手持式落锤弯沉仪在路基压实度检测和评价中的应用

俞先江，马圣昊，王 正，王宏伟

(江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014)

手持式落锤弯沉仪在路基压实度检测和评价中的应用

俞先江，马圣昊，王 正，王宏伟

(江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014)

通过宿扬高速公路路基施工中进行Evd试验、施工现场灌砂法测量压实度，确定了Evd与路基土压实度的经验公式相关系数，然后通过现场压实度测试进行了验证，给出了使用Evd进行路基施工控制的推荐值。

手持式落锤弯沉仪；路基压实度；经验公式；现场测试方法；评价指标

1 便携式落锤弯沉仪

便携式落锤弯沉仪(Portable Falling Weight Deflectometer，简称 PFWD)是一种能够对路基和地基承载能力进行检测的新型仪器。该仪器测试时间短，测试精度好。它由加载系统、数据采集系统和数据计算系统三部分组成。

加载系统包括垂直导杆、锁闭装置、橡胶垫块和落锤等，数据采集系统包括由位移传感器和压力传感器等采集设备，数据传输系统由数据传输线、数据传输装置和数据处理软件等组成。

路基土属于弹塑形体，在受到外部荷载的作用下，会产生弹性变形和塑形变形，变形的本构关系为非线性，但如果落锤冲击作用时间很短时，可以认为路基内的塑形变形还未发生时，荷载已经卸除，在整个变形过程中，只有弹性变形过程，无塑形变形过程，因此可以采用线弹性理论分析测试结果，得到的路基模量值认为是路基回弹模量值。

2 手持式落锤弯沉仪试验理论分析

PFWD的基本原理为，通过将某一重量的落锤提升至某一高度，然后沿导杆垂直下落，落锤冲击下方的承载板和底座，在落锤的冲击荷载下，路基表面会产生向下的竖向位移，通过位于仪器底部承载板上的压力传感器和位移传感器就可以得到整个下落过程中的瞬时荷载和瞬时位移，通过仪器内部的软件处理后，即可以根据荷载和位移的峰值来确定路基的动态回弹模量Evd(MN/m2)值。

承载板试验属于静载试验，而PFWD试验属于动载试验，两者性质不同，对于这个问题已经通过理论分析和比较证明了无论是承载板试验还是PFWD试验都可以采用弹性层状体系来分析，误差在容许范围内，因此将路基看作弹性半空间体。由于PFWD以承载板作用于路基表面，用落锤竖向垂直荷载做为冲击荷载，因此用PFWD测定动态回弹模量，采用理论模型为刚性承载版下的弹性半空间体模型，图1为圆形垂直刚性荷载下的路基受力图。

图1 刚性承载板下弹性半空间体受力图

刚性圆形承载板下作用下弹性半空间体内任一点的竖向位移表达式如下式所示：

(1)

式中：w为路基内部任意一点的位移，μm；r、z分别为径向和竖向坐标，cm；δ和p分别为承载板半径(cm)和承载板上荷载的平均压力，MPa；E为路基回弹模量，MPa；μ为土的泊松系数，土的泊松系数为0.35；J0为0阶贝塞尔函数；x为积分变量。

对于路基顶面承载板中心位置处，把r=0，z=0带入上式，即为路基表面的垂直位移(路基表面弯沉)

(2)

将PFWD测的的应力最大值p及最大弯沉值l带入公式中即可以得到路基模量Ep为

(3)

3 试验条件和试验结果

3.1 路基土物理性质

本文试验依托于江苏省宿扬高速建设项目，在宿扬高速泗洪段，路基填料主要为黏性土，路床96区掺灰量为7%，压实度要求不低于96%。为了研究PFWD在检测路基土压实效果上的应用，在2016年7月到8月对该段道路96区填土进行了路基压实状况和变形模量的关系检测。

首先对试验所用的土的物理性质进行试验，所选土样主要来自于3#取土坑，根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)对所选土样进行了颗粒分析试验、界限含水率试验和土的击实试验。

表1 土的主要物理性质指标

表2 土的筛分试验结果

表3 不同灰剂量土的击实试验结果

3.2 灌砂法测压实度与Evd对比试验方法

灌砂法测压实度与Evd测试的布置方法，为了尽量减小Evd测试过程对该路基的二次压实影响，路基施工过程碾压时都是采取纵向碾压，碾压一遍之后，采取一次移动1/3～1/2轮的方式，因此可以认为在一条纵向碾压带上，不同位置所受到的压实功是一样的，排除土质均匀性的影响，而由于碾压之前充分的翻拌，在相邻位置土的均匀性也认为是一致的，因此Evd测试时采取纵向布设间隔0.5～1 m，纵向测试5个点，参照《土工试验规程》采取误差分析指标变异系数进行分析，即在平行试验中，变异系数≤12%视为有效。在任意Evd两测点中间位置进行灌砂法测量压实度试验。

