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20xx1月目录一、前言1二、试验方案32.1原材料32.2试验方法32.2.1灌砂法测定压实度试验32.2.2手持式落锤弯沉仪〔FWD〕试验3三、试验结果与分析63.1原材料分析63.2最大干密度确定73.2.1原材料1最大干密度试验73.2.2原材料2最大干密度试验123.3压实度与Evd相关性分析结果123.2.1原材料1试验结果123.3.2原材料2试验结果183.4小结22四、主要结论与建议244.1主要结论244.2建议24.一、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、抗冲刷性能高以与可就近取材等优点而被普遍采用作为路基填料。鉴于XX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X、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X关于土石路基的条文要求较笼统,这给设计、施工、检测与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、可靠性以与操作等方面,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、安装与拆卸方便、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X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20xx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与动态回弹模量测试路基压实质量标准的适用性和适用X围。国道314线库车－阿克苏高速公路位于XX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XX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XX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2000m24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,迫切需要快速检测方法来进行路基压实度的评定。通过二、试验方案2.1原材料本试验原材料选用XX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》JTGE60-2008,选用《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》〔JTGE60-2008〕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与其含水率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〔FallingWeightDeflectometer〕是目前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,通过弹簧阻尼装置与传力系统传递给30cm2的承载板,在承载板下面<即测试面>产生符合汽车动态回弹模量Evd值由下式求得：〔2〕式中：λ——承重板形状影响系数,取1.5；σ——路基面最大动应力〔MPa〕,取0.1MPa；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1／4的各类土、土石混合填料、非胶结路面基层与改良土,测试有效深度X围为40—50cm《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X围：0.2-30mm±0.02mm；传感器加速度X围：±100g；频率X围：0-500Hz；温度X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与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X围时的最大干密度。我国《公路土工试验规程》JTGE40-2007允许最大粒径dmax<60mm。为了解决原材料1最大干密度确定问题,本试验采用相似级配延伸法。这种处理方法按照几何相似条件等比例将原型级配缩小,以达到规X允许的最大粒径要求。根据相似级配延伸法,拟定Mr=1.7、Mr=2.5、Mr=5.0三种模比。按照模比相似级配级配曲线,配制土石混合料试件,采用《表面振动压实仪法》中湿土法进行振动压实,以得到不同相似模比对应的最大干密度,其数据如表1所示。三种模比相似级配如图3所示。图3原材料1相似模比级配曲线表2原材料1相似模比对应最大干密度试验结果相似模比最大干密度〔g/cm3〕1.72.372.52.325.02.26根据统计学方法对其进行线性回归,得到相似模比与最大干密度相互关系的回归预测方程,如图4所示：图4相似模比—最大干密度关系图相似模比与最大干密度的回归预测方程与实际测定数据存在线性相关,相关系数R2=0.9574。其预测公式为：〔3〕式中：y——最大干密度〔g/cm3〕；x——相似模比。根据公式〔3〕,可得到真实土石混合料的最大干密度,即相似模比为1.0时的最大干密度。原材料1的最大干密度为：2.38g/cm3。不同含石量的最大干密度试验根据不同含石量的振动击实结果,得到土石混合料最大干密度与含石量的关系。在试验中对含石量的定义如式〔4〕所示：〔4〕式中：——含石量〔%〕；——大于5mm粒径以上干土质量〔g〕；——干土总质量〔g〕。根据式〔4〕的定义,按照土石混合料的级配曲线,配制不同含石量〔30%、40%、50%、60%、70%、80%〕的土石混合料试件,采用《表面振动压实仪法》中湿土法进行振动压实,以得到不同含石量下的最大干密度。不同含石量〔30%、40%、50%、60%、70%、80%〕对应的最大干密度试验所得数据如下所示：表3不同含石量对应最大干密度试验结果含石量〔%〕最大干密度〔g/cm3〕302.24402.27502.30602.36702.41802.42根据统计学方法对其进行线性回归,得到的含石量与最大干密度相互关系的回归预测方程和相关系数如图5所示：图5含石量—最大干密度关系图含石量与最大干密度的回归预测方程与实际测定数据存在线性相关,相关系数R2=0.9816。