粉质黏土路基连续压实质量评价方法

毕志刚，汤新星，王仪宇，李强，许强

(1.中铁十五局集团第一工程有限公司，陕西 西安 710018；2.福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

连续压实控制技术[1-2]不同于传统点样式的检测方法，可以实现对整个碾压面的检测，是一种无损害路基的检测技术，国内外对其在路基压实质量评价上已有许多相关研究。

在压实程度方面：欧盟[3]和中国[4]标准均把压实数据的通过率作为判定要求，美国明尼苏达州[5]规定90%的压实数据应大于0.9倍的目标值。在压实均匀性方面：中国[4]、美国明尼苏达州[5]标准均规定压实数据应不小于一定倍数的目标值，欧盟[3]标准规定压实数据需满足正态分布。在压实稳定性方面：中国[4]标准规定前后两遍压实数据的相对大小不大于3%时满足压实稳定性。除各国标准的规定外，国内学者也进一步研究。王龙等[6]基于PFWD无损检测技术，提出均匀度指标t评价路基的压实均匀性。王翔等[7]基于地统计学理论，建立半变异函数模型来描述压实数据的空间分布情况，并提出偏基台值指标评价路基的压实均匀性。聂志红等[8]提出自相关距离的近邻加权估计识别法与地统计学的半变异函数相结合，把异常指数αi作为单点异常值的判定指标，很好地降低连续压实检测数据的变异系数，提高其均匀性。高杰等[9]通过无核密度仪快速测定路基的压实度，采用压实度代表值、合格率及变异系数评价路基压实质量。刘东海等[10]基于Dempster-Shafer证据理论和DBSCA空间聚类分析方法，提出等效连续薄弱面积用于定量评价压实薄弱区域。

国内外现有标准虽然对连续压实控制技术在路基压实质量评价的运用制定了相应规定，但压实程度、压实均匀性与压实稳定性评价中缺乏考虑不合格区域的薄弱程度、面积大小以及空间分布状态等因素，对此，本文尝试采用标准偏移率q、最近邻点指数R及变异系数CV相结合的方式对路基压实质量进行评价。

1 压实质量评价指标的计算方法改进

从铁路路基规程中引入压实程度、压实均匀性以及压实稳定性3个评价方法在公路路基中应用，针对评价指标存在的缺陷，提出不同的计算方法。

1.1 压实程度

《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》[4]规定通过率应不小于95%时，满足压实程度的要求，计算式(1)所示。

(1)

式中：VCVi为第i个测试单元的振动压实值；[VCV]为目标压实值。

但通过率计算简单，未考虑压实值的相对大小与不合格区域面积大小的因素，因此基于相对判定法和加权平均思想，采用标准偏移率q[11]指标来评价碾压面的压实程度，计算式(2)～式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

式中：Ai为压实指标VCVi所对应的不合格区域面积；A为检验区域的总面积；qi为目标值的百分率；qt为压实程度检验的目标值。

由规程要求不合格区域占总面积应不大于5%，要求变化率应不大于3%，则q=0.05×0.03=0.001 5，因此拟定qt=0.15%作为目标值。

1.2 压实均匀性

《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》[4]规定实测压实值不小于其平均值的0.8时，则满足压实均匀性的要求，计算式(5)所示。

(5)

不合格点的空间分布情况对压实均匀性有较大影响，但规程并未考虑这一因素，因此采用一种基于统计学中常用的最近邻点指数法来评价薄弱区域的空间分布特征[11]。最近邻点指数R计算式(6)～式(9)所示。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：n为区域内总数；A为区域面积；D为点密度；ri为点i与最近点的距离；r1为所有点的最邻近距离的平均数；rE为理论上的标准距离。

本文参考梁会民等[12]提出的指数标准：当R≤0.5，点聚集分布；0.5

1.3 压实稳定性

《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》[4]规定，第i遍振动压实值与第i+1遍之差的相对大小小于3%时，则满足压实稳定性的要求，计算式(10)所示。

(10)

式中：VCVn为第n遍的振动压实值；[δ]为控制精度，取3%。

但此判定方式需要划分1 m2单元，实际中操作较为困难，且存在数据相差较大较小的情况，因此考虑总体数据本身，采用类似变异系数的计算方式来评价碾压面的压实稳定性，计算式(11)～式(12)所示。

(11)

(12)

按规程要求前后两遍振动压实值变化率应不大于3%，将其带入式(12)、式(13)近似得出控制精度[CV]=0.03。

2 工程实例

2.1 工程概况

本文依托莆炎高速公路，双向六车道，设计速度100 km·h-1，路基宽度33.5 m(整体式)、16.75 m(分离式)，采用公路-I级的汽车荷载等级，7级设防地震烈度。莆炎高速公路(三明境)YA13合同段，位于福建省三明市尤溪县和大田县境内，线路全长11.33 km。该路段填方总量571.7万m3，其中高填土路堤11段，合计长度1 969 m。

