骨架密實型級配碎石壓實度無損檢測方法研究
為了對路面基層施工現(xiàn)場骨架密實型級配碎石壓實度進(jìn)行快速檢測，實時反饋施工質(zhì)量，提出了一種無損檢測的新方法。通過控制試驗中不同變量，探究結(jié)構(gòu)層厚度、含水率和下承層剛度因素對PFWD法檢測結(jié)果的影響規(guī)律，建立壓實度與變形模量之間的關(guān)系，并在試驗路段上與灌砂法檢測結(jié)果進(jìn)行比較分析。
試驗結(jié)果表明：級配碎石路面基層壓實度與變形模量之間存在良好的指數(shù)關(guān)系，可以利用PFWD法測定現(xiàn)場不同壓實度下的變形模量，建立壓實度與變形模量之間的相關(guān)關(guān)系式，得到現(xiàn)場壓實度要求的Evd測定值，從而實現(xiàn)對壓實質(zhì)量的及時評價與控制。
結(jié)構(gòu)層壓實度是評價骨架密實型級配碎石的重要指標(biāo)。目前，在工程中，常采用灌砂法進(jìn)行壓實度檢測。此方法步驟看似較為簡單，但在實際檢測時，受量砂密度標(biāo)定的準(zhǔn)確性、操作人員掌握程度不同等因素影響，常使得試驗結(jié)果存在較大誤差，同時存在量砂濕度平衡和回收處理時間較長、測試位置影響檢測結(jié)果等問題。為快速對壓實情況進(jìn)行檢測，第一時間反饋施工質(zhì)量、指導(dǎo)現(xiàn)場施工，采用自主研發(fā)的一套方法，探討利用PFWD法檢測級配碎石基層壓實度的可行性并提出初步的評價標(biāo)準(zhǔn)。
PFWD法檢測結(jié)果為結(jié)構(gòu)層的動態(tài)彎沉和變形模量，本文研究了不同因素對PFWD法的檢測結(jié)果的影響，建立了特定條件下壓實度與變形模量之間的相關(guān)關(guān)系式。
一、試驗材料及方法
（一）試驗材料
試驗選用19~31.5mm、9.5~19mm、4.75~9.5mm以及石屑等4種不同規(guī)格粒徑的集料。并對石料的表觀密度、壓碎值和針片狀顆粒含量指標(biāo)進(jìn)行檢測，各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求，結(jié)果如表1所示。
良好的級配是獲取結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度和保證穩(wěn)定性的重要因素。針對骨架密實型級配碎石，按照規(guī)范要求，將各檔集料拌和均勻并充分晾曬至干燥后采用四分法進(jìn)行篩分，結(jié)合篩分結(jié)果進(jìn)行級配曲線調(diào)整并確定各檔集料所占的比例。最終確定各檔集料所占比例為：19~31.5mm∶9.5~19mm∶4.75~9.5mm∶石屑=38%∶25%∶5%∶32%。各檔集料篩分結(jié)果如表2所示。
（二）試驗方法確定
壓實度是指結(jié)構(gòu)層實際達(dá)到的干密度與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗所得最大干密度的百分比值。本項研究的室內(nèi)試驗方法如下：采用一個直徑1250px、高度1000px的鋼制圓柱模具作為擊實容器，按照上述比例將4種集料混合均勻組成級配碎石，在鋼制模具中壓實成型后測定其動態(tài)彎沉以及變形模量，建立壓實度k、最大干密度ρ、擊實后高度h、容器直徑d及礦料質(zhì)量m的相關(guān)關(guān)系式,如式(1)所示
由式(1)可知，當(dāng)m、ρ和d已知的情況下，通過測量礦料擊實后的高度h，即可確定壓實度。
二、相關(guān)因素對變形模量的影響
壓實厚度、含水率與下承層剛度是影響現(xiàn)場壓實效果的重要因素，為確定壓實度與變形模量之間的關(guān)系，分析該3種因素對變形模量檢測結(jié)果的影響。選用骨架密實型級配碎石作為試驗材料，試驗前采用重型擊實法確定最大干密度和最佳含水率，并按照相關(guān)要求進(jìn)行悶料處理。
（一）壓實厚度對變形模量Evd的影響
