（岩土工程专业论文）基于静载试验的土石混填路基压实度检测方法探讨.pdf

硕士学位论文 摘要 随着公路建设向山区延伸，土石混填路基已成为较普遍的公路路基形式之一， 为保证土石混填路基建设的快速施工及其填筑质量，必须开发土石混填路基压实 度的快速而可靠的检测新技术，但是，目前土石混填路基压实度的检测方法仍沿 用传统的灌水( 砂) 法或波法，其存在对路基破坏性大或检测精度差或检测效率 低等缺陷与不足，难以适用土石混填路基压实度快速检测的工程要求，因此，本 文结合湖南省高速公路管理局压实度检测研究项目展开深入系统的研究，以期建 立土石混填路基压实度检测新方法，具有重要的理论与工程实用价值。 本文在综合分析现有土石混填路基压实度检测技术的基础上，首先，结合土 石混填路基受载变形与压实机理的研究，引进分级加载的思想和基于集中或均布 荷载作用的半无限空间布辛奈斯克理论，通过对土石混填路基孑l 隙率和变形模量 变化模型的深入研究，建立了土石混填路基压实度检测计算模型，为基于静力贯 入试验原理的土石混填路基压实度检测技术的丌发奠定了坚实的理论基础；其次， 通过室内及现场静力贯入试验，深入探讨了压实度检测设备主要部件( 如探头形 状及尺寸等) 的适用性，为土石混填路基压实度检测设备的设计提供了可靠的依 据；然后，结合土石混填路基压实度检测设备的开发及其压实度分析模型研究， 初步开发出适用于土石混填路基压实度快速检测工程要求的压实度检测新方法； 最后，通过现场试验与分析，并与传统压实度检测方法进行比较分析，表明了本 文方法的可行性和合理性，完善了土石混填路基压实度检测的方法与理论。 关键词：土石混填路基；压实度；静力贯入试验；孔隙率；变形模量 i i 董三墼茎兰兰皇圭至堡堡塑量薹耋壁竺塑童童堡望 a b s t r a c t a st h e ，h i g h w a yc o n s t r u c t i o ne x t e n d so v e rm o u n t a i n o u sd i s t i n c t ，s o i l - r o c k m i x t u r es u b g r a d e ，o n eo ft h eh i g h w a ys u b g r a d ef o r m s ，h a sb e c o m em o r eu n i v e r s a li n t h ed a y t og u a r a n t e et h er a p i dc o n s t r u c t i o na n df i l l i n gq u a l i t yo fs o i l - r o c km i x t u r e s u b g r a d e ，i ti si n e v i t a b l yn e c e s s a r yt od e v e l o ps p e e d ya n dr e l i a b l en e wd e t e c t i n g t e c h n o l o g yf o rc o m p a c t n e s so fs o i l r o c km i x t u r es u b g r a d e h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a l w a t e r ( s a n d ) r e p l a c e m e n tm e t h o do rw a v em e t h o dr e m a i n si nu s ef o rd e t e c t i n g c o m p a c t n e s so fs o i l - r o c km i x t u r es u b g r a d ea tp r e s e n t a n dt h e r ea r ed i f i c i e n c i e sa n d l i m i t a t i o n ss i n c et h e s ea b o v em e t h o d sd om u c hd a m a g et ot h es u b g r a d eo rt h e a c c u r a c yo ft h e s em e t h o d si sp o o ro rt h ee f f i c i e n c yi sl o w , w h i c ha r eu n a b l et om e e t t h er e q u i r e m e n t so fs o i l - r o c km i x t u r es u b g r a d er a p i dc o n s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c hw o r ka b o u td e t e c t i n gc o m p a c t n e s sm e t h o dw a sc a r r i e do u tc o m p r e h e n s i v e l y c o m b i n i n gt h e r e