路基贝克曼梁弯沉与FWD弯沉关系研究

2022-10-20涂亮亮范璐璐

建材世界 2022年5期

许勐，涂亮亮，田蕾，刘忠，范璐璐

(1.深圳市天健(集团)股份有限公司,深圳 518000；2.深圳市市政工程总公司,深圳 518000；3.深圳市特区建工集团有限公司,深圳 518034)

我国目前在路面设计、验收和质量评定时，均以弯沉作为关键控制指标。现有《公路路基路面现场测试规程》中，弯沉的标准检测方法为贝克曼梁法，但是随着时代的发展，国内逐步开始采用一种新型的落锤式弯沉仪(FWD)法。该方法测试效率高、精度高、人员投入少，且能模拟实际行车动态荷载对道路结构的作用，是贝克曼梁法的理想替代方法[1,2]。由于贝克曼梁法和落锤式弯沉仪法动、静测试特征的不同，导致二者之间的弯沉值仍需进一步的转换。目前国内各省、市、建设项目已经展开了大量换算方法研究，其中大部分研究均采用了线性回归模型[2-12]。FWD弯沉与贝克曼梁弯沉直接的关系可能受路基土性、温度、湿度、填筑类型、填筑高度等因素影响，各回归模型并不相同。但这并不意味着落锤式弯沉仪与贝克曼梁之间毫无关系可寻，对于某一地区或某一类型的路面结构，两者之间存在对应关系[13,14]。论文立足于高速公路路基工程建设项目，开展动静弯沉转换关系研究，并分析了不同软基处理路段、填挖路段的影响规律。

1 测试概述

1.1 依托工程概述

此研究依托广东省某高速公路工程建设项目，线路通过区底层主要有第四系全新统(Q4)粉质黏土、淤泥质黏土、粉、细砂、中粗砂及卵砾石等。测试路段分为两个标段：

1)测试段一

沿线部分为不良地质路段，主要的不良地质为软土和砂土液化，故进行了深部处理。试验路段路基填土类型为砂性土，分路段路基状况及软弱地基处置工艺见表1。

2)测试段二

测试路段总长度为8.990 km。路段所在区域为农田湿地区，分为挖方路段和填方路段，路基填土类型为砂性土。需要说明的是，每个测试段均存在完全压实(完工)和未完全压实(未完工)路段，以模拟路基不同的状况，保证换算关系具有代表性。

1.2 测试方法

贝克曼梁弯沉测试按照《公路路基路面现场测试规程》(E60 T0951)的标准测试方法。贝克曼梁长3.6 m，测试车后轴重10 050 kg。并实时测试轮胎接地面积，以计算轮胎的接地压力。动弯沉FWD测试按照《公路路基路面现场测试规程》(E60 T0953)的标准测试方法，落锤重200 kg，加载峰值荷载为50 kN，承载板直径为30 cm，每点实测接地压力约为(0.7±0.05)MPa。在进行测试时，FWD弯沉车与贝克曼梁进行同步测试，FWD由于测试效率高，行走在前，并逐一标记测试位置，贝克曼梁标准车尾随其后，保证贝克曼梁测点位于FWD测试标记点内。测点间距10 m，均位于行车道位置处，同一路线进行往返测试，分别使贝克曼梁标准车左轮和右轮置于测点位置，并取其平均值。

2 试验结果

2.1 动静弯沉转换关系

一共对近1 000个测点进行了测试。结果表明，测试路段一，也即软弱路基段的弯沉相对更大，一方面是因为软基段未完工路段，也即未完成压实工序的路段更多；另一方面，也是软基段路基承载能力更弱一些(尽管已经进行了相关处置)。下面对弯沉数据进行回归分析。

1)直接回归法

首先采用不同函数形式直接对贝克曼梁和FWD弯沉数据进行回归分析，回归结果见表2。当选择合理的数据拟合模型时，如果拟合模型不过零点(如现有大多数研究采用的线性模型)，其物理意义不明确，即理论上讲，静弯沉为0时，动弯沉也应为0。综合考虑模型的实用性和简洁性，采用幂函数形式既有较好的物理意义，又具有较好的相关系数，结果如图1所示。