采用分層擊實測量厚度的方法進(jìn)行試驗。壓實度定為98%，每層擊實后厚度控制為200px、400px、600px和800px，在容器對應(yīng)位置繪制一條刻度線作為標(biāo)記。根據(jù)壓實度和每結(jié)構(gòu)層厚度，反算每層材料加入質(zhì)量。每層擊實完畢后，整平表面進(jìn)行PFWD測試，記錄測得的彎沉值與變形模量值。試驗時下承層選擇水泥混凝土結(jié)構(gòu)。每結(jié)構(gòu)層擊實后試驗結(jié)果如表3所示。
根據(jù)表3的測試結(jié)果，對于不同的級配類型，其結(jié)構(gòu)層厚度與變形模量之間的關(guān)系曲線如圖1所示。
由圖1可以看出，對于骨架密實型級配碎石，當(dāng)壓實度控制在98%時，級配碎石的Evd值隨壓實層厚度增大而減小。當(dāng)厚度為200px時，Evd值達(dá)到了99.12MPa。這是由于級配碎石作為柔性基層材料，其本身的回彈模量要低于半剛性基層材料，剛度較低，但級配碎石材料具有較為顯著的非線性特性，這使得其在剛度較大的下承層上時會表現(xiàn)出較大的回彈模量，從而具有足夠的抵抗應(yīng)力和變形的能力。
同時隨著結(jié)構(gòu)層厚度的不斷增加，曲線斜率不斷降低，在結(jié)構(gòu)層厚度為500px處存在明顯的轉(zhuǎn)折。這表明當(dāng)壓實厚度較小時，雖然壓實效果較好、變形模量較大，但PFWD的檢測結(jié)果易受下承層剛度的影響，檢測結(jié)果的變異性較大。當(dāng)厚度超過500px時，曲線斜率變小，Evd值隨壓實厚度的增大而產(chǎn)生的變化逐漸減小，表明當(dāng)結(jié)構(gòu)層壓實厚度達(dá)到一定數(shù)值時，PFWD的檢測結(jié)果主要受壓實層狀態(tài)的影響，下承層狀態(tài)對其檢測結(jié)果影響較小。
（二）含水率變化對Evd的影響
對于含水率的影響，試驗時壓實度控制為98%，下承層選擇水泥混凝土結(jié)構(gòu)，含水率分別控制為2.9%、3.3%、3.7%、4.1%和4.5%，擊實厚度控制為500px，分5次擊實，擊實完畢并整平表面后，測定彎沉值和變形模量值。試驗結(jié)果如表4所示。
根據(jù)表4中所示的試驗數(shù)據(jù)繪制含水率與變形模量之間的關(guān)系曲線，并進(jìn)行擬合回歸，結(jié)果如圖2所示。
從圖2中的回歸曲線可以看出，相關(guān)系數(shù)R^2為0.9634，接近1，說明含水率與變形模量之間存在良好的二次拋物線關(guān)系。當(dāng)含水率在最佳含水率附近時，PFWD檢測結(jié)果為最大值。
含水率對于變形模量測試結(jié)果的影響，主要取決于吸附在材料表面的水膜厚度。級配碎石主要是通過粗集料表面的水膜來吸附細(xì)集料形成整體。當(dāng)含水率過低時，粗集料表面的水膜厚度不足以吸附細(xì)集料時，材料過于松散;當(dāng)強(qiáng)行擊實至98%壓實度時，由于摩擦力過大，細(xì)集料無法移動填充粗集料之間的空隙，而壓實度提高的原因是粗集料被擊碎，導(dǎo)致密度增大。當(dāng)含水率過大時，細(xì)集料顆粒的毛細(xì)吸引力增加，孔隙水壓力增大，導(dǎo)致材料難以擊實;此時為了達(dá)到98%的壓實度，就需要增加擊實次數(shù)或者增大擊實功，從而會導(dǎo)致多余的水?dāng)y帶著細(xì)集料不斷被擠壓至上表面，粗集料之間的嵌擠作用不斷增大;隨著孔隙的減小，孔隙水壓力不斷增加，最終導(dǎo)致粗集料破碎、密度增加。這兩種情況下進(jìn)行PFWD檢測時，主要是由破碎后的集料承擔(dān)外力的作用，導(dǎo)致變形模量測定值較小。因此施工時要嚴(yán)格控制其含水率處于最佳含水率附近，保證材料處于良好的工作狀態(tài)，此時測得的PFWD模量也更加準(zhǔn)確。
（三）下承層剛度對Evd的影響