s e a r c hp r o j e c to fd e t e c t i n gc o m p a c t n e s so fs o i l - r o c km i x t u r e s u b g r a d es p o n s o r e db yh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o no fh u n a n ，a n dan e wt e c h n i q u ef o r d e t e c t i n gt h ec o m p a c t n e s so fs o i l r o c km i x t u r es u b g r a d ew i l lb ed e v e l o p e d ，t h i sn e w m e t h o dh a sb e e no fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n gv a l u e o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ep r e s e n tc o m p a c t n e s sd e t e c t i n g t e c h n o l o g yo fs o i l - r o c km i x t u r es u b g r a d e ，f i r s t l y , c o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c ho n d e f o r m a t i o nu n d e rt h ea c t i o no fl o a da n dc o m p a c t n e s sm e c h a n i s mo fs o i l r o c k m i x t u r es u b g r a d e ，a ni d e ao fs t e p - b y s t e pl o a d i n ga n dt h eb o u s s i n e s q st h e o r ya b o u t s e m i i n f i n i t es p a c eu n d e rc o n c e n t r a t e do rd i s t r i b u t e dl o a da r ei n t r o d u c e d ，t h e nt h e c a l c u l a t i o nm o d e lf o rd e t e c t i n gc o m p a c t n e s so fs o i l r o c km i x t u r es u b g r a d ew a s e s t a b l i s h e db yt h o r o u g h l yi n v e s t i g a t i n gt h em o d e l sd e s c r i b e dt h ec h a n g eo fp o r o s i t y r a t i oa n dd e f o r m a t i o nm o d u l u sr e s p e c t i v e l y , w h i c hl a y saf i r mf o u n d a t i o nf o rt h e d e v e l o p m e n to fd e t e c t i n gc o m p a c t n e s so fs o i l r o c km i x t u r es u b g r a d eb a s e do nt h e p r i n c i p l e o fs t a t i c p e n e t r a t i o nt e s t s e c o n d l y , t h ea p p l i c a b i l i t y o ft h em a j o r c o m p o n e n t s ( s u c ha st h es h a p ea n ds i z eo fp r o b e ，e t c ) o fd e t e c t i n ge q u i p m e n to f c o m p a c t n e s sw a sd e e p l yd i s c u s s e dt h r o u g hi n t e r i o rm o d e l st e s ta n di n s i t u s t a t i c p e n e t r a t i o nt e s t ，w h i c hp r o v i d et h er e l i a b l e b a s i sf o rt h e d e s i g n o fd e t e c t i n g e q u i p m e n t t h i r d l y , c o m b i n e dw i t h t h ed e v e l o p m e n to fd e t e