黃 濤,徐大眾,姚 鑫,王俊剛,肖斌超

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 青島市 266033;2.山東省路橋集團(tuán)有限公司 濟(jì)南市 250014;3.五冶集團(tuán)上海有限公司 上海市 201900)

0 引言

道路工程中,路基壓實(shí)效果是保證道路質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵因素[1]。路基在施工期和使用期將受到面層結(jié)構(gòu)重量、車輛荷載等作用,這就要求路基具有足夠的強(qiáng)度以承受上部結(jié)構(gòu)所傳遞的荷載。通常情況下,各土層的壓實(shí)效果越好,路基的強(qiáng)度越高、工后壓縮沉降量越小。因此,路基的壓實(shí)效果評(píng)價(jià)是路基土方施工過(guò)程中唯一的評(píng)價(jià)項(xiàng)目。

在一般道路工程中,壓實(shí)檢測(cè)運(yùn)用較多的為灌砂(水)法[2],填石路基可采用沉降差法[3],但兩種方法都有一定缺陷。灌砂法存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)和操作中準(zhǔn)確性問(wèn)題。嚴(yán)格按照烘干法確定土樣的干容重或按規(guī)范規(guī)定頻次全額檢測(cè)壓實(shí)度都將耗用大量時(shí)間,甚至與攤鋪、碾壓的作業(yè)時(shí)間相當(dāng)。此外,主客觀原因形成的用于最大干容重標(biāo)定的土樣與現(xiàn)場(chǎng)填土不匹配,導(dǎo)致不達(dá)標(biāo)的壓實(shí)土方被判定為合格。沉降差法是以水準(zhǔn)儀測(cè)定的地表沉降評(píng)估新鋪土層壓縮量,存在如下技術(shù)問(wèn)題:(1)水準(zhǔn)儀的讀數(shù)誤差與沉降差法控制指標(biāo)同量級(jí),容易形成誤判;(2)地表沉降既包括新鋪層沉降,也包括已鋪層和土基沉降,碾壓時(shí)已鋪層的壓縮沉降和土基的沉降或上升(地下水活動(dòng)引起)都可能影響實(shí)測(cè)結(jié)果,從而對(duì)壓實(shí)效果形成誤判;(3)地表沉降為總沉降,土層碾壓時(shí)有上密下疏的特點(diǎn),沉降差法的總沉降合格不能保證新鋪土層底部的壓實(shí)效果;(4)沉降差法的評(píng)定過(guò)程較為耗時(shí)。

基于上述壓實(shí)檢測(cè)方法中存在的不足,文章采用自研路基土層厚度實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)。通過(guò)與壓實(shí)度法、沉降差法對(duì)比分析,驗(yàn)證了基于土層厚度實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置的土層塑性應(yīng)變?cè)隽糠ㄔu(píng)價(jià)壓實(shí)效果的可行性和優(yōu)越性,為道路施工提供了一種新型實(shí)時(shí)檢測(cè)評(píng)價(jià)壓實(shí)效果的方法。

1 試驗(yàn)裝置與方案

1.1 裝置介紹及原理

自研裝置[4-5]是一種埋置在荷載作用處正下方土層中,可以實(shí)時(shí)檢測(cè)土層厚度變化情況的裝置,構(gòu)造見(jiàn)圖1。裝置板間厚度通過(guò)套管3和5保護(hù)的位移傳感器6測(cè)定。初始狀態(tài)止動(dòng)螺栓4壓緊,套管3和5支撐上下板。受荷后螺栓4滑動(dòng),套管3和5脫離,上下板改由板間土支撐,于是板間土厚被位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得。裝置布設(shè)時(shí)宜將底板放置到新鋪層底面,頂板埋在土層中,以確保新鋪層最疏松部分達(dá)到技術(shù)要求。當(dāng)對(duì)新鋪層進(jìn)行碾壓時(shí),裝置中位移傳感器采集數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射裝置傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),使用者在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下載數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)下載數(shù)據(jù)處理后實(shí)時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)技術(shù)狀態(tài)做出評(píng)價(jià)。

圖1中:1為下夾土板定位孔、2為定位螺栓、3為支撐套管、4為止動(dòng)螺栓、5為帶導(dǎo)軌變徑擋土套管、6為位移傳感器、7為下夾土板、8為上夾土板、9為上夾土板定位孔、10為錨固栓孔。圖1 自研裝置構(gòu)造圖

裝置的評(píng)價(jià)參數(shù)采用的是應(yīng)變?cè)隽?其計(jì)算方法是通過(guò)裝置測(cè)出前一次碾壓后的顯示高度Sn-1與本次碾壓后的顯示高度Sn,兩者相減即為裝置兩板間土層的變形量,見(jiàn)式1。后由變形量與本次碾壓前的板間土層厚dn-1的比值計(jì)算出真實(shí)應(yīng)變,即土層本次碾壓后新增的塑性應(yīng)變,見(jiàn)式2。應(yīng)變?cè)隽颗c本次碾壓前的土層厚度hn(包括板間土厚、板厚和板外土層厚度)的乘積即為本次碾壓后該壓實(shí)層的沉降量,見(jiàn)式3。

