动力锥贯入仪用于路基压实质量检测的适用性分析

黄虎刚

(上海同纳建设工程质量检测有限公司 湖南分公司，湖南 长沙 410116)

路基的承载能力关系到道路的服役寿命。在引入动力锥贯入仪(Dynamic Cone Penetrometer，DCP)之前，路基承载能力一般通过加州承载比(CBR)试验、无侧限压缩试验、三轴压缩试验、静载试验等测试，这些方法不能直接获得路基承载力，且需耗费大量时间和人力。为此，将DCP法应用于路基承载力检测。该文结合现场检测数据和CBR试验值，对DCP方法检测的贯入度与CBR值之间的相关性进行分析，验证规范中贯入度与CBR值的线性关系。

1 DCP法概述

DCP是利用锤击方式将测头贯入土基测试土基承载能力的一种轻型设备(见图1)，通常以锤击深度表示，落锤重10 kg，锥头角度为60°。其操作简便，可靠性高，能迅速得到路基承载能力，常用于路基和土基材料压实质量检测。该设备所测贯入度与现场CBR值和杨氏回弹模量均具有较高的相关性，可用于评价施工现场或老路路基的压实质量或承载能力。

图1 动力锥贯入仪的构造

国内学者对DCP法进行了相关研究和现场测试。徐平等通过分析DCP(总)锤击数、贯入比率与DCP贯入深度之间的关系，发现DCP可用于路基压实质量定性分析，并采用落锤式弯沉仪(FWD)和CBR试验方法对不同类型路基的压实质量进行测试，结果表明CBR值与FWD值的相关性较好，间接说明DCP法能用于路基压实质量快速检测及评价。郭涛等分析了高速公路扩建中新老路基拼接问题，结合大量DCP现场测试结果，分析了DCP在新旧路基拼接工程中的实际应用，结果表明DCP在评价拼接路基新旧部位压实质量中具有较好的应用价值。赵玮等对DCP工作原理及应用现状进行阐述，结合新建、改扩建及特殊路基的应用实践分析其在路基压实质量控制中的适用性，发现采用DCP对路基压实质量进行检测具有较高的可靠性，值得进一步推广。李宝通过对路基进行现场钻芯取样、室内试验及DCP试验，对DCP平均贯入值、路基回弹模量、压实度、含水量及路面结构现状的相关性进行分析，得出DCP试验可对路基承载能力进行快速测试和评价，且测试结果的可靠性极高。

2 DCP法现场测试

2.1 试验准备

(1) 安装落锤，保证联轴器处的DCP导向杆与探杆连接牢固，避免发生松动、脱落。

(2) 将DCP竖直放置在坚硬表面上，如混凝土或坚硬土层，记录最初读数，记作零读数。

(3) 根据工程实际情况选择具有代表性的检测点，检测点应处于表面平整的路基或路面面层及基层上。

2.2 试验步骤

(1) 在施工现场选择平整且干燥的表面作为测试地点，若表面有浮土或软土，应予以铲除，厚度一般不超过20 mm。若表层有较深的浮土，应重新选择测试地点周围区域进行试验。

(2) 将DCP锥头连接到已安装好的动力锥贯入仪钻杆上，将其对准待检测路基的表面并保持探杆垂直。一人握住DCP手柄，另一人将重锤提升至导杆顶部使重锤自由落下。

(3) 读取贯入深度。落锤自由下落后，单次贯入深度大于5 mm时，记录锤击次数和贯入深度；若单次贯入深度在5 mm以内，应多次锤击，使贯入深度超过5 mm后记录贯入深度及累计锤击次数。

(4) 进行下道工序施工前连续进行锤击、测量、记录，直至达到各结构层的要求深度。遇到坚硬材料层时，连续锤击10次后，若其贯入量没有任何改变，则终止试验，重新选择测点进行测试，或使钻孔钻透坚硬结构层后再进行测试。

(5) 测试结束，从中部连接处拆卸贯入杆，拆除落锤，取出DCP设备。

3 数据分析

根据文献[5]，以贯入深度-锤击次数曲线作为DCP法检测结果。按式(1)计算DCP的贯入度Dd，按式(2)计算现场CBR值。

Dd=D/n

(1)

lg(CBR)=a+b·lgDd

(2)