c t i n ge q u i p m e n to f c o m p a c t n e s sa n dt h es t u d yo na n a l y s i sm o d e lf o rd e t e c t i n gc o m p a c t n e s so fs o i l r o c k m i x t u r es u b g r a d e ，an e wt e c h n i q u ef o rr a p i dd e t e c t i n gc o m p a c t n e s st h a tc a na n s w e r i l l t h en e e d sf o rp r a c t i c a ld e t e c t i n ge n g i n e e r i n gw a sd e v e l o p e dp r e l i m i n a r i l y f i n a l l y , t h e f e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo ft h i st e c h n i q u ew a s i d e n t i f i e db yt h ec o m p u t a t i o no ft h e r e s u l to fi n - s i t ut e s ta n dt h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fc o m p a c t n e s s c o n s e q u e n c e sg a i n e db yt h i st e c h n i q u ea n dt r a d i t i o n a lm e t h o d ，w h i c hp e r f e c t s t h e m e t h o da n dt h e o r yo fd e t e c t i n gt h ec o m p a c t n e s so fs o i l r o c km i x t u r es u b g r a d e k e y w o r d s ：s o i l - r o c km i x t u r es u b g r a d e ；c o m p a c t n e s s ；s t a t i cp e n e t r a t i o nt e s t ；p o r o s i t y r a t i o ；d e f c l r m a t i o nm o d u l u s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：书阀天海日期：矽孵1 1 月z7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：胡天海日期：沙7 年1 1 月日 聊躲绁季旰魄0 7 年棚h 日 硕士学位论文 1 1 问题的提出 第l 章绪论 公路是国民经济的重要基础设施，承担着经济建设中重要的运输任务。2 0 世 纪9 0 年代以来，随着我国经济建设的发展，我国公路交通得到了大力发展，特别 是西部大开发战略的实施，作为国家基础设施体系的重要组成部分，高等级公路 建设在山区及丘陵地区蓬勃兴起。由于我国山区及丘陵地区面积占全国总面积的 7 0 ，这些地区缺土多石，本着就地取材、节约成本、保护环境的原则，土石混 合料便成为山区公路建设中的主要路基填料，而采用振动碾压施工工艺修筑的土 石混填路基也成为山区公路中较普遍的路基型式之一。 路基是道路的主体与路面结构的基础，在路基工作区深度范围内，它承受着 本身土体的自重和路面结构的重量，同时还承受出路面传递下来的行车荷载，因 此，为保证路面的使用性能和使用寿命，提高路基的强度和整体稳定性是关键。 要达到这一目标，就必须对路基进行有效的压实质量控制，而路基压实质量是通 过压实度指标来控制，如果路基压实度不足会引起路基不均匀沉降，从而导致路 面产生局部沉陷与纵向裂纹等破坏，所以，为增加路基填料的强度和稳定性，使 路基在使用过程中不会由于进一步的压实而产生有害的变形，减少路基在行车荷 载下产生的形变，提高路面建成后的使用品质，就必须严格控制路基的压实度。 在公路建设中，填土的压实一直受到工程界的重视，一般细粒土压实质量的 检测与评价己具备一套比较成熟和公认合理的方法，并列入了有关的规范【i 】和标 准【2 】，压实标准也有明确要求；对填石路基也有一定的工程实践经验和试验研究， 其压实质量控制标准也有新的规定【2 j ；对于土石混填路基，虽然有关专家已对土 石混合料的力学特性【3 】、压实特性【4 】和土石混填路基修筑技术【5 】进行了大量的研 究，但针对于土石混填路基的压实度检测方法【6 】的研究仍处于初级阶段，尚不能 很好的指导于工程实践。土石混合料与一般细粒土有显著不同，如果仍沿用细粒 土压实质量检测与评价方法，必然存在标准干密度的确定、检测评价指标的适用 性、评价标准的合理性等问题，这势必给土石混填路基压实质量的检测与控制带 来困难，不但影响施工的正常开展，而且不能保证路基施工质量。