分別選用水泥混凝土地面、瀝青路面、磚石路面和壓實土層作為下承層，分析下承層剛度變化對壓實效果產(chǎn)生的影響。試驗時壓實度控制為96%，擊實厚度控制為500px，分5次進(jìn)行擊實，擊實完畢并整平表面后測定彎沉值和變形模量值。試驗數(shù)據(jù)如表5所示。
根據(jù)表5中的試驗數(shù)據(jù)繪制下承層剛度與變形模量之間的關(guān)系曲線，并對其進(jìn)行擬合回歸。
可以發(fā)現(xiàn)二者之間存在明顯的對數(shù)關(guān)系，隨著下承層剛度的增長，級配碎石材料層的變形模量也在逐漸增長。當(dāng)下承層剛度處于較低范圍內(nèi)時，材料層的變形模量增長趨勢較為顯著，表明在壓實過程中，擊實的沖擊力通過材料層傳遞給了下承層，對下承層也產(chǎn)生了擊實作用，兩個結(jié)構(gòu)層模量同時增長，導(dǎo)致PFWD實測模量的增長較快。另一方面，當(dāng)下承層模量值處于較大狀態(tài)，即其剛度較高時，變形模量的增長主要是由于對級配碎石材料層的壓實作用，此時PFWD的測試結(jié)果主要反映級配碎石材料本身狀態(tài)的變化。
（四）變形模量與壓實度關(guān)系式建立
依據(jù)上述分析結(jié)果，建立特定條件下變形模量與壓實度相關(guān)關(guān)系式。試驗時擊實厚度控制為500px，壓實度范圍控制為85%~100%，下承層選擇水泥混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)層厚度和每次控制的壓實度，反算每層材料的加入質(zhì)量，進(jìn)行彎沉與變形模量測定。各結(jié)構(gòu)層擊實后試驗結(jié)果如表6所示。
將表6中的試驗結(jié)果異常值剔除，繪制壓實度與變形模量之間的關(guān)系圖，并對其進(jìn)行回歸處理，得到圖4所示壓實度與變形模量關(guān)系曲線。
由圖4可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)層壓實度較低時，模量值也較低，隨著壓實度的增加，模量增長較為緩慢;當(dāng)結(jié)構(gòu)層的壓實度達(dá)到一個較高的水平時(如圖4中壓實度達(dá)到98%時)，結(jié)構(gòu)層的模量急劇增長;當(dāng)壓實度接近100%時，這種增長更為顯著，曲線變化呈現(xiàn)出指數(shù)型增長趨勢。
根據(jù)表6及圖4，當(dāng)壓實層厚度、含水率和下承層剛度控制在一定條件下時，級配碎石基層壓實度k與變形模量Evd值之間存在良好的指數(shù)關(guān)系，如式(2)所示：
三、現(xiàn)場檢測及評價
（一）試驗路結(jié)構(gòu)
室內(nèi)檢測結(jié)果表明，壓實度與變形模量之間存在良好的相關(guān)關(guān)系。在某高速公路施工過程中，選用100m長度作為標(biāo)定段，驗證室內(nèi)檢測方法在現(xiàn)場施工時的適用性。待測層為上基層，采用無黏結(jié)級配碎石，厚度為450px;下基層采用5%水泥穩(wěn)定碎石，厚度為500px;底基層采用5%水泥穩(wěn)定砂礫，厚度為500px;墊層采用天然砂礫，厚度為500px。
（二）試驗路材料
級配碎石采用頁巖材料，同時添加石屑來增加集料的黏附性、減小離析，再摻加一定量的粉煤灰來提高級配碎石的壓實性能與抗離析性能[7]。采用骨架密實型級配，通過篩分確定的集料配比為19~31.5mm碎石∶9.5~19mm碎石∶石屑=30%∶35%∶35%，粉煤灰摻量為5%。此時最大干密度為2.29g/cm3、最佳含水率為6.6%、加州承載比CBR值為153%，滿足規(guī)范要求。
（三）現(xiàn)場壓實度及變形模量檢測