式中：D为DCP的贯入量；n为锤击次数；a、b为换算系数。

选取厚度分别为100 mm、150 mm的路基土层进行DCP试验和现场CBR试验，测试结果见表1。

表1 路基土层DCP、CBR试验结果

对贯入度和CBR值采用二次多项式进行拟合，对lgDd与lg(CBR)采用线性函数进行拟合，结果见图2～5。

续表1

图2 路基土层厚100 mm时Dd-CBR关系曲线

由图2和图3可知：路基土层厚度为100 mm时，DCP贯入度与CBR值间的关系可用二次多项式表示，其相关系数为0.811，表明未经处理的数据具有较小的离散性，能进行更好的耦合；lg(CBR)随lgDd的增大而减小，lg(CBR)与lgDd呈负线性相关，两者的相关系数为0.765，表明DCP贯入度和现场CBR值的相关性不高。

图3 路基土层厚100 mm时lg(CBR)-lgDd关系曲线

由图4和图5可知：路基土层厚度为150 mm时，采用二次多项式表示DCP贯入度与CBR值之间的相关性更合理，相关系数为0.836，表明未经处理的数据具有较小的离散性，能进行更好的耦合；lg(CBR)与lgDd呈负线性相关，相关系数为0.809，大于土层厚度为100 mm时的相关系数，表明检测深度越大，DCP贯入度与现场CBR值的相关性越强。

图4 路基土层厚150 mm时Dd-CBR关系曲线

图5 路基土层厚150 mm时lg(CBR)-lgDd关系曲线

基于上述拟合分析结果，为验证规范中DCP贯入度与CBR值之间的线性关系，采用指数函数、二次多项式和幂函数进行拟合，结果见表2。

表2 路基土层的DCP贯入度与CBR值的拟合方程

续表2

由表2可知：路基土层厚度为100 mm时，二次多项式的拟合结果优于线性函数、指数函数和幂函数，相关系数达到0.769。但路基土层厚度变大时，二次多项式和线性函数的相关系数相等，为0.809，大于其他2种拟合方式。现场DCP试验一般检测厚度大于100 mm，为便于后期数据处理，选用线性函数进行拟合较合理，与规范中DCP试验贯入度与CBR值采用线性方程拟合一致，验证了规范中检测方法的合理性。

4 DCP法的工程应用

(1) 检查或评价路基、基层的压实质量。DCP法是监控路基和基层正常施工的有效方法之一，可用于路基施工压实质量和均匀性检查，确定道路高强度的结构层及土质软弱之处。在对路基进行质量检测时，首先把DCP竖直平放在被检测层的表面，由测试人员操作探杆及锥头，直到锥头贯入待测材料层的底面或待测深度，最后对不同深度处的贯入率和CBR值进行分析，对该材料层的压实质量和分层状况进行评价。

(2) 调查旧路边坡的承载能力。随着交通流量的增加，部分地区会根据车流量需要对高速公路进行扩建加宽，需对旧路边坡的压实质量进行调查，根据调查结果制订切实可行的削坡方案，从而合理利用旧路边坡，节约工程成本。DCP法是检测旧路边坡质量行之有效的方法。将200 mm×200 mm左右测试面积整平后进行DCP贯入试验，直至连续测量5次的贯入率均低于规范要求时停止试验。基于检测结果对旧路边坡承载能力进行分析，结合扩宽道路的施工要求确定合理的旧路削坡方案，避免因拼接质量、盲目设计等引起工程质量问题。

(3) 检测管道回填土质量及堤坝压实质量。在市政工程中进行管道回填时，往往因工期紧张、场地有限和常规检测方法的局限性，不能及时对管道土方回填密实度进行检测。DCP法能及时对管道回填土的压实质量进行快速检测，且其操作简便、快捷。DCP法还可检测堤坝工程周边边坡土体的压实质量，实时监控堤坝施工过程中土体填筑质量。

(4) 对路基土体进行初始性调查。DCP法的测试数据能反映土体分层状况、强度及承载能力特性。进行路基土体勘探时，可采用DCP法调查工程范围内土体的类别及性质。

5 结语

DCP法以其操作简单、轻便快捷的特点被广泛应用于各种工程领域，如新建道路、管道、沟渠工程的回填土质量检测，堤坝工程的压实质量检测，旧路边坡的承载能力检测等，值得在土木工程领域推广应用。