高速公路路基压实质量快速检测研究

程勇刚，刘志楠

(安徽省七星工程测试有限公司,安徽 合肥 230088)

随着我国高速公路建设不断发展,四通八达的交通设施建设项目遍布各地。路基是保证道路稳定受压的基础,在施工过程中,它的压实质量决定道路在运行后是否能稳定运行。因此,对高速公路路基压实质量的检测方法的开发受到了行业内外的广泛关注。

目前,许多专家学者对路基压实度检测方法进行了相关研究。李盛等[1]将PFWD结合水袋法,以回弹模量预测填石路基孔隙率的方法评估路基质量,实现填石路基快速检测的方案。张宜洛等[2]为避开含水率的干扰,联立碎石压实度、级配以及动态冲击响应值之间的关系,采用瞬态冲击频谱分析方法,实现了快速检测中粗粒土路基压实度的功能。任少博[3]认为检测方法和设备在施工现场易受到许多因素的干扰,难以准确得到路基是否达到理想的压实状态,因此建立了压路机振动频率信号与路基压实度之间的关系,能够以振动加速度信号快速检测路基压实度并实现实时监测。罗娟[4]提出采用灌砂法检测路基压实度应注意多种影响因素对最终检测结果的影响。

本研究基于室内试验数据,对路基含水率、压实度和路基刚度之间的关系进行分析,实现了含水率和压实度能够相互换算,从而实现路基刚度的快速检测。通过试验结果与现象,可以证明该方法的真实性和实用性,本文为粉砂路基和水泥土路基的压实质量检测提供了一种快速、有效的方案,推进了道路建设领域的发展。

1 试验方法

1.1 路基压实质量快速检测方法

为研究路基压实质量快速检测方法,本文将路基压实质量快速检测方法应用于粉砂路基和水泥土路基,验证这一方法的可行性。本文所采用的路基压实质量快速检测方法是一种基于材料抵抗振动产生小变形的能力所开发的检测方法和相应的检测设备。其主要原理在于:通过对检测材料表面施加逐级递增的循环荷载,并检测循环荷载下检测点的位移变化,来得到不同循环频率下的材料刚度。其计算公式如式(1)所示,以其绝对值为路基的刚度。该方法检测速度快,并且不会对受检测材料造成损伤,是一种值得研究并推广的试验方法。

(1)

其中,G为材料刚度,N/m;f为循环荷载峰值,N;ε为检测点变形量,m。

1.2 试验方法

将准备好的试验土样在通风条件下匀速风干后,将其打碎混合均匀,然后随机取样测出土体的含水率。按土工试验规范进行击实试验后,根据试验得到的最优含水率和最大干密度,进行试验土样的制备。制备过程中,在土中用雾化装置喷洒适量的水分至目标含水率,并密封1 d,使其水分迁移均匀,避免制样过程中产生起球颗粒。

水泥占干土质量3%的水泥土作为水泥土路基材料,以击实试验所得到的最优含水率和最大干密度制备水泥土试样。为了避免水泥土在制样前就已固化,因此在养护前,先制好试样,再将土样密封1 d,以待试验。

根据最大干密度计算试验压实度试样所需质量的土样,将土样导入制样桶内,并分层压实。每层压实后先将表面凿毛,再压实下一层。每层采用大型击实锤保持同一击实功,并在最顶层整平,以便于进行路基压实质量快速检测方法。完成制样后,采用路基压实质量快速检测方法检测其压实度,并分析其相关性和准确性。

2 结果与讨论

2.1 土层厚度和含水率对粉砂和水泥土路基刚度的影响

由图1(a)可知,随着粉砂路基的厚度不断增大,路基的刚度不断减小,并且在93%,94%,96%三种压实度下均呈现这一特征。此外,这一减小的趋势逐渐变缓至极限值,因此表明,这种快速检测方法对路基刚度的检测效果在粉砂层较薄时受到硬质地面的影响较为显著。图中可见,路基刚度在三种压实度下存在临界土层厚度为25 cm。当土层厚度低于临界土层厚度时,随着土层厚度的增加,路基刚度下降趋势显著;而当土层厚度高于临界土层厚度时,土层厚度对路基刚度的影响不再显著。

由图1(b)可知,含水率对路基的压实程度起到重要的作用。在相同压实度下,粉砂路基刚度随着粉砂含水率的增大而增大,直至最优含水率12%。随后,粉砂含水率继续增大时,路基刚度不增反减,整体呈现先增后减的趋势。

