1、土石混填路基动态回弹模量Evd检测压实度试验报告库车-阿克苏高速公路工程利用动态回弹模量Evd检测土石混填路基压实度可行性论证报告中交库-阿高速公路建设指挥部2010年1月一、前言路基是公路的基础，路基的质量好坏直接关系到整个公路的使用品质。提高路基的强度和稳定性是保证公路交通运行的关键，而要达到这一目的，必须对路基进行有效的压实质量控制，增加路基填料的强度和稳定性，使路基在使用过程中不会由于进一步的压实而产生变形。土石混合料具有强度高、压实密度大、沉降变形小、透水性能好、抗冲刷性能高以及可就近取材等优点而被普遍采用作为路基填料。鉴于新疆丰富的土石混合料资源，本项目路基选用天然土石混合料进行填
2、筑。但由于天然砂砾的均质性差，0.075mm以下的颗粒含量均少于10%，是不具粘聚性的材料，路基的压实指标检测较为困难。因此土石混合料路基压实质量的检测和控制是确保路基具有良好的稳定性和较小沉降的关键。路基压实与检测技术对细粒土而言，无论压实理论、工程实践与规范、检测标准都己相当成熟，但国内外对土石混合料的研究还较少，现行的技术标准和规范关于土石路基的条文要求较笼统，这给设计、施工、检测及监理等方面具体操作带来了不小的困难，严重制约了土石混合料在实际工程中的应用。因此，迫切需要研制与开发快速评定土石混填路基压实质量的方法，以便加快施工进度、提高路基压实质量。近年来，随着Evd动态回弹模量测试仪
3、的研究、引进与应用，我国对该项技术的了解和掌握也在不断地深入。动态回弹模量指标无论从定义、原理，还是仪器的精度、可靠性以及操作等方面，较灌砂法测定压实度具有合理性和优越性。其中，Evd为动态测试，符合土体实际受力状况，且Evd仪器体积小、质量轻、便于携带、安装及拆卸方便、操作简便、自动化程度高、测试速度快、性能稳定、测试精度高、检测费用低、适应范围广，设计上以人为本，无任何核辐射、废气等污染，属于环保型技术。动态变形模量Evd标准的采用，可真正实现试验方法的大幅度简化、减轻试验人员的劳动强度、提高检测效率，试验结果将更符合实际，更能保证测试结果的准确、客观。目前，Evd动态回弹模量测试在我国铁
4、路建设中开始应用，在铁路工程土工试验规程（TB10102-2004）中，已说明Evd与地基系数K30的换算关系式，在2004年修编的京沪高速铁路设计暂行规定、京沪高速铁路路基施工暂行规定和京沪高速铁路路基工程施工质量验收暂行标准中，已规定了用Evd测定级配碎石、级配砂砾石、中粗砂压实度的标准。但是在公路工程中对动态回弹模量Evd控制压实质量的应用较少，各种材料没有作系统的对比测试研究，也没有统一的路基填料的压实标准以及动态回弹模量测试路基压实质量标准的适用性和适用范围。国道314线库车阿克苏高速公路位于新疆维吾尔自治区南疆的阿克苏地区境内。起点与已经开工的G314线库尔勒库车高速公路相接，终点
5、为阿克苏市建化厂，途经库车、新和、温宿、阿克苏市。主线路线全长258.645千米。项目的建设对完善新疆和阿克苏地区的公路网，改善投资环境，加快南疆经济发展的步伐，进一步开发利用当地的矿产旅游资源，缓解交通压力具有重要意义。天然砂砾在新疆储量丰富，作为一种良好的筑路材料，可以用作路基填筑或低基层，国道314线库车阿克苏高速公路路基填筑工程量达二千万立方米，按目前工期要求，每天最少需填筑10万M3 砂砾石料，每层松铺30CM，若按现有的压实度检测频率2000m2 4个点计算，每天需检测压实度1000点，全线共需要检测压实度16万次，需花费大量的人力物力，且严重影响到路基填筑速度与工期。鉴于此，迫切
