落球检测在堤防填土工程质量评估中的应用

康浩，王正君，来庆辉

(黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150086)

落球检测在堤防填土工程质量评估中的应用

康浩，王正君*，来庆辉

(黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150086)

在堤防工程中，堤防填土的力学性质是影响堤防工程整体变形沉降及结构稳定的关键因素。为了更好的监测和控制填筑质量，克服传统监测技术对堤防的损坏，本文介绍了落球检测这种新型快速无损检测技术。通过落球检测技术在堤防工程的现场测试，采用网格布点的测试方法，获得落球检测结果及回弹变形模量分布图，据此分析测区压实程度及均匀性。避免传统方法对堤防的破坏，从而保证了堤防的安全性和使用寿命。结果表明该技术对于评估堤防填土工程的岩土力学特性和均匀性十分有效，不仅快速而且反映直观，后期需进一步的改进和优化，该技术将会更好地广泛应用于堤防工程的质量控制体系中。

堤防填土；落球检测；均匀性；现场测试

0 引言

众所周知，在堤防填土施工中，采用的材质主要为岩土类，具备天然性、多样性和复杂性[1]等特点。在这种情况下，岩土材料力学特性[2-3](包括刚性和强度特性)，对于堤防工程就会显得尤为重要。美国交通部联邦公路管理局研究结果表明填方路基施工质量控制[4-5]的要点是保证其工程力学特性和均匀性，堤防工程也是一样，在评价其填土工程压实质量时，应首先考虑变形模量[6]等力学特性，评估其均匀性。此外，填土施工具备较强的隐蔽性，当填筑到上层部位以后，其下层部位的质量就难以得到检测和监督。因此，长久以来堤防工程界都在努力找寻一种可靠有效的技术手段，使之可以在施工现场准确、直接、快速、方便的检测堤防填土的力学特性。

在现有检测方法中，常用的环刀法、灌水法检测速度慢，设备及人为因素影响大，对堤防表面有一定的破坏作用。而核子密度法则存在一定的放射风险。本文所介绍的落球检测[7]技术，它能够快速、高效地对岩土材料的变形特性进行检测，避免目前堤防填土破损性检测费时费工的问题；并可通过网格布点多点测试一定范围和厚度的堤防填土，结合图形分析技术，检测堤防缺陷和填土均匀性；还能对填土工程的施工质量进行大面积，全方面的综合监测，有效地确保施工质量。

1 落球检测原理

1.1 变形特性原理

落球检测理论是在Hertz[8-11]碰撞理论的基础上，与岩土材料的塑性特征相结合，根据球状刚性材料自由下落后和岩土材料的撞击测试，以此推求待测材料的压缩变形模量、回弹变形模量。

已知一个球状刚性体M与刚性未知体N进行碰撞，若未知材料N刚性越小，则撞击后的接触时间越长。如图1所示。

图1 碰撞理论Fig.1 Collision theory

在此原理下，落球和半无限平面体间的撞击接触时间计算公式如下：

测得接触时间Tc，就可以推求土体的变形模是E。

然而，Hertz碰撞理论只是在线弹性材料适用，对于岩土材料这种典型的弹塑性材料，应当把碰撞分成压缩阶段及回弹阶段两个过程。

其中变形模量Ec以压缩阶段的碰撞接触时间来推求，回弹模量Eur则以回弹阶段的碰撞接触时间计算。下式中，泊松比μ可以预先进行设置而且影响很小。

压缩时变形模量

式中：k为对应修正系数；Tcc为相应的接触时间，Tcc=2Tc_c，Tc_c为球体与岩土材料碰撞过程中的压缩时间。

回弹时变形模量

其中，Tcr为相应的接触时间，可取Tc。

1.2 数据处理

(1)材料修正。因为岩土材料粒径大小和性质的不同，会使得落球所测得的变形模量发生不同程度的变化。根据岩土材料的种类不同，采用了材料修正系数进行修正，修正系数通常介于0.67～0.90，且材料粒径越小，修正系数越大[12]。此外，根据材料种类，给出了参考泊松比μ，见表1。

表1 材料修正Tab.1 Material correction

(2)误差修正。在实际的工程试验中，难免会碰到石块之类的大粒径材料。传统的测试手段(如挖坑灌砂法[13]，平板载荷试验[14]等)往往要想办法避开这些大粒径材料。落球检测技术也不例外[15]，当下落球体撞击大石块后，会导致测试结果的反常变大，因此本技术以等价变形法[16]进行数据修正，可以有效地降低主观因素的影响，减少实验误差。其计算公式如下：

式中：N为采集总次数；Ei为每次采集的试验结果。

2 现场检测实例

2.1 测试概况

本次现场测试采用的落球式岩土力学特性测试仪如图2所示，落球重量为19.1 kg。

图2 落球式岩土力学特性测试仪Fig.2 Falling ball tester for mechanical properties of geo-material

测试现场选取正在施工中的松花江流域某新建堤防(2个标段)。利用落球检测技术对碾压完成后的弹性模量和弯沉进行检测，并对2个标段不同区域的变形模量分布状况进行均匀性评估。同时用传统方法环刀法和灌水法等在相应测区典型位置检测数值，与落球法检测结果相对比。

