土石混填路基压实质量检测方法

土石混填路基压实质量检测方法摘要：根据在控制路基压实质量中所起的作用，可将压实质量检测指标分为两类：物理性质指标和力学性质指标，分别对应的检测方法为密度检测法和抗力检测法。土石混合填料作为一种良好的填筑材料被越来越多的应用于工程实践中，若采用传统的检测方法检测其压实质量，则存在诸多问题。通过对这些检测方法的评价，分析其应用在土石混填路基中的不足之处，提出采用连续压实控制技术实现对土石混填路基压实质量的实时控制。关键词：土石混合填料；路基；检测方法；控制指标；连续压实控制技术我国西部地区多为山岭丘陵，其地形，地貌和地质水文条件复杂，修筑公路时为节约成本，往往就地取材，采用隧道、边坡等开挖得到的土石混合料填筑路基。和一般的细粒土相比，土石混合料的粒径变化大，含水状态极不均匀，如果仍采用细粒土的压实质量检测方法和评价标准，必然存在着检测评价指标的适用性、评价标准的合理性等问题1。随着土石混合填料在我国路基工程中的大量使用，通过对传统检测方法的对比分析，提出一种针对土石混填路基的快速、稳定、无损的压实质量评价方法。1土石混填路基压实质量的控制指标传统检测方法的压实质量控制指标往往可以分为两大类：物理性质指标和力学性质指标2。其中物理指标，例如压实度K和孔隙率n等，表征的是路基土的密实状况，间接的反应了路基的强度和变形。而力学指标，例如地基系数K30、动弹性模量Evd、变形模量Ev1、Ev2等，直接表征了路基的强度和变形性状。在实际工程中，根据不同的工程概况，将会选取不同的控制指标，见表1。2不同控制指标下的压实质量检测方法2.1物理指标下的压实质量检测方法物理指标有压实度K和孔隙率n等，反映的是填土压实后的密实程度，而填土的密实程度和强度及变形密切相关。以物理指标控制压实质量的方法称为密度检测法。2.1.1压实度压实度K是现场土石混合填料碾压后的干密度和室内试验测得的最大标准干密度的比值，它反应的是土体的密实程度。（1）式中，d为填料的现场干密度，g/cm3；dmax为填料的标准干密度，g/cm3。从式（1）可以看出，针对土石混填路基需要解决三个问题：现场干密度d的确定、标准干密度dmax的确定以及现场干密度d和标准干密度dmax的对等性3要求。现场干密度d的确定传统的方法有灌砂法和灌水法，使用灌砂（水）法采取样品时，需要手工操作如挖坑、称重等，其精度受人为因素影响，方怡洵4、李浩5结合工程实践，分析了影响灌砂法试验精度的因素。对于级配均匀的细粒土而言，这种影响尚能接受，但是对于土石混合填料而言，误差较大。由于土石混合填料的粒径大，可以通过扩大试坑体积来提高精度，但导致工作量和检测时间增加，难以满足规范要求的测试频率，还有可能影响施工进度。为了加快检测速度，并不破坏土层结构，工程中提出了核子密度仪法和瑞利波法，姚保才6将灌砂法和核子密度仪测得的干密度d进行对比分析，发现两者具有较好的相关性，李青山等人7通过室内试验建立了剪切波速Vs和干密度d的关系模型，并和传统检测方法的结果进行比较，一致性较好。核子密度仪法和瑞利波法虽然快速高效，但是其工作参数受土石混合填料的颗粒级配和粗颗粒含量影响较大，对于料源变化较大的路段需要多次标定。标准干密度dmax的确定目前常见的确定标准干密度的方法有表面振动仪法、振动台法以及击实法。对于土石混合填料而言，确定其标准干密度dmax时有几个问题需要解决。1）粒径大：按照目前各国的规范，无论是表面振动和振动台法还是室内击实试验，被测土料都存在最大粒径的范围限制，例如，我国土木工程试验规范规定土料的最大粒径dmax燮60mm。而实际工程中土石混合填料的最大粒径明显超过了上述粒径范围。目前处理超粒径料的方法主要有三种：剔除法（超粒径料含量不大于10%），等重量替代法8（超粒径料含量不大于50%），相似级配法9（超粒径料含量大于50%的卵漂石、堆石）。2）含石量变化大：在土石混填路基中，每一点的含石量相差很大，测得的土石混合填料密度值呈离散性分布10，若以某一含石量下的标准干密度来控制压实度，则很有可能出现压实度大于1的情况。考虑到土石混合填料的含石量变化大，闫秀萍11利用室内击实试验得到标准干密度和含石量（d叟5mm）的关系曲线来确定不同含石量下的标准干密度。3）非均质性：计算标准干密度时假设填料均质，即填料材质是同一种。而土石混合填料是非均质材料，即使含石量相同，标准干密度也会发生变化，周立新12提出了填料不同压实度对应的固体体积率控制指标建议值。