高速公路特殊土路基回彈模量現(xiàn)場快速檢測(cè)研究

馬超

摘 要：作為公路路面設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，路基回彈模量受多種因素制約，如土質(zhì)、含水量等，確定其數(shù)值難度較大，進(jìn)而給設(shè)計(jì)、施工帶來了諸多不確定因素。對(duì)于公路總體質(zhì)量而言，路基施工質(zhì)量不佳將加重公路病害情況，因此準(zhǔn)確評(píng)價(jià)及測(cè)試路基質(zhì)量極為關(guān)鍵。本文以某工程實(shí)例為研究對(duì)象，選取其中碎石土、紅砂巖等特殊土路基進(jìn)行便攜式落錘彎沉儀（PFWD）現(xiàn)場檢測(cè)，以此分析路基回彈模量，為工程施工提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速公路；特殊土路基；回彈模量

中圖分類號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高等級(jí)公路發(fā)展速度越來越快，此類公路路基普遍選用重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，這種情況下，高等級(jí)公路實(shí)際情況根本無法通過現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)選用的路基回彈模量參數(shù)充分反映出來。相比現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范路基回彈模量推薦值，實(shí)際工程回彈模量實(shí)測(cè)值往往較大，進(jìn)而產(chǎn)生一定浪費(fèi)。根據(jù)施工現(xiàn)場條件及經(jīng)濟(jì)，路基施工必須選取周邊特殊土作為路基填料，如本工程紅砂巖、碎石土等。當(dāng)前針對(duì)特殊土研究較少，規(guī)范中并沒有明確指出特殊土路基回彈模量的推薦值，因此路基填料選用特殊土?xí)r，將大大增加設(shè)計(jì)及施工難度。為此，必須對(duì)比分析現(xiàn)行路基回彈模量測(cè)試方法，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)充分考慮，合理選用檢測(cè)技術(shù)，這對(duì)研究路基回彈模量快速檢測(cè)方法意義重大。

1 PFWD的基本原理

回彈模量是指在荷載作用下，路基等產(chǎn)生的應(yīng)力和其相應(yīng)的回彈應(yīng)變比值。路基回彈模量能夠在彈性變形環(huán)節(jié)充分反映土基在垂直荷載作用下，對(duì)豎向變形的抵抗能力。當(dāng)垂直荷載為定值時(shí)，路基回彈模量值增加，出現(xiàn)的垂直位移則會(huì)降低。當(dāng)豎向位移為定值時(shí)，回彈模量值增加，路基承受外荷載的能力就會(huì)隨之增大。為此，在道路設(shè)計(jì)時(shí)，往往選用回彈模量作為路基抗壓強(qiáng)度指標(biāo)。在路基回彈模量檢測(cè)中，往往選用PFWD進(jìn)行檢測(cè)。

PFWD是便攜式落錘彎沉儀的簡稱，作為一種動(dòng)力承載能力試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，PFWD是在落錘彎沉儀（FWD）基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是一種新的動(dòng)力模量快速檢測(cè)無損檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備不僅能進(jìn)行路基承載力的確定，還能取得路基動(dòng)彈性模量。其基本原理為向一定高度提升10kg落錘，隨后自由下落，落錘對(duì)路基表面安放的承載板進(jìn)行沖擊，進(jìn)而產(chǎn)生一定沖擊荷載，此時(shí)承載板和路基之間將出現(xiàn)豎向位移現(xiàn)象。荷載及位移情況可通過壓力傳感器、位移傳感器分別記錄，以此按照壓力、位移峰值進(jìn)行路基回彈模量的確定。

2 路基回彈模量的影響

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國公路工程行業(yè)也得到了極大的發(fā)展。路基回彈模量作為公路壓實(shí)度檢測(cè)的重要方法之一，因其精確度高、操作方便等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。相比其他檢測(cè)技術(shù)，路基回彈模量對(duì)路表彎沉、路基壓應(yīng)變及瀝青路面厚度等影響較大，具體影響情況如下：