由图2(a)可知,水泥土路基的刚度随着厚度增大不断减小,其趋势基本上与粉砂路基在检测过程中所展现的规律一致,但区别在于水泥土路基的刚度在土层厚度较薄时差距较小。因为当土层厚度达到25 cm时,水泥土路基的刚度变化趋势较为平缓,而且不同含水率下的水泥土路基的刚度差异也出现了更加明显的区别。如图2(b)所示,水泥土刚度随含水率的发展趋势与粉砂路基基本一致。因此更有利于本研究中粉砂路基和水泥土路基在路基压实质量快速检测方法下相互佐证,以验证该方法的真实性和可靠性。

2.2 路基压实质量快速检测刚度与压实度相关性研究

明确土层压实度与土层刚度之间的关系对本文中路基压实质量快速检测方法是否准确可行有着至关重要的作用。因此,本文以粉砂路基和水泥土路基为研究对象,对两种路基在不同压实度下采用快速检测方法进行试验,得到路基土体在不同最优含水率条件下,土层压实度对应的土层刚度,其对应关系如表1所示。再将二者关系分别采用线性、指数、对数和幂函数关系进行拟合,比较其相关性,其关系分别如图3,图4所示。

表1 不同路基压实度与刚度之间的对应值

根据图3可知,对于粉砂路基而言:

1)粉砂路基的土层刚度随着压实度的增加而增加,在路基压实质量快速检测方法下,四种函数关系均获得较好的拟合效果。这一现象说明,土体刚度与压实度之间呈正相关,证明采用本文所提及的路基压实质量快速检测方法预测粉砂路基刚度是可行的。2)粉砂路基刚度与压实土层厚度之间的关系在上述函数关系的拟合过程中均呈现较好的相关性,其相关系数均在0.96以上。其中,指数关系和幂函数关系的相关系数最高,均为0.98。此外,对数函数的相关系数最低,其值为0.96。

根据图4可知,对于水泥土路基而言:

1)水泥土路基的土层刚度随着压实度的增加而增加,这一点与粉砂路基所呈现的规律一致。路基刚度与土层压实度之间所呈现的规律存在较好的相关性,由此可见,该方法应用于水泥土路基中同样也是切实可行的。

2)如粉砂路基一样,水泥土路基刚度与压实土层厚度之间的关系也呈现较好的相关性,并且相关系数均在0.96以上。其中,指数关系和幂函数关系表现的相关系数最高,均为0.98。此外,对数函数关系表现的相关系数最低,其值为0.96。其呈现出的变化趋势与粉砂路基保持高度一致。

相比粉砂路基,水泥土路基刚度还受到水泥养护龄期的影响。因此,图5是最优含水率下,水泥土路基在96%压实度时,不同龄期下刚度的变化过程。在28 d内,水泥土路基刚度随着养护龄期的增加而增长;在7 d前,增长速度较快,7 d～28 d内,增长速率较7 d前较缓,这一点与水泥强度随水泥养护龄期的变化趋势一致,这是由于随着养护龄期、水化产物的增加填补了水泥土中的空隙,使水泥土路基更加紧实,对水泥土抵抗循环荷载的能力起到了提升作用。由此可以认为,路基压实质量快速检测方法对水泥土路基的检测效果是符合实际情况的。

2.3 不同种类路基快速检测对比研究

根据图6可以看出,随着土层压实度的增加,粉砂路基和水泥土路基的刚度都会增加。在相同最优含水率下,粉砂路基刚度始终小于水泥土路基刚度,其规律均与工程实际情况相符合,能够证明该检测方法的真实性。

3 结论

本文提出了一种路基压实质量快速检测方法,通过对粉砂路基和水泥土路基进行室内模型试验,明确了压实度与路基刚度之间的关系,探究了该方法在路基工程中所需注意的影响因素,认为该方法能够快速无损地得到路基的实际刚度。本文所得到的主要结论有:

1)若土层下方材质刚度较高,在土层厚度较薄时,该方法所得到的检测结果易受到下方材质的影响,其检测结果随着土层厚度的增加而变得更加准确。此外,该临界土层厚度为25 cm,即土层厚度超过25 cm后,下方材质对检测结果影响不大。

2)在粉砂路基和水泥土路基中,刚度与压实度正相关。二者关系更接近于指数关系或幂函数关系,因此能够将两者相互换算。

3)水泥土路基刚度随养护龄期的增大而增加。但在养护初期时,刚度的增长较快;随着养护时间的增加,刚度增长速度逐渐放缓。