6、需要快速检测方法来进行路基压实度的评定。通过分析确定采用目前较为科学可靠且已成功用于高速铁路路基质量控制的动态回弹模量法，通过分析土石混填路基动态回弹模量Evd与压实度的关系，对土石混合料填筑路基压实质量的快速评定进行可行性分析论证，以节约工程造价，提高高速公路使用寿命。二、试验方案2.1 原材料本试验原材料选用新疆阿克苏地区天然土石混合料，根据对现场土石混合料的调查，分析沿线不同路段不同料源的土石混合料级配、材料性能等，按照最大粒径的不同将土石混合料分类，选择代表性路段土石原材料进行试验。2.2 试验方法本试验根据不同层位的设计要求，依照公路路基路面现场测定规程JTG E60-2008，选用
7、挖坑灌砂法测定压实度试验方法、落锤式弯沉仪测定动态回弹模量试验方法等进行现场试验。2.2.1 灌砂法测定压实度试验采用公路路基路面现场测试规程（JTG E60-2008）规定中的灌砂法。灌砂法是用均匀颗粒的砂由一定的高度下落到一个规定容积的筒或洞内，根据其单位质量不变的原理，来测定试洞的容积，用试洞的容积代表洞中取出材料的体积。然后计算压实状态试件的湿密度及其含水率w，用下式计算填土干密度： （1）式中：试件的干密度（g/cm3）；试件的湿密度（g/cm3）；w含水率（%）。2.2.2 手持式落锤弯沉仪（FWD）试验落锤式弯沉仪（Falling Weight Deflectometer）是目前
8、国际上最先进的一种路面弯沉强度无损检测设备之一。手持式落锤弯沉仪是近年出现的检测反映路基动荷载特性承载力指标-动态回弹模量 Evd值的一种新的检测方法，它是通过动力加载检测路基的动态回弹模量值来监控和评价路基填筑质量。Evd动态变形模量测试仪也称轻型落锤仪，是用于检测土体压实指标动态回弹模量的专用仪器。该仪器的工作原理是利用落锤从一定高度自由下落在弹簧阻尼装置上，产生的瞬间冲击荷载，通过弹簧阻尼装置及传力系统传递给30cm2的承载板，在承载板下面(即测试面)产生符合汽车高速运行时对路基面所产生的动应力，使承载板发生沉陷，即阻尼振动的振幅，由沉陷测定仪采集记录下来。沉陷值越大，则被测点的承载力越
9、小；反之，越大。动态回弹模量 Evd值由下式求得： （2）式中：承重板形状影响系数，取 1.5；路基面最大动应力（MPa），取0.1 MPa；r承重板半径(mm)，取150mm；S承重板的垂直沉陷值（mm）。Evd 动态回弹模量试验弥补了静力加载不能真实反映汽车高速运行时动荷载对路基的作用状况的不足，更适合高速公路路基填筑质量的监控。Evd 动态回弹模量适用于粒径不大荷载板直径14的各类土、土石混合填料、非胶结路面基层及改良土，测试有效深度范围为4050cm。广泛适用于铁路、公路、机场、城市交通、港口、码头及工业与民用建筑的地基施工质量监控测试，也能适用于场地狭小的困难地段的检测，如路桥(涵)
10、过渡段及路肩的检测。铁路工程土工试验规程（TB10102-2004）规定的路基压实指控标准如表1所示。表1 铁路工程土工试验规程（TB10102-2004）规定的路基压实指控标准本试验采用德国格哈德聪机械厂生产的ZFG2000型手持式落锤弯沉仪进行试验，试验中弯沉试验仪可自动记录动态弯沉值和动态回弹模量。其技术参数如下所示：落锤质量：10kg；最大冲击力：7.07kN；冲击时间：18ms；承重板直径：300mm；动态弯沉测量范围：0.2-30mm0.02mm；传感器加速度范围：100g；频率范围：0-500Hz；温度范围：0-50。三、试验结果与分析3.1 原材料分析选取沿线具有代表性的两种原
11、材料，进行试验，其结果如下。原材料1，最大粒径为100mm，天然含石量为66.7%，其级配曲线如图1所示。试验选取路段为：K959+300-K959+500及K960+0-K960+300两段。图1 原材料1级配曲线原材料2，最大粒径为20mm，天然含石量为36.6%，其级配曲线如图2所示。试验选取路段为：K767+600-K767+900。图2 原材料2级配曲线3.2 最大干密度确定3.2.1 原材料1最大干密度试验对于土石混合料，由于试验设备的限制只能测定出最大粒径在某一范围时的最大干密度。我国公路土工试验规程JTG E40-2007允许最大粒径dmax103六个范围，将同一压实度范围内的