2.2 路基填料

试验段中采用粉质黏土作为路基填料，为土样参数如表1、表2所示。

表1 粉质黏土土样参数

表2 粉质黏土土样级配

2.3 机械设备

路基压实过程中采用的碾压机械及其性能参数，如图1、表3所示。

表3 碾压机械及其性能参数

(a) 22 t压路机 (b) 32 t压路机

2.4 施工工艺及系统安装

填料由自卸车送往试验段，进行分层摊铺，摊铺采用渐进式摊铺，先用推土机粗平，再由平地机精平，用石灰粉分割不同的试验段。

加速度传感器焊接在压路机振动轮轮轴上，传感器检测方向与轮轴方向垂直，同时垂直于地面。传感设备基站安装在试验场地附近，测量天线安装在压路机顶部，显示屏置于驾驶室内，使工作人员可以直接操作读取VCV数据，进行实时观察。

2.5 试验方案

试验现场，将试验段分为3个部分，每个试验段长为90 m，宽为4 m，松铺厚为50 cm。采用不同的碾压组合让试验段呈现不同的密实状态，其中轻度密实状态：1遍静压+1遍弱振；中度密实状态：1遍静压+2遍强振+1遍弱振；重度密实状态：1遍静压+4遍强振+1遍弱振。现场试验路段的平面布置图见图3所示。

图2 试验段的平面布置图(单位：m)

图3 检测点布置图(单位：m)

在试验段上，采用传统的灌砂法和连续压实控制技术两种检测方式，在试验段上选取合理的检测点，随之对数据进行分析处理。在每个试验段上选取6个检测点，检测点间相距15 m，检测点的选取位置如图4所示。

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2.6 试验数据

在各个试验段碾压完成后，采用灌砂法对布置的检测点测量其压实度，并导出相应位置下的VCV值，粉质黏土填料的压实度与VCV关系如图4所示。

VCV

可以看出，VCV与压实度具有较好的相关性，采用灌砂法测得每一种压实状态的试验段压实度，将对应的VCV与压实度进行拟合，依据根据最小二乘法对数据进行回归计算得到粉质黏土填料的拟合方程，粉质黏土填料的拟合方程为y=0.302 1x+74.24,相关系数R2=0.950，由该路段设计要求路基压实度需满足95%，则VCV目标值为68.72。图中数据具有分段聚集性，因为进行相关性试验时，采用的是不同密实状态分段进行碾压，测量的数据不能保证其连续性。

2.7 碾压遍数

取用相同的土样作为填土材料，选择其他碾压参数不变下碾压遍数变化的不同压路机进行影响分析，不同压路机下粉质黏土填料的VCV值变化如图5所示。

检测点数量

可以看出，随着碾压遍数的增加，VCV值逐渐增大，最后趋于稳定，表明碾压面具有较好的压实质量。不论是22 t还是32 t压路机，弱振过后的第一遍强振对粉质黏土填料的作用相差不大，之后在强振作用下，粉质黏土的VCV值大幅度增大，而最后趋于稳定时，32 t压路机作用下的VCV值变化明显比22 t压路机作用下的稳定。采用32 t压路机时，前2遍碾压测得的VCV值明显比采用22 t压路机稍大一些，但最后都会在相同的一定范围变化，说明激振力越大，则对路基压实的作用也越大，而最终使路基趋于相差不大的压实程度。

2.8 压实质量评价

2.8.1 压实程度分析

由相关性试验计算得出的连续压实控制指标的目标值VCV，分别计算通过率，以及标准偏移率q对粉质黏土路基的压实程度进行评价，如表4、表5所示。

表4 粉质黏土填料的通过率及标准偏移率q(22 t压路机)

表5 粉质黏土填料的通过率及标准偏移率q(32 t压路机)

按照通过率的评价方式，由表5、表6可以看出，通过不同吨位压路机进行“弱振1遍+强振3遍”的碾压方式后，粉质黏土路基可以达到95%以上的通过率，满足压实程度的要求，再强振1遍过后，通过率有所提高，且由表中计算结果可知，粉质黏土路基采用32 t压路机碾压的路基通过率比22 t压路机要稍高一些，表明32 t压路机的作用效果更佳。

按照标准偏移率q的性质，q值越小，碾压面不合格区域范围越小或者不合格值越接近于目标值，说明碾压面的压实程度越好。由表5、表6可以看出，22 t压路机和32 t压路机作用下，粉质黏土路基的q值均小于0.15%，即路基满足压实程度要求；对于粉质黏土路基，32 t压路机碾压路基的q值与22 t压路机相差不大，说明两种压路机碾压完成后的作用效果相近；可以拟定q≤0.15%，作为评定填土路基满足压实程度的要求的标准。