现场干密度d和标准干密度dmax的对等性室内外试验所用土石混合填料的颗粒组成、级配要有对等性且室内击实功数据和相应的压实机具应相匹配，这样式（1）的计算结果才有意义。但考虑到取样的代表性、材料的变异性等因素，直接的对等性很难得到满足。2.1.2孔隙率时速200km新建铁路线桥隧站设计暂行规定首次在我国铁路路基施工监测中采用孔隙率指标，孔隙率n的大小同样反映了土体的密实程度。所以，黄俊13从孔隙率的定义出发（土的孔隙体积Vv与土总体积V的比值），用灌砂法测得填料的总体积V，然后将填料烘干后用排水法测得填料的孔隙体积Vv，避免了土石分离。另外，李少波14通过试验建立了土石混合填料剪切波速Vs和孔隙率n的相关分析模型，提出应用剪切波速Vs评价土石混填路基压实质量的新方法。和压实度K相比，以孔隙率n为控制指标具有很多优点：对于土石混合填料而言，标准干密度dmax的确定困难，而以孔隙率n为控制指标时，则不需要确定标准干密度dmax。由于土石混合填料的非均质性，使得确定的压实干密度上下波动较大。但类似相关经验表明，对于非均质填料其孔隙率相对稳定有规律15，能够较好的反映路基压实质量的整体性状。不足之处是：颗粒密度G是使用视密度Gs还是毛体积密度Gm没有明确的规定，以至于不同检测者所计算结果产生较大偏差。唐沛16将这两种孔隙率的测试结果进行比较分析，发现将毛体积密度Gm看作填料的颗粒密度G更为合理。王龙炜17提出在填料内部孔隙填充量不足情况下，取视密度Gs和毛体积密度Gm两者的平均值作为填料的颗粒密度G。土石混合填料级配变化较大，采用统一的孔隙率常定指标可能出现超过检测精度容许的误差。2.2力学指标下的压实质量检测方法用单一的物理指标很难反应土石混填路基的稳定和变形特征，所以在检测密实度的基础上，直接将强度和变形指标（如地基系数K30、变形模量Ev1、Ev2、动弹性模量Evd以及塑性变形增量等）作为反映路基强度的控制指标，即抗力检测法。2.2.1地基系数K30及变形模量Ev1、Ev2地基系数K30及变形模量Ev1、Ev2都是通过静态平板载荷试验得到，但是两者在计算方法、分级加载增量以及加载的时间间隔上都有所不同。和传统的物理控制指标相比，利用平板载荷试验求得地基系数K30及变形模量Ev1、Ev2作为路基压实质量的控制指标有很多优点：K30及变形模量Ev1、Ev2物理意义明确、原理简单，都是直接表征路基强度和变形的指标。在某些情况下，即使路基填土的压实度达到标准，但其强度指标仍然很低，不能满足路基要求。此时，引入地基系数K30及变形模量Ev1、Ev2指标，则可以较好的控制路基的压实质量。和传统的灌砂（水）法相比，试验时不破坏土层结构。不足之处：进行平板载荷试验时需要大型配重设配及相关人员配合，费时较长，特别是既有铁路路基检测，几乎无法应用。另外，平板载荷试验对试验条件、试验人员技术及试验场地（例如试验场地的平整度、仪器仪表的稳定性、气候条件、荷载稳定性及沉降稳定标准等）的要求较高，如果不满足相应的条件，将得不到正确的结果18。平板载荷试验要求被测填料的最大粒径不大于载荷板直径的1/4，且级配较均匀。土石混合填料的粒径大、级配变化大，导致平板载荷试验的结果离散性很大，难以反映路基的整体压实质量。由土力学原理知，平板载荷试验的结果代表两倍载荷板直径深度范围内土体的特性，当该深度范围内原地基较软时，测试结果大部分反映了原地基的情况而非填料特性19。变形模量Ev2和地基系数K30在试验时有不少相同之处，可以通过大量的室内外试验和理论分析，找出两者相关性20-21。实际工程中二者选一，可以减少很多检测时间和工作量，加快施工进度。2.2.2动弹性模量Evd德国1997年提出将动弹性模量Evd作为路基压实质量的控制指标，我国也于2004年将动弹性模量Evd的检测方法纳入铁路土工试验规程（TB10102-2004）中，动弹性模量Evd值可由便携式落锤弯沉仪（PFWD）测得，故也称PFWD法。和变形模量Ev2及地基系数K30相比，以动弹性模量Evd为控制指标不仅继承了其优点（不破坏土层结构、物理意义明确等），还克服了其部分缺点：无论是变形模量Ev2还是地基系数K30都是静态平板载荷试验获得的，不能反映列车动荷载作用下路基的真实情况，而以动弹性模量Evd为控制指标则能更加真实的评价路基在动荷载作用下的动力性质。便携式落锤弯沉仪（PFWD）体积小、重量轻且操作简单，克服了平板载荷法不适用于狭窄施工场地的缺点。