道路路基压实效果评价方法研究进展

李鹏

摘  要：道路路基的碾压密实程度与路基的强度、刚度、稳定性密切相关。当前评价路基压实效果方法有：直接法，如挖坑灌砂法、灌水法、环刀法等;间接方法，如核子密度仪法、瑞雷波法、压实度计法等。不同压实效果评价方法在检测结果准确程度、适用范围、实践应用难易程度、理论基础有较大区别。

关键词：压实度;路基;承载力;影响因素

中图分类号：U416.1        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）23-0136-02

Abstract： The compaction degree of road subgrade is closely related to the strength， stiffness and stability of roadbed. At present， the methods to evaluate the compaction effect of roadbed are as follows： direct method， such as pit filling method， irrigation method， ring knife method， etc.， and indirect methods， such as nucleon densitometer method， Rayleigh wave method， compaction meter method and so on. There are great differences in the accuracy， scope of application， difficulty of practical application and theoretical basis of different compaction effect evaluation methods.

Keywords： compaction degree; subgrade; bearing capacity; influencing factors

引言

路基是路面的基礎，要承受由路面传导而来的汽车荷载及各种自然因素的作用，路基具有足够的强度、稳定性和耐久性对道路的安全营运，使用年限乃至整个道路工程全寿命周期具有重大影响。压实质量与路基的强度、刚度、稳定性及平整度密切相关，压实度是路基施工质量检验的关键项目。因此，一种结果可靠、操作方便的压实质量检测方法对路基施工质量控制和反映至关重要。

根据不同的材料种类，路基可划分为三种类型：土方路基、石方路基及土石方路基[1]。当前路基压实效果评价方法较多，依据结果来源，可分为直接法和间接法。直接法是测得测点路基密度，再直接计算压实度，如挖坑灌砂法、挖坑灌水法、环刀法、电动取土器法。间接方法，是一种间接测试方法，它采用与压实体密度相关的其它参数来反映压实体的密度。常用的有：核子密度仪法、瑞雷波法、压实度计法、瞬态冲击频谱分析法、静力贯入法，基于静载试验的路基压实度检测新方法。不同的压实检测方法在检测结果可靠程度、应用范围和理论基础上存在很大差异，故研究不同压实效果检测方法是有必要的。

1 直接法

对于直接法，压实度是道路建筑材料压实后的干密度与标准最大干密度之比，以百分率表示。即K=×100，式中：K-测试地点的施工压实度（%）;ρd-试样的干密度（g/cm3）;ρc-由室内击实试验获得的样品的最大干密度（g/cm3）。标准最大干密度需通过室内重型击实试验或施工前的振动压实试验获得，压实后的干密度通常采用挖坑灌砂法、挖坑灌水法、环刀法、电动取土器法现场检测。不同的干密度检测方法基本原理相同，但具体适用范围有较大差异。

1.1 挖坑灌砂法压实度检测

原理是在测点位置垂直挖出一个圆孔，并使用均匀的砂粒，从一定高度落入规定体积的圆柱洞内，根据单位质量恒定的原理测量试验孔的体积。但这种方法仅适用于现场测定细粒土、砂类土和砾类土密度，不适用填石路堤等有大孔洞或大孔隙材料压实层的压实度检测。

1.2 挖坑灌水法压实度检测

它也被称为水袋法，首次出现在美国，并于1963年列为美国标准[2]。在测量试坑体积时，沿着试坑的内壁和地面紧密的铺贴聚乙烯塑料膜薄膜，注入水，并测量注入水的体积作为试验坑体积。适用于粗粒土和巨粒土的密度现场测定。

1.3 环刀法

通过已知的环刀体积和重量，测量测点土的密度。适用于测定细粒土的密度。

1.4 电动取土法

采用钻机钻出土样，然后用环刀法室内试验测定土的密度。该方法适用于快速测定硬塑性土的密度。

直接法是传统的压实检测方法，目前较为成熟，原理简单，应用范围最广。但具有较明显缺点，如对路基损坏较大，特别是测点会影响道路结构的完整性和承载能力;应用范围有限，主要适用于土质路基;另外，这些方法检测速度慢，测试过程复杂，耗时费力，影响施工进度。

2 间接法

路基材料填筑密实时，在外界荷载作用下，孔隙率下降，密度逐渐增高，进而强度、变形模量不断增加并逐渐趋于稳定状态。故采用其它与路基材料密度密切相关的参数如波速、力学性能等，间接反映压实程度的途径成为可能。目前有较多具有一定实用价值的研究方法，包括核子密度仪法、瞬态冲击频谱分析法、瑞雷波法、压实度计法、基于PFWD压实度快速检测法、基于静力贯入的压实度确定方法、基于静载试验的压实度检测新方法。间接法具有方便快捷，无需损坏破坏路基特点，是当前压实度检测研究重点和方向。