表2 不同动静弯沉转换关系(直接回归法)

故动静弯沉代表值换算关系为

lFWD=20.781lBB0.403 4

(1)

整体上贝克曼梁弯沉与FWD弯沉存在类似线性关系，但是相关性相对较差。事实上，贝克曼梁弯沉回弹弯沉包含了弹性变形及粘性变形，而FWD弯沉则主要为弹性变形部分。由于土体为粘弹塑性体，土基相较于路面基层或面层，其粘性、塑性不可忽视，尤其是压实不足，或土性质不好(偏黏性)时，其粘塑对于二者换算影响更加显著，因此可以预测路面基层和面层的动静弯沉数据相关性会更好，更容易满足《公路路基路面现场测试规程》(E60 T0953)中给定的相关系数0.95的要求。而对于土基的弯沉换算，采用直接回归分析的方式很难达到该限定。

2)代表值回归法

考虑到路基弯沉验收时采用的是代表弯沉值，因此提出将路基顶面弯沉值按照贝克曼梁弯沉测试结果进行排序，每隔10(0.01 mm)作为一个计算段，分别计算每个计算路段FWD和贝克曼梁的弯沉代表值，贝克曼弯沉和FWD弯沉数据存在较好的相关性。在此基础上，进一步进行了不同函数形式的回归分析，结果如表3所示。通过对二者代表弯沉值进行回归分析即可得到动静弯沉的转化关系模型。综合考虑模型的实用性和简洁性，采用幂函数形式既有较好的物理意义，又具有较好的相关系数，如图2所示。

表3 不同动静弯沉转换关系(代表值回归法)

结果显示采用该方法进行回归相关系数可达0.928，回归效果理想。故动静弯沉代表值换算关系为

lFWD=32.021lBB0.345 8

(2)

2.2 软土路基处置方式对动静弯沉影响

对不同的软基处置路段的贝克曼梁弯沉和FWD弯沉进行对比分析。由于采样数据量有限，无法用采样代表值回归法进行计算。因此对比分析了采用式(1)所得的预测曲线与弯沉单点值，结果如图3所示。

结果表明，软土路基路段贝克曼梁弯沉与FWD弯沉相关性相对较差，数据较离散。其中沉管碎石桩路段、高压旋喷桩、预应力管桩路段、振冲碎石桩路段与式(1)给定的转换关系吻合度较高。水泥湿喷桩路段FWD弯沉较预测值略大，且其总体弯沉较其他路段偏大，可能是该路段压实尚未完成，压实度不足，塑性变形较大，贝克曼梁回弹较少。总体来说，直接回归法所得回归关系能够较好地预测经处置的软弱路基路段。

2.3 路基填挖方式对动静弯沉影响

对该路段还按照填筑形式进行了划分，即分为填方>1 m、填方0～1 m和挖方段。由于填方0～1 m路段数据点太少，故暂不作分析。采用代表值回归法，对填挖方分别进行回归分析，结果如图4所示。

由图4可以看到，二者的相关系数均较高。由于现有对路基填筑材料的严格要求，基本上所有挖方路段都会换填性能良好的筑路材料，并且换填深度一般都大于0.5 m。因此，由以上的现场测试数据可知，填筑方式对弯沉测试结果转化关系影响较小。为明确路基填筑类型对动静弯沉转化关系的影响，采用数理统计中的假设检验分析不同路基填筑类型下的动静弯沉转化数学表达式从统计意义上是否一致。采用邹至庄检验，它可以用来判定两组不同数据的线性回归系数是否相等。统计量F为

(3)

其中，Sc是组合数据的残差平方和；S1是第一组数据的残差平方和；S2是第二组数据的残差平方和；N1和N2分别是每一组数据的观察数目；k是参数的总数。如果两模型不存在显著差异，那么该F统计量值是服从自由度为k和N1+N2-2k的F-分布。对比填方和挖方路段数据，经计算F检验量<3.738 892，证明填方和挖方路段对应的贝克曼梁和FWD弯沉幂函数转化关系并没有显著性的差别。因此，可以认为两个路段的动静弯沉转化模型一致，即填筑类型对贝克曼梁和FWD弯沉的转化关系影响较小。