因而，有必要 对土石混填路基压实度检测方法进行探讨研究。 为适应士石混填路基机械化快速施工的要求和保证路基填筑的施工质量，湖 南省高速公路管理局设立了“土石混填路基密实度自动快速检测技术及其工程应 用”的科研项目，该项目由湖南省常吉高速公路建设开发有限公司和湖南大学岩 基十静载试验的十石混填路幕压实度榆测方法探讨 土工程研究所合作承担。本文以该项目为依托，针对土石混填路基的工程特点， 拟采用静力贯入试验方法开展土石混填路基压实度检测技术与方法的研究，以期 建立一种新型的土石混填路基压实度检测数学模型，为研究开发出适用于土石混 填路基的快速、简便、可操作性强且准确的压实度检测新方法及其相应的检测设 备奠定坚实的理论基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 土石混合料基本性质的研究 土石混合料是由土和石组成的松散体，土的种类及石料的强度和含量不同， 压实成型后，其物理结构和力学特性亦不同。因此，随着土石混合料在工程中广 泛应用，为了更好地为施工建设服务，科研人员对土石混合料的工程分类、压实 特性、强度及变形特性等进行了研究。 1 土石混合料工程分类研究 不同国家、不同部门的研究人员从不同的角度，提出了不同的分类方法，而 很多分类方法都将土石混合料统称为粗、巨粒土。美国统一粗粒土分类法将粗粒 土分为a i 、a 2 、a 3 三类【7 l 。法国道路、堤坝压实规范中对粗粒土也进行了分类。 我国公路【8 】和水利9 1 部门对粗粒土也进行了分类和命名。司洪洋【1 0 】、王龙等1 、 武明d 2 、董云等【1 3 , 1 4 1 采用不同方法从不同角度对土石混合料的分类进行了研究。 这些分类方法尽管考虑的角度和考虑的因素不同，但在某些行业为较好的评价粗 粒的工程性质及其在工程中的应用发挥了积极作用。主要分类方法有5 类，即按粗 粒土成因分类、美国统一分类法、压实特性分类法、结构分类法、水电工程分类 法【15 1 。 现有土石混合料的分类方法繁多，种类繁杂，还没有统一的分类和命名，并 且不能综合反映各类土石混合料的强度、变形指标和施工经验。因此，需要研究 出一种形式简单、利于工程应用、能反映土石混合料工程特性的统一工程分类方 法，以便更好地为旌工和设计服务。 2 土石混合料压实特性的研究 美国垦务局在五十年代开始重点对土石含量、粒度分布等对压实效果的影响 程度进行了研究，七十年代完成了各种压实机械压实土石混合料的适用性研究。 1 9 9 4 年，r o b e r t 等人提出了土石混合料在标准击实功下室内击实方法的建议标准， 该方法建议颗粒的最大尺寸为7 6 2 m m ，击实筒直径分别为3 0 4 8 c m 和4 5 7 2 c m ，击 锤重量为5 8 4 5 n ，下落高度为3 0 4 8 m m 。同本的松本德久等人在1 9 8 5 年对不同粒 径的土石混合料的压实试验方法进行了研究，总结了以往采用的大型击实试验。 而随着振动压路机的广泛使用，为了更好的模拟现场施工条件，研究人员对土石 2 硕上学位论文 混合料的振动压实特性进行了深入研究【1 6 一引，通过土石混合料的振动压实试验指 出，随着最大粒径的增加，最大干密度线性递增，最优含水量线性递减的规律。 我国近年来对于土石混合料的工程特性也进行了大量研究。交通部重庆公路 研究所的陈谦应等【1 w 进行了5 0 组的土石混合料大型击实试验，研究含石量、粒径 大小、含水量对最大干密度的影响程度及其变化规律。云南省公路科学技术研究 所的武明1 2 0 从土石混合料的压实特性出发，对不同粒径大小和含石量的土石混合 料进行了室内大型击实试验，确定出填料的最佳组合含量。袁海清【2 1 1 、姜伟等2 2 l 采用大型击实试验法进行了土石混合料压实质量的室内试验研究。刘自楷和李亮 平f 23 】结合武汉绕城高速公路的路基施工实践，采用室内与现场试验结合的方法对 土石混合料的压实特性进行了研究。为了模拟振动压实对材料的作用，东南大学 对七种不同级配的土石混合料进行了重型击实和标准振动台成型的对比试验，考 察了两种成型条件下的土石混合料的基本力学特性。哈尔滨建筑大学王龙等1 2 4 1 采用上置式表面振动器对土石混合料进行振动击实试验，并根据最大干密度和粗 颗粒含量之间的关系，将土石混合料分为三种类型：悬浮密实结构、骨架一密实 结构、骨架空隙结构。大连理工大学的隋吉军 2 5 1 、贾革续 2 6 1 对同一种土石混合 料采用重型击实和振动压实的方法成型试样，深入研究土石混合料的各项工程特 性。 上述对土石混合料压实特性的研究，从粗颗粒百分含量和颗粒最大粒径等因 素研究入手，通过大型击实试验，取得了一些共性的成果：在不同的粗颗粒百分 含量下具有不同的结构组成，相应的土石混合料就具有不同的力学特性；而在不 同的最大粒径下，其压实密度也有明显区别。但在上述研究中对于土石混合料最 大干密度的确定仍以大型击实试验法为主，而采用振动击实试验法较少，因此， 为更好地模拟现场施工条件，使得土石混合料能够得到充分的压实，对于土石混 合料的振动压实特性还应做进一步研究。 