娄新高速公路新老路基土性能快速检测与数据分析研究

龙曙东，龙劭一

(湖南省娄新高速公路建设开发有限公司，湖南娄底 417000)

近年来我省高速公路网络日趋完善，但随着未来我省经济迅猛发展，数年后我省高速公路通行能力无法满足当时经济发展的需要，继续加紧基础设施建设，进一步高速公路分布密度势在必行。与重新修建一条高速公路相比，高速公路加宽改建工程具有减少用地，节约投资的优点。与此同时高速公路加宽改建工程中也带来了很多技术上的难题，其中新老路基结合部发生纵向裂缝就是一个技术难点，主要体现在:新老路基填土的类型、物理性质以及刚度，强度和压实性能的差异，这些均能引起新老路基不均匀沉降，给路基和路面造成严重的病害。

娄新高速公路起点k0+900～k9+500为利用潭邵高速公路娄底连接线(按高速公路标准建设)扩建段，是我省第一条真正意义上高速公路改扩建工程。改扩建段历经农田，水库沿线水系较为发达。新建高速公路需将连接线右幅整体加宽最大达25.2 m，最小为1.3 m，需完成填方 822 158万 m3，高填方有11处，其中高填方最长达1.593 km。该段施工难度大，工期紧，加宽部分施工质量难以保证，现阶段新老路基结合部路基填筑强度问题尤为突出，为了解决这个问题，在施工过程中只有通过严格检验和控制压实度的统一性和均匀性，才是排除问题的最优解法。

1 压实度快速检测方法介绍

传统的路基强度检测方法仪器重量较重，试验起来比较繁锁，仪器在使用一段时间后需要重新标定，检测时由于引起的震动对检测结果有一定的影响。本文引入国外先进路基土性能快速检测技术，加快路基检测速度，提高工作效率。通过统计学假设检验理论来判定拼接处的强度，刚度和压实性能的统一性和均匀性。

1.1 PFWD的原理和分析方法

PFWD又称手持式落锤弯沉仪(Handhold FWD)或微型落锤弯沉仪(Mini FWD)，是一种基础填筑表面(包括路基、地基和场地等)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，可用来快速检测路基模量值。图1为丹麦Carl BroPRIMA100型PFWD的构造及工作原理示意图。

PFWD由加载系统、数据采集系统和数据传输系统组成。其中，加载系统由落锤、滑杆、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、无线数据传输装置和数据处理软件等组成。其基本原理为:将一个10 kg的落锤提升至一固定高度，然后释放，让其自由下落，落锤冲击承载板产生冲击荷载，在冲击荷载作用下，承载板产生竖向位移，压力传感器和位移传感器将荷载和位移记录下来，从而根据压力和位移的峰值由式(1)确定路基回弹模量。

式中:p为实测的承载板所受压力，kPa;a为承载板半径，现场通常采用半径为15 cm的承载板，室内一般采用半径为5 cm的承载板;μ为泊松系数，取μ=0.35;l为实测的承载板中心弯沉，μm;Ep为路基回弹模量，MPa。

图1 PFWD构造及工作原理示意图

1.2 DCP的原理和分析方法

DCP由英国TRL(交通研究实验室)开发，总重为20 kg，主要包括落高为575 mm的8 kg落锤、贯入杆、标尺、与贯入杆端部连接的直径为20 mm的圆锥锥尖，其中锥尖的锥角为60°，DCP的构造及工作原理如图2所示。

DCP可在850 mm的深度范围内进行连续测量，若采用延长杆，最大深度可达2 m。一般情况下，DCP测试一个测点只需1～3 min。因此，DCP适用于快速检测土基内部的结构性能。为此，通常采用下式定义的贯入度反映测试结果:

式中:DN为贯入度，mm·锤－1;Δy为从第1锤至最后1锤的总贯入深度，mm;n为锤击次数。

其中贯入度DN可以通过国内外经验公式反算CBR以及压实度，推荐公式如下:

