便携式弯沉仪在土石混填路基压实质量检测中的应用

江 锋

（福州路港交通工程试验检测有限责任公司，福建 福州 350000）

高速公路路基在运营过程中长期受车辆荷载和自然环境因素的影响，经常出现各种各样的损坏、变形等病害，这都会对高速公路的使用质量产生不良影响。因此，在进行高速公路设计时不仅要考虑路基的断面尺寸、坡度、弯度等，还要求路基具有长期抵御交通荷载、自然环境变化影响的强度和刚度。一般情况下，施工质量，尤其是路基压实度的质量直接决定着路基的长期使用能力，路基的变形和破坏也常常是与路基压实度控制不足直接相关的。因此，如果在高速公路施工过程中能够对其压实质量进行快捷、实用的评估，将有利于提升施工现场的路基检测能力。从目前常用的检测设备来看，便携式落锤弯沉仪在易操作、便捷、不损坏路基结构等方面具有良好的技术特点，能够测定路基的回弹模量等参数，而回弹模量又能够与路基的压实度建立很好的关系。此外，在《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）中，交通荷载并不是静态荷载，而是一种长期作用的动态荷载，原来用于路基设计的静态荷载得到的指标目前已经全部改为了对应的动态指标。由此可见，探究便携式落锤弯沉仪测定动态荷载对应的回弹模量，将其用于控制路基压实度具有十分重要的理论和实践意义。

1 便携式弯沉仪检测路基压实质量的原理

便携式弯沉仪也叫微型落锤式弯沉仪或手持式落锤弯沉仪，是用于建筑或道路地基表面动力承载力检测的小型设备。如图1 所示，便携式弯沉仪主要包括落锤、锁定杆、橡胶垫块、压力和位移传感器、数据采集装置等部件。它的基本工作原理是对路基在持续的交通荷载作用下路基的动态冲击作用进行仿真，在落锤释放后，它会在重力的作用下沿着杆体自由下落，并作用于下部的承载板上形成动态的冲击荷载，产生冲击应力波。此时路基检测的位置会与承载板形成共同体，在冲击荷载的作用下发生弯沉，数据采集系统能够对这种弯沉作用进行采集和记录，进而利用相关的理论公式得到路基的回弹模量。从土的本构关系的角度，路基可以被看作是一种弹塑性材料，其应力与应变之间的关系一般为非线性的。便携式弯沉仪处于工作状态时，冲击应力波在土中传播的时间比较短暂，约为25ms，在较短的时间内，路基土由于惯性作用以弹性变形为主，尚来不及产生足够的塑性变形，在应力波衰减后，可以将路基土的应变完全看作弹性应变，于是便携式弯沉仪测得的回弹模量主要以弹性变形模量为主。鉴于此，许多研究都将便携式弯沉仪采集到的力与位移之间的关系看作线弹性关系，并采用弹性力学中的相关理论进行分析，将动弹性模量等效为回弹模量。

图1 便携式弯沉仪组成部件示意图

2 便携式弯沉仪对土石混填路基压实质量的检测及控制

2.1 京台线建瓯至闽侯高速公路福州段工程概况

京台线建瓯至闽侯高速公路起自建瓯弓鱼，接浦城（浙闽界）至建瓯高速公路，途经南平、宁德、福州，全长155.285km。京台高速公路福州段接京台高速公路宁德段，起点位于福建宁德古田县与福州闽清县两市交界处的黄竹山特长隧道中部，桩号K99+128；终点位于福建福州闽侯县荆溪镇港头村，直接与福州绕城高速公路西北段相接，桩号K152+079.607，线路全长52.951 607km。

京台线建瓯至闽侯高速公路采用双向4 车道高速公路标准建设，设计速度100 km/h（大目溪互通K120+500～K126+000 段设计速度80 km/h），路基宽度26m，交通工程及沿线设施等级A 级，服务水平二级，路面设计标准轴载双轮组单轴100kN；其余技术标准按《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）执行。

2.2 路基填料物理力学性能

根据土的分类，取回的京台线建瓯至闽侯高速公路福州段现场土样中主要分为细粒土、粗粒土和巨粒土3 种粒组的土，三者分别占比为2.6%、74.5%和22.9%，以粗粒土为主，巨粒土次之，细粒土最少。其中巨粒土的占比超过总质量的15%，故定名为漂（卵）石质土。通过筛分试验得到的级配曲线可以计算出该土的不均匀系数和曲率系数分别为55.1 和5.6。路基土中巨粒岩石的母岩以花岗岩为主，对其钻芯后开展单轴压缩试验，发现该岩石的强度较高，单轴饱和压缩强度大多超过60 MPa，属于硬岩范畴，达到了路基填筑的标准（≥15MPa）。对土样进行重型Ⅱ-2法击实试验，得到的最大干密度ρmax=2.31g/cm3，最优含水量为8.1%。