3 土石混合料力学特性的研究 结合对细粒土力学特性的研究 2 7 , 2 8 】，研究人员对土石混合料的力学特性做了 大量研究。武明1 29 j 对不同含石量的土石混合料机型了大型三轴试验和大型压缩试 验，深入研究了土石混合非均质填料的力学特性。甘霖和袁光国【3 0 j 对粗粒土也进 行了类似的研究。陈希哲1 3 1 1 对粗粒土的强度与咬合力进行了试验研究。西北农林 科技大学的李振和李鹏p 2 l 通过无粘性粗粒土的直接剪切试验，相同相对密度下含 石量对粗粒土抗剪强度参数的影响以及同一种粗粒料在不同干密度下抗剪强度指 标的变化规律。重庆交通学院的董云等 3 3 , 3 4 进行了土石混填路基原位直剪试验和 室内大型直剪试验。四川大学高春玉等【35 j 对土石混合料的路用性能做了深入研 究。香港大学岳中崎等【3 6 l 采用数字成像技术对土石混合料的微观结构做了大量研 究，对不同因素影响下的土石混合料抗剪强度做了试验研究。阎宗岭等【3 ”、刘开 基于静载试验的十钉混填路牲胜实度榆测方法探讨 明等3 8 】、张斌和屈智炯【3 9 】对土石混合料的本构关系进行了探讨研究。 通过上述研究成果分析，人们对于土石混合料力学特性的认识还存在一些不 足：由于试验条件的限制以及各种因素的影响，对土石混合料的强度试验研究并 不多，所以统计关系还不完全可靠，要获得准确的强度指标还须大量的试验研究； 随含石量的增加，土石混合料物理力学性质变化规律尚缺乏一个定量个变化关系。 因此，对土石混合料力学特性值得深入研究。 1 2 2 土石混填路基压实质量评价方法 由于土石混合料的材质、粒径、级配、含水量等与细粒土存在较大差异，对 其填方压实质量的检测若仍沿用传统细粒土路基压实质量检测方法，难以保证工 程质量和满足工程要求，对此国内外学者开展了试验研究 4 0 , 4 1 】，并取得了一些成 果。根据采用的检测方法和手段，可以把目前采用的方法分为三类，即：密度检 测法、抗力检测法、试验工程法。 1 密度检测法 密度检测法是通过直接测试压实体中样品的质量和体积，然后计算其密度来 确定压实体的密度，最后根据其含水量得到压实体现场干密度大小，如灌砂法和 灌水法。考虑到土石混合料粒径大、影响因素复杂的特点，研究人员对检测方法 作了部分改进，在现场干密度测定上，扩大了试坑的体积，最大试坑体积己达 1 5 m 3 。此外，工程中还常使用间接方法测定现场干密度，例如表面波法和核子密 度仪法，试验前，这些方法均需进行标定和对比试验，确定仪器工作参数，利用 现场所测结果换算成对应的密度或压实度。 2 抗力检测法 弹性模量、塑性变形增量及地基系数的检测方法统称为抗力检测法。 ( 1 ) 弹性模量的测定多采用承载板或弯沉。具体作法是选定某些测点，连续 测定这些点在两次加卸载后的回弹模量，将两次测定回弹模量的均值与规定标准 进行比较，从而判定压实质量是否合格。该方法量具有以下优点：测定的指标直 接与变形特性相联系；荷载量大，影响范围广，反映了一定范围内压实填方的整 体情况：不破坏土体结构。也有其不足之处：两次回弹模量比值很难说明其压实 质量是否满足路基的使用要求，可能存在两种土的弹性模量相差很大，也可能存 在两次测定的比值一样的情况；测点在大粒径土上和小粒径土上测试结果差异很 大，测试结果难以真实反映实际填料的整体压实情况：原地基的软硬程度对其上 一定填土高度路基的回弹模量有较大影响，当原地基较弱时，大部分反映了原地 基情况，而不是填料的压实。 ( 2 ) 塑性变形法多采用精密水准仪来测定塑性变形增量。首先，在填方土体 碾压前，先在整平的土体上布置方格网，确定各测点，然后开始碾压，每碾压一 4 硕士学位论文 次后，用高精度水准仪测量上述各溅点的高程变化，直到碾压前后两次测得的高 程之差在规定范围内，即认为合格。塑性变形法直观、简单易行，但测定碾压前 后的重现性较差，受人为因素影响较大，影响了测量精度，另外还受压实机具重 量大小的影响，这就增加了制定试验和压实标准的难度。 ( 3 ) 地基系数 4 2 1 是一种小型平板载荷试验得出的指标，通常平板直径为 3 0 c m ，用静压的方法测定单位压力作用下的沉降值，然后根据计算公式可得到地 基系数大小。由于土石混合料的颗粒较大，试验结果有一定的离散性，如果加大 承载板面积，粒径的影响就会减小。但加大荷载板面积，反力系统也要加大，因 此，地基系数检测方法推广有一定困难。 3 试验工程法 试验工程法是根据具体工程，通过修筑碾压现场试验路，综合采用上述方法， 并结合固定的压实机具，找出施工控制参数( 如碾压遍数、填筑厚度、压实功能 等) ，在实际施工过程中，运用这些参数来控制压实质量。由于土石混合料的性质 变化很大，即使是同一种土石混合料，由于其粒径组成不同，在同样的压实功能 下进行压实，也将会得到不同的压实效果，且受资金和人力等因素限制，因而用 该法进行压实质量的控制难以进行推广应用。 1 2 3 土石混填路基压实度检测方法 1 2 3 1 压实度的概念 描述路基的压实程度的方法有两种，一种是计算压实体的压实度【4 引，另一种 是直接计算压实体中固体含量的多少，事实上，二者都是用来描述一定体积压实 体中其固体的多少，并不存在本质差别。