ΔS=Sn-1-Sn

(1)

(2)

Δzn=εT×hn

(3)

1.2 工程概況與測(cè)點(diǎn)布設(shè)

驗(yàn)證試驗(yàn)選在臨淄至臨沂高速公路第四標(biāo)段Ak1+200～Ak1+300施工段內(nèi),路基寬34.5m。由于該路段填料含石量高,設(shè)計(jì)確定該路段以沉降差為壓實(shí)效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)壓路機(jī)碾壓模式下相鄰兩遍的地表沉降差小于2mm視為合格。松鋪層整平后,將裝置依次逐層埋在測(cè)試段的土層中,埋設(shè)位置見(jiàn)表1和圖2。為驗(yàn)證裝置的穩(wěn)定性,在路基的縱向和豎向布設(shè)多個(gè)測(cè)點(diǎn),且在裝置測(cè)點(diǎn)附近處設(shè)置壓實(shí)度檢測(cè)點(diǎn)(僅用于本項(xiàng)目對(duì)比研究,不作為壓實(shí)評(píng)價(jià)依據(jù))、增設(shè)沉降差法測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布設(shè)完畢并檢查無(wú)誤后,壓路機(jī)開(kāi)始碾壓。各測(cè)點(diǎn)在首次碾壓前的初始板間厚度和松鋪厚度見(jiàn)表1。

表1 測(cè)點(diǎn)位置和初始厚度表

圖2 道路縱斷面測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 各方法的檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果

(1)壓實(shí)度法

采用灌砂法對(duì)測(cè)段路基進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可知,各測(cè)點(diǎn)處的壓實(shí)度均在規(guī)范要求[6]以上,證明該測(cè)段滿足路基設(shè)計(jì)施工要求。

表2 灌砂法壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

(2)沉降差法

沉降差法檢測(cè)中,每當(dāng)壓路機(jī)碾壓一遍后,用水準(zhǔn)儀測(cè)量各測(cè)點(diǎn)處的表面高程,并與碾壓前表面高程相減,得出碾壓后的沉降量,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。隨著碾壓的進(jìn)行,分級(jí)沉降量逐漸減小至零,累計(jì)沉降量逐漸增大。各測(cè)點(diǎn)在碾壓六遍后的沉降量均滿足設(shè)計(jì)小于2mm的要求。

表3 沉降差法檢測(cè)表 單位:mm

(3)塑性應(yīng)變?cè)隽糠?/p>

利用自研裝置所進(jìn)行的塑性應(yīng)變?cè)隽糠▔簩?shí)檢測(cè)評(píng)價(jià),原理如前文所述。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4,并繪制同一豎向位置測(cè)點(diǎn)的塑性應(yīng)變與碾壓遍數(shù)的關(guān)系圖(圖3)。根據(jù)表4和圖3可知,整體上新增的塑性應(yīng)變隨著碾壓遍數(shù)的增加逐漸減小,變化規(guī)律與工程實(shí)際相符。并且同一碾壓遍數(shù)下,不同測(cè)點(diǎn)處的塑性應(yīng)變大小接近,表明松鋪厚度對(duì)塑性應(yīng)變影響較小,采用塑性應(yīng)變?cè)隽糠上龑雍駥?duì)評(píng)價(jià)壓實(shí)效果的影響。

表4 塑性應(yīng)變?cè)隽糠z測(cè)表

圖3 同一豎向測(cè)點(diǎn)塑性應(yīng)變與碾壓遍數(shù)關(guān)系圖

2.2 塑性應(yīng)變?cè)隽糠ㄅc其他方法對(duì)比

(1)塑性應(yīng)變?cè)隽糠ㄅc壓實(shí)度法對(duì)比

理論上壓實(shí)度法試驗(yàn)段需采集8個(gè)壓實(shí)度樣本。按2組人員采集樣本考慮,現(xiàn)場(chǎng)取樣約需要2h,烘干需要6～8h,則每層檢測(cè)需要8～10h,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。而塑性應(yīng)變?cè)隽糠商峁┩翆又袑?shí)時(shí)的壓實(shí)狀態(tài),不需要耗時(shí)即可獲取壓實(shí)評(píng)價(jià)。同時(shí)受主觀和客觀因素影響較小,所測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確。

