水泥稳定土压实质量GeoGauge检测室内模型试验研究

高海波

（河北省高速公路京雄筹建处，河北 保定 071799）

0 引言

土壤刚度模量测试仪GeoGauge是由美国Humhold公司制造的一种快速测定压实土体刚度和模量的手持式便携仪，能够在现场简便、快速、准确地检测和监控土的工程特性。GeoGauge是通过一个环形的底座将其放在土体表面，测试时由设备自身在土体表面作用一个在100Hz和196Hz间的25个稳态频率下的恒定振动力，测量土体表面由此产生的变形。根据试验结果计算土体刚度K和杨氏模量E。与传统的路基压实质量控制方法—灌砂法相比，该方法属于无损检测，对路基压实面不产生破坏，可以同时测量压实土体的力学性能指标，并且整个检测过程在75min左右。

工程应用表明，GeoGauge刚度测量比现在常用的压实度检测方法更具有现实意义。国内外学者也进行了相关研究，Lenke[1]等人通过室内模型试验使用GeoGauge测量干燥硅砂的刚度和预测值误差小于5%。Sawangsuriya[2-4]等人通过室内试验和有限元分析发现，对于松散的沙土，GeoGauge的影响深度可以达到300mm。但对于具有不同刚度值的多层结构时，GeoGauge的检测影响深度是变化的，且对于宽度大于600mm的模型箱，试验边界效应可以忽略不计。李武斌[5]通过现场实验研究，提出了GeoGauge用于铁路路基压实质量检测的可行性。

为深入研究该检测仪器设备使用的有效性，以常见的水泥稳定土公路路床结构为模拟对象，基于室内模型试验，研究分析GeoGauge检测有效影响深度以及含水率、压实度变化对测试结果的影响。

1 GeoGauge工作原理

GeoGauge自重约为10kg，直径为280mm，高254mm。与土体表面接触的环形底座外径为114mm，内径为89mm。仪器的环形底座直接与土壤表面接触，并通过橡胶隔离块来支撑GeoGauge的重量。底座还附带有振动器以及速度传感器，如图1所示。

图1 土体刚度模量测试仪

目前，现场测量土体模量或刚度的方法都需要设备施加较大的荷载才能产生可测量的变形量。但是较大的变形量会导致不均匀沉降，对路基压实质量的控制会产生不良影响。GeoGauge采用的是精密硬件，可测量小型荷载所产生的极小变形量。GeoGauge测量的不是由仪器自重所引起的弯沉，而是由仪器的振动引起微小变形力的变化。

GeoGauge仪器的核心装置是振动器，其驱动一个与之相接触的柔性板（柔性板刚度Kflex是已知的），该柔性板通过一个刚性圆柱体与底座相连接。刚性底座和柔性板上各安装有一个速度传感器。振动器施加的力Fdr通过刚性圆柱体传递到与底座接触的土体表面Fsoi。刚度的计算公式为：

式（1）中：K为刚度（N/m）；F为冲击荷载（N）；δ为弯沉/变形量（m）。

GeoGauge输出的刚度值-k是在100～196Hz之间25个稳态频率下检测刚度的平均值，即：

式（2）中：ν1为刚性底座的速度；ν2为柔性板的速度（ν1和ν2的值由设备中的速度传感器测得）。

GeoGauge利用测量速度的方法来计算刚度，有效地避免了通过测量土体表面较大的变形量来计算刚度的方式，并且能够精确测量微小的位移。

GeoGauge不但可以检测土体结构层的刚度，还可以测量土壤的模量。土壤的杨氏模量和剪切模量可以从所测得的刚度中推导得出。基于线弹性、各向同性的半空间假定，刚度K和杨氏模量E满足以下函数关系：

式（3）中：E为杨氏模量（MPa）；R为GeoGauge底座圆环的外半径（m）；μ为泊松比。

因此，杨氏模量E和剪切模量G具有以下函数关系：

2 室内试验方案

将GeoGauge应用到路基压实度检测之前，需要分析不同填料、不同含水率等影响因素对检测结果精度的影响。为研究不同影响因素对GeoGauge检测结果的影响，进行了室内模型试验，以得出GeoGauge检测结果与含水率等影响因素之间的相关关系。

考虑到GeoGauge仪器测试时的影响范围和边界效应，室内试验所用模具为自行设计的一个内径610mm，高600mm的圆柱形钢桶。模型桶由4个半圆形钢片拼接而成。该模型桶的优点是方便拆卸，在试验结束后能够将桶内土样简单、快速地脱模，节省人力并能提高试验效率。

基于室内击实试验，得出试验用粉砂土的ωopt=12.0%，ρmax=1.83g/cm3；3%水泥稳定 粉砂土的ωopt=13.1%，ρmax=1.79g/cm3。