2 0 世纪3 0 年代，美国人提出了压实度指 标，即压实系数足，作为路基设计及施工控制土的压实质量的标准，由于这种方 法运用比较成熟，所以大量研究证明1 4 4 4 6 l ，可以将压实度作为土石混填路基的压 实质量控制指标。 对于路基土，压实度足是指工地现场实际达到的干密度内与室内标准击实试 验所得的最大干密度朋。的比值，即 k ：旦1 0 0 ( 1 i ) 岛。 因此，将压实度作为土石混填路基压实质量的控制指标，必须解决好现场干 密度检测和室内最大干密度的确定。 1 2 3 2 最大干密度的确定方法 我国公路部门多采用室内击实试验方法确定压实材料的最大干密度和最佳含 水量【8 i ，它是通过施加冲击荷载对被压材料进行压实成型，按其击实简直径大小 分为小型、中型和大型击实法三种。对于粒径大、粗颗粒含量多的土石混合料来 兰三墼塑兰丝竺兰至堡萋坠董竺查筌堡塑耋鎏堡坚 说一般采用大型击实法，但是随着振动压实工艺在土石混填路基施工现场的广泛 应用，这种静力压实成型方法与现场路基振动压实过程不同，在应用中存在许多 问题，所确定的最大干密度和最佳含水量也与现实不相匹配。 室内试验作为现场施工指导的基础，应当力求使室内试验真正模拟现场的工 况，根据这一原则，人们提出了室内振动压实方法，尽管振动压路机的发明和使 用己有六七十年的时间，但室内振动压实方法的研究还相对滞后。国际上只有瑞 典在9 0 年代提出了振动压实的规范，德国、法国、和芬兰还有美国a a s h o 的修正 c b r 钡, 4 试中也提到用振动压实的方法，但是都作为一种可用的方法提出，没有要 求必用，而且也没有提出在室内可以统一使用的模拟振动压路机工况的振动压实 加载设备，研究人员还在不断完善中。我国研制加工了自上而下振动的振动成型 压实机，又称表面振动压实仪，使用该成型压实机调节振动压实参数，进行振动 压实试验，可确定筑路材料最大干密度和最佳含水量。振动压实方法的压实机理 与静压的机理不同，压实材料形成的结构力学性能和使用性能也比静力压实的效 果好。 振动压实的基本机理【4 7 】为：土石混合料在振动击实过程中，初始状态时其具 有很大的孑l 隙率属于松散介质，在振动仪的作用下，产生向下的速度，混合料颗 粒受到挤压作用，整体向下运动达到一定的密实状态；颗粒压密后，会由于不均 匀压密导致出现一些孔隙，紧接着这一过程，混合料处于相互接触状态，各颗粒 之间产生接触力，在接触力的作用下开始相互作用，孔隙附近由于颗粒受力不均 匀性，细颗粒被挤压从而填充孔隙，这时颗粒的速度不再是向下的，而是和孔隙 有关，细颗粒在接触力作用下“自动”填充孔隙，而粗颗粒由于其质量较大，从而 阻力也较大，在这个过程中位置不会发生太大变化；当所有的颗粒达到自己的平 衡位置，这个过程也就停止了，同时在振动压实仪的压力作用下，土石混合料开 始吸收能量，发生一定程度的弹性变形，具有一定的弹性能，当荷载卸去后，混 合料颗粒会发生一定程度的回弹，释放弹性能，最终达到平衡状态，这时混合料击 实过程结束，从而可以计算出其于密度和孔隙率。 土石混合料中的粒径大小和含石量多少是选用适当击实仪器的重要依据，应 根据实际情况，针对不同组成结构的土石混合料对振动的响应不同，总结不同结 构类型土石混合料最佳室内成型工艺，选择合理的室内击实试验仪器，以求获得 科学合理的最大干密度值。 1 2 3 3 压实度检测方法 目前而言，为了掌握现场压实体的质量状况，一般有两类方法，一类是直接 测试压实体密度的直接测试法，一类是采用其他与材料密度相关的参数反映压实 体密度的间接测试法。常用的直接测试法有：灌砂法、灌水法和环刀法等，常用 的间接测试法有：核子密度仪法、瑞雷波法、瞬态冲击频谱分析法、压实度计法 6 硕士学位论文 等。除此之外，人们还开发研究了一些土石混填路基压实度检测的新方法。 1 灌砂法 所谓灌砂法【8 1 是用均匀颗粒的砂由一定的高度下落到一个规定容积的筒或洞 内，根掘其单位质量不变的原理，来测定试洞的容积，用试洞的容积代表洞中取 出材料的体积。 进行试验前，首先，要标定灌砂筒下部圆锥体内砂的质量以及量砂的单位质 量；然后，在拟测量密度的地点挖凿一个圆形试洞，洞深通常应等于碾压层的厚 度，洞的直径与灌砂筒一致；其次，仔细收集洞中挖出的全部土或材料，勿使丢 失，并采取措施保护其含水量不受损失，及时称取( 也可分批称) 洞中挖出的全部 填料的质量，并取部分有代表性的样品做含水量试验：最后，向洞内灌砂，由灌 入砂的质量以及已测得的量砂的单位质量即可求出灌入砂的体积，即为试洞的容 积，进而求得填料的现场干密度大小。 灌砂法是当前国际上最通用的方法，在很多国家被列为在现场测定密度的主 要试验方法，适用于细粒土和粗粒土密度的检测。但是它的缺点是：需要携带较 多的量砂，称量次数较多，对路基产生破坏，测定过程费时费力，检测速度较慢， 其中灌砂法检测一个断面3 个测点的干密度，从准备工作起，一般1 人需6 0 7 0 m i n 。 严重影响了黄金季节路基工程的施工进度，同时也不适用于填石路堤等有大孔洞 或大孔隙材料的压实度检测。 2 灌水法 灌水法又称水袋法，系美国首创，1 9 6 3 年正式列入标准，德国于1 9 7 5 年正式 应用灌水法，我国的公路土工试验规程也将灌水法列入其中。