PFWD在土石混填路基压实质量检测中的应用研究

徐长春

（中交建冀交高速公路投资发展有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

路基施工过程中质量的控制指标主要是压实度[1]。现场路基压实度的检测方法以灌砂法、灌水法、环刀法和核子密度仪法为主；土石混填路基采用沉降观测法来确定压实工艺和进行路基压实质量检测。目前，研究出一种更便于高速公路工程应用的快速、便捷的路基施工质量检测方法，通过对国内外现存的无损检测设备的调查研究发现：便携式落锤弯沉仪（Portable Falling Weight Deflectometer）不仅具有快速、无损检测的优点，而且其检测指标—回弹模量Ep与压实度K等传统检测指标具有良好的相关性。为了对高速公路路基压实质量进行快速检测，第一时间反馈施工质量、指导现场施工，依托京秦高速公路项目进行了现场试验研究，研究采用PFWD法检测高速公路路基压实质量的可行性，并根据拟合的经验公式提出初步的评价标准。

1 PFWD技术分析

1.1 PFWD简介

便携式落锤弯沉仪PFWD是一种基础填筑表面（包括路基、地基和场地平整等）动力承载能力试验检测设备，是继常规拖车式落锤弯沉仪FWD后的又一种新的动力模量快速无损检测设备[2-3]。PFWD由加载系统、数据采集系统及数据传输系统组成。加载系统由落锤、锁定杆和橡胶垫块等机械装置组成；数据采集系统由压力传感器、位移传感器和采集装置等组成；数据传输系统由计算机、有线数据传输装置和数据处理软件等组成。使用PFWD可以确定路基承载能力，获得路基的动弹性模量。其具有携带方便、测试速度快、操作简单、检测场地小、测试结果稳定可靠等优点。

1.2 PFWD标准参数配置

经过大量试验与经验总结，推荐选用的PFWD标准参数配置为：落锤重量10kg；承载板半径15cm；落锤高度为3/4落高。

在实际检测中，标准配置的PRIMA100型PFWD，模拟的压力情况和汽车作用于路基顶面的行车荷载情况最相近，这也是PFWD参与现场试验研究所配置的参数[4]。

1.3 PFWD工作原理

PFWD的工作原理如下：PFWD是模拟车辆在高速行驶时会对路基顶面产生的冲击效应进行动力加载。其是将一固定重量的落锤（质量一般为10kg）通过锁定杆固定在某一规定的高度下，然后打开锁定杆释放落锤，使其只在重力作用下做自由落体，冲击放置在检测层位上的承载板而产生类似正弦波的冲击荷载。由于受到冲击荷载的作用，承载板与检测部位共同出现竖向位移，形成弯沉。通过数据采集系统实现对结构物在施加动荷载后产生的弯沉值、动应变和动应力等参数的检测，检测数据会被计算机中的数据处理软件实时记录，依据相应的理论及公式计算出动回弹模量。

PFWD的理论根据计算公式为：

式中：Ep为路基回弹模量（MPa）；p为实测的承载板最大单位压力（kPa）；δ为承载板半径（cm），现场通常采用半径为15 cm的承载板；μ为路基土的泊松系数，一般取μ=0.35；l为实测承载板中心弯沉（μm）。

1.4 PFWD检测注意事项

（1）检测时，检测人员选择路基上较为平整的测点，将承载板平放在已充分压实且平整的路基表面，转动或向四周移动调整承载板，使其与路基表面保持水平。若路基表面不平整，可以铲平表面凹凸处或用细砂填平，注意只需要将承载板下面的缝隙填满即可，确保承载板和路基表面紧密接触。

（2）每一个测点检测前需要预压两次，以确定承载板和路基表面接触良好，消除路基表面不平整和松散的影响，同时还需要注意加载时间间隔，不可过短，确保前一次检测荷载加载完全结束后再开始新的加载。

（3）由于PFWD设备通过落锤自由落体施加荷载，滑杆的倾斜和承载板的不稳定都会对检测结果产生影响，所以在检测过程中需要一只手握紧手柄，并适当向下按，以保证滑杆的垂直和承载板稳定。

2 现场试验研究

2.1 试验段施工及沉降差检测

北京—秦皇岛高速公路遵化至秦皇岛段是京秦高速的重要组成部分，是京哈高速公路的辅助通道及重要补充，也是京哈高速暑期运输等紧急情况断交时的备用通道。该工程西起河北省遵化市，东至秦皇岛市，途经遵化市、迁西县、迁安市等三个县市，全线长约60.162km。本文研究以京秦高速公路遵秦段A5标段K28+180—K28+380的试验段，现场填料为巨粒土含量大于30%且小于70%的土石混合填料，根据相关规范和设计要求，土石混填路基采用沉降观测法来确定压实工艺和进行路基压实质量检测。

2.1.1 施工工艺

待填料摊铺整平以后其含水量应在最佳含水量范围内时进行碾压。碾压遍数控制在6遍，先静压1遍，然后弱振1遍，再强振3遍，最后静压1遍收面。

2.1.2 压实沉降差检测

提前准备好15cm×15cm×1cm的钢板50块，钢板在使用前先经过压路机充分碾压，以保证其在正式测量时几乎不变形。松铺厚度控制在36cm，在道路纵向轴线每50m检测选取1个断面，每个断面设置10个沉降量监测点位。监测点的间距为3m。钢板上用油漆做好醒目标记，并使用水准仪测量此时未碾压的钢板高程。然后利用振动压路机开始碾压，每碾压完成一次测一次钢板的高程，计算出各点的沉降差，从而计算出每个断面不同碾压遍数下的沉降量，得到不同碾压遍数下的分级沉降差曲线图和累计沉降量曲线图。分级沉降差曲线图见图1，累计沉降量曲线图见图2。

