基于动态回弹模量的路基压实质量快速检测与评定方法*

束冬林 王建立 方明镜

(1.安徽省高速公路试验检测科研中心有限公司 合肥 230601；2.安徽省交通控股集团有限公司 合肥 230088； 3.武汉理工大学土木工程与建筑学院 武汉 430070)

路基作为公路的基础，其质量直接关系到公路工程的建设品质和运营成本。既有经验表明，路基填筑压实质量不足将导致后续使用过程中出现一系列道路病害及工程隐患，为实现路基压实质量的有效控制，使路基的强度、刚度和稳定性满足设计要求，从而保证路基结构性能和使用寿命，必须对路基填筑压实质量进行有效检测。

现有规范路基填料压实质量现场检测方法，无论是灌砂法、灌水法或是沉降差法等，均存在效率低下、人为因素影响大等问题，实际操作中很难把握，容易引起较大误差，特别是灌砂(水)法的测量属于破坏性试验，很容易在试坑处留下质量隐患。同时，现有路基压实质量检测指标主要为路基压实度和沉降差等，其指标过于片面、单一。而实际路基压实过程受填料岩性、粒径、级配，以及含水率等多重因素的影响，采用单一评价指标不能真实有效地反映路基的压实质量，在实际应用中也难控制。特别是在填石、土石混填类路基压实过程中，根据现行规范采用沉降差或孔隙率来控制时，其现场实际操作很困难，且效果不理想。同时，传统物理和力学检测指标均属于静态检测，而实际中，公路路基的受力是承受的动态载荷，单纯采用静态评价指标显然不尽合理。相关研究表明[1-4]，压实路基的动态回弹变形与填料压实质量存在很好的关联，现场压实路基土的动态回弹变形量一定程度上可反映路基的强度和变形特性，进而可间接反映路基压实质量，其量化评判指标为动态回弹模量。后来，许多学者[5-6]通过关系试验，也进一步表明了路基回弹模量值与路基压实质量指标之间具有良好的相关性。

基于此，本文依托实际工程，对路基的动态回弹模量与规范规定的压实质量控制指标(如压实度、沉降差等)间的关系进行研究，以期提出一种基于动回弹变形原理，便捷、精确、实用性强的公路路基压实质量检测方法。

1 路基动态回弹模量测试仪研制

1.1 工作原理

本测试仪的工作原理主要参考了铁路路基工程中广泛采用的动态变形模量Evd测试仪(PFWD)及车载式落锤弯沉仪(FWD)，通过模拟真实的车轮作用，以落锤冲击承载板施加瞬时动荷载，测得回弹弯沉的大小后，动态回弹模量的计算采用刚性承载板下的弹性半空间体模型，见图1。

图1 刚性承载板下路基弹性半空间体应力、位移分布图

通过动态线弹性理论反算得到该动载条件下的动态回弹模量，理论计算如式(1)所示。

(1)

式中：Ed为路基动态回弹模量，MPa；P为承载板压力，N；D为承载板直径，mm；μ为路基材料泊松比，根据JTG D50-2015规定取用，当无规定时，参照JTG 3450-2019，非黏性填料可取0.30，高黏性填料取0.50，一般可取0.35 或0.40；l为承载板中心处的回弹变形，mm。

1.2 试制思路

基于上述工作原理，针对公路路基填筑材料的特点及JTG 3450-2019 《公路路基路面现场测试规程》承载板法测回弹模量，从设计上优化调整了落锤的重量、高度，以及承载板的直径，从而试制出一款适用于现场不同填料类型的路基动态回弹模量测试装置，定义为路基动态回弹模量测试仪DEM[7]，落锤的重量设计为(12±0.1)kg，落锤最大冲击高度为730 mm，使其产生最大冲击荷载为(10.49±0.2)kN，承载板直径设计为450 mm。

利用落锤从一定高度自由下落在弹簧阻尼装置上，产生的瞬时冲击荷载通过弹簧阻尼装置传递给承载板，在承载板下面(即测试面)产生动应力，使承载板发生变形，即阻尼振动的振幅，由位移传感器和力传感器进行感应接收，通过3次预冲击及预设的回弹变形算法，承载板内的数据采集卡完成回弹变形、最大冲击荷载和动态回弹模量的采集和分析，通过无线局域网路由器将处理分析后的数据传输至采集端APP，直观输出回弹弯沉值和回弹模量值，也可连接蓝牙打印机实时打印出检测结果，每个点的测试时间约30 s，从而实现了路基现场动态回弹模量快速测试。DEM相较于其他以回弹模量为测量指标的设备，具有体积小、携带方便、操作简单等优势。其操作技术整体流程示意图如图2所示。

图2 动态回弹模量测试仪检测工作流程

2 路基压实质量控制指标比对试验

2.1 比对试验方案

路基动态回弹模量与常规压实质量检测指标的比对试验是本设备及其测试方法应用的前提条件，因此为使得试验结果具有区分性，本次在某一级公路选取3种典型的路基填料进行压实质量控制指标的比对试验，即填土类路基、土石混填类路基和填石类路基。