(2)塑性應(yīng)變?cè)隽糠ㄅc沉降差法對(duì)比

地表沉降為各土層壓縮沉降之和,故測(cè)點(diǎn)8處的地表沉降為8、7、6測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的各土層及6測(cè)點(diǎn)以下所有新填土層壓縮沉降之和(假定土基沉降為0)。圖4為自研裝置所測(cè)得的測(cè)點(diǎn)8的板間土層厚度(左側(cè)縱坐標(biāo))和測(cè)點(diǎn)6、7的板間土層厚度變形量(右側(cè)縱坐標(biāo))。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,在對(duì)測(cè)點(diǎn)8進(jìn)行碾壓時(shí),位于同一縱斷坐標(biāo)不同層的測(cè)點(diǎn)6、7也會(huì)產(chǎn)生沉降。在碾壓過(guò)程中,測(cè)點(diǎn)8處板間沉降分別為11.61mm、4.27mm、3.55mm、2.89mm、1.83mm、0.56mm。測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)7新增板間厚度變形量之和分別為0.24mm、0.18mm、0.16mm、0.09mm、0.01mm、0,僅為測(cè)點(diǎn)8處的2.07%、4.22%、4.51%、3.11%、0.55%、0。第五遍后測(cè)點(diǎn)8處仍有板間沉降,但測(cè)點(diǎn)6、7處已幾乎不再新增變形量,新鋪層以下的土層壓縮量呈0→峰值→遞減→0的變化趨勢(shì)。每次碾壓后下部土層的新增沉降相對(duì)于新鋪層的沉降很小,尤其是新鋪層接近碾壓5次后,已無(wú)底層沉降量,此時(shí)新鋪層沉降即為地表沉降。

圖4 不同測(cè)點(diǎn)的板間沉降變形時(shí)程圖

用塑性應(yīng)變?cè)隽糠ㄍ扑愠两挡罘ㄔ诰壬鲜强煽康?可以說(shuō)在接近壓實(shí)指標(biāo)時(shí)兩者是一致的。塑性應(yīng)變?cè)隽糠蓪?duì)不同厚度的土層做同一性評(píng)價(jià),比沉降差法的評(píng)價(jià)更進(jìn)一步。道路工程中,壓實(shí)評(píng)價(jià)檢測(cè)應(yīng)以當(dāng)前新鋪層的壓實(shí)效果為準(zhǔn),塑性應(yīng)變?cè)隽糠梢詼?zhǔn)確反映每一新鋪層的沉降。但沉降差法檢測(cè)的是整個(gè)路基的沉降,而非對(duì)應(yīng)新鋪層的沉降。由于地下水位變化、凍融等因素的影響,路基土層會(huì)產(chǎn)生升降。沉降差法可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)當(dāng)前新鋪層的壓實(shí)評(píng)價(jià)過(guò)低或過(guò)高情況。

為判定兩種方法的一致性,將塑性應(yīng)變?cè)隽糠▽?shí)測(cè)結(jié)果推算沉降差與水準(zhǔn)儀測(cè)量的沉降差對(duì)比。圖5為測(cè)點(diǎn)1、2處的分級(jí)沉降量對(duì)比圖,從圖5中可見(jiàn),兩種方法變化趨勢(shì)一致,各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的相對(duì)差值很小,在水準(zhǔn)儀的測(cè)量誤差范圍內(nèi)。按實(shí)際壓實(shí)土層厚和2mm的沉降差標(biāo)準(zhǔn),推算當(dāng)沉降差法采用水準(zhǔn)儀測(cè)量時(shí),各測(cè)點(diǎn)土層允許的最大塑性應(yīng)變?cè)隽繛?.6×10-3。因此可用土層厚度實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置代替水準(zhǔn)儀作為沉降差法測(cè)量設(shè)備,消除沉降差法的技術(shù)問(wèn)題。

圖5 測(cè)點(diǎn)1、2處塑性應(yīng)變法與沉降差法分級(jí)沉降量對(duì)比圖

3 結(jié)論與展望

文章提出了塑性應(yīng)變?cè)隽糠ㄓ糜跈z測(cè)評(píng)價(jià)路基壓實(shí)效果。通過(guò)與壓實(shí)度法和沉降差法對(duì)比,驗(yàn)證了本方法用于檢測(cè)評(píng)價(jià)壓實(shí)效果的可行性和有效性。塑性應(yīng)變?cè)隽糠蓪?shí)現(xiàn)對(duì)土層碾壓狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià),受外界因素干擾小,數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)可靠,避免了評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確現(xiàn)象,確保工程質(zhì)量。并且能夠滿足快速施工要求,縮短工期,降低造價(jià)。

由于樣本數(shù)量有限,尚不能確定塑性應(yīng)變?cè)隽糠ǖ囊?guī)范性技術(shù)指標(biāo),本方法的推進(jìn)還需要深入的理論支持和針對(duì)不同道路等級(jí)和工況的試驗(yàn)研究。但在評(píng)價(jià)指標(biāo)確定之前,以土層厚度實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置代替水準(zhǔn)儀,以塑性應(yīng)變?cè)隽糠ㄍ扑愠鲂落亴映两挡?按沉降差法對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道等高標(biāo)準(zhǔn)道路進(jìn)行評(píng)價(jià),可有助于提高效率和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。