根據(jù)現(xiàn)場壓實機(jī)械的配備和材料狀況，確定采用1遍靜壓+4遍振壓+1遍靜壓相結(jié)合的方法進(jìn)行壓實。級配碎石基層攤鋪后(壓實之前)，選取50m左右的距離布設(shè)測點，每10m選一個截面，每個截面選3個點，并用石灰做上標(biāo)記，使用PFWD測量各點的Evd值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對應(yīng)檢測壓實度;進(jìn)行第一遍壓實后使用PFWD測試各點上的Evd值，然后取某一測定點，用灌砂法檢測該點附近的壓實度，試驗后取土將灌砂后的坑填滿搗實，以減小對下一次檢測的影響;之后每壓一遍就重復(fù)以上工作，直到碾壓結(jié)束。對檢測結(jié)果整理后，將代表值進(jìn)行回歸，回歸曲線如圖5所示。
從圖5中可以看出，壓實度k與變形模量Evd具有良好的指數(shù)關(guān)系。關(guān)系式如下：
式(3)中相關(guān)系數(shù)R^2為0.9441，接近1，說明壓實度和變形模量具有良好的相關(guān)性。
根據(jù)本項目對級配碎石基層壓實度的要求，按照式(3)可以得出本路段Evd測定值應(yīng)≥86MPa。
（四）壓實質(zhì)量快速檢測及效果評價
為驗證上述壓實度標(biāo)準(zhǔn)的有效性，對級配碎石施工現(xiàn)場的壓實度進(jìn)行了跟蹤檢測，同時選取PFWD檢測位置附近進(jìn)行灌砂法試驗驗證。試驗段樁號為K90+900~K91+200，沿右幅道路中線，每間距為10m布設(shè)一個點，待攤鋪碾壓結(jié)束后，立即進(jìn)行PFWD變形模量檢測。測試結(jié)果如圖6所示。
如圖6所示，在30個采集點中，僅有7個檢測點的Evd值滿足基層標(biāo)準(zhǔn)≥86MPa的要求，合格率為23%。之所以產(chǎn)生這樣的效果，是因為在標(biāo)定路段，測試人員對施工過程有嚴(yán)格的要求和技術(shù)指導(dǎo);在試驗路段，則是施工技術(shù)人員根據(jù)施工技術(shù)要求自行施工。從檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，二者存在顯著的差異。如果按照灌砂法評價該路段的壓實質(zhì)量，由于檢測頻率和試驗方法的問題，可能會淡化此路段壓實質(zhì)量的差異性，難以發(fā)現(xiàn)施工中存在的質(zhì)量問題。而采用快速高密度、無損的PFWD數(shù)據(jù)采集結(jié)果來評定壓實效果，則能及時發(fā)現(xiàn)并反饋施工中存在的問題，更好地控制現(xiàn)場施工質(zhì)量。
將PFWD變形模量檢測結(jié)果，換算成為壓實度，同時將同一位置灌砂法檢測結(jié)果共同繪制于圖7中?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用灌砂法檢測后，也僅有7個采集點壓實度結(jié)果滿足施工要求，PFWD法與灌砂法得到的壓實度曲線基本重合，檢測結(jié)果顯示出高度的一致性。這說明采用PFWD法可以有效地對現(xiàn)場施工質(zhì)量進(jìn)行評價。
四、結(jié)語
本文采用自主研發(fā)的檢測技術(shù)，對路面基層骨架密實型級配碎石的壓實度進(jìn)行了探究，主要結(jié)論如下。
1、利用室內(nèi)試驗，分析了結(jié)構(gòu)層厚度、含水率與下承層剛度因素對骨架密實型級配碎石變形模量的影響規(guī)律;明確了當(dāng)壓實層厚度控制在500px左右、含水率為最佳含水率、下承層剛度較高時壓實度與變形模量之間存在良好的指數(shù)關(guān)系。
2、通過試驗路工程驗證了現(xiàn)場壓實度與級配碎石變形模量之間也存在良好的指數(shù)關(guān)系，并明確了本路段壓實度要求的Evd測定值應(yīng)≥86MPa。
3、采用PFWD法對級配碎石施工現(xiàn)場的變形模量進(jìn)行檢測，并與灌砂法壓實度結(jié)果進(jìn)行比對分析，結(jié)果基本相同，驗證了本方法的有效性。
4、本文提出的PFWD法可以實現(xiàn)高密度、快速和無損的現(xiàn)場壓實度檢測，客觀并有效地評價施工質(zhì)量，為保證工程品質(zhì)提供了一種無損檢測的新方法。
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