针对填土路基，建立路基填筑层压实度与路基动态回弹模量的相关关系。针对土石混填或填石路基，建立路基填筑层沉降差与路基动态回弹模量的相关关系，比对试验流程见图3。

图3 路基现场试验流程

路基施工中，碾压遍数与路基压实程度呈正比，随压实遍数的增加，压实程度增加，并达到临界值，为了保证比对试验的数据科学有效，在路基施工碾压过程中应采集至少3次不同碾压遍数下的压实指标数据。现场每次碾压完毕，随机选取试验点，对于动态回弹模量测试，每个测点至少进行3次重复检测，测量前基底采用细砂找平。建立关系时的动态回弹模量应具有代表性，可反映该试验区域内的整体动态回弹模量，为使得动态回弹模量值更真实的反映实际情况，依据JTG 3450-2019 《公路路基路面现场测试规程》及JTG-F80 《公路工程质量检验评定标准》进行测点的选取，每结构层不下于15个测点的模量数据，并剔除异常值数据之后，采用取均值的方式得到代表性动态回弹模量值。常规压实质量控制指标按现场试验段施工方案制定的检测频率采集，同样采用取均值的方式得到常规压实指标的代表值。

2.2 比对试验结果分析

通过上述方案步骤得到3种路基填料动态回弹模量及相应填料下的沉降差、压实度数据，建立动态回弹模量与沉降差、压实度数据关系图，见图4。根据填土路基试验段比对试验结果分析，可以看出，对于填土类路基，动态回弹模量与压实度之间呈现良好的线性关系，其相关系数为0.99，表明相关性很好。根据土石混填和填石路基试验段比对试验结果分析数据表明，碾压过程中沉降差可以较好地反映路基压实程度。相关测试结果与动态回弹模量测试值的变化规律基本一致，呈现出良好的负相关关系，验证了采用沉降差作为动态回弹模量的压实质量关系控制指标是可行的。

图4 不同填路比对试验关系曲线

鉴于上述分析结果，对于填土类路基，宜选取关系标定参数为压实度，建立填土类路基动态回弹模量值Ep与路基压实度K的定量关系，按照设计压实度要求得到对应的模量值作为压实控制标准。对于土石混填路基和填石路基，宜选取关系标定参数为沉降差，从而建立路基填筑层沉降差与动态回弹模量的相关关系，以试验段确定的满足压实度要求的容许沉降差所对应的动态回弹模量值作为压实质量控制标准。

3 路基动态回弹模量测试方法的应用

3.1 现场质量评定方法

为了更好地应用实施，结合JTG 3450-2019和JTG F80/1-2017制定路基动态回弹模量的评定方法，对路基动态回弹模量的数据处理应按代表值和单个合格值的允许偏差分层评定。路基动态回弹模量代表值计算公式如式(2)所示。

(2)

当E≥Es，且单点路基动态回弹模量全部大于或等于Es的95%时，评定路段的路基动态回弹模量合格率为100%；当E≥Es，且单点路基动态回弹模量全部大于或等于Es的85%且小于95%时，按测点数计算合格率。当E

3.2 现场应用实施情况评价

根据上述比对试验结果，确定了该路段填石路基的动态回弹模量检测合格标准值为56.3 MPa。本次在现场另外选取了一段相同结构层次相同填筑材料的填石路基，按照每车道每50 m每压实层不少于1处的检测频率随机选点采集路基动态回弹模量，共采集24处。计算得出该作业段路基动态回弹模量实测平均值为59.6 MPa，标准差为3.01 MPa， 代表值为58.5 MPa，不低于合格标准值，代表值满足要求。有2处路基动态回弹模量低于53.5 MPa(但高于47.9 MPa)(见表1)，未出现低于极值47.9 MPa的情况，根据3.1现场质量评定方法，2个测点不合格，此结构层路基动态回弹模量单点合格率为91.7%。通过本方法的应用实施，不仅可以降低公路路基质量隐患的产生概率，提高公路整体结构的服役寿命，同时大大提升了路基压实质量检测工作的效率，从而加快了现场施工的进度。

表1 断面测点相关参数 MPa

4 结语

通过文献资料调研、理论分析、设备研制、现场试验等方法，开展了基于动态回弹模量的路基压实质量快速检测与评定方法的研究，得出的主要结论如下。

1) 基于刚性承载板下半空间体的线弹性理论，研制出便携式动态回弹模量快速测试仪(DEM)，现场试验结果表明，动态回弹模量可较好地反映路基的强度和变形特性，可将动态回弹模量作为间接压实质量控制指标。

2) 同一路基填料类型下，DEM测得的动态回弹模量值与规范规定的压实质量控制指标(沉降差、压实度)之间具有很好的相关性，再按照路基压实控制指标设计要求得到对应的模量值作为压实控制标准，其测值可以准确地反映路基压实质量的好坏。

3) 研究成果实现路基施工过程中压实质量的快速检测评定与高效控制，从而加快现场施工的进度，降低质量隐患的产生概率，具有显著的社会效益和经济效益。同时，本文提出的关键技术将为今后同类填料路基质量检测提供一种简单实用、经济可靠的技术方案。

4) 本文所提出的设备与检测方法在不同区域的适用性有待检验，且此方法用作路面结构层的检测可行性未来需做深度探索。