低液限粉质黏土公路路基压实控制指标的对比优化

刘富晓

(惠州市鑫达建筑工程检测有限公司 惠州 516001)

0 引 言

合理的路基压实状态是公路结构承载力的基础,路基的欠压与过压均不利于公路的结构状态[1-3].在文献[4]中,采用压实度指标控制路基的压实状态,根据交通荷载、路基层位与公路等级制定压实度要求.压实度是路基土压实后的实测干密度与其最大干密度之间的比值,仅是表征路基土物理性质的相对指标,并不具有力学意义,且压实度需进行单点检测,覆盖面较小且检测效率较低.

振动压实值VCV是路基连续压实状况的常用控制指标,可在压实过程中基于振动轮的加速度连续计算,效率较高且覆盖面较广,目前其检测方法已形成相应的行业规范[5].地基系数K30和动态变形模量Evd基于路基在荷载作用下的应力应变曲线测得,具备相应的力学意义,可以直接反映路基的承载能力,且其检测效率高于压实度检测.K30和Evd两项指标最早用于铁路路基压实状态的评估,已写入现行TB10102—2010《铁路工程土工试验规程》[6]中,但暂未加入现行JTG 3430—2020《公路土工试验规程》[7]中.

考虑到相比于传统的压实度K指标,VCV、K30和Evd三项指标在现场检测的便利性或力学意义方面存在优势,VCV、K30和Evd三项指标在公路路基压实质量控制中的应用于研究逐渐增加.黎卿[8]测试了天然砂砾压实后的地基系数K30,证实了其与干密度与灌砂法所测压实度K之间均具有显著的线性相关性.王万展[9]研究了公路填石路基压实后的地基系数K30与压实度K之间的相关性,据此以地基系数K30控制填石路基的压实质量.胡志文等[10]证实了采用沉降差和动态变形模量Evd指标相结合的方法控制巨粒土公路路基施工压实质量的可行性.姜宏[11]研究了以振动压实值VCV与动态变形模量Evd指标控制公路土石混填路基压实状态的可行性,指出VCV指标可反映路基填筑层整体的结构抗力,而Evd指标仅可反映填筑层表面以下500 mm深度范围内的压实程度.国外常用的谐波比CMV指标与振动压实值VCV指标相类似,均基于压实过程中压路机所受土基反作用力计算得到[12-14].

现行的文献[4]中仍以压实度作为路基压实质量的控制指标,需基于对应关系将所测得的VCV,K30,Evd指标转换为压实度K,但对于不同的路基填料,VCV,K30,Evd指标与压实度指标K的对应关系各异,需进行具体标定.低液限粉质黏土是一种常见的细粒土路基填料,文中依托广东省S40罗信高速茂名段建设工程,现场检测压实过程中与压实完成后路基土的压实度K、振动压实值VCV、地基系数K30,以及动态变形模量Evd之间的对应关系,据此优化单一的压实度控制指标,形成基于振动压实值VCV、地基系数K30,以及动态变形模量Evd的路基土压实状态控制指标.

1 压实控制指标

1.1 压实度K

路基土压实度K是压实后实测的路基土干密度与其最大干密度之比.

(1)

根据文献[7],细粒土的最大干密度由击实试验测得,现场的路基土干密度由灌砂法测得.根据文献[4]的规定,压实度为路基压实施工的控制指标,高速公路路基各层的压实度应满足表1中各项要求.

表1 高速公路路基压实度要求

1.2 振动压实值VCV

在文献[5]中,采用振动压实值VCV连续评价路基的压实状态,并要求采用一次函数拟合VCV值与其他压实评价指标之间的相关性,且二者之间的相关系数应不小于0.7.VCV值的计算式为

(2)

1.3 地基系数K30和动态变形模量Evd

K30和Evd的测试方法依据文献[10]进行,检测K30时,在直径300 mm的承载板上以0.04 MPa的增量逐级加载,当承载板下沉量为基准量Ss=1.25 mm时,所对应的荷载强度记作σ.检测Evd时,10 kg的落锤下落至直径300 mm的承载板上,形成峰值为(7 070±70.7) N的冲击荷载,承载板的下沉量记作S.

(3)

(4)

2 现场试验

广东省S40罗信高速全长129.82 km,为双向四车道高速公路,设计速度100 km/h.选取罗信高速茂名段中某填方试验段,试验段路基所用填料为低液限粉质黏土,根据文献[11],路基土的各项指标见表2,土颗粒级配见图1.

图1 路基土的级配曲线

表2 路基土的各项指标

所用压路机为徐工XS225型振动压路机,强振模式下的激振力为420 kN,振动频率为33 Hz.压实层位为路基下路床,每层路基土的松铺厚度为50 cm,控制松铺土层的含水率在最佳含水率±2%的范围内,以强振模式压实五遍.由表1可知:高速公路下路床应保证96%以上的压实度.选取30个测点,在第一、二、五遍压实结束后,测试所选各测点处路基土的压实度K、K30和Evd,在压实过程中实时检测各测点处的振动压实值VCV.振动压实值VCV在压实过程中实时同步测试,检测范围为压实路段各处,对于后续将进行压实度K、K30和Evd测试的测点位置应注意做好标记.测试压实度K、K30和Evd时,其测点位置应取在同一层压实完成的土体表面的相邻处,但测点不应选取同一位置,避免测试过程中的加载使所测位置压实度增大.为避免含水率等土体参数的变动,在压实结束后尽快进行测试,首先进行操作较易的Evd测试,此后进行地基系数K30测试,最后进行有损检测的压实度K测试.