每个测点仅需23min，在施工中可以增加测点数量，使试验数据更全面、更具代表性。但也有不足之处：PFWD法也要求填料的粒径不能过大、级配均匀。相关试验表明动弹性模量Evd和地基系数K30之间具有一定的相关性，填料级配越均匀则相关性越强，所以对土石混合填料而言，使用PFWD法误差较大。以动弹性模量Evd作为路基压实质量的控制指标是建立在与地基系数K30进行大量对比试验的基础之上的22，而地基系数K30试验本身就存在很多的不确定性，导致两者之间的相关性不太理想。另外仪器本身也有很多需要改进和优化的地方。2.2.3塑性变形增量塑性变形法也称表面沉降差法，塑性变形法的检测指标有两类：密实控制性指标和抗力检测性指标23。其中，密实控制指标是指累计塑性变形率（加固前后填料的累计塑性变形增量除以填筑层加固厚度），它表明的是填筑层加固前后物理状态的改善幅度和加固效果；抗力检测指标是指塑性变形增量（相邻两遍碾压的高程差）也称沉降差，它表明的是填筑层的力学性能。在施工过程中经常把沉降差和施工工艺参数结合起来作为路基压实质量的控制指标，即试验工程法。卢春24在试验段上利用不同的施工参数进行施工控制，通过试验得到沉降差和压实度的对应关系，以获得达到压实度要求时所对应的沉降差标准，作为正式施工时压实质量的评价标准。沉降差的变化和压实遍数关系密切，与施工工艺管理结合起来，已经成为土石混填路基压实质量控制的主要方法之一。利用塑性变形法控制路基压实质量时具有简便、快捷、准确以及便于推广等特点，但也存在一些不足之处：利用高精密水准仪检测仪测量碾压前后的沉降差时，受人为因素影响较大，且重现性差。土石混合填料性质变化大，即使同一种土石混合料在相同的松铺厚度、碾压遍数、碾压机具下，最终的压实效果也不相同，导致沉降差标准难以确定。3土石混填路基压实质量控制方法综合分析压实度检测技术历经多年使用，已经形成了一套较为完善的方法及配套的室内外试验检测仪器和标准。由于土石混合料粒径大、非均质，导致标准干密度dmax难以确定，所以在密度检测法的基础上提出了抗力检测法。抗力检测法和密度检测法相比，能够直接反映路基的强度和变形，但也有很多局限性。无论是密度检测法还是抗力检测法都是在压实后，取有限个测点的数据进行分析，很难反应整个压实面的压实质量。而且，传统检测方法都属于事后检测，当出现漏检时，会引起返工影响施工进度。针对传统方法的不足，瑞典在1976年最先提出了连续压实控制技术，它通过装载在振动压路机振动轮上的传感器来连续测试振动轮的动态响应信号，经过处理得到谐波比（CMV），以此指标来反映土体的压实状况。进入80年代后，德国和瑞士也对此项技术从原理、设备、软件等几方面进行了系统研究。目前连续压实控制又称作“智能压实（IC）”，被欧美誉为筑路技术的“第三次革命”。基本原理：将振动压实机具作为加载设备，根据振动轮和碾压层之间的相互作用，在振动轮的轴承上安装加速度感应器，检测振动轮加速度，通过对振动信号的分析处理，判断土体的压实状况。合理性：连续压实指标的精度和连续压实结果密切相关，保证连续压实指标的精度是该技术的关键。我国大量学者对连续压实进行了研究，发现连续压实指标和传统压实指标之间具有较强的相关性25-27。连续压实技术的评定指标对于粗粒料碾压控制具有局限性，并且其设备价格高昂、要求路基结构是一个理想弹性半无限体。所以，对于土石混合填料而言，连续压实控制技术在今后的改进中可以从以下几个方面进行研究：3.1碾压过程动态控制指标体系根据弹塑性力学理论及道路工程理论，分析散体填料在荷载作用下形成路基结构过程中状态变化的关键要素以及变化规律，在此基础上确立动态控制指标；根据路基与碾压机具相互作用的力学原理建立动力学模型，分析路基结构形成过程中关键状态变量（动态控制指标）与可测量之间的内在联系，形成动态控制指标体系。3.2碾压过程反馈控制原理按照现代控制理论，建立路基碾压质量反馈控制的一般技术原理，针对不同情况确定不同的控制量以及相关信息的动态量测技术；根据统计理论分析常规检验控制方法的特点和适用性，建立动态控制方法在验收检验中的应用原理。3.3碾压厚度的实时动态识别技术主要采用北斗定位技术，研究如何根据碾压机具在碾压过程中三维坐标的变化来确定碾压厚度，通过三维成像技术进行显示，在此基础上研究如何将此项技术集成为监控系统问题的具体方法。3.4粒料路基碾压质量动态控制方法根据填料在碾压过程中发生塑性变形的特点，采用理论分