基于填石路基的K30与Evd检测方法相关性分析及选用

王方林 何东坡

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

填石路基不同于土路基，路基填料由70%以上的石料组成，承载能力强，后续沉降量小，排水性能好，是一种优良的路基建筑材料[1]，由于路基中存在大量孔隙，在压实过程中孔隙逐渐变少，强度逐渐增大。研究碾压后的路基填筑质量，如何寻找合适且精确的检测手段就十分必要。

1 工程概况

本试验路位于京漠公路(樟岭至西林吉段)，国道北京至漠河公路樟岭(塔漠界)至西林吉段工程起于塔河与漠河交界K375+850处，与国道京漠公路瓦拉干至樟岭(塔漠界)段终点顺接，止于漠河至北极村公路K4+500处，与漠北公路衔接。全长81.202 km，主线和漠河支线采用二级公路标准，沥青混凝土路面，设计时速80 km/h，路路宽12 m，路面宽度10.5 m，A1标段桩号K375+850～K425+290共48 km。对试验路的填料进行筛分实验，37.5 mm筛上质量占比70%以上，按照规范属于填石路基。

2 填石路基检测

2.1 动态变形模量(Evd)测试原理

动态变形模量(Evd)反映了路基在动荷载作用下的承载力指标，是一种路基填筑质量检测方法，该试验利用落锤自由下落时产生的动荷载，模拟车辆运行时对路基面产生的冲击效应，进行动力加载，检测路基在动荷载作用下的动应力和动应变参数，并以此计算反映动态变形模量Evd值。动态变形模量(Evd)测试应用动荷载，补充地基系数K30平板荷载试验仅用静力加载，而缺少反映道路通行时受到动荷载的影响的缺点。

2.2 动态变形模量(Evd)测试方法

动态变形模量测试仪由加载装置、载荷板和沉陷测定仪三部分组成。仪器可以测得沉陷测试范围： 0.1 mm～2.0 mm±0.05 mm，动态变形模量(Evd)测试范围：10 MPa

现场测试操作方法：将荷载板置于事先平整好的平面上，将测试导杆和落锤组装好，利用水准泡来观察导杆是否垂直于地面；将落锤提高到指定位置并由挂钩固定住，扳动挂钩使落锤落下，落锤作用在荷载板后，回弹时应迅速抓住落锤，并使之回归挂钩位置。注意不要使得落锤第二次冲击在钢板上，否则影响后续实验结果。进行三次预冲击，然后进行三次正式测试并做记录，记录每个测点的位置和填料的相关数据[2]。测试时应稳定荷载板的位置，使之尽量不要移动。

检测中应遵循以下要点：

1)测试平面须用工具或者通过荷载板的转动、推移来整平。在上述方法无效时，可以用少量的填料进行整平；

2)测试前检测导杆的垂直情况，应与现场测试平面垂线夹角小于5°；

3)测试前检查仪器的落距与出场时是否一致；

4)每点测试前先做三次预冲击，旨在消除部分路基表面存在松动的影响，减少路基塑性变形带来的影响，可使最终检测结果更精确。

动态变形模量(Evd)测试存在以下优点：结构简单，易于操作，测试结果能较为准确反映出路基的压实情况，测试者经过简单的培训即可掌握测试方法。其单点测试快，平均在5 min以内，在小范围内测量迅速。适合在狭小的场地如桥头等地点测试，在施工过程中可以同步监测路基施工质量而不影响施工进度，是一种较为先进的路基质量检测方法。虽然动态变形模量(Evd)测试存在众多优点且使用方便，但是要控制其测试过程中产生的误差，需要测试人员严格按照说明书操作。如果路基表层有松土，会产生异常低的数值，预压后会减少异常数值，必须将测点清理平整后，再进行相关检测。

2.3 地基系数(K30)检测原理

地基系数(K30)检测是在刚性板上逐级施加荷载，检测在荷载作用下地基的强度。地基系数K30的检测结果与填料本身性质、加载的方式、荷载板的形状、大小都相关，Evd测试与K30测试使用的荷载板同为半径15 cm的圆形荷载钢板，但各自加载方式不同，检测原理也不相同。

2.4 地基系数(K30)测试方法

现场检测需要注意以下几点：测试场地应事先整平，当测试点处于斜坡时，由于测试利用上部荷载的重力，所以需要将测试点所在位置整理水平。根据现场情况来合理选择测点位置，避开附近震源。

