基于PFWD的市政道路路基压实质量检测方法研究

王千年

(武汉市市政工程质量监督站，湖北 武汉 430312)

1 引 言

市政道路路基的施工压实质量是影响道路后期使用的重要影响因素[1-3]。传统的路基压实质量由压实度、弯沉值等指标控制，但压实度与弯沉值等指标在检测过程中存在一定的不足，如破坏路基原有结构、检测速度慢等[4-8]。因此，本文以武汉滨湖大道路基试验段工程为背景，采用动态变形模量Evd为路基压实质量控制指标，分析了路基松铺厚度及碾压遍数对压实度与动态变形模量之间相关性的影响，对PFWD用于市政道路路基压实质量检测可行性进行了验证。

2 PFWD基本原理

2.1 便携式落锤弯沉仪的组成

便携式落锤弯沉仪也称手持式落锤弯沉仪(简称PFWD)，由加载、数据传输及数据采集等系统组成，是在一般落锤弯沉仪的基础上进行一定的改进，具有轻便、准确等优点。PFWD可以快速检测公路路基的动态变形模量，从而判断公路路基的压实质量[9-12]。便携式落锤弯沉仪的组成的结构组成如图1所示。

图1 便携式落锤弯沉仪

2.2 PFWD的工作原理

传统的市政道路一般通过压实度来控制路基施工质量，而压实度反映的是路基填料的物理指标，只是对路基压实质量的间接反映[13-15]。考虑到运营期道路承受车辆动荷载的冲击，以PFWD检测的动态变形模量作为市政道路路基压实质量控制标准，更加贴合实际情况，其工作原理为：将10 kg的落锤沿着导杆提升到一定的高度然后释放，在重力作用下，落锤通过缓冲垫对承载板产生一定的冲击，并沿着承载板传递给道路路基，使得路基产生一定的沉降变形，而PFWD的通过数据采集系统(压力传感器和位移传感器)将路基的弯沉值、动应变和动应力等参数传输给计算机，并通过公式(1)计算用于描述路基动力特性的动态变形模量指标——Evd。

(1)

式中：Evd为动态变形模量，MPa；p承载板所受压力，kPa；δ为承载板半径，mm；μ为路基填料泊松比；l为承载板中心沉降值，mm。

相关研究表明[16-18]，PFWD落锤通过承载板对路基的作用时间很短，此时路基表现为弹性变形，通过分析不同落锤质量及高度下路基的应力应变曲线发现，应力应变曲线几乎呈线性，因此，可以采用线弹性理论来分析PFWD的检测结果，并把所得的路基动态变形模量值近似当做路基回弹模量值。

3 市政道路路基压实质量检测方案

市政道路施工过程中多以压实度作为路基压实质量的控制指标，传统压实度检测方法的检测周期长影响施工进度，且会对原有路基造成一定的破坏。而PFWD检测方法不仅检测速度快，而且是无损检测，但在实际施工过程中对压实度与动态变形模量的相关性进行分析是十分有必要的[19，20]。

3.1 压实度的确定

市政道路压实度是指压实后路基填料的现场干密度与室内最大干密度的比值，如公式(2)所示

(2)

式中:K为压实度；ρd为现场干密度，g/cm3；ρdmax为室内最大干密度，g/cm3。

公式(2)中的最大干密度可通过灌砂法或者灌水法获得，而室内最大干密度则根据现场路基填料最大粒径的范围进行室内击实试验得到，可通过扩大现场试坑体积的方法，来提高压实度的精确值。

3.2 试验段路基压实质量检测方案

以武汉滨湖大道路基试验段工程为背景，对试验段路基的动态变形模量进行检测，其中试验段选取长度为30 m，每个测点之间的间距为2 m或者3 m，测点具体布置如图2所示，在每个测点处进行压实度及动态变形模量检测，并对检测数据进行相关性分析，建立PFWD与压实度之间的经验关系。

图2 试验段测点布置图

具体检测方案为：(1)选取具有地质代表性的路段为试验段，并按照图2的布置方案，在每个测点处撒白石灰作为标记，并在标记处进行PFWD模量检测(落锤质量分别为10 kg和15 kg)；(2)根据《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60—2008)，在测点处进行灌砂法试验，检测路基试验段处的现场干密度，并结合室内试验计算压实度。

4 压实度与动态变形模量相关性分析

相关研究表明，市政道路路基的松铺厚度、碾压遍数等均是影响路基压实度与动态变形模量的重要影响因素，因此，对不同松铺厚度及碾压遍数条件下的市政道路路基压实度与动态变形模量的相关性进行研究分析。

4.1 松铺厚度的影响

不同松铺厚度下的工况如表1所示。

表1 不同松铺厚度

不同松铺厚度下压实度与动态变形模量的相关性曲线如图3～图5所示。

图4 松铺厚度为60 cm

图5 松铺厚度为70 cm

由图3～图5可知，随着松铺厚度的增加，路基压实度与动态变形模量之间的相关性逐渐减少，松铺厚度为50 cm时，压实度与动态变形模量之间的关系为K=0.099 24Evd+88.156 93，相关性系数为0.74；松铺厚度为60 cm时，压实度与动态变形模量之间的关系为K=0.123 27Evd+84.326 4，相关性系数为0.70；松铺厚度为70 cm时，压实度与动态变形模量之间的关系为K=0.144 54Evd+87.590 21，相关性系数为0.538；这是因为松铺厚度越小，路基填料中的大颗粒块石在压路机的压实作用下，破碎程度越高，填料颗粒越均匀，则测得的压实度与动态变形模量之间的离散性越小，相关性系数增大。

4.2 碾压遍数的影响

不同压实下的工况如表2所示。

表2 不同压实遍数

不同压实遍数下压实度与动态变形模量的线性关系如表3所示。

表3 不同压实遍数下线性相关性方程

由表3可知，当道路路基填料的松铺厚度及压实机械一定时，压实度与动态变形模量之间的相关性随着碾压遍数的增加，先增大后减小：路基碾压4遍时，两者之间的相关性系数为0.66，路基碾压5遍时，两者之间的相关性系数为0.74，路基碾压6遍时，两者之间的相关性系数为0.68。这是因为当松铺厚度一定，在路基碾压前期，随着碾压遍数的增加，路基填料表层中的大粒径颗粒不断被压碎，并均匀的摊铺到路基的表面，形成一层密实度较高的表层砂砾，此时道路路基抵抗变形的能力增加，压实度与动态变形模量之间的相关性增强，由0.66增加为0.74；但当碾压遍数达到一定次数后，路基表层以下更深处的填料破碎，形成密实骨架结构，而PFWD监测路基动态变形模量的深度有限，使得碾压6遍后的动态变形模量值几乎不变，从而导致压实度与动态变形模量之间的离散性增大，相关性系数降低，由0.74变为0.68。

5 结 论

以武汉滨湖大道路基试验段工程为背景，对试验段路基的动态变形模量与压实度进行检测，并分析了路基松铺厚度及碾压遍数对动态变形模量与压实度相关性的影响，得到以下结论。

(1)松铺厚度是影响路基压实度与动态变形模量的重要因素之一，路基松铺厚度越小，路基填料颗粒在压实作用下表现的越均匀，相关性系数也越大，当松铺厚度为50 cm时，压实度与动态变形模量的相关性最好。

(2)当道路路基填料的松铺厚度及压实机械一定时，压实度与动态变形模量之间的相关性随着碾压遍数的增加，先增大后减小，碾压遍数为5遍时，压实度与动态变形模量的相关性最好。