3 测试结果分析

3.1 各遍压实后K与VCV、K30和Evd的相关性

共进行五遍强振压实,第一、二、五遍压实完成后在30处测点测得的路基土压实度K与振动压实值VCV、K30和Evd之间的相关性分别见图2～4,第一、二、五遍压实完成后在30处测点所测的路基土压实度K平均值变化见图5.在各遍压实后,路基土压实度K与VCV、K30和Evd之间均呈线性正相关关系.

图2 各遍压实后压实度K与振动压实值VCV之间的关系

图3 各遍压实后压实度K与地基系数K30之间的关系

图4 各遍压实后压实度K与动态变形模量Evd之间的关系

图5 各遍压实后30处测点的平均压实度

因此,对各遍压实后K与VCV、K与K30、K与Evd进行线性拟合,形如式(5)所示,以式(6)计算相关系数r,r越大表明路基压实度K与x之间的线性关系越好.拟合结果与相应的相关系数r汇总于表3.

表3 线性拟合结果与相关系数

K=kx+b

(5)

(6)

式中:k和b为拟合参数,分别代表直线的斜率与截距;x为与VCV、K30和Evd;i为拟合所用的数据组数,此处取i=30.

由图2～4与表3可知:随着压实遍数增加,K与VCV指标,K与K30指标,K与Evd指标之间的线性拟合式不断发生变化,表现出拟合斜率k下降,截距b上升的趋势.在第一遍压实后,压实度K与振动压实值VCV、地基系数K30和动态变形模量Evd的相关系数r在0.770～0.793,表明此时难以由VCV、K30、Evd三项力学响应指标控制路基土的压实度.随着压实遍数的增加,K与VCV、K30、Evd的相关系数r显著增大,表明压实度K与VCV、K30、Evd三项指标间的线性关系增强.推测其原因在于,随着压实遍数的增加,路基土内部的孔隙率降低而均质性提升.VCV、K30、Evd三项指标均基于路基土的力学响应测得,此时路基土的整体性提升,因此其力学响应指标与表征其压实物理状态的压实度指标K之间的相关性上升.

由图5可知:当第五遍压实完成后,所选取的30个测点的平均压实度已达到97.5%,超过表1中对高速公路下路床96%的压实度要求,可结束压实过程.此时,K-VCV,K-K30,K-Evd之间线性拟合的相关系数均大于0.94,表明VCV、K30和Evd均与路基土压实度之间有较好的线性关系.

3.2 压实完成后K、K30与Evd之间的相关性

对比VCV、K30和Evd三项力学响应指标之间的相关性,并根据式(6)计算相关系数r,结果见图6.由图6可知:此时K30与VCV指标、Evd与K30指标、Evd与VCV指标之间均有较好的线性相关性,且相关系数均大于0.9,表明采用上述三项力学响应指标评价低液限粉质黏土路基压实状态的一致性较好.

图6 第五遍压实后VCV、K30、Evd之间的关系

3.3 基于VCV、K30或Evd指标的路基压实控制

根据表1的高速公路路基各层的压实度要求,应用振动压实值VCV、地基系数K30和动态变形模量Evd三项力学响应指标,优化低液限粉质黏土路基的压实状态控制要求,结果见表4.

表4 基于三项力学响应指标的高速公路路基压实状态控制要求

对于不同的路基填料,需分别标定VCV,K30,Evd指标与压实度指标K之间的对应关系,本文所给出的对应公式仅适用于所测路基的低液限粉质黏土填料,且含水率在最佳含水率11.2%±2%的范围内.传统的压实度K指标仅可在施工完成后检测公路路基的压实质量,且为单点检测,难以发现零散存在的压实不良段落,而若发现压实不良的段落,还需进一步返工.VCV指标可以在压实过程中连续实时控制压实质量,实时发现压实不足的区域并对应调整压路机的压实参数,且可有效防止路基土过压实的出现.

在压实后对路基压实质量的检测中,压实度指标是路基土压实后的实测干密度与其最大干密度之间的比值,并不具有力学意义,且采用灌砂法检测压实度时,所检测的仅为路基表面数公分深度范围内的压实质量,检测效率与结果误差较大.相比而言,K30和Evd指标具有直接的力学意义,检测效率与结果准确性较好,且K30和Evd指标可体现路基土内部数十公分深度范围内的力学承载能力.本文的研究表明,在公路路基压实过程中采用VCV指标进行压实质量的实时监测,在压实完成后采用K30和Evd指标进行压实质量的评价是可行的,相比于传统的压实度K指标具有力学性能上的明显优势.应当指出的是,表4中对于VCV、K30和Evd指标的控制范围由压实度换算标定得到,基于现场试验与数值模拟,直接基于各类路基填料的性质,确定VCV、K30和Evd指标的控制范围,是后续研究的重要方向.

4 结 论

1) 随着压实遍数的增加,K-VCV,K-K30,K-Evd之间线性拟合式的斜率k下降,截距b上升,且相关系数增加,压实完成后各拟合式的相关系数均大于0.94.

2) 相比于压实度K指标,振动压实值VCV、地基系数K30和动态变形模量Evd的力学意义或测试简便度均占优势,较好的线性关系有利于基于VCV、K30或Evd指标对路基压实状态进行评价与控制.

3) 压实完成后,K30-VCV、Evd-K30、Evd-VCV指标之间均有较好的线性相关性,且相关系数均大于0.9,表明采用上述三项力学响应指标评价低液限粉质黏土路基压实状态的一致性较好.

4) 应用振动压实值VCV、地基系数K30和动态变形模量Evd三项力学响应指标,优化了对低液限粉质黏土路基中上下路床与上下路堤压实状态的控制要求.