快速液压夯动力补强效果无损评价试验

李晋，崔言晨，姜鹏，2*，程德刚，崔新壮,2，左珅

(1.山东交通学院交通土建工程学院，济南 250357；2.山东大学土建与水利学院，济南 250061；3.济南金曰公路工程有限公司，济南 250101)

公路工程建设中保证路基压实度能够有效地提高道路的承载能力和使用寿命，然而目前路基压实施工中，在路基施工弱碾区诸如三背(桥台背、挡墙墙背、涵洞涵背)回填处、路肩边坡沟槽处、既有路基改扩建结合处、各种填挖部接缝处等场地狭窄的位置填筑时，一些大型压实机械不能进场或运行不便，而小型的夯实设备又存在压实功过小、施工效率低下等问题，导致这些位置的压实质量较差[1]。快速液压夯实技术是近年来新兴起来的一种夯实技术，通过高强度、高频率反复施压，快速液压夯压实效果良好，施工作业盲区小，且对临近构筑物破坏性影响小[2]。Mohammed等[3]通过原位试验研究了快速液压夯夯实作业前后的地基土指标，评价了其地基改良效果，总结了液压夯的工程应用性；苗学云等[4]依托青海东部某公路工程探究了液压夯施工参数对涵洞涵背回填处夯实效果的影响，基于压实度这一工程指标进一步优化了液压夯实的施工工艺；朱家剑等[5]基于现场试验研究，进一步提出了液压夯补强路基质量控制标准。

由此可见，快速液压夯可以有效提高土的承载力，且机动灵活，工程应用性高，然而目前多采用灌砂法等压实度抽样检测的方法进行液压夯夯实质量检测[6]。显然，在大规模的路基压实处理工程中，这些方法效率低下，受人为因素影响较大，虽然对于单个样本而言准确度较高，但检测结果不具有普遍代表性，且大多检测方法都属于破坏性有损检测。瞬态面波无损探测是一种进行压实效果评价行之有效的方法[7-8]，基于对频散曲线的分析可以建立波速和各种物理力学参数的计算模型。董海文等[9]通过灌砂法现场测得压实度，建立了瑞雷面波速与压实度关系；娄晓龙[10]采用环刀法计算现场某层碾压完填土的平均压实度，然后和该层填土平均波速进行标定得到了压实度与瑞雷波波速关系；刘会勋等[11]通过室内试验拟合出了压实度与瑞雷波波速的数学模型。由此可见，瞬态面波探测多直接采用现场路基表面压实度或室内压实度标定，而实际上，土体表层高频段面波信噪比较低会引起较大误差[12]，在无法得知现场土体内部土体参数信息，考虑单一、片面的压实度指标开展瑞雷波速标定工作具有一定局限性。

因此，现采用现场原位试验与瞬态面波无损探测技术相结合的方式评价液压夯路基动力补强效果，在考虑现场实测路基土内部含水率指标的基础上，提出一套基于瞬态面波的压实度无损检测经验模型，合理、高效地对路基压实效果进行快速无损评价，以期对保证夯实质量、提高施工效率产生一定工程意义。

1 试验概况

1.1 回填土性质

试验路段选择G220东深线长清陈庄至长清平阴界段改建工程文昌立交路基段，场地上部自地表填土以下分布有湿陷性黄土，呈褐黄色，可塑—硬塑状态，含白色钙质条纹，少量植物根系、姜石、碎石，具虫孔，对用于铺筑的填料进行随机取样后，分别进行土壤液限塑限、掺灰(6%)前后颗粒密度、标准击实试验、加州承载比(California bearing ratio，CBR)测定等试验，依据试验结果(表1)鉴定土壤类别并确定指导现场施工的相关指标。根据《公路工程地质勘查规范》(JTGC 20—2011)，判定场地内黄土为一般性粉质黏土，湿陷系数为轻微—中等，湿陷等级为I级(轻微湿陷)，利用土方最大干密度为1.93 g/cm3，最佳含水量为12.0%，路基分层填筑高度为5 m，为了减少道路占地，右侧设有扶壁式挡墙，支挡结构厚度0.5 m，高6.1 m，扶壁厚度0.5 m。

