DCP法快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的试验研究

胡雪瑞, 刘瑞斌, 姚爱玲, 王亚奇, 杜金鹏

(1.山西路桥集团， 山西 太原 030006; 2.特殊地区公路工程教育部重点实验室, 陕西 西安 710064; 3.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司, 甘肃 兰州 730030; 4.陕西高速集团, 陕西, 西安 710065)

DCP法快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的试验研究

胡雪瑞1, 刘瑞斌1, 姚爱玲2, 王亚奇3, 杜金鹏4

(1.山西路桥集团， 山西 太原 030006; 2.特殊地区公路工程教育部重点实验室, 陕西 西安 710064; 3.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司, 甘肃 兰州 730030; 4.陕西高速集团, 陕西, 西安 710065)

低填浅挖路基需要了解原地基的承载力以及压实状况，承载板法用于测试地基的承载力不具备测试条件，因而寻找快速测试地基承载力的方法很有必要。以原神高速公路原平段的低填浅挖段路基为研究对象，在天然地基表面进行了DCP、承载板、贝克曼梁、压实度检测等现场试验，建立了DCP的贯入度与回弹模量、弯沉值、压实度等指标间的相关关系式。结果表明，DCP方法检测的贯入度与回弹模量之间相关系数大于82%，回弹模量与回弹弯沉值之间的相关系数大于87%。可以采用DCP试验快速检测结果反映天然地基的回弹模量值的大小。

路基; 天然地基; DCP试验； 回弹模量； 现场承载板试验

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50 — 2006)[1]推荐采用现场承载板试验和贝克曼梁试验作为检测路基现场回弹模量的方法，但是两种测试方法都需要承载车，并且都需要较多的人力，而天然地基并不具备承载车的行驶条件，所以这两种现场检测方法都不适用于天然地基回弹模量的快速检测。天然地基特殊的工作环境要求试验设备简单、检测方便、快速等特点，而动力锥贯入仪(DCP)因其试验仪器简单、携带方便、不受场地限制等优点，相较其他测试方法更适合于天然地基的测试[2]。

1 测试方法简介

1.1 DCP法

动力锥贯入仪(Dynamic Cone Penetrometer，简写DCP)(图1)是一种小型轻便的地基土原位测试仪器，美国有些州已经将该试验用于路基回弹模量和压实性等的检测，在国外已经应用广泛，南非已将贯入值作为路面设计的参数之一[3]。国内在2008年正式将动力锥贯入仪写入到《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60 — 2008)[4]中，但在我国应用仍然很少，处于引入和初级应用阶段，只有少数的几条公路比如：沪宁[5]、太澳、唐津高速等采用DCP来检测路基压实度和强度，目前开展DCP试验研究较少，还未受到足够的重视。并且《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60 — 2008)中对DCP试验的介绍、规定也很简单，操作性和实用性都不够强[6]。由于目前中国的公路事业仍处于大规模的修建期，因此DCP快速检测设备的应用前景很是开阔。

图1 动力锥结构示意图

动力锥贯入仪(DCP)试验是利用一定的锤击能量，将某一规格的圆锥探头击入土中，根据探头被击入土中的难易程度(贯入阻力或贯入度等)来判别土体性质的一种现场测试方法[7]。

DCP试验检测的步骤如下：

1) 将DCP放置测点位置，一人手扶仪器手柄，使探杆保持竖直，一人提起落锤至导向杆顶端，然后松开，使之成自由落体下落。如果试验中探杆稍有倾斜，不可扶正；如果倾斜较大，造成落锤不是自由落体，则该试验点应废弃。

2) 读取贯入深度。每贯入约10 mm读一次数，记录锤击数和贯入量(mm)。

注：粒料类基层，可能每5～10次锤击读数一次；对于比较松软的结构层，可能1～2次锤击读数一次。

3) 连续锤击、测量，直至需要的结构层深度。当材料层坚硬，贯入量连续锤击10次而无变化时，可以停止试验或钻孔通过后继续试验。

4) 将落锤移走，从探坑中取走DCP仪器。

根据国内外大量实测结果统计分析表明，DCP贯入度Dd与回弹模量E0、CBR值等存在着良好的相关关系式，统计回归关系一般采用乘幂函数进行拟合[8]，这样不仅在保证回归关系式具有较高的相关系数的同时，也使得关系式形式简单明了，使用方便。即采用下式形式：

y=a·xb

(1)

式中:y为回归关系的因变量，即回弹模量，MPa；x为回归关系式的自变量，即DCP试验的贯入度Dd，mm/锤；a和b为回归系数。

试验段DCP试验采用锤重为10 kg，落距为57.5 cm的贯入仪，测深为80 cm。

1.2 弯沉仪法(轮法)测试回弹模量

回弹弯沉值是指在标准轴载BZZ — 100作用下路基或路面产生的垂直回弹变形值，通过回弹弯沉值可以算出路基的回弹模量。测出每点的回弹弯沉值后，按照式(2)计算路基的回弹模量E0:

(2)

式中:E0为路基回弹模量,MPa；L为回弹弯沉测定值(0.01 mm)；p为测定车车轮的垂直荷载,MPa；δ为测定车双圆荷载单轮传压面的当量圆半径,cm；μ为路基土的泊松比；a为弯沉系数，取0.712。

试验段采用3.6 m的贝克曼梁仪、后轴重为BZZ — 100的标准车进行天然地基回弹模量的检测。

1.3 承载板法(板法)测试回弹模量

本方法适用于成型平整的路基表面，是一种通过刚性承载板对路基逐级进行加载、卸载的测试方法，测出每级荷载作用下对应的回弹变形，然后根据弹性半空间体模型计算出路基的回弹模量。

路基回弹模量E0公式为：

(3)

式中：E0为路基回弹模量,MPa；μ为土的泊松比，根据相关设计规范规定取用，一般取为0.35；D为承载板直径30 cm；pi为承载板压力,MPa；li为相对于荷载时的路基回弹变形量,cm。

试验段采用直径为30 cm、板厚为2 cm的刚性承载板进行回弹模量的检测，控制变形为1 mm之内，加载级数取6～7级。

1.4 压实度检测方法

压实度与含水率试验同时进行测试，压实度采用灌砂法，含水率采用烘干法。具体测试方法见《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60 — 2008)。

2 现场测点的布置

为了检验用DCP试验贯入度Dd反映天然地基回弹模量的可行性与可靠性，依托原神高速公路原平段路基工程，在天然地基表面进行DCP试验，并在同一点做了现场承载板试验、贝克曼梁试验、压实度和含水率试验等。

试验段选在原神高速K0+420～K2+400段，该段路表起伏不大，属于低填浅挖路段。现场取样进行室内击实试验(采用重型Ⅱ — 1击实方法)和土的液塑限试验(通过液塑限联合测定仪法)，得到土的最大干密度为1.83 g/cm3、最佳含水率为13.8%，液限为30%，塑限为18%；由于天然地基表面平整不一，土质疏松，不利于试验车的行驶和相关试验的进行，所以需对天然地基稍作处理，包括整平和碾压，碾压采用轻型非震动压路机，碾压一遍即可，这样即可保证试验的顺利进行，又不会对天然地基的力学性质产生过大影响。

所有现场试验都采用“点对点”一一对应的原则，即原则上各试验都应在同一测点上进行，以保证试验结果的可比性，但是考虑到某些试验对土体有破坏或压密的作用，会对接下来的试验产生影响，所以接下来的试验选在上述测点的附近。

3 现场测试结果与相关性分析

将所做试验数据进行整理汇总于表1中。

表1 现场试验数据汇总测点序号回弹模量/MPa弯沉值/(0.01mm)压实度K/%含水率/%DCP贯入度/(mm·锤击-1)175.517078.67.1310.06299.010488.87.813.95363.722879.97.2315.43468.117681.710.5213.03565.722675.45.7511.06660.217676.87.149.947104.39497.310.063.43850.033683.321.4918.02976.413686.710.777.111090.012692.211.7310.001178.113086.010.908.481285.111487.210.826.711344.527680.214.1113.321438.627277.616.7519.981553.423677.411.4514.611650.326689.415.5413.431740.529469.910.2421.311853.426080.112.6616.451953.929689.015.4414.162055.527275.210.9212.432159.623682.912.4810.16

3.1 现场DCP试验所测贯入度Dd与现场承载板所测回弹模量E的回归关系式

根据采用《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60 — 2008)规定的现场承载板法测得的天然地基回弹模量值，建立与用DCP贯入试验测得的贯入度Dd之间的相关关系式，关系曲线图见图2。

图2 贯入度Dd与回弹模量E相关关系图

由图2可以看出，承载板所测回弹模量E与DCP试验所测贯入度Dd呈现反比的关系。当Dd从7 mm/锤到13 mm/锤时，回弹模量值从85.1 MPa下降到50.3 MPa，下降幅度为41%。剔除异常点，其回归关系式具体如下：

(4)

式中：E为承载板所测回弹模量值,MPa;Dd为贯入度,mm/锤。

可以看出: 回归关系式的相关系数达到了0.8288，相关性良好，所以，用DCP贯入试验可以较准确地反映天然地基回弹模量的大小。

3.2 现场承载板试验与贝克曼梁试验之间的相关关系

将贝克曼梁法(即： 轮法)所测结果与现场承载板法(即：板法)所测结果做对比，见表2。

由表2可看出: 轮法所测结果较板法所测结果普遍偏小，而板法测路基回弹模量更具准确性。弯沉实测值与现场承载板所测回弹模量间可用乘幂函数进行拟合，曲线图如图3所示。

回归关系式如下：

(5)