室内模型试验过程见图2。试验时将实验桶放置在水泥混凝土地面上，按照设定的压实度（93%、94%、96%）和含水率（最佳含水率，以2%含水率为间隔，最佳含水率上下各两点）分层回填水泥土填料，采用质量法控制压实度，每层填料压实厚度为5cm，达到目标压实度后即刻将GeoGauge放在模型桶中心进行检测，每个点检测3次，使用平均值作为最终的检测结果。

图2 室内模型试验过程

3 试验结果分析

3.1 GeoGauge测试影响深度

为了分析GeoGauge检测压实水泥土时的影响深度，每层土体压实后测试其刚度值K，水泥土刚度随压实层厚度的变化曲线见图3，为93%、94%、96%三个不同压实度条件下的测试结果。

图3 水泥土刚度随压实层厚度的变化曲线

由图3可以得出：

（1）在相同的压实度条件下，随着压实层厚度的增加，实测压实土顶面的刚度逐渐减小，压实层厚度达到25cm后，实测刚度趋于稳定。实测刚度值的变化速率随压实层厚度的增加呈减小的趋势。

（2）GeoGauge测试的刚度值为动荷载作用下引起压实土表面沉陷量的比值，其数值是GeoGauge应力影响范围内下承层性能的综合反映。GeoGauge应力影响范围示意图见图4。当压实层厚度较小时，受水泥混凝土地面的影响，土体刚度数值较大。随着厚度的增加，水泥混凝土地面的影响逐渐减小。当压实层厚度达到25cm以后，混凝土地面对检测结果几乎没有影响，即可认为GeoGauge在水泥土中的影响深度约为25cm左右。

图4 GeoGauge应力影响范围示意图

（3）压实层厚度达到25cm以后的试验结果表明：在相同含水率条件下，压实水泥土实测刚度K随着压实度的增加而增大。94%压实度时的实测数值较93%压实度实测值提高4.5%，96%压实度时的实测数值较93%压实度实测值提高11.9%。

3.2 含水率对刚度K的影响

分别按照不同的压实度、不同的含水率的试验条件进行水泥土压实，当压实面距离水泥混凝土地面高度达到30cm时进行刚度测试，各压实度条件下，实测刚度K随含水率的变化曲线见图5。

图5 水泥土刚度随含水率的变化曲线

由图5可以看出：

（1）在相同的压实度条件下，3%水泥土的刚度值随着含水率的增加呈现出先增大后减小的变化趋势。最大刚度值均在最优含水率附近。含水率低于最优含水率时的变化速率小于含水率高于最优含水率时的变化速率，说明当含水率较高时，其数值对实测刚度较为敏感。

（2）通过对检测结果采用多项式拟合，结果显示：压实度为93%时，3%水泥土最大刚度峰值所对应的含水率为12.7%；压实度为94%时，3%水泥土最大刚度峰值所对应的含水率为12.5%；压实度为96%时，3%水泥土最大刚度峰值所对应的含水率为12.8%。

3.3 压实度对刚度K的影响

根据试验结果，对水泥土的压实度与GeoGauge检测的刚度值关系进行了不同模式拟合，见图6至图9。

图6 水泥土压实度和刚度线性模型拟合

图7 水泥土压实度和刚度指数模型拟合

图8 水泥土压实度和刚度对数模型拟合

图9 水泥土压实度和刚度幂函数模型拟合

采用四种不同的回归模型，对水泥土压实度和GeoGauge检测的刚度值进行回归分析，得到水泥土压实度和刚度之间的关系式及其判定系数，水泥土压实度和刚度K的拟合结果见表1。

表1 水泥土压实度和刚度K的拟合结果

由图6～图9和表1可以得出：

（1）GeoGauge检测刚度值随着水泥土压实度的增加而增大，且GeoGauge检测刚度值与压实度之间存在良好的相关性，说明应用GeoGauge检测水泥土路基压实度是可行的。

（2）水泥土压实度和GeoGauge检测的刚度值K在四种模型中的判定系数都在0.95以上，相关性很高。其中指数模型的相关性最高，判定系数为0.982 1。

同样考虑到在实际试验与施工过程中，压实度一般不会低于90%，四个模型的回归方程均能满足实际检测要求。本文选用了判定系数最高的指数模型，分析3%水泥土压实度和GeoGauge检测的刚度值之间的关系。根据指数模型的回归方程，可以得到室内模型试验中水泥土不同压实度所对应的刚度值，水泥土压实度和刚度K的关系见表2。

4 结论

本文利用自行研制的模型桶，进行了GeoGauge检测压实水泥稳定土相关影响因素试验研究。试验结果表明：

（1）当压实层厚度超过25cm后，刚度变化率趋于平缓，可以认为GeoGauge在水泥稳定土中的有效检测深度约为25cm。

（2）含水率对压实水泥稳定土刚度值的影响较大。在最优含水率时土体的刚度最大，当含水率大于最优含水率后，含水率变化对刚度值的影响较为敏感。

（3）压实度越大，水泥改良土的刚度值越大。

（4）GeoGauge检测水泥稳定土的压实质量是可行的。