1)注意保持路基原始状态，避免测点选在有松动大石块的位置；将荷载板置于测试平面上，使荷载板与地面接触良好不存在脱空现象，必要时可铺少量中砂或细沙找平。

2)放置荷载板：使用水准尺将荷载板调整至水平。荷载板最外缘与反力装置支撑点间距大于1 m。

3)荷载板中心凹槽内放置千斤顶承力装置，使千斤顶保持竖直。

4)安装测桥：测桥的支撑底座设置在荷载板外缘的1 m以外，千分表须在测桥两端相互对称，与荷载板中心保持相同距离。

5)加载试验：在试验开始前先加 0.01 MPa荷载，进行预压30 s，等待路基稳定后解除荷载，将百分表读数作为初始值；以0.04 MPa作为每一级加载量，静置1 min所产生的沉降量不应大于刚加载产生的1%，满足条件后记录千分表读数，进行下一级荷载增加工作。当路基总下沉量超过1.25 mm时或者荷载超过地基所能承受的最大压力达到地基的屈服点时，实验立即停止[3]。由于加载不均和土体本身状态影响，可能会产生严重倾斜，出现严重倾斜时应将试验点下挖30 cm并重新进行试验。本次测试过程中并未出现倾斜现象。

3 动态变形模量(Evd)与地基系数(K30)相关性分析及检测方法选用

3.1 试验路检测结果

选取试验路京漠公路K415+000～K415+250的填石路基路段作为实验对象，为了不影响其他施工环节，在路基的右侧路段选取7个点位作为检测目标，在同一点上分别使用动态变形模量以及地基系数按照上文所述进行标准检测。检测时先使用动态变形模量测试仪进行检测，以免地基系数检测过后的测试点过度碾压，影响测试准确性。测试结果如表1所示。

表1 K30与Evd检测数据

按照规范《铁路路基工程施工质量验收标准》中要求，路基表层(压实度95%)，地基系数K30应不小于150 MPa/m，根据TB 10020—2009(试行)高铁路基设计规范规定，基床表层级配碎石地基系数K30均大于190 MPa/m[4]。按照设计文件中的要求，路基干燥状态下弯沉值不超过180(0.01 mm)，中湿状态不超过200(0.01 mm)。通过弯沉值与弹性模量换算公式可得，干燥状态路基顶面模量不小于40 MPa，规范中规定二级公路路基顶面变形模量不小于35 MPa，取其中相对高的40 MPa作为本次实验的标准，以上7个测点的动态变形模量与地基系数均满足规范和设计文件要求，可以进行下一步的相关性分析。

3.2 相关性分析及检测方法选用

由于对以上两种路基质量检测方法进行相关性分析，根据格拉布斯准则[5]，先剔除粗大误差数据后进行相关性拟合。进行K30和Evd数据的回归分析，由于二者都是对地基质量检测，且随着碾压程度的增加而增加，故采用线性模型分析，根据origin和excel的拟合显示，拟合方程为y=0.302 7x-12.13(x为地基系数；y为动态变形模量)，相关系数R2=0.901 6，如图1所示。

相关系数数值接近1表明回归方程整体的拟合度较好，二者呈强相关。从检测原理上可以发现，动态变形模量(Evd)虽然是施加动载，但动载在20 ms左右的时间内与地基接触完毕，在地基尚未产生塑性变形时已完成作用，可以认为测量的是弹性模量，与静态的地基系数存在检测原理上的一致性[6]，分析二者相关性存在一定意义。两种路基质量方法作为无损检测设备，在不破坏路基完整性前提下，相比灌水法能节省路基检测时间，为后续施工工序提供便利。建议对动态回弹模量不足的区域进行复测，以确定最终的补压区域，减少机械台班的浪费。

4 结论

本文在京漠公路(樟岭至西林吉)A1标段的填石公路上，分别使用动态变形模量(Evd)和地基系数(K30)进行路基填筑质量的检测，在试验路上布置7个测点，其测试结果均满足规范与设计要求。对两种检测方法的结果进行拟合，发现动态变形模量(Evd)测试与地基系数(K30)测试存在强相关性，相关系数达0.901 6。证明两种测试方法选择其一即可，在这里优先选用动态变形模量(Evd)进行路基填筑质量的检测，其仪器简单易用，减少检测实验的工作量，降低检测工作的复杂性，减少人力物力的使用，推荐作为质量监控手段，实时检测填石路基顶面动态变形模量，对检测不合格路段及时进行补压作业，可以有效提高施工效率，是一种优秀的路基填筑质量检测方法。