其预测公式为：〔5〕式中：y——最大干密度〔g/cm3〕；x——含石量〔%〕。现场检测时根据不同的含石量,将含石量带入公式〔5〕以确定对应的最大干密度,为压实度检测提供适合的最大干密度标准。现场含石量测定试验由于现场试验中,采集的试样一般为潮湿状态下的土样,判定含石量需要烘干等繁琐的程序,为了提高现场检验的效率,对式〔4〕进行修正。修正后的公式如式〔6〕所示：〔6〕式中：——现场含石量〔%〕；——大于5mm粒径以上湿土质量〔g〕；——湿土总质量〔g〕。为验证修正后公式的适用性,对试验段随机抽取5点用式〔4〕与式〔6〕进行对比试验,其数据如下：表4现场含石量检测结果编号干土总质量〔g〕大于5mm粒径以上干土质量〔g〕含石量〔%〕湿土总质量〔g〕大于5mm粒径以上湿土质量〔g〕现场含石量〔%37785546670.228749576365.98931592066.338858627770.99002644271.646507409062.96800432963.758902637471.69230669672.5从数据中可以看出,修正后测定的现场含石量与烘干状态下的含石量相差不大,使用现场湿土法测定的含石量一般较烘干状态下的含石量大,提高幅度在1个百分点以内,可以反映试样真实的含石量。因此,出于方便检测,提高现场检测效率的目的,在现场含石量的测定中,采用修正后的式〔6〕进行试验计算。在现场试验中,含石量使用公式〔6〕进行计算,然后将算得的含石量带入含石量与最大干密度相互关系的预测公式〔5〕确定对应的最大干密度,为压实度检测提供适合的最大干密度标准。3.2.4原材料2最大干密度试验由于原材料2最大粒径较小〔20mm〕,含石量较小,填筑材料较为均质。在试验中,在天然含石量条件下对其使用表面振动仪法测定最大干密度。其表面振动仪法测得的最大干密度为：2.17g/cm3。3.3压实度与Evd相关性分析结果3.3.1原材料1试验结果原材料1两段试验段填筑土石混合料所处层位的压实度设计要求为95%,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60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：94-95；96-97；98-99；100-101；102-103；>103六个X围,将同一压实度X围内的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〔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β〔一般β=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〕195.845.12998.353.1295.850.13098.353.3395.950.13198.353.4496.247.93298.353.8596.252.73398.357.8696.258.73498.549.5796.741.43598.753.8896.759.73698.754.9997.141.93799.246.91097.148.83899.259.21197.149.33999.649.11297.149.74099.949.31397.150.241100.050.91497.156.442100.051.81597.160.543100.054.71697.545.944100.446.91797.550.945100.854.51897.554.946100.864.81997.747.347101.752.12097.942.748102.054.72197.945.449102.158.72297.945.550102.552.32397.946.251103.359.82497.948.652103.856.02597.948.653105.549.72697.956.054106.157.42798.349.355106.359.42898.350.756107.664.3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X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X围数据统计结果如下所示。表6原材料1压实度94-95X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〔%〕195.845.12.895.96295.850.1395.950.1平均值95.848.4表7原材料1压实度96-97X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〔%〕195.845.15.5310.86295.850.1396.247.9496.252.7596.258.7696.741.4796.759.7897.141.9997.148.81097.149.31197.149.71297.150.21397.156.41497.160.51597.545.91697.550.91797.554.91897.747.31997.942.72097.945.42197.945.52297.946.22397.948.6平均值97.350.0表8原材料1压实度98-99X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〔%〕198.349.33.506.68298.350.7398.353.1498.353.3598.353.4698.353.8798.357.8898.549.5998.753.81098.754.91199.246.91299.259.21399.649.11499.949.3平均值98.752.4表9原材料1压实度100-101X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〔%〕1100.050.95.5510.352100.051.83100.054.74100.446.95100.854.56100.864.87101.752.1平均值100.553.7表10原材料1压实度102-103X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〔%〕1102.054.73.035.382102.158.73102.552.34103