压实程度分析表明：通过率在一定程度上可以体现出路基的压实程度，但仅考虑合格的测试单元，具有一定的局限性，而标准偏移率指标会更好一些，它还考虑到不合格区域面积的大小以及其VCV与目标值的相对大小两个因素，可以更合理的评价整个碾压面的压实程度。

2.8.2 压实均匀性分析

参考《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》规定[7]，不同压路机下粉质黏土填料的压实均匀性判定如图6所示。

实际中最近邻点指数R是通过采集到的数据输入到ARCGIS软件中，由软件进行计算得出点的最邻近距离，运用式(6)～式(9)得出最近邻点指数R如表6、表7所示。

表6 最近邻点指数R计算结果(22 t压路机)

由图6可以看出，粉质黏土路基在采用22 t、32 t压路机碾压完成后，其最后测得VCV值均大于其平均值的0.8，即按照规程规定，粉质黏土路基都满足均匀性的要求。

检测点数量

按照最近邻点指数R判断标准，R>0.5时符合均匀性要求[12]。由表7、表8可以看出，不同吨位压路机进行“弱振1遍+强振3遍”的碾压方式后，粉质黏土路基R值均大于0.5。路基采用32 t压路机碾压后存在的不合格点数量比22 t压路机少，但路基采用22 t压路机的最近邻点指数R高于32 t压路机，说明22 t压路机碾压后的路基存在的不合格点位置更加分散，不存在不合格点聚集分布导致路基不均匀沉降，即路基的均匀性更好。

表7 最近邻点指数R计算结果(32 t压路机)

压实均匀性分析表明：规程规定压实均匀性的判定方式考虑了整体数据，忽略了局部不合格区域的影响。相比于规程规定，最近邻点指数在评价压实均匀性上更具优越性，它能很好地体现出路基压实过程中不合格点的空间分布，同时也体现碾压面存在大面积的不合格区域，为后期是否进行补压提供依据。

2.8.3 压实稳定性评价

参考《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》[7]规定，不同压路机下粉质黏土填料的压实稳定性判定如图7所示。变异系数和规程规定的计算结果如表8所示。

表8 粉质黏土压实代表值

按照规程计算，由表9所示，粉质黏土路基中22 t压路机和32 t压路机变化率平均值分别为2.38和2.14，均满足规程要求。由图7可以看出，采用22 t压路机碾压完成后，粉质黏土的前后两次的VCV存在波动较大的部分，说明采用22 t压路机进行碾压的稳定性稍差些，同时侧面说明规程的不足之处。采用32 t压路机碾压完成后，最后两次的VCV值变化幅度不大，比22 t压路机进行压实的稳定性更好，效果更佳。

按照变异系数的性质，CV越小，前后两遍测得压实数据的变化越小，说明路基压实稳定性越好。由表9可以看出，22 t压路机作用下，粉质黏土路基的CV=2.90，而32 t压路机作用下，粉质黏土路基的CV=6.60，不满足判定要求，说明两次的VCV变化较大，这种区域难以长期支承重复荷载。但由图8可以看出，整体上这种变化又较为平均，事后对该区域进行补压即可满足要求。

压实稳定性分析表明：规程规定虽然可以很好地判定路基稳定性的情况，但在实际中操作较为困难，而采用类似变异系数的方式，还可以判断出路基在碾压完成后是否存在数据较为离散的区域，而且计算方式更为简便，体现出变异系数在评价路基稳定性中的优越性。

3 结论

1) 压实程度评价：标准偏移率指标计算考虑不合格区域面积的大小及其VCV与目标值的相对大小的影响，比通过率指标更合理地评价路基的压实程度。拟定q≤0.15%作为标准偏移率评定填土路基满足压实程度的要求的标准。

2) 压实均匀性评价：规程的判定方式在实际中易操作，而最近邻点指数R考虑不合格点的空间分布方式的影响，其值能表现出是否存在不合格区域集中现象，可为事后是否需补压提供依据，体现出最近邻点指数的优越性。

3) 压实稳定性评价：规程的判定方式虽较简单，但在实际中不易操作，而变异系数CV的计算方式不难使用，且其值可以体现出路基是否存在数据离散的区域，能更合理地评价路基的稳定性。

4) 对于粉质黏土路基，相比于32 t压路机，22 t压路机在压实均匀性和稳定性上效果良好，在压实程度上作用效果稍差，但最终可满足填筑要求，综合考虑在粉质黏土路基中可采用22 t压路机。