图1 分级沉降差曲线图

图2 累计沉降量曲线图

由图1可以看出，碾压6遍后，各个断面的平均沉降差不大于2mm，路基已达到压实标准要求。由图2可以看出，压实开始时，碾压沉降差较大，之后逐渐变小，最后趋于稳定。因此可以确定本次试验段的压实参数，建议松铺厚度为36cm，碾压遍数控制在6遍，先静压1遍，然后弱振1遍，再强振3遍，最后静压1遍收面，压路机的行驶速度，前两遍采用1.5～2km/h，之后改为2.0～2.5km/h。

2.2 土石混填路堤PFWD检测

2.2.1 试验方案

为了研究PFWD仪器用于土石混填路基快速检测的测试效果，选取试验段路堤第8、9、10层路堤布置测点，在每层路堤上每20m作为一个观测面，每个观测面沿道路横断面方向在路基中心两侧间隔10m布置两个PFWD测点，共计12个测点，然后漆涂标记；并在PFWD测点20cm内布设沉降监测点，每个沉降监测点上放置一个15cm×15cm×1cm的钢板。

按照之前试验段确定的压实工艺相关参数进行压实，每遍碾压完成后，先使用PFWD检测对应点的Ep值，为消除塑性变形及路基表面不平整和松散的影响，每个点预压3次后再进行检测；在碾压施工完成后，首先使用PFWD监测相应点的Ep值；然后再进行沉降差测试。

2.2.2 回弹模量与碾压遍数的变化

现场实验得到不同碾压遍数下的回弹模量Ep值如表1所示。

表1 不同碾压遍数下的回弹模量Ep值

由表1可以得到不同碾压遍数下的回弹模量Ep曲线图，如图3所示。

图3 不同碾压遍数下的回弹模量Ep曲线图

由图3可以看出，随着碾压遍数的增加，回弹模量值整体趋势是越来越大，有的点位也存在碾压遍数增加但回弹模量值减少的情况，这是因为土石混合填料的孔隙较大，路基表面的孔隙较大，压实密实度不同造成的，且回弹模量的增长速率越来越慢，其变化趋势与图2累计沉降差的变化趋势基本一致。

2.2.3 回弹模量与沉降差的相关性分析

在这三层路堤的压实过程中，按照之前试验段确定的压实工艺相关参数进行压实，碾压第6遍的过程中，先观测各个测点对应的沉降差，然后再使用PFWD检测对应的各个测点的回弹模量Ep值，为消除塑性变形及路基表面不平整和松散的影响，每个点预压3次后再进行检测。

现场试验得到的沉降差ΔH和回弹模量Ep对比检测结果如表2所示。

表2 沉降差和回弹模量对比检测结果

为了探究回弹模量Ep与沉降差ΔH的相关关系，根据现场试验段得到的检测数据对回弹模量Ep与沉降差ΔH进行回归分析，采用多种回归模型对试验数据进行拟合，回归趋势线、拟合方程式及相关关系如图4所示。

图4 回弹模量Ep与沉降差ΔH相关关系

表3 回归分析结果

可见，四种回归模型的相关系数都超过了0.8（R2＞0.64），表明京秦高速公路土石混填路基现场试验测得的回弹模量Ep与沉降差ΔH存在着良好的相关性。对比四个回归方程的相关系数，其中指数回归模型的相关性最好，说明回弹模量Ep与沉降差ΔH之间存在着良好的指数关系。

2.2.4 土石混填路基回弹模量控制指标

依据指数回归模型得到的回归方程，可以初步提出京秦高速公路土石混填路基2mm沉降差要求下的PFWD回弹模量的控制指标为不小于337MPa。

3 结论

为了探究PFWD快速检测高速公路路基压实质量的可行性以及准确性，基于PFWD设备在京秦高速公路土石混填路堤压实质量检测的应用，得到以下结论：

（1）为了探究土石混合填料路基回弹模量Ep与压实度K的关系，取回京秦高速公路遵秦段现场路基填料进行了室内模型筒试验，室内实验结果表明京秦高速公路土石混合填料室内试验测得的回弹模量Ep与压实度K存在着很好的指数关系。

（2）在现场设置试验段，采用沉降观测法进行路基密实度检测，确定了京秦高速公路土石混填路堤的碾压工艺：碾压遍数控制在6遍，先静压1遍，然后弱振1遍，再强振3遍，最后静压1遍后收面。

（3）路堤施工过程中，在现场设置试验段，布设PFWD和沉降差对比联合检测的点，试验结果表明京秦高速公路土石混填路基现场试验测得的回弹模量Ep与沉降差ΔH存在着良好的指数关系。

（4）通过京秦高速公路现场检测试验，试验结果表明PFWD在施工过程中能够实现第一时间反馈施工质量，可以更好地指导现场施工，能够提高检测效率，进而减少施工周期，可以实现对高速公路路基压实质量的快速无损检测。