.359.85103.856.0平均值102.756.3表11原材料1压实度>103X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〔%〕1105.549.76.0710.522106.157.43106.359.44107.664.3平均值106.457.7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〕95.848.497.350.098.752.4100.553.7102.756.3106.457.7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X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X围,将同一压实度X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原材料2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〕195.426.11298.628.7296.322.61399.126.7397.224.81499.127.4497.227.41599.129.0597.228.41699.135.8697.723.11799.527.5797.726.31899.532.2897.726.51999.533.4997.726.920100.030.51098.230.421100.035.11198.626.6参照《土工试验规程》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X围数据统计结果如下所示。表14原材料2压实度95-96X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〔%〕195.426.12.4710.16296.322.6平均值95.924.4表15原材料2压实度97X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〔%〕197.224.81.756.69297.227.4397.228.4497.723.1597.726.3697.726.5797.726.9平均值97.526.2表16原材料2压实度98X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〔%〕198.230.41.906.66298.626.6398.628.7平均值98.528.6表17原材料2压实度99X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〔%〕199.126.73.5211.62299.127.4399.129.0499.135.8599.527.5699.532.2799.533.4平均值99.330.3表18原材料2压实度100X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〔%〕1100.030.53.259.922100.035.1平均值100.032.8从整个试验过程可以看出,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6。表19原材料2压实度-Evd数据统计结果压实度〔灌砂法〕〔%〕Evd〔MPa〕95.924.497.525.698.526.799.227.1100.227.7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7所示。图7原材料2压实度—Evd关系图通过比较,选择相关系数最大的第2个模型,即：〔5〕式中：y——压实度〔%〕；x——动态回弹模量Evd〔MPa〕。将所测得的21组数据代入该模型,其误差最大为2.29%,大部分误差在2%之内。3.4小结〔1〕现场试验发现,对于粒径较大的原材料1,由于施工中摊铺的不均匀导致现场土石混合料的含石量不均,造成出现13组压实度超百数据。对于粒径较小的原材料2,现场施工较为均质,压实度未出现超百数据。〔2〕原材料1试验路段的压实度数据多数在97%-98%之间,最小值为95.8%,符合设计规定95%的要求。原材料2试验路段的压实度数据多数在97%-99%之间,最小值为95.4%,符合设计规定94%的要求。〔3〕路基动态回弹模量Evd与压实度存在相关关系。4种回归分析模型：,,,〔y：压实度,x：动态回弹模量〕均可描述原材料1、2的动态回弹模量Evd与压实度相互关系。〔4〕优选出原材料1的动态回弹模量Evd与压实度相互关系拟合公式；原材料2的动态回弹模量Evd与压实度相互关系拟合公式〔y：压实度,x：动态回弹模量〕。〔5〕从带入拟合公式后预测值的误差分析看,原材料1的误差较原材料2大,动态回弹模量Evd检测压实度对于较均质的原材料2更为适用。这一现象说明随着粒径的增加,其误差也越大,这和土石混填混合料均匀性有关。四、主要结论与建议4.1主要结论〔1〕通过大量的室内外试验,分析路基动态回弹模量Evd与压实度的相关性,结果表明,针对原材料粒径为100mm的混合料,采用,原材料粒径为20mm的混合料,采用〔y：压实度；x：动态回弹模量Evd〕,均能很好的描述路基动态回弹模量Evd与压实度的相关关系。〔2〕现场试验表明,通过建立具体工程动态回弹模量Evd与压实度的关系,采用动态回弹模量Evd检测技术代替传统方法来检测路基的压实度方便快捷,既能满足精度要求,又能大面积检测的快速无损检测。〔3〕在应用路基动态回弹模量Evd检测路基压实度的过程中,路基动态回弹模量Evd与压实度的关系模型的确定是关键的一个环节,它是实际工程中测定路基压实度的标准,只有首先确定了动态回弹模量Evd与压实度的关系模型,才能在工程实测中实现路基压实度快速的动态无损检测。由于土质千变万化,不同地区建立的相关模型具有一定的差别,不能盲目互相套用。〔4〕现场压实质量检测中,采用手持式落锤弯沉仪和灌砂法双重检测的方法对压实质量进行控制。首先使用手持式落锤弯沉仪对路基不同测试点的动态回弹模量Evd进行检测,以找出薄弱点。对于动态回弹模量超过控制指标的测试点,视为压实度合格。对于动态回弹模量小于控制指标的薄弱测试点,再通过灌砂法验证压实度,如薄弱点压实度合格,则认为此次手持式落锤弯沉仪普查路段的压实质量合格。4.2建议〔1〕对于粒径较大的原材料1,针对不同含石量下制定EVD与压实度和