杨 恒

(湖南省航务勘察设计研究院)

0 引 言

路基回弹模量是表征路基抗变形能力及路面结构设计的主要参数之一,对路基路面结构的强度、刚稳定性、使用性能和使用寿命起着决定性的作用,因其受地质条件、地区气候、施工质量、测试方法等诸多因素的影响,使其数值的确定比较困难,也就给设计与施工带来很多的不确定因素和问题,其取值大小直接影响着路面结构层的设计厚度和路基路面的施工质量。因此对路基回弹模量的快速检测方法的研究是十分必要的。路基回弹模量的试验测试方法主要有承载板法(室内、室外)、弯沉测定(贝克曼梁弯沉仪和FWD落锤式弯沉仪测定)法等。这些测试手段都存在着测试时问长、测试复杂、测试人员多、偏僻地方不宜到达的缺点。因此寻找一种快速简便的检测方法至关重要。

便携式落锤弯沉仪简称PFWD,是一种动力承载能力试验检测设备,是继落锤弯沉仪(FWD)后的又一种新的动态模量快速检测无损检测设备。PFWD可用来确定路基承载能力,获得路基的动态回弹模量。对于特殊土路基回弹模量及其性质的研究对于公路路基路面设计、施工质量控制等都具有十分重要的作用和实际意义。

1 PFWD的测试原理及检测分析

便携式落锤弯沉仪(PortableFallingWeightDeflectometer)简称PFWD,是一种动力试验检测设备,可获得路基的动弹性模量。PFWD检测流程如图1。

图1 PFWD检测流程图

路基是弹塑性体,其本构关系呈非线性。PFWD作用于路基表面时,由于PFWD冲击力较小,作用时间很短,只有20ms,得到的荷载与变形关系近似线弹性。因此,可以采用弹性理论分析路基在PFWD荷载作用下的应力与位移。承载板属静载试验,而PFWD检测是动载试验,两者的性质不相同。可将路基视为弹性半空间体。同时,PFWD直接以刚性底盘作用于路基表面,以落锤冲击底盘获得荷载,所以用PFWD测定路基回弹模量时,理论模型可采用刚性承载板下的弹性半空间体模型。图 2为刚性承载板下弹性半空间结构受力。

图2 刚性承载板下弹性半空间结构受力图

PFWD测定路基回弹模量所取的变形值即为表面中心处的垂直位移值,所以理论公式可由公式 1表示。

在实际测定路基回弹模量时,还要具体考虑式(1)中各参数的单位。上述式中,p为实测的承载板压力,kPa;a为承载板半径,现场通常采用半径为 15cm的承载板,室内一般采用直径为5cm的承载板;μ为泊松系数,对于路基土取μ=0.35;l为实测的承载板中心弯沉,μm;Ep为路基回弹模量,MPa。

2 路基情况

对京珠高速复线湖南段衡阳至桂阳高速公路(以下简称“衡桂高速”)有代表性的 3组岩样进行了岩石矿物分析,红砂岩的岩矿成分分析结果汇总见表 1。另外通过试验测得它的液限是28.2%,塑限是20.9%。通过击实试验测得它的最大干密度为2.14g/cm3,最佳含水量为8.84%。红砂岩属于中生代白至纪(K)的沉积岩,通过偏光显微镜和电子显微镜观察,红砂岩呈孔隙式胶结,颗粒支撑,胶结物以泥质为主,铁质次之,有大量勃土杂质充填。铁质在红砂岩中大多数是以浸染物的形式存在,因此对红砂岩的工程性质影响很小。此外,红砂岩与其它一般石英质砂岩相比,可以明显看出红砂岩孔隙率较高,且有不少大孔。

从红砂岩的矿物成分分析结果可知,红砂岩含有勃土矿物——膨润土,是导致其遇水膨胀、变软、风化的主要原因。膨润土也叫斑脱岩或膨土岩,它最早发现于美国的怀俄明州的古地层中,为黄绿色的勃土,因加水膨胀成糊状,后来就把这种性质的勃土统称为膨润土。膨润土的主要矿物成分是蒙脱石,含量在 80%～90%,另含有少量长石、石英、贝得石、方解石及火山玻璃。红砂岩的松散的微观结构及所含勃土矿物,是影响其工程性质的物质基础和内在原因。

表1 红砂岩的矿物成分及其含量

对红砂岩的在饱水状态、自然状态和干燥状态三种情况下分别进行了单轴抗压强度试验,得到三种状态下单轴抗压强度的平均值分别为9.5MPa,16.3MPa和38.0MPa。红砂岩的强度随含水率的增大而减小,且减小的幅度比较大。在干燥状态下红砂岩的单轴抗压强度大约是自然状态下的2.5倍,而饱水状态下红砂岩的单轴抗压强度大约是自然状态下的强度 60。所以其并不是一种良好的路基填料,若作为路基填料应严格控制压实。

3 红砂岩回弹模量PFWD现场快速检测

我们通过使用PFWD、现场承载板、BB梁三种检测方法对京珠高速复线湖南段衡阳至桂阳高速公路 1,2,3段的动回弹模量,静回弹模量以及弯沉进行了检测,所得检测结果列于表 2中。