2.1 路基回彈模量對(duì)路表彎沉的影響

經(jīng)試驗(yàn)證明，路基回彈模量對(duì)路表彎沉影響較大。在不斷增加路基回彈模量時(shí)，路表彎沉值卻在逐步降低。當(dāng)路基回彈模量取值較小的情況下，路表彎沉值在路基回彈模量值改變時(shí)，才會(huì)具有較大的變化，但在路基回彈模量達(dá)到一定程度后，即便增加路基回彈模量，路表彎沉卻基本不會(huì)發(fā)生變化。假設(shè)：路基回彈模量由30MPa增至70MPa，則路表彎沉值降低幅度基本為52%左右，但路基回彈模量在70MPa以上時(shí)，路表彎沉值變化則不在顯著。

2.2 路基回彈模量對(duì)路基壓應(yīng)變的影響

對(duì)于路基壓應(yīng)變來說，路基回彈模量增大影響較大，尤其是路基回彈模量值取值較小時(shí)，在不斷增加路基回彈模量時(shí)，路基壓應(yīng)變具有較大變化。如1200MPa為瀝青面層模量，1500MPa為基層模量，550MPa為底基層模量。如路基回彈模量為30MPa，則路基壓應(yīng)變?yōu)?.899×10-3，；如路基回彈模量為90MPa，則路基壓應(yīng)變?yōu)?.422×10-3，在不斷增加路基回彈模量的同時(shí)，路基壓應(yīng)變將下降53.1%左右。此外，于路基壓應(yīng)變而言，影響最大的為底基層模量。當(dāng)路基回彈模量值相同時(shí)，不斷增加底基層模量、基層模量及面層模量，路基壓應(yīng)變都會(huì)大幅下降，但底基層模量增加時(shí)路基壓應(yīng)變降低幅度最大。

2.3 路基回彈模量對(duì)瀝青路面厚度的影響

伴隨路基回彈模量的持續(xù)增加，水泥穩(wěn)定碎石層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度卻呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。當(dāng)模量較小的情況下，不斷增加模量值，結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)厚度降低幅度較為顯著，當(dāng)模量值增加到相應(yīng)值后，降低幅度會(huì)隨之變小。也就是說，增大路基強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)層厚度的降低，根據(jù)相關(guān)研究表明，一般在40MPa以上控制路基回彈模量。

3 紅砂巖路基回彈模量快速檢測(cè)分析

自改革開放以后，我國公路工程建設(shè)規(guī)模越來越大。特在殊路基施工中，為保證工程質(zhì)量，必須合理地選擇路基材料，如沿線開挖存在大量紅砂巖，而選用其他材料用于路基填筑，不僅會(huì)增加成本，還會(huì)因棄土、借土場難覓，造成環(huán)境污染等現(xiàn)象。為此，不得不選用紅砂巖用于路基施工。紅砂巖的典型結(jié)構(gòu)形式分為兩類：粒狀碎屑結(jié)構(gòu)、泥狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)，由于膠結(jié)物質(zhì)及風(fēng)化程度不同，其強(qiáng)度也具有較大變化。為此，其物理力學(xué)性能也會(huì)隨之改變，基于此，必須結(jié)合具體案例，對(duì)紅砂巖路基回彈模量進(jìn)行檢測(cè)，以此保證工程質(zhì)量。

3.1 路基概況

針對(duì)某高速公路工程選取典型路段巖樣進(jìn)行探討，以3組為例，具體結(jié)果見表1。由試驗(yàn)可得，28.2%為其液限，20.9%為其塑限。經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn)可得，2.14g/cm?為其最大干密度，8.84%為其最佳含水量。