相关系数达到0.8776，相关性良好，因此，该地区该土质采用贝克曼梁法测回弹模量时，采用式(5)的计算结果比理论公式计算结果更准确。

3.3 DCP试验与含水率和压实度之间的相关关系

DCP贯入试验的工作原理是使锥头贯入土层，使土体发生竖向剪切破坏，所以贯入度Dd与土体的抗剪强度有关，而土体的抗剪强度受到土体内部的内摩阻力和粘聚力的影响。土体的压实使得土体内部的土颗粒更加密实，嵌挤作用更明显，形成结构更强的骨架结构，使得土体的内摩阻力增加，提高土体的抗剪切破坏的能力，所以土体的压实度越高，相应的贯入度Dd越小；而土体中的水分，不但会影响土颗粒间的密实性，还会影响土体粘聚力的大小，并且DCP贯入仪在贯入的过程中，土体中的水对贯入过程起到一定的润滑作用，所以，DCP贯入试验的贯入度Dd会随着土体中含水率的增大而增大。因此，进行DCP试验的贯入度Dd与土体压实度K和含水率w之间的相关性分析，得到如下结果：

表2 轮法与板法所测结果对比序号轮法所测弯沉值/(0.01mm)轮法所测回弹模量/MPa板法所测回弹模量/MPa117054.875.5210489.699.0322840.963.7417652.968.1522641.265.7617652.960.279487.9104.3833627.750.0913668.576.41012673.990.01113071.778.11211481.785.11327633.844.51427234.238.61523639.553.41626635.050.31729431.740.51826035.853.41929631.553.92027234.255.52123639.559.6

图3 板法所测回弹模量与弯沉值相关关系图

Dd=0.578K-4.672w0.852(n=21，R2= 0.737)

(6)

式中:Dd为贯入度，mm/锤；K为土体的压实度；w为土体的含水率。

相关系数达到0.737，因此DCP试验的贯入度Dd与土体压实度K和含水率w之间相关性比较好，贯入度可以反映土体压实效果的大小，将式(6)做如下转换可得：

(7)

由式(7)可以看出根据DCP试验所测贯入度Dd并考虑含水率就能反映压实度的大小，相比灌砂法，DCP更简便、更快捷、更适合于大量检测，因此DCP在检测路基压实度方面也有很广阔的应用前景。

4 结论

本论文在依托工程的天然地基表面现场布设测点，在同一测点分别做DCP贯入试验、现场承载板试验、贝克曼梁试验和压实度检测等试验，得出如下主要结论：

1)DCP试验贯入度Dd与承载板所测回弹模量E之间存在着良好的乘幂关系，并且呈现反比的关系，关系式如下：

由于相关关系良好，DCP试验设备简单、测量快速、不受场地限制等优点，可以采用DCP试验快速检测天然地基回弹模量的大小。

2) 在该地区，用轮法所测回弹模量值较板法所测回弹模量值偏小，相比理论公式，如下回归关系式更适用于该地区。

3) DCP试验与土基压实度和含水率间存在着良好的二元回归关系，DCP试验所测贯入度结合土基含水率就能反映土基压实度的大小，关系式如下：

相比承载板法、灌砂法，DCP更简便、更快捷、更适合于大量检测，因此DCP在检测路基的承载力以及压实度方面也有很广阔的应用前景。

[1] JTG D50 — 2006，公路沥青路面设计规范[S]．

[2] 王定敏．基于DCP的路基压实度及承载能力评定 [J]．公路工程，2011,36(1):109-111.

[3] 赵玮，何淼，刘军．动力锥贯入法在路基施工质量控制中的应用[J]．道路工程，2013(3):102-105.

[4] JTG E60 — 2008，公路路基路面现场测试规程[S]．[5] 郭涛，何森.动力锥贯入仪DCP在路基拼接重点应用研究[J]．公路交通科技，2009(2):114-117.

[6] 姜景山．动力锥贯入仪在路基检测中的应用综述[J].路基工程，2011(6)：136-140.

[7] 徐超，石振明，高彦斌，等．岩土工程原位测试[M].上海：同济大学出版社，2005.

[8] 长沙理工大学，长安大学．路基回弹模量试验测试方法研究[R].长沙: 长沙理工大学， 2004.

2016-09-18

胡雪瑞( 1977-) ，男，高级工程师，主要从事工程项目管理工作。

1008-844X(2017)01-0006-04

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