓實度正相關。二者關系更接近于指數(shù)關系或冪函數(shù)關系,因此能夠將兩者相互換算。

3)水泥土路基剛度隨養(yǎng)護齡期的增大而增加。但在養(yǎng)護初期時,剛度的增長較快;隨著養(yǎng)護時間的增加,剛度增長速度逐漸放緩。