表2 红砂岩路基回弹模量值

表中的PFWD所测模量是根据式 1计算所得。贝克曼梁反算模量 E1是根据公式 1计算得到的。贝克曼梁反算模量E1是根据下面的公式(2)计算得到的

式中:E1为计算的土基回弹模量,MPa;p为测定的车轮平均垂直单位压力,MPa;r为测定用标准车双圆荷载单轮传面当量圆的半径,cm;μ为测定层材料泊松比,根据部颁路面设计规范的规定取用;K为弯沉系数,为0.712;S为回弹弯沉测定值标准差,0.01mm;Lr为计算代表弯沉。

现场承载板所得的模量E0根据下面的公式(3)得出

式中:E0为土基回弹模量,MPa;μ0为泊松比,根据部颁路面设计规范的规定取用,一般可取0.35;Pi为作用于Li的各级压力值,MPa;Li为结束实验前的各级计算回弹变形值,cm。

从表 2可以看出现场承载板所测的模量值是最大的, PFWD所测值是最小的。对动回弹模量Ep,静回弹模量 E0以及通过弯沉 l得到的反算模量E1进行对比分析见图 2,可以发现三者趋势基本相似,证明了三种方法都可以较好的检测路基回弹模量。

根据现场所得检测数据,对动回弹模量和静回弹模量进行回归分析。经分析,红砂岩在不同模型下的回归公式及相关系数列如表 3中。

图3 红砂岩静回弹模量E0、动回弹模量Ep以及反算模量E1对比图

表3 红砂岩动静模量不同模型下的回归公式及相关系数

从上表可以看出乘幂模型的相关系数是最高的,达到了0.922,而其它三种模型的相关系数要低一些。因此采用乘幂模型来进行回归分析是最好的。若采用线性模型来分析动静回弹模量的关系则存在一定的局限性,因为线性模型存在一截距,若动模量为零时,静模量还是有值存在。另外由于四种回归模型的相关系数都在0.91以上。表明PFWD所测得的动回弹模量与现场承载板所测得的静回弹模量之间存在着很好的相关性。而 a,b系数则与所测数据的多少有很大关系,数据越多则得到的关系越准确。

4 路基回弹模量与压实度和稠度的相关性分析

对衡桂高速 1,2,3段进行了压实度试验所得结果见表4。

表4 红沙岩压实度试验结果及模量结果

经回归分析红砂岩的模量与压实度和稠度的关系如下

从式(4)和式(5)可以看出,相关系数超过0.7,表明个模量与压实度和稠度(含水量)之间的相关性较好。理论上随着压实度的提高,路基回弹模量值也增加,而随着含水量的变大或稠度减小,路基回弹模量值是减小的,即路基模量与压实度和稠度呈正比例而与含水量呈反比例,式(4)和式(5)显示回归结果均与理论规律基本一致。

5 红砂岩路基回弹模量合理取值

对于用红砂岩的填土路基的回弹模量值,由于受含水量影响较大从且土质本身不太稳定而根据现场检测结果,考虑一定的安全富余,建议参考值如表 5:

表5 红砂岩路基回弹模量合理取值范围

通过PFWD、现场承载板及贝克曼梁三种方法对京珠高速复线湖南段衡阳至桂阳高速公路上红砂岩路基的典型地段进行了现场回弹模量检测。通过对结果的分析得到如下结论。

(1)红砂岩遇水膨胀、变软、风化,孔隙率较高,并不是一种好的填料。且路基回弹模量变异性较大,所以工程实践中,应采取相应措施,改良红砂岩路基的性能,保证红砂岩路基强度处于合理范围内,对红砂岩路基的压实应严格控制。

(2)PFWD法、现场承载板法及贝克曼梁法测定的红砂岩路基回弹模量相互之间的相关性良好,表明三种方法都可以有效评价红砂岩路基的回弹模量;通过采用线性模型、对数模型、乘幂模型和指数模型四种回归模型对动静模量、动模量与弯沉及静模量与弯沉的回归分析,可以看出都是乘幂模型的相关性最好。因此,应采用乘幂模型来进行回归。另外路基模量与压实度和稠度呈正比例而与含水量呈反比例。

(3)考虑一定的安全富余得到衡桂高速红砂岩路基回弹模量的合理取值范围是32～54MPa。

总之,PFWD不仅是一种路基回弹模量快速检测设备,而且也是一种路基施工质量控制的快速检测设备,其检测结果可为路面设计和施工控制提供科学合理的依据。

[1] 张洪华.用FWD确定路基回弹模量[J].中国公路学报,1994, (7).

[2] 王凯.由实测弯沉值反算旧混凝土道面基础回弹模量[J].华东公路,1995,(1).

[3] 王俊梅.土基回弹模量及其测试方法研究[J].长安大学, 2004.

[4] 吴益林.红砂岩的材料特性及其路基施工技术浅析[J].广东公路交通,2001.