DN、CBR和 K分别为贯入度(mm·锤－1)，加州承载比，%，以及压实度，%，其中式(3)写入AASHTO规范，具有普遍规律性，而式(4)为娄新高速路基标定的回归公式。

图2 DCP构造及工作原理图(单位:mm)

2 新老路基结合部压实度快速检测

2.1 土的物理性质分析

选取现场新老路基的填土土样，进行了相关的室内试验，相应的物理性质试验结果如表1所示。

表1 土的物理性质

2.2 现场试验

现场选定了娄新高速路基k3+410～k3+510段1新老路基拼接处作为试验段，为了进行不同测试方法的对比，在试验路段上每5 m选取一个桩号，依次在该桩号平行位置的新老路基各选择一个测点，在每个测点上依次进行PFWD动模量、DCP贯入度检测。其中，DCP贯入深度取20～30 cm。仪器采集数据见图3、图4。

其中DCP贯入度，采用经验公式(3)和(4)，反算出现场CBR承载比和压实度。数据见表2。

图3 动模量检测

图4 DCP贯入检测

从现场CBR承载比和压实度表可以看出，反算的各测点承载能力均远远大于《公路路基设计规范》规定的高速公路路基路堤填料最小强度要求的规定值4%。而由于压实度的取值因缺乏现场灌砂与DCP贯入的标定公式，使用回归的式(4)进行反算，供本路段新老路基压实性能对比参考。

表2 CBR与压实度反算值

3 数据分析

上述试验数据，并不能直观地判别新老路基的动态模量，CBR值，以及压实度是否均匀，统一。可通过统计学的假设检验理论来进行判定，判断新老路基拼接处的各项指标是否均匀，统一，如果差异显著，那么要找到新老路基各项指标总体上哪个大哪个小，以便对指标小的进行加固和处理，达到新老路基总体均匀，统一。

具体方法:将新老路基的某项指标定为一随机变量，例如，定该路段老路的动态模量这一指标为随机变量X1，新路的动态模量为随机变量X2。那么这两个随机变量桩号对桩号动态模量指标相减值X1－X2定义为另一随机变量X，X的均值即期望为μ。运用大子样检验母体平均数——μ检验。通过提出假设H0:μ=0。如果假设成立，则说明新路基与老路基整体上的动态模量比较统一，均匀。如果假设不成立，说明新路基与老路基在此单项指标上存在显著差异，再进行单侧假设检验，提出假设H0:μ≥0。如果假设成立，则说明此路段1的老路基的动态模量总体上均大于新路基的动态模量。其中显著水平α，取0.05，根据此理论，通过MATLAB程序调用库函数ttest命令，将路段1和路段2的新老路基拼接的动态模量，CBR承载比，以及压实度三项指标进行上述分析，MATLAB运算结果中，如果得出的h=1，表示拒绝假设，而h=0则接受原假设，得出结果如表3。

表3 路段1新老路基三项指标假设分析结果

从上述结果可以看出，该路段的新老路基拼接处的各项指标分布统一，比较均匀，情况较理想。

4 结语

本文依托娄新高速公路扩建工程，通过大量的现场试验和测试，探讨了新型路基质量快速检测设备——便携式落锤弯沉仪(PFWD)，动力锥贯入仪(DCP)在高速公路路基拼接中的应用。研究结果对路基拼接部位的刚度，承载能力和压实质量快速判断有良好的指导意义，其中所采用统计学中假设检验的数据对比分析方法与思路可为我省高速公路路基拼接工程提供有益的参考。

［1］徐 平，王复明，陈忠平.PFWD在立即强度评价中的应用［J］.路基工程，2008(5):52－54.

［2］徐 平，王复明 陈忠平.DCP在高速公路路基压实质量评价中的应用［J］.路基工程，2008(4).

［3］韩 利.瞬态瑞雷波法快速检测评价高速公路路基压实质量［J］.公路工程，2007，32(6):134 －136.

［4］周 文.新老路基强度不均匀性对拓宽路面结构影响分析［J］.公路工程，2009，34(5):67 －74.