由表1可見，紅砂巖遇水膨脹、變軟、風(fēng)化的重要因素是因?yàn)槠鋬?nèi)存有黏土礦物，即膨潤土。針對(duì)紅砂3種狀態(tài)下分別實(shí)施單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其中飽水狀態(tài)下9.5MPa為其單軸抗壓強(qiáng)度平均值；自然狀態(tài)下16.3MPa為其單軸抗壓強(qiáng)度平均值；干燥狀態(tài)下38.0MPa為其單軸抗壓強(qiáng)度平均值。隨著含水率的不斷增多，紅砂巖強(qiáng)度持續(xù)下降，且具有較大的下降幅度。相對(duì)于自然狀態(tài)下的紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度，干燥狀態(tài)下為其2.5倍左右，飽水狀態(tài)下為其60%左右，由此可見，紅砂巖作為路基填料并不理想，因此必須做好壓實(shí)度控制工作。

3.2 紅砂巖回彈模量PFWD現(xiàn)場快速檢測(cè)

本文選取高速公路段K54+670～K54+760通過PFWD檢測(cè)該路段路基回彈模量。因施工場地內(nèi)路基壓實(shí)度較差，存在不均勻性，同時(shí)因檢測(cè)條件制約，導(dǎo)致本路段存在5個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)的異常點(diǎn)，分別為左幅K54+690、K54+750及右幅K54+690、K54+720、K54+740，要求去除這5個(gè)異常檢測(cè)數(shù)據(jù)，隨后可獲取路基回彈模量相關(guān)指標(biāo)，最小值、最大值、平均值及均方差分別為21.7、71.3、40.1、13.76。當(dāng)填土路基選用紅砂巖時(shí)，受含水量等因素影響，土質(zhì)自身穩(wěn)定性較差，為此，必須考慮一定安全富余，按照現(xiàn)場檢測(cè)可選用32MPa～543MPa作為紅砂巖回彈模量取值范圍。

4 碎石土路基回彈模量快速檢測(cè)

4.1 路基概況

作為一種通過粗細(xì)顆粒構(gòu)成的材料，碎石土通常是利用開挖、爆破山體得來的，目前在山區(qū)公路修筑中應(yīng)用較多。本文以K55+010～K55+100段土樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，結(jié)果見表2。其中石類碎石土較多，土石比為3∶7。

在路基工程施工中碎石土填料能夠得以廣泛應(yīng)用，主要原因在于其優(yōu)點(diǎn)較為顯著，包括高強(qiáng)度、低沉降、施工便捷及經(jīng)濟(jì)性好等。但因土石混合料不具備連續(xù)性級(jí)配，地質(zhì)條件對(duì)其強(qiáng)度影響過大，常常出現(xiàn)壓實(shí)控制難度大等問題，甚至損害路基。為此，必須重視碎石土路基壓實(shí)問題。

4.2 碎石土回彈模量PFWD現(xiàn)場快速檢測(cè)

本文碎石土檢測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)選為K55+010～K55+100段，利用PFWD檢測(cè)碎石土路基回彈模量。根據(jù)試驗(yàn)可得，因施工場地內(nèi)土質(zhì)及檢測(cè)條件等因素影響，在左幅K55+090段存有異常檢測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)及時(shí)去除該數(shù)據(jù)，由此獲取碎石土模量相關(guān)指標(biāo)，其最小值、最大值、平均值及均方差分別為107.1、175.4、138.7、19.3。在考慮一定安全富余的情況下，要求碎石土路基回彈模量取值范圍為126MPa～172MPa。

結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前我國針對(duì)特殊土路基回彈模量研究較少，筆者結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，僅通過PFWD對(duì)紅砂巖、碎石土兩種特殊土路基回彈模量進(jìn)行簡單的分析，由此可見，于瀝青路面結(jié)構(gòu)來說，路基回彈模量影響較大，在不斷提升路基回彈模量的同時(shí)，路面結(jié)構(gòu)性能也會(huì)隨之增強(qiáng)。為更好地提升工程質(zhì)量，還需更深入地研究。

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