其开挖试洞、 称量洞中挖出的填料质量及测量样品含水量的要求与灌砂法相同，在测定试洞的 容积时，将薄橡皮袋放入试洞内，在规定的压力下将水压入橡皮袋中，使橡皮袋 扩张到与试洞底和洞壁相接触，根据所用水量确定试洞的体积，进而求得填料的 现场干密度大小。 若颗粒粒径较大，相应的试坑体积增大，可采用灌水法来检测其干密度，因 为它可避免灌砂法对砂的多次称量，携带的水量与量砂相比也相对较少，但它仍 有其自身缺点：对路基会产生破坏，检测速度慢，在含碎石颗粒的结构层内橡皮 袋易破损，影响施工效率，冬季施工需在水中加防冻剂，测量的准确度和重复性 较差。 3 环刀法 环刀法是根据土质干湿和紧密程度的不同，采用直接压入法、落锤打入法或 手锤打入法将环刀压入或打入到土中，然后将环刀及土样挖出，称量所取样品的 质量，并测定其含水量，从而确定试样的干密度。 环刀法是我国最早使用的测定土的湿密度的方法，它也是较简单和较快捷的 7 基于静载试验的十杠混填路摹雎实度检测方法探讨 一种试验方法，但是当环刀被打入士中时，产生的应力使土有些变松，壁越厚产 生的应力越大，因此在破坏性试验中，它的破坏性较灌砂法和灌水法都大得多， 此外，环刀法只能用于测定不含砾石或碎石的纯细粒土的现场湿密度，且不适用 于松散性材料。 4 核子密度仪法 核子密度仪是利用放射性元素( 通常是y 射线) 测量路基土的密度，利用中子来 测量它的含水量。首先，将放射性元素做为放射源埋入路基一定深度内，然后由 路基表面的探测器接收放射源发出的信号，由于放射性射线穿过物质时要发生衰 减，其衰减量的大小与物质的密度成证比，这样通过测量放射性射线的衰减量就 可以反算出填料的密度。 核子密度仪法【4 8 】虽然属于无损检测，并且测量速度快，可以连续进行施工质 量控制，但是该方法使用的测试仪器价格昂贵，使用环境条件要求高，对填料的 非均质变化反映敏感，此外超标的放射性物质对人体有害，一旦发生问题还会对 环境造成污染，因此它的使用也有一定局限性，对粗粒土的检测不适合。 5 瞬态瑞雷波法 瞬态瑞雷波法属于面波检测法的一种，它主要是利用瑞雷面波速度在分层介 质中的频散特性以及传播速度与介质密度的相关性来进行检测。该方法测试须先 求得在路基上激发的瞬态瑞雷面波的频散曲线，不同频率的瑞雷波具有不同的波 长，其平均速度就反映不同深度范围内的介质密度的变化情况。通过分析频散曲 线图，用拐点法或渐近线法确定各个分层介质的分层界面，然后用等效半空间法 计算获得各层的瑞雷波波速，再建立瑞雷波速与路基土干密度之间的对应关系式， 从而实现由实测的瑞雷波速求取路基土压实度。 1 8 8 7 年，r a y l e i g h 首先发现了瑞雷面波的存在并揭示了其在弹性半空间介质 中的传播特性，随着人们对瑞雷面波传播特性和频散特性的逐步认识【4 ”j ，科研 人员开始将瞬念瑞雷面波法应用在岩土工程问题的研究中，并在八十年代后期实 现了工程应用。受国外技术的影响，瑞雷波在我国公路检测中也得到了应用，1 9 9 6 年，杨成林等【5 3 1 首先在廊坊市北大街和乳源一坪石公路使用瑞雷波法测试了路基 压实度。柴华友，汪江波等【5 4 】对瑞雷波分析方法及其应用进展进行了研究。2 0 0 3 年，张献民和王建华 5 5 】对使用瞬态瑞雷波法测试路基压实度的方法进行了研究。 河北工业大学的刘立明等 5 矾、智胜英等【5 7 】都对采用瞬态瑞雷波法检测路基压实度 进行研究。2 0 0 4 年重庆交通学院1 5 8 1 首次建立了土石混填路基压实度波动测试的理 论模型及土石复合路堤压实度的快速波动检测技术，介质的波动理论研究具有创 新意义。湖南大学董海文等【5 9 】做了瞬态瑞雷波法在公路工程质量检测中的理论与 应用研究。 瑞雷波检测路基压实度的方法与其他方法法相比具有以下优越性：仪器设备 硕士学位论文 轻便，可操作性强；节约检测费用；是一种无损原位测试法，对路面本身无损害 检测数据更符合实际；检测速度快，成果显示直观，当场即可显示结果，更适合 现场检测，检测后可以对检测数据进一步分析，如绘制平面等值线图，可以进行 全面检测柬评定施工质量。但是仪器使用前需进行标定，对于不同级配的填料， 需多次标定；对操作人员要求较其它测试方法要高：由于被检测体结构组成的复 杂性和现有仪器精度、软件处理的限制等，推广面波检测还有相当难度。 6 瞬态冲击频谱分析法 该方法采用路基压实度快速测定仪，由重锤( 含传感器) 、三脚架、控制检测 装置组成。其测定压实度原理是首先将装有传感器和重4 5 k g 的重锤从恒等高度自 由落下，给路基一个瞬间冲击，冲击瞬问释放的冲击能量被事先安置在锤上的加 速度传感器所接收，获得加速度响应值，然后将得到的信号通过放大、滤波、峰 值采样、a d 转换、信号分析和处理，从而得到路基土的压实度测量值。顾炳其 等通过大量的试验发现冲击响应的能量是压实度的单元函数，并给出了在这一频 段内冲击响应与压实度的经验公式【6 0 ，6 1 】。 这种方法具有如下优点：无需测定含水量，操作简单，测试时间短，可对全 路段进行快速测试，为无损检测。然而该测定方法只适用于细粒土路基压实度的 检测，对中粗粒土路基不适用，并且仪器使用前需进行标定，对于不同级配需进 行多次标定，测定局限性太大。 