2.2 测试内容

第一标段为粘土填筑，第二标段为砂土填筑。每一个标段随机选取一个测区，各测区横向布设5个测点，测点间距为1.5 m；纵向布设5个测点，测点间距1 m。最终形成5行，5列的网格布点。在每个测点进行采集，并用测试仪主机进行处理。之后在第一标段用环刀法，第二标段用灌水法分别在典型测点进行压实度检测，以此评估工程质量。

2.3 测试结果

落球测试结果如图3～图6所示，通过软件解析，可以直观的看到测区每一个测点的变形模量、回弹模量、弯沉和地基系数K30等[17-18]检测指标，以此对堤防填土工程压实质量进行评价。而在生成的回弹变形模量分布图中，浅色代表对应区域变形模量较小，深色则相反，据此来反映堤防填土工程压实的均匀性。

采用传统环刀法及灌水法在图4和图6中所标示的3个点所对应的实际位置进行压实度检测的结果如下，见表2。

表2 压实度检测结果Tab.2 Compaction test results %

图3 一标测试区域压实指标结果一览Fig.3 A list of results of compaction indexes for the first section of the test area

图4 一标测试区域回弹变形模量分布图Fig.4 Distribution of rebound elastic modulus for the first section of the test area

图5 二标测试区域压实指标结果一览Fig.5 A list of results of compaction indexes for the second section of the test area

图6 二标测试区域回弹变形模量分布图Fig.6 Distribution of rebound elastic modulus for the second section of the test area

2.4 结果分析

根据回弹变形模量分布图可以看出，无论是第一标段还是第二标段，均存在局部变形模量过高区域。

具体来看，对于第一标段，采用粘土填筑，由于压实后过去较长时间，一方面来往重型车辆反复压实，会使弹性模量变大，但总体上较为均匀，从数据上看也是如此；另一方面有测点落在车辙上，会出现测试结果急剧变小的情况出现，即客观存在的测试误差，可用前文提到的等价变形法进行数据处理。而从环刀法测试结果可以看出深色区域较浅色区域压实度要高，整体上压实度良好且均匀性要优于第二标段。

对于第二标段，采用砂砾石填筑，虽然压实度良好且表面平整，但砂砾石材料在受到冲击时会发生侧向流动和强度降低等问题，对附近测点弹性模量造成一定影响。就测试结果来看，此标段压实度较高，对于局部变形模量较大的区域是否会产生应力集中问题需进一步分析。从灌水法测得结果可以明显看出，压实程度存在显著差异，深色区域弹性模量大，压实度高，浅色区域弹性模量小，压实度低。

3 结论

根据现场试验，相对于环刀法，灌水法等传统方法，落球检测技术操作简便，测试效率高，数据处理经过多次修正，在对堤防工程的整体压实情况及均匀性的评价中具有明显的优越性。对于一个测区只需短短几分钟就可完成网格布点的多点测试，并且集成度较高，能快速测定填土工程的变形模量、回弹模量和弯沉等评价压实程度的岩土力学指标，以及通过图形处理反映其整体均匀性。不同于传统方法只对某一测点进行检测，其更侧重大面积的多点采样，生成的模量分布图可以直观地看出整个测区的压实情况。落球检测技术在堤防填土工程的质量评估中可以作为一种有效的检测手段进行应用。

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Application of the Falling Ball Test Method in Quality Assessmentof Embankment Filling Engineering

Kang Hao，Wang Zhengjun*，Lai Qinghui

(College of Water Conservancy and Electric Power，Heilongjiang University，Harbin，150086)

In the embankment engineering，the mechanical properties of the embankment fill are the key factors affecting deformation，settlement and structural stability of the whole embankment engineering.In order to preferably monitor and control the filling quality and overcome the damage to the embankment by traditional monitoring technology，the falling ball test method，a new fast non-destructive testing technology，was introduced and applied in embankment engineering site test.The results of falling ball test and the distribution diagram of the rebound elastic modulus were obtained by using the mesh point method，and thereby the degree of compaction and uniformity were analyzed.Compared to traditional method，this method avoids the damage to the embankment and thus ensures the safety and service life of the embankment.The results indicated that this method is quite effective for evaluation of the mechanical properties and the uniformity of geo-material in embankment fill，which is only fast but also intuitive.It would be better widely applied in the quality control system of embankment filling engineering through further improvements and optimization.

embankment fill；falling ball test；uniformity；site test

2016-09-20

黑龙江省黑龙江干流堤防工程科学研究实验(HGZL/KY-01)；黑龙江省应用技术研究与开发计划引导项目(GZ16B013)

康浩，硕士研究生。研究方向：材料、无损检测。

*通信作者：王正君，博士、教授。研究方向：材料、无损检测。E-mail：wzjsir@163.com

康浩，王正君，来庆辉.落球检测在堤防填土工程质量评估中的应用[J].森林工程，2017，33(3)：116-119.

U416.1

A

1001-005X(2017)03-0116-04