2.3 便携式弯沉仪对路堤压实质量的检测

2.3.1 施工工艺

路基施工主要采用振动碾压法，碾压之前应根据实验室内测得的最优含水量8.1%将填料的含水量控制在8.1%±0.2%以内，并将填料进行分层平整摊铺。本工程中共进行了6 次碾压，首先进行1 次不振动的静力碾压，随后进行1 次振幅和频率较小的弱碾压，之后进行3 次振幅和频率较大的强振碾压，最后1 次碾压与首次碾压方式相同，也采用静力碾压以达到收面的效果。

2.3.2 压实沉降差观测

在沉降差观测之前，应事先预备50 块钢板（规格为150mm×150mm×10mm）。为了确保钢板在沉降差观测过程中不发生明显形变，这些事先预备的钢板也应用压路机进行反复碾压。填料应分层摊铺，每层的松铺厚度应小于360mm。检测点的选取应考虑断面的间距，约50m 设定一个检测断面。同一断面上的两个检测点应保持约3m 的间距，检测点个数不少于10 个。

提前准备的钢板应用红色油漆作明显标记，钢板的高程可采用水准测量设备进行精确量测。高程测定完成后开始进行碾压作业，每一遍碾压作业之后还应再进行一次高程的精确量测。于是，通过测得的钢板高程数据就能够获得各个检测点上的沉降差。本工程中测得的弯沉值见表1。

表1 碾压后测得的弯沉值

2.3.3 应用便携式弯沉仪检测土石混填路堤

本次对便携式弯沉仪主要是在试验段上进行的，试验段选定的桩号为K140+860 ～ K141+000。通常情况下，下承层对各个测点的弯沉值影响比较明显。因此，在京台线建瓯至闽侯高速公路福州段的试验段中，如图2 所示，主要选定第8～10层的路基进行测点布置，测点沿纵向布置两排，测点与测点在纵向上保持20m 间距，在横向上保持10m 间距，测点个数为12 个，测点用油漆标定。为了建立沉降值与回弹模量之间的关系，便携式弯沉仪的测点位置应布置在沉降差监测点附近，两者的间距不应大于0.2m。

图2 每层路堤的测点位布置图

每一层填料的碾压都应遵循施工方案中设定的压实参数和压实工法，本工程试验段中共进行10 层碾压，每一层碾压结束后都采用便携式弯沉仪对预设的检测点的弯沉值进行检测。为了达到路基土不产生明显塑性变形以及路基面不产生明显不平整度的目的，各个测点均进行3 次预压，预压按照要求完成后方可进行检测。表2 中给出了在试验段完成10 层碾压后的回弹模量Ep值。

表2 碾压后的回弹模量值

从表中可以看出，碾压次数是影响路基土回弹模量的主要因素之一，碾压遍数越多，回弹模量也相应越大。我们发现，个别检测点上出现与此现象相反的情况，这可能是由于土石混合填料在摊铺碾压后局部出现级配不良的情况，此时路基土孔隙度较大，压实不充分，压实质量不好。另外，表2 中也能看出，回弹模量随着碾压遍数的增多，其增加的速率也趋于缓慢，可见，前期的碾压使路基土中的孔隙压缩更为明显。

2.3.4 沉降与回弹模量的相关性分析

表3 中给出了在京台线建瓯至闽侯高速公路福州段试验段上完成3 层碾压后的回弹模量Ep值和沉降差值。3 层碾压均遵循施工需要满足的压实参数和压实工艺，监测得到的数据均为完成6遍碾压的结果。将表中的沉降差与回弹模量绘于图3 中，可以看出，京台线建瓯至闽侯高速公路福州段土石混填路基现场试验测得的回弹模量Ep与沉降差ΔH 存在着良好的正相关关系，该关系可以拟合为：

表3 现场各个测点上的沉降差和回弹模量值

图3 回弹模量与沉降差的关系

2.3.5 应用效果

按照交通运输部《公路工程质量检验评定标准》等有关文件对工程质量进行评定，经各施工单位自检、监理工程师评定，并结合交工验收质量检测单位的检测情况和省交通质监局质量检测意见，京台线建瓯至闽侯高速公路福州段工程路基工程的质量总体评价为：路基压实度、弯沉、边坡坡率和结构物的混凝土强度、结构尺寸等实体项目共检测1 853 点（组），合格率87.0%，其中路基边坡坡率和排水工程尺寸合格率较低；砌筑工程表面平整、线条顺直，涵洞工程洞身直顺，进出口顺适，支挡工程表面平整；而路基基本稳定，合格率100%。

由此可见，应用便携式弯沉仪对土石混填路堤压实质量的检测效果良好，对于保证路基质量起到了重要作用。

3 结语

（1）便携式落锤弯沉仪是一种高速公路路基压实效果试验检测的设备，在易操作、便捷、不损坏路基结构等方面具有良好的技术特点，能够大幅提高路基的质量检测效率，有效缩短道路的施工工期。（2）对于高速公路土石混填路基，弯沉值、回弹模量能够较好地反映路基的压实效果，可作为路基检测中对压实度指标的补充，直接反映了路基的刚度大小和承载能力，是反映路基性能的重要参数。（3）采用便携式落锤弯沉仪进行土石混填路基现场试验可以获得路基的压实沉降差、回弹模量等参数，两者之间具有很好的正相关关系。