采用动态变形模量评价公路路基压实质量的意义

公路路基的施工质量关系到整个工程的质量、进度和车辆运行安全，科学、合理的监控测试方法是保证路基施工的重要措施。在路基施工中，土体压实是一个最基本的问题，世界各国对土体压实质量执行的标准不同，检测方法也各异。各国现行路基压实标准有10种以上，均是以各个国家或部门根据自己多年经验累积而得的。这些压实指标互相关联，可归纳为两大类，即测试土的物理指标和测试土的力学指标。力学指标是反映土的强度和变形的综合指标,如地基系数K30、二次变形模量Ev2等；物理指标是为满足力学性能的辅助指标，如压实系数K、孔隙率n。目前我国公路路基土体压实主要以密实度（压实度）指标即压实系数K来检测和判断路基的压实质量。虽然压实度为参数的路基压实质量标准具有击实试验指导现场施工、现场检测简便等优点，但在公路路基施工中发现仅仅用密实度指标来检测和判断路基压实质量有其局限性：从土体性能方面，由于路基填土的施工方法不同，含水量的差异和击实标准的差别，相同密实度的土体其力学性能指标有较大差异；从施工控制方面，对于某个路基工程，少则几公里，多则几十公里，不同土层，不同段落土样变化大，增加了击实试验，存在多个土的最大干容重，在回填压实过程中，特别是在路基改建工程中，不同土容易混杂一起，造成实际回填土与击实试样土的最大干容重不对应，压实度难以控制，给工程施工增加麻烦。因此，在检测密实度的基础上，将强度及变形指标作为反映路基承载力的压实标准，是国内外路基施工质量检测技术的发展方向。
     目前我国铁路行业已经将强度及变形指标作为压实质量检测指标。《铁路路基工程质量检验评定标准》(TBl0414—2003)^[1]和《铁路路基设计规范》(TBlOOOl一2005)新建时速160km客货共线铁路基床压实标准中^[2]已把压实系数K、孔隙率、相对密度Dr物理指标和地基系数K30土的力学指标配合使用。
在路基工作区内，路基实际承受的荷载不仅有静荷载，还有车辆行驶时对路基产生的动荷载，并且以动载荷引起的应力为主。车辆行驶速度愈高，动荷载产生的冲击力对路基的影响更为明显，也就是说，路基的稳定性和变形问题主要是由于动荷载引起的，所以，采用模拟车辆行驶时产生的动应力及动应变指标作为路基的填筑质量检测标准将更科学合理、更符合实际情况。动态变形模量Evd自1999年秦沈客运专线路基检测中被引入，经过几年的试验研究，在Evd动态变形模量测试仪器、方法等方面取得了进展。动态变形模量检测方法也已经纳入铁道部行业标准《铁路工程土工试验规程》(TBl0102—2004)^[3]，动态变形模量Evd已成为《京沪高速铁路设计暂行规定(上、下)》(铁建设(2004)157号)^[4]、《新建时速200—250公里客运专线铁路设计暂行规定(上、下)》(铁建设（2005)140号)^[5]和《客运专线无碴轨道铁路设计指南》(铁建设函[2005]754号)^[6]中控制基床表层和过渡段路基压实质量的指标之一。在这里，通过介绍动态变形模量检测在铁路路基工程中的发展，探讨其在公路路基压实质量检测中的应用，以供公路行业参考。
1   动态变形模量概念
动态变形模量Evd(dynamic modulus of deformation)是指土体在一定大小的竖向冲击力和冲击时间作用下抵抗变形能力的参数。由弹性各项同性半空间体上圆形局部荷载的公式计算模量：
Evd=ω（1-μ²）dσ/s(MN/m2)^[7]                         （1-1）
式中：End—动态变形模量(MPa)，计算至0.1MPa；
ω---沉降影响系数，对刚性载荷圆形板取0.79;
μ---土的泊松比，取值0.21
d----圆形刚性荷载板的直径，取值300mm
σ---荷载板下最大动应力，它是通过在刚性基础上，由最大冲击力F＝7.07 kN；荷载脉冲冲击时间r＝18ms时标定得到的，即σ＝O.1MPa
s----实测荷载板下沉幅值mm
Evd=0.79*（1-0.21²）*2rσ/s=1.5 rσ/s=22.5/s(MN/m2)    (1-2)
      r-----圆形刚性荷载板半径，取值150（mm）
2    Evd动态平板荷载试验及特点
Evd动态平板载荷试验法是采用动态变形模量测试仪来监控检测土体压实指标——动态变形模量Evd值的试验方法。动态平板荷载试验是一种新的检测方法，与其他传统的试验方法相比，具有以下特点：
　　1.用Evd动态平板载荷试验方法检测路基的动态变形模量Evd指标，操作简单、测试速度快，检测一点只需三分钟。所以，在施工中可以增加检测点的数量，使试验数据更全面、更有代表性;并且还可以随时跟踪检测，真正实现施工过程中的质量监控。
　　2.该检测方法是模拟列车高速行驶时对路基产生的冲击效应进行动态测试，与静载试验相比，更能反映路基土的实际受力情况，所以这种测试方法特别适合铁路、公路、机场等受动荷载作用的地基质量监控测试。
　　3.检测仪器体积小、重量轻(总重量不超过35公斤，单件重不超过15公斤)、安装携带方便，且不需外加附属设备。在路基的狭窄地段，如路桥过渡段、边坡附近检测也非常方便﹑适用。
　　4.通过在细粒土、碎石土、粗粒土、级配碎石等土类，几百组与静载测试的对比试验，试验结果表明：在同一路段，填料相同时，两者具有良好的相关关系。测试数据数字显示且现场打印，确保测试结果准确、客观。
　　5.无核辐射及废气等污染，操作使用安全、环保。
3   动态变形模量测试仪及工作原理
3.1 动态变形模量测试仪结构
动态变形模量测试仪也称轻型落锤仪(德文缩写：LFG)，是用于检测土体压实指标动态变形模量值的专用仪器，主要有落锤仪和沉陷测定仪组成。落锤仪包括：脱钩装置、落锤、导向杆、阻尼装置、承载板等；沉陷测定仪主要包括传感器、放大器、数据处理器、打印机和电源。见图21.3.1