表1 土工试验结果

1.2 机械参数

快速液压夯主要由液压系统、电子控制系统、夯锤、夯板、夯架、缓冲装置等组成。采用山东泰安恒大机械有限公司生产的高速液压夯实机在原来初步压实完毕后的路基上进行夯实补强作业，其具体参数见表2。

表2 泰安恒大机械技术参数

2 试验方案

2.1 瞬态面波试验方案

采用HC84液压夯进行夯实作业，在规定区域完成方案中的夯实组数(每组10锤)，如图1所示，然后分别开展瞬态面波无损检测，试验现场采集分析工作选用PDS-LV无线面波仪、PDSPS无线动测仪和瞬态瑞雷波分析软件SWCT。根据现场实际情况，选定检波器频率为100～200 Hz，采样道数为12道检波器，道间距为1 m，偏移距2 m，采样间隔5 μs～50 ms，采样数据长度为1 024点。触发方式外触发，激振设备为铁锤和锤垫，用瞬态瑞雷波法共检测3个断面(夯实0组断面、夯实2组断面、夯实4组断面)和9个测点，试验现场如图2所示。

图1 现场夯实方案

图2 瞬态面波现场无损检测

2.2 土工试验方案

根据试验方案，采用HC84液压夯夯实完成计划的夯实组数后，本着尽量少破坏现场的原则，在规定区域采用钻孔机干取规定深度(地表以下0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m)的芯样并进行编号，如图3所示。

图3 钻孔取芯及芯样检测

同时依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[13]采用环刀法现场制备试样，整平干取芯样的两端，用修土刀将芯样四周剥掉取芯样内核，削成略大于环刀直径的土柱。称取环刀质量m1，然后在其内壁涂抹一薄层凡士林，刀口向下放在土柱上，然后将环刀垂直下压，边压边削，至土样伸出环刀上部为止。削去两端余土，使土样与环刀口面齐平，并用剩余土样采用酒精燃烧法测得含水率w；擦净环刀外壁，称得环刀与土合质量m2，精确至0.1 g，最后计算得干密度ρd、孔隙比e，并记录数据。

3 瞬态面波探测工作原理

(1)

在同一测点对一系列频率f求取相应的VRi值就可以得出一条VR-f曲线，即所谓的频散曲线，即

λR=VR/f

(2)

可将VR-f曲线转换为VR-λR曲线，VR-λR曲线的变化规律就反映了该点介质深度上的变化规律，沿测线不同的VR-λR曲线则反映了介质沿剖面方向上的变化特征。

在等效半空间条件下由激振产生的瑞雷波传播速度VR与动剪切模量G、密度ρ关于泊松比μ的关系为

(3)

可以看到，当土质参数确定时，瑞雷波速VR与土体密度ρ存在幂函数关系，土体密度ρ可以通过瑞雷波速VR反算得到，而对于填土路基，其压实度K=ρ/ρ0，其中ρ0为土体试样进行标准击实试验所达到的最大干密度，因此压实度K理论表达可推导为

(4)

式(4)中：a、b为相关系数，考虑了动剪切模量G、密度ρ、泊松比μ、最大干密度ρ0等参数，对于每种土质是固定常数。

基于此理论，目前学者们通过瞬态面波仪测得瑞雷波速以及通过灌砂法测得压实度，可标定出相关系数a、b，从而得到式(4)的具体表达式进行土体内部压实度值检测。实际上通过灌砂法仅可以测得路基土体水平表面的压实度值，并无法测得路基沿着纵向深度变化的压实度值，仅以土体表面压实度推导表达式[式(4)]必然会产生部分偏差，影响结果精度，因此拟在瞬态面波无损探测的基础上考虑土体内部参数变化，提出一种基于瞬态面波的压实度检测方法及应用。

4 结果与分析

4.1 瞬态面波检测

回填路基与原状路基、地基同层数之间必定存在一定的物性差异，在这些物性分界面处瑞雷波会发生频散现象，其传播速度又与填料物理力学性质密切相关[16-17]，从而为基于瞬态面波的压实度检测应用提供了研究方向。根据试验方案采用HC84液压夯进行夯实，夯实完规定遍数后开展瞬态面波无损勘探，得到结果如图4～图6所示。