2.1 核子密湿度仪法

核子密湿度仪法是最早应用于道路压实度检测方法，是国外用于现场控制压实度最常用的方法，也经常用于国内高速公路工程质量评定与验收。原理是使用对材料密度敏感的伽马射线和对水分含量敏感的中子射线穿过被测物体后产生散射衰减，产生Compton[3]散射效应，通过检测两种射线在被测物体内散射前后的强度变化规律，结合现场同测点实测密度和含水率值，即可确定被测物体的密度和含水率。该方法可以检测土壤、碎石、土石混合物、沥青混合料和非硬化水泥混凝土等材料。该方法属非破坏性的，允许重复测试相同的测试位置并监测密度和压实度的变化，以确定合适的碾压方法，达到所要求的压实度，具有方便、使用快速的优点。然而，该法使用的设备昂贵，受测定层温度及多种环境因素的影响，其测定值的波动性较大，对填料的非均质变化反映敏感，不宜用于土石混填、填石路基压实度检测[4]。

2.2 瑞雷波法

瑞雷波在路基材料介质中传播时，波速几乎不受材料中含水量影响。张献民等[5]通过理论分析，发现瑞雷波波速随路基密度的增大而增大，可构建二者的关系进而检测压实度。考虑到实际土质条件的复杂性，设计了瑞雷波速度VR和介质密度ρ的四种相关数学模型：ρ=a+bVR，ρ=a+blgVR，ρ=aebVR，ρ=aVbR，式中ρ表示土的密度，VR表示瑞雷波速度，然后通过比较松散至最佳压实土范围内不同压实条件下瑞雷波速与环刀法测得的干密度，建立了瑞雷波速度与干密度的关系，并选取了最佳模型ρ=0.3316V0.3166R，根据此模型，发现根据此模型获得的结果与通过环刀法实际检测获得的测试结果非常一致。刘会勋，赵明阶等也对瑞雷波法进行了研究[6-8]。瑞雷波法操作简单，经济性好，检测速度快，但对操作人员技术要求有较高要求。瞬态冲击频谱分析法与瑞雷波法相似，不再专门列举。

2.3 压实度计法

原理是在压实过程中，路基将在振动压实机械的钢轮与路基压实体之间产生谐振，钢轮的加速度信号的频率、振幅、周期、波形特征与压实体的压实度之间存在相关性。通过在采集的加速度信号和压实度之间建立相关经验公式，可以实现路基的压实度检测[9]。瑞典Geodynamic，东南大学，水利水电科学研究院，长安大学王振花等均通过进行了大量的研究工作，并分别研制了不同类型的压实度计[9-12]。压实度计的检测与施工是同步进行，边压边测。但该方法比较适合于土质路基的压实，如用于土石混填路基，存在检测值与实际值偏差较大的问题，其适用性需要进一步研究。

2.4 基于PFWD、静力贯入、静载试验的压实度检测新方法

PFWD压实度快速检测法基于路基碾压沉降差与对应的PFWD变形模量，建立了两者之间的关系。根据实体工程沉降差的要求，提出满足压实要求的Evd值[13]对其压实质量和压实的均匀性进行评价。王龙等[14]对这种检测法进行了研究，阐述了其可行性。随着中西部公路工程建设需要，针对中西部多山地区采用土石混合料回填路基压实成为施工中常见技术，但目前压实度检测技术针对土石混合料压实度检测可靠性存疑，为此基于静力贯入或静载试验的压实度检测新方法近年来得到广泛的研究，取得了一定成果但仍难以满足现有条件要求。

3 结束语

目前工程实践中应用较多、范围较广、较成熟的检测手段仍以直接法及核子密湿度仪为主。但存在适用范围有限，劳动強度大或经济成本高等缺点，间接法检测成为替代直接法检测的趋势得到了大量的研究。

土石混合料的工程实践应用日益较多，但其压实效果检测方法存在局限性。现有研究多集中在基于PFWD、静力贯入或静载试验，但普适性不足，未来具有较大的研究价值。

参考文献：

[1]JTG F10-200.公路路基施工技术规范[S].

[2]ASTM D2167-08.Standard test method for density and unit weight of soil in place by the rubber balloom method. American Society for Testing and Materials，2008.

[3]M Stoitsov.Nuclear density functional theory.Physics of Particles and Nuclei， 2010，Vol.41（6），868-873.

[4]J.L.Burati and G.B. Elzoghbi.Correlation of Nuclear Density Results withCore Densities.In Transportation Research Record 1126，TRB，NationalResearch Council，Washington，D.C. ，1987.

[5]张献民.公路工程瞬态激振无损检测技术[J].土木工程学报，2003，36（10）：105-110.

[6]刘会勋，李青山，丁红岩.公路工程瞬态锤击检测技术[J].中国公路学报，2008，21（4）：37-42.

[7]赵明阶，黄卫东，韦刚.公路土石混填路基压实度波动检测技术及应用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[8]董海文.瞬态瑞雷面波法在公路工程质量检测中的理论与应用研究[D].长沙：湖南大学，2005.

[9]廖秋林.土石混合体地质成因、结构模型及力学特性、流固耦合特性研究[M].北京：中国科学院地质与地球物理研究所，2006.

[10]王振花.车载式压实度计的研究开发[D].西安：长安大学，2002.

[11]张奕.智能压路机控制系统设计及关键技术研究[D].西安：长安大学，2004.

[12]张智明.压实度计及其试验研究[D].西安：长安大学，2002.

[13]董秀文，谢强，郭永春.Evd与动态模量Ed相关关系的试验研究[J].路基工程，2006（6）：43-45.

[14]王龙，解晓光.基于PFWD碎石土路基压实快速检测与均匀性评价方法[J].哈尔滨工业大学学报，2013，45（2）：66-71.