12、Evd动态回弹模量作为相同条件下平行试验数据进行分析。在试验的数据处理过程中，全部采用格拉布斯法剔除可疑数据，以保证采用数据的可靠性。格拉布斯法具体介绍如下：在条件相同、检测方法一致的平行试验中，有个别的检测值可能出现异常。如检测值过大或过小，这些过大或过小的检测值是不正常的，可称其为可疑数据。格拉布斯法假定检测结果服从正态分布，根据顺序统计量确定可疑数据的取舍。进行n次平行试验，试验结果为x1、x2、xi、xn，而且服从正态分布。为了检验xi（i=1，2，n）中是否有可疑值，可将xi按其值由小到大顺序重新排列，得。根据顺序统计原则，给出标准化顺序统计量g：当最小值x（1）可疑时，则当最大值x
13、（n）可疑时，则为样本平均值，S为标准偏差。根据格拉布斯统计量的分布，在指定的显著性水平（一般=0.05）下，求得判别可疑值的临界值，格拉布斯法的差别标准为：。当，该可疑值是异常的，应予以舍去。格拉布斯法每次只能舍弃一个可疑值，若有二个以上的可疑数据，应该一个一个对数据进行舍弃，舍弃第一个数据后，试验次数由变为n-1，以此为基础再判别第二个可疑数据。经过剔除可疑数据4组后，检测数据如表5所示。表5 原材料1压实度-Evd试验结果编号压实度（灌砂法）（%）Evd（MPa）编号压实度（灌砂法）（%）Evd（MPa）195.8 45.1 2998.3 53.1 295.8 50.1 3098.3 5
14、3.3 395.9 50.1 3198.3 53.4 496.2 47.9 3298.3 53.8 596.2 52.7 3398.3 57.8 696.2 58.7 3498.5 49.5 796.7 41.4 3598.7 53.8 896.7 59.7 3698.7 54.9 997.1 41.9 3799.2 46.9 1097.1 48.8 3899.2 59.2 1197.1 49.3 3999.6 49.1 1297.1 49.7 4099.9 49.3 1397.1 50.2 41100.0 50.9 1497.1 56.4 42100.0 51.8 1597.1 60.5 4
15、3100.0 54.7 1697.5 45.9 44100.4 46.9 1797.5 50.9 45100.8 54.5 1897.5 54.9 46100.8 64.8 1997.7 47.3 47101.7 52.1 2097.9 42.7 48102.0 54.7 2197.9 45.4 49102.1 58.7 2297.9 45.5 50102.5 52.3 2397.9 46.2 51103.3 59.8 2497.9 48.6 52103.8 56.0 2597.9 48.6 53105.5 49.7 2697.9 56.0 54106.1 57.4 2798.3 49.3 5
16、5106.3 59.4 2898.3 50.7 56107.6 64.3 由于各种因素的影响，试验所得的数据不可避免的总会含有误差。根据上述试验采集得到的数据，对每一压实范围组对应不同Evd值进行格拉布斯法处理后平均，并且对与之相对应的组压实度取平均值，以得到每种压实度所对应的Evd值。上述试验数据在处理中通过误差分析后，为了更合理的反映工程质量状况，本文参照土工试验规程又采取误差分析指标变异系数进行分析，即在平行试验中，变异系数12%。本试验数据在通过处理后所得变异系数均12%，结果表明所选取的数据具有可信性和合理性。各压实范围数据统计结果如下所示。表6 原材料1压实度94-95范围数据统计