图4 未夯实路基断面瞬态面波探测

图5 夯实2组路基断面瞬态面波探测

图6 夯实4组路基断面瞬态面波探测

通过图4～图6波速云图可以看出，由于路基分层填筑施工，瑞雷波波速呈现明显的层状分布，路基高程为5 m，对应深度在-4.8 m左右的位置云图颜色变深，波速变快，表明由此处往下岩土体的密实度增高，属于地基部分。从波速云图可以看出由浅处到深处(从路基表面到地基)波速是呈增大趋势的，反映出当前路基断面由浅到深土体密实度越来越高。相比于自重压实因素，机械压实更能够明显提高土体的密实度。由不同夯实次数下的路基断面波速云图，即图4(b)、图5(b)和图6(b)对比可看出，夯实次数越多的断面，同一深度处的瑞雷波速较大，在5 m深度处(路基底部)，未夯实的路基断面波速为1 000 m/s左右，而夯实2组的路基断面波速达到1 600 m/s左右，夯实4组的路基断面瑞雷波速可达2 800 m/s左右，由此可见液压夯可以有效提高土的密实度，工程应用性高。

在层状介质中，瑞雷波能量的传播深度和它的波长有关，波长越长的瑞雷波，它的能量传至地表以下的深度也越大。瑞雷波传播的速度与瑞雷波传播深度内介质的弹性参数有关，包括介质的密度、压缩波和剪切波速度，而主要的影响参数是介质的剪切波速度。注意到三种工况下的波速云图在1 m深度左右的位置波速变慢，本来波速较高的断面区域内出现了波速较低的颜色带，分析施工阶段在路基分层填筑到4 m高程左右的位置出现夏季降雨，随后迫于工期收紧填料没有进行充分翻挖晾晒，仅靠压实机械进行振动压实后就继续填筑下一层填土，这一层的填料含水率较大，介质的密度不高，压缩波和剪切波速度传播受到很大影响，在后期不同工况下的波速云图中也得以体现。由此可见，研究水平地层瑞雷波的频散特征，可以较为精确地求得地层内部不同深度的弹性参数，通过反演分析即可对地层的速度和介质层厚度进行划分。

4.2 土工试验检测

根据试验方案采用HC84液压夯进行夯实作业，规定组数夯实完毕后，利用钻孔机采用不加水的方式干取土芯，保证土样参数不受影响，取得规定深度的土芯后，采用环刀法现场即时取样(选择土芯中央内核作为取样部位)开展土工试验，就地进行含水率、干密度、压实度、孔隙比等土体参数检测，其结果如图7所示。

图7 土体参数变化

由图7可知，随着距离地基的高度增加，干密度和压实度逐渐提高，从距离地基1.0 m到距离地基5.0 m高度处(即路基表面)，夯实2组的压实度从89.67%提高到97.01%，夯实4组的压实度从90.24%提高到98.13%，在路基表面处夯实2组的路基压实度与未夯实路基相比提高了1.95%，夯实4组的路基压实度与未夯实路基相比提高了3.13%；从距离地基1.0 m到路基表面处，夯实2组的干密度从1.731 g/cm3提高到1.892 g/cm3，夯实4组的干密度从1.742 g/cm3提高到1.894 g/cm3，在路基表面处夯实2组的路基干密度与未夯实路基相比提高了0.91%，夯实4组的路基干密度与未夯实路基相比提高了1.01%。以上可看出夯实组数越多液压夯压实效果越明显，路基深处的地方受到夯实作用影响减弱，逐渐呈现较大离散性。

注意到距离地基4 m左右处土体参数出现突变，究其原因仍是当时降雨没有充分翻挖晾晒路基填料，导致压实度较差。土工试验结果进一步验证了前文瞬态面波检测结果，囿于现场填料性质离散性较大，气候降水影响，取样点测得数据有限，压实度孔隙比仍呈现较为明显规律性，说明7 t夯锤的液压夯影响范围能够有效覆盖5 m厚的填料厚度。虽然增加夯击次数能够起到作用，但必然受到边际效用递减规律，过度夯实会造成资源浪费，影响施工效率，如何判别填料是否达到压实标准，是目前液压夯实施工作业面临的问题，因此提出基于瞬态面波的压实度检测应用，以期解决上述工程问题。