3.2  动态变形模量测试仪的工作原理
动态变形模量测试仪是采用一定质量的落锤，从一定高度自由落下，通过阻尼装置、承载板，对路基产生瞬间的冲击，使路基产生沉陷。也就是采用一定质量的落锤，从一定高度自由落下，模拟列车运行时对路基产生的动荷载效应冲击路基，在冲刷能相同的条件下，测试路基的垂直变形值，以此计算路基的动态变形模量Evd指标。根据公式（1-2）计算的动态变形模量值即代表被测点的承载力。从理论上讲，路基碾压越密实，沉陷值越小，路基的动态变形模量Evd值越高;反之，路基的Evd值越低。

1. 动态变形模量测试仪技术参数的确定

公式（1-1）中动应力（冲击力）σ是由落锤的落高和阻尼装置控制，它的大小及延时时间要符合列车高速运行时对路基产生的冲击力，“暂规”中规定，路基最大设计动应力为0.1MPa。动态变形模量测试仪的测试深度，即落锤自由下落对路基产生的冲击影响深度，也是该测试仪的主要技术指标和研究内容之一。落锤的质量和落高是决定冲击影响深度的主要因素，落高一定时，落锤越重，影响土体的深度越深，反之则越浅。但对于便携式测试仪来说，落锤太重，不便于携带。所以在研制时，采用直径为300mm的承载板，10kg的落锤。落锤从一定高度自由落下，通过阻尼装置、承载板对路基产生冲击，再通过在土体中不同深度处分层埋设压力传感器的试验方法，测试沿土层深度方向锤击能量衰减的程度，来确定冲击影响深度。根据测试数据分析，锤击能量的大部分(约70%)消耗在40cm厚的土层内。因此可以得出落锤冲击路基的影响深度为40～50cm，满足路基施工中每层填土碾压后30cm的分层检测要求。
　　用动态变形模量测试仪检测路基的承载力，与动力触探法检测路基的承载力相比，它们的相似之处在于：它们都是采用一定质量的落锤，以一定高度自由落下。但两者的检测原理和检测方法完全不同：动力触探设备简单，操作方便，检测速度快，但影响检测结果的因素较多，如探杆侧壁摩擦阻力的影响、地下水的影响、探杆的连接刚度等，是一种较为粗略的定性方法;而动态变形模量的检测方法是采用电子技术获得路基填筑信息或数据的一种先进的检测方法，可直接测得路基在动荷载作用下所发生的力和变形的参数，即动态变形模量。
4    动态变形模量测试验仪的主要技术性能参数及适用范围^[8]　　

1.测试范围满足:10MPa＜Evd＜225MPa;                             
2.测试深度范围:400～500mm;
　   3.测试面最大坡度:5%;
　   4.总重:35kg,落锤重:10kg;
　　 5.最大冲击力:7.07kN;冲击持续时间:18±2ms
　　 6.承载板直径:300mm;厚度:20mm;
　　 7.沉陷测试范围:（0.1～2.0）mm±0.05mm
　　 8.环境温度范围:0～50℃;
9.电源：4节1.2V，700mAh镍镉电池或12V汽车电力供电