17、结果编号压实度（灌砂法）（%）Evd（MPa）标准差S变异系数（%）195.8 45.1 2.895.96295.8 50.1 395.9 50.1 平均值95.8 48.4 表7 原材料1压实度96-97范围数据统计结果编号压实度（灌砂法）（%）Evd（MPa）标准差S变异系数（%）195.8 45.1 5.5310.86295.8 50.1 396.2 47.9 496.2 52.7 596.2 58.7 696.7 41.4 796.7 59.7 897.1 41.9 997.1 48.8 1097.1 49.3 1197.1 49.7 1297.1 50.2 1397.1 56.4 1
18、497.1 60.5 1597.5 45.9 1697.5 50.9 1797.5 54.9 1897.7 47.3 1997.9 42.7 2097.9 45.4 2197.9 45.5 2297.9 46.2 2397.9 48.6 平均值97.3 50.0 表8 原材料1压实度98-99范围数据统计结果编号压实度（灌砂法）（%）Evd（MPa）标准差S变异系数（%）198.349.33.506.68298.350.7398.353.1498.353.3598.353.4698.353.8798.357.8898.549.5998.753.81098.754.91199.246.91299
19、.259.21399.649.11499.949.3平均值98.752.4表9 原材料1压实度100-101范围数据统计结果编号压实度（灌砂法）（%）Evd（MPa）标准差S变异系数（%）1100.0 50.9 5.5510.352100.0 51.8 3100.0 54.7 4100.4 46.9 5100.8 54.5 6100.8 64.8 7101.7 52.1 平均值100.5 53.7 表10 原材料1压实度102-103范围数据统计结果编号压实度（灌砂法）（%）Evd（MPa）标准差S变异系数（%）1102.0 54.7 3.035.382102.1 58.7 3102.5 52
20、.3 4103.3 59.8 5103.8 56.0 平均值102.7 56.3 表11 原材料1压实度103范围数据统计结果编号压实度（灌砂法）（%）Evd（MPa）标准差S变异系数（%）1105.5 49.7 6.0710.522106.1 57.4 3106.3 59.4 4107.6 64.3 平均值106.4 57.7 从整个试验结果看出，压实度和动态回弹模量Evd之间有着一一对应的关系，为了进一步研究与压实标准之间的关系，通过软件对每种数值对应关系进行拟合，得出相应的拟合关系图，具体结果见图5。表12 原材料1压实度-Evd数据统计结果压实度（灌砂法）（%）Evd（MPa）95.8
21、 48.4 97.3 50.0 98.7 52.4 100.5 53.7 102.7 56.3 106.4 57.7 采用了4 种回归分析模型：，y压实度（%），x动态回弹模量Evd（MPa）。其拟合结果和相关系数分别为：；。4 种模型拟和曲线如图6所示。 图6 原材料1压实度Evd关系图通过比较,选择相关系数最大的第4 个模型,即： （4）式中：y压实度（%）；x动态回弹模量Evd（MPa）。将所测得的56组数据代入该模型,其误差最大为11.15%，大部分误差范围在1%-4%之间。3.3.2 原材料2试验结果原材料2试验段填筑土石混合料所处层位的压实度设计要求为94%，填筑30cm厚土石混合料，碾压6遍（其中静压1遍，振动压实4遍，静压1遍）后，根据公路路基路面现场测试随机选定方法，随机选取25点。对其分别测试压实度与动态回弹模量Evd。为了便于数据的统计分析将压实度分为：95-96；97；98；99；100五个范围，将同一压实度范围内的FWD动态回弹模量作为相同条件下平行试验数据进行分析。在试验的数据处理过程中，全部采用格拉布斯法剔除可疑数据，以保证采用数据的可靠性。经过剔除可疑数据4组后，检测数据如表13所示。表13