4.3 基于瞬态面波的压实度检测

土在最佳含水量状态时能够达到最佳压实效果，含水率的增大会弱化路基覆土的结构强度[18]，李俊[19]也给出了固定含水率下土体压实度与瑞雷波波速的关系，因此在进行瑞雷波速与压实度关系曲线标定时有必要考虑含水率作为变量之一进行回归拟合，以期提高反演精度。测读出三种工况下(未夯实、夯实2组、夯实4组)不同土层深度下(距离地基高度1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m)的瑞雷波波速值，如表3所示。

表3 土体参数

测读出26处土体参数数据，即试验样本容量n=26，结合不同土层深度下的含水率变化，对不同土层深度下的压实度K变化情况进行曲线回归拟合，其经验模型如式(5)所示，将该非线性回归经转化为线性回归模型计算相关系数可知R=0.886。查相关系数临界值表可知，自由度df=24，在显著性α=0.01水平下经线性内插计算得R0.01(24)=0.497，显然R=0.886>R0.01(24)=0.497，表明该模型与实测压实度具有显著的相关性，其拟合曲面如图8所示。

图8 压实度拟合曲面图

(5)

式(5)中:K为压实度，%；x为瑞雷波波速值，m/s；y为含水率，%；ρ0为最大干密度，现场实测中ρ0=1.93 g/cm3。

进一步地，选取G220东深线长清陈庄至长清平阴界段改建工程K275+100～K275+300段左幅路基段现场部分试验数据进行验证，考虑到过度夯实造成的效果提升边际效应，设置夯实1组的效果检测，其结果如表4所示。

由表4可见，计算压实度误差值能够保持在±2%误差之内，由此可见本文推导的压实度经验模型对于一般性粉质黏土的压实度检测具备一定的普适性。观察不同夯实工况下的地表压实度实测情况，夯实1组压实度比未夯实压实度提高了1.59%，夯实2组压实度比未夯实压实度提高了2.16%，相对于夯实1组仅提升了0.57%。为避免过度夯实造成资源浪费，因此建议最优夯实效果的夯击组数为1～2组即可。

表4 经验模型验证结果

5 结论

通过土工试验检测和瞬态面波的压实度检测等方式开展快速液压夯动力补强效果无损评价试验研究，得到结论如下。

(1)由于路基分层填筑施工，瑞雷波波速呈现明显的层状分布，从波速云图可以看出由浅处到深处波速呈增大趋势，反映出当前路基断面由浅到深土体密实度越来越高。相比于自重压实因素，机械压实更能够明显提高土体的密实度。由不同夯实次数下的路基断面波速云图对比可看出，夯实次数越多的断面，同一深度处的瑞雷波速较大，液压夯可以有效提高土的密实度，工程应用性较高。

(2)干密度和压实度随着距离地基的高程增加逐渐提高，在路基5 m处夯实2组的路基压实度与未夯实路基相比提高了1.95%，夯实4组的路基压实度与未夯实路基相比提高了3.13%；在路基5 m处夯实2组的路基干密度与未夯实路基相比提高了0.91%，夯实4组的路基干密度与未夯实路基相比提高了1.01%。可看出随着夯实组数增多，液压夯压实效果存在边际效应，提升并不明显。

(3)瑞雷波速可以反算得到路基内部不同深度处的压实度，而目前研究仅考虑路基表面压实度与瑞雷波反算压实度进行标定，具有一定局限性。在进行瑞雷波速与压实度关系曲线标定时考虑含水率对瑞雷波速的影响进行回归拟合，建立土体内部纵向压实度经验模型，可以合理、高效地对土体压实度变化趋势进行实时快速评价。

(4)通过压实度经验模型计算误差值保持在±2%误差之内，该模型对于一般性粉质黏土的压实度检测具备一定的普适性，为快速液压夯动力补强效果的无损评价提供了有力的支撑。同时，为了避免过度夯实，建议最优夯实效果的夯击组数为1～2组。