3.3 现场试验

首先在在路基施工期间进行压实度和Evd试验，现场96区路基填筑完成之后，采取了两种不同的碾压方式。

(1)碾压5遍(其中振动压实3遍，静压2遍)下称3+2模式。

(2)碾压5遍(其中振动压实2遍，静压3遍)下称2+3模式。

在Evd试验中，对于第一种碾压方式，采取的检测手段为振动压实3遍后，进行一次测试，静压一遍后进行第二次测试，全部静压完成后进行第三次测试。第二种碾压方式下，振动压实2遍后进行一次检测，静压第一遍之后进行第二次检测，静压第二遍后进行第三次检测，全部碾压完成后进行第四次检测。每次进行检测都采用2.2的方式分别进行Evd和灌沙法压实度检测。

3.4 试验结果

表4 第1种碾压方式Evd试验结果

表5 第1种碾压方式压实度检测结果

表6 第2种碾压方式Evd试验结果

表7 第2种碾压方式压实度检测结果

采用4种模型对试验结果进行分析：

(1)y=ax+b；(2)y=aln(x)+b；

(3)y=axb；(4)y=aebx

式中：y为压实度，%；x为动态回弹模量Evd。

第二种碾压方式回归分析结果：

根据回归分析的结果发现：第一种碾压方式下(2)公式的相关系数最高为0.777。将压实度控制指标96带入回归公式y=10.544ln(x)+45.67可得到Evd(96)=107.6。

在第二种碾压方式下(1)公式的相关系数较高为0.996 6，带入两个公式y=0.0 821x+87.851得到Evd(96)=99.3。

两个碾压方式的试验结论合并回归分析发现(1)公式下的回归系数最高为0.730 9，将压实度控制指标96带入回归公式y=0.076 4x+87.78可以得到Evd(96)=107.6。

3.4 试验段验证

对于该路段随机抽取了几处进行了Evd和压实度试验，用于对上述试验结果的验证。验证段落的检测结果见表8。

表8 验证结果

使用三个不同值进行结果验证，发现如果使用99.3做为合格标准，检测正确为6点错位为2点，检测正确率为75%。

使用107.6作为合格标准，检测正确点数为8点错误为0点，合格率100%。

从试验检测的角度出发，也应该使用较大值为合格标准因此认为该路段96区压实度的合格标准为Evd值>107.6。

4 结论与结语

(1)本文通过现场压实过程中的试验，分析了路基动态回弹模量Evd与压实度的相关关系，结果表明针对高液限黏性土，Evd与压实度有很好的相关关系，在一定范围内可以适用线型回归模型。

(2)通过验证试验表明，通过进行施工过程中的灌砂法压实度与Evd的试验得到的压实度与Evd的相关关系，采用动态回弹模量来检测路基压实度是可行的，具有方便快捷的优势，既能满足精度要求，又能加大检测密度进行大范围无损检测。

(3)现场压实质量检测中，宜采用双控的方法，首先通过手持式落锤弯沉仪的方法对路基段落的压实度进行大范围的检测如果全部合格，可以认为该段落压实度合格，如果有不满足的薄弱点再对单点进行灌砂法压实度检测，作为判断该段压实程度的依据。

(4)在应用Evd检测路基压实度的过程中，路基动态回弹模量Evd与压实度的关系模型的确定是最重要的环节，它是实际工程中测定路基压实度的标准，只有首先确定了动态回弹模量Evd与压实度的关系模型，才能在工程实测中实现路基压实度快速的动态无损检测。由于土质、气候及施工工序的变化，都可能对压实度与Evd的相关关系产生影响，因此建立相关模型时需要考虑多种因素，针对土质、气候、路基层位的变化及时进行修正，不可盲目套用其他地区，其他工程或层位的相关关系。结合本次试验，由于路基土取自同一个取土坑，两试验段均在相同的时间内碾压，并且相隔距离较近，因此可以认为两试验段仅存在施工水平的差异，而最后结果表明，两试验段的试验结果存在差异，会对关系曲线产生影响。

本次试验只是针对细粒土，由于地区的限制，江苏省处于平原微丘地带，土质来源选择较多，一般工程建设中都要求使用细粒土，而粗粒土由于粒径和级配的原因，在适用条件上还需要进一步的研究。在实际操作过程中，由于灌砂法测量压实度的不确定性因素较大，因此从前期的测量用具的标定，土的物理性质试验及灌沙法现场操作都应该做到专人专做，避免操作人员素质的参差不齐产生的设备误差。Evd在江苏省宿扬高速公路的细粒土试验取得了一定的成果，还需要对不同路基填料进行进一步试验，来积累数据。

[1] 公路路基现场测试规程(JTG E60-2008)[S].

[2] 公路土工试验规程(JTG E40-2007)[S].

[3] 宋振欣. 手持式落锤弯沉仪(FWD)检测土石混填路基压实度在新疆库阿高速公路施工中的应用[J]. 公路交通科技(应用技术版),2014,(10):139-143.

TU398

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1008-3383(2017)09-0017-03

2017-06-26