7 压实度计法 2 0 世纪8 0 年代，瑞典g e o d y n a m i k 公司研制成功压实度计，并申请了专利。该 仪器装在振动压路机上，通过测量振动轮振动垂直加速度波形的畸变程度来评价 被压材料的压实程度，利用振动波的基波和二次谐波的比值来表示振动波形的畸 变程度，通过常规试验对比得到压实度值【6 甜。长安大学 6 3 , 6 4 】在这方便做了大量工 作。 压实度计检测方法可以随时测定压实效果和确定的碾压遍数，从而提高了压 实质量和作业效率，减少了寿命周期成本。但因测量结果和各种因素有关，必须 事先进行标定，然后通过对比的方法测出压实度，其评价指标缺乏明确的物理意 义，功能单一，存在检测值与实测值偏差较大的问题，尚需进一步研究。 8 静力贯入法 长安大学1 4 0 根据室内试验结果，在贯入杆直径( 1 0 c m ) 及贯入深度( 5 c m ) 一定的情况下，建立土石混填路基压实度k 与贯入荷载p 、粗颗粒含量g 、最大粒 径矗。及含水量w 之间的统计关系： 。 k = a f + b g + c d 。, “+ e w + p ( 1 2 ) 式中的彳、曰、c 、d 、e 为待定参数。首先，将不同路段填料粗颗粒含量、最 大粒径及含水量从现场测定出；然后，通过现场试验得出贯入深度为5 0 c m 时的贯 9 基于静载试验的十：右混填路堆胝实度检测方法探讨 入荷载，即可得出该路基的压实度。但是在现场检测之前，应对公路沿线的土石 混合料进行分类，并且对不同类型土石混合料应进行室内标定试验，以便得到不 同岩性、粗颗粒含量、最大粒径及含水量时压实度与贯入荷载之间的关系，因此， 该方法所建立的压实度计算数学模型缺乏理论分析，不具有普遍适用性，而且需 要标定参数多，不适用于现场施工人员操作。 上述公路路基压实度检测方法虽然已经在一般路基压实度检测中得到了较广 泛应用，但是，将它们应用于土石混填路基压实度检测会存在许多局限性和不足。 第一，灌水( 砂) 法检测路基压实度，由于必须开挖试坑，这就使得挖坑过程中 粗料破碎影响加重，改变了实际工程混合料的级配和含石量，使得求取的标准干 密度不能反映实际情况，同时还要破坏路基，而且，对于土石混填路基来说，开 挖施工困难，大面积应用该方法检测土石混填路基压实度，其检测速度慢、测试 周期长，无法满足土石混填路基建设的快速机械化施工要求，影响施工进度；其 次，应用核子密度仪法、瞬态瑞雷波法和瞬态冲击波法等检测路基压实度，由于 人们对波在路基中传播规律与机理认识不足，不能反映土石混填路基的工程特点 ( 如填筑料介质力学特性等) ，因而，尽管这类方法检测效率高，但其检测精度较 差，难以满足工程检测的要求；第三，由于静力贯入法是基于静力触探原理检测 路基压实度，即根据贯入深度与压实度的统计经验关系来间接确定路基压实度， 而且，对于不同的土石混填路基，这种关系极其复杂，即使建立起这种关系也不 具备普遍适应性，因而，利用该方法检测土石混填路基压实度的精度也难以满足 工程要求。 1 3 本文研究思路与主要研究内容 本文拟针对现有土石混填路基压实度检测方法存在的缺陷与不足，采用静力 贯入试验方法技术检测土石混填路基的压实度。首先，深入分析土石混合料的振 动压实机理及受力特性，制定切实可行的室内模型静力贯入试验方案，并通过试 验深入探讨压实度检测设备及试验方法的适用性；其次，在试验成果的基础上， 结合土石混填路基受载变形与压实机理的研究，引进基于集中或均布荷载作用的 半无限空间布辛奈斯克理论，通过对土石混填路基孔隙率和变形模量变化模型的 深入研究，建立土石混填路基压实度检测数学模型；然后，结合土石混填路基压 实度检测设备的开发及其压实度分析模型研究，初步开发适用于土石混填路基压 实度检测工程要求的压实度检测新方法；最后，通过现场试验与分析，并与灌水 法进行比较分析，验证本文方法的可行性和合理性。 根据本文的研究思路，将进行以下几方面的研究： ( 1 ) 通过对国内外有关土石混填路基压实度检测方法研究现状的综合分析， 认识现有方法存在的缺陷与不足，并深入探讨土石混填路基的受载变形与压实机 1 0 硕士学位论文 理，为基于静力贯入试验的土石混填路基压实检测新方法的研究奠定基础； ( 2 ) 结合实际情况，制定经济合理、切实可行的室内模型试验方案，采用表 面振动仪法对不同含石量的土石混合料进行室内振动击实试验确定其最大干密度 值，模拟现场施工条件按相似比理论设计填筑不同含石量不同压实度的土石混填 路基室内模型，拟采用堆载的方法进行路基静力贯入试验，通过试验深入探讨压 实度检测设备的可行性和适用性： ( 3 ) 通过室内模型静力贯入试验，深入分析土石混填路基在静载作用下的受 载变形机理，引入与路基压实度密切相关的孔隙率和与路基变形相联系的变形模 量，深入探讨土石混填路基孔隙率和变形模量的变化模型； ( 4 ) 考虑在荷载作用下路基变形模量发生变化的特征，引进分级加载的思想 和基于集中或均布荷载作用的半无限空间布辛奈斯克理论，建立在集中或均布荷 载作用下土石混填路基表面竖向位移计算模型； ( 5 ) 利用静力贯入试验所得土石混填路基表面荷载位移的关系曲线，结合 土石混填路基表面竖向位移计算模型以及孔隙率与变形模量变化模型，引进曲线 拟合的方法建立土石混填路基孔隙