張宏杰 陳立生 周毅恒

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實驗室 上海 201804； 2.上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司 上海 200065)

在道路、機(jī)場工程中，足夠強(qiáng)度的路基是路面道面平順穩(wěn)定的基礎(chǔ)，通常采用對路基進(jìn)行充分壓實以保證其強(qiáng)度。壓實不良的路基易產(chǎn)生滲水和不均勻沉降等現(xiàn)象，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)變形開裂，影響行駛舒適性、安全性。傳統(tǒng)的路基壓實檢測方法(如環(huán)刀法、灌砂法、沉降控制法等)存在著檢測范圍有限，測點(diǎn)選取隨機(jī)，檢測費(fèi)時費(fèi)力，數(shù)據(jù)滯后等問題，對路基壓實質(zhì)量驗收造成了極大的困擾[1]。

鑒于傳統(tǒng)壓實檢測方法的諸多不足，瑞典公路管理局的Thurner提出了智能壓實的概念[2]，其核心在于利用壓路機(jī)振動輪加速信號的變化規(guī)律判斷路基壓實狀況，實現(xiàn)對壓實區(qū)域的全面實時監(jiān)測。智能壓實技術(shù)有多種基于不同原理的壓實控制指標(biāo)，其中較為常見的是經(jīng)驗類指標(biāo)諧波比CMV和力學(xué)類指標(biāo)振動模量Evib[3]。其中CMV沒有明確的物理模型，局限性較大[4-5]?；诹W(xué)原理的Evib在各類土體上和路基模量都表現(xiàn)出很好的相關(guān)性，能更好地實現(xiàn)路基壓實質(zhì)量的監(jiān)控。

在利用智能壓實進(jìn)行路基碾壓施工時，整體壓實效果會受到包括材料類型、土體含水量、填筑層厚度、振動碾壓參數(shù)、碾壓遍數(shù)，以及下臥層強(qiáng)度等因素的影響[6]。級配良好、在土體最佳含水率附近的路基填料更易獲得好的壓實效果。壓路機(jī)的速度、振動頻率和振幅同樣對壓實效果有不小的影響，較高的振幅振頻、較低的速度，會使路基獲得更好的壓實效果。與這幾類影響因素不同，填筑層厚度和下臥層強(qiáng)度除了會對路基整體壓實效果產(chǎn)生影響外，還會成為智能壓實指標(biāo)計算的誤差來源：①路基填筑層厚度會對整體壓實效果產(chǎn)生影響。通常情況下，在同一填筑層中，由于距離振動壓實力較近，上部材料的壓實效果優(yōu)于下部材料的壓實效果。但填筑層如果過厚，不僅填筑層下部的土體無法有效壓實，位于填筑層上部的土體由于下臥土體強(qiáng)度不足，也難以達(dá)到壓實要求。②進(jìn)行智能壓實時，如果填筑層過薄，壓路機(jī)的影響深度會覆蓋到下臥層，對最終壓實效果的判斷產(chǎn)生影響。同樣的，下臥層的強(qiáng)度也會對上層填筑的路基壓實產(chǎn)生影響。如果下臥層強(qiáng)度高，則填筑層更易達(dá)到較好的壓實效果。但是在填挖交界的挖方區(qū)等特殊工況下，智能壓實控制指標(biāo)值反而會因為較高強(qiáng)度下臥層的影響而變得較大，難以反映填筑層的實際壓實質(zhì)量。這種現(xiàn)象的根本原因在于振動壓路機(jī)的影響深度較深，而智能壓實技術(shù)得到的指標(biāo)值實際上反映的是振動壓路機(jī)影響深度范圍內(nèi)的路基整體壓實質(zhì)量，當(dāng)壓路機(jī)影響深度超過填筑層厚度時，下臥層強(qiáng)度就會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響。隨著智能壓實技術(shù)的不斷推廣，洞悉路基填筑層厚度和下臥層強(qiáng)度對智能壓實的影響有利于控制路基整體施工質(zhì)量。

基于此，本文采用力學(xué)類智能壓實指標(biāo)Evib作為壓實質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計現(xiàn)場試驗，分析振動壓實過程中下臥層強(qiáng)度和填筑厚度對路基整體壓實質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 現(xiàn)場工程概況

以浙江省杭紹臺高速公路為依托，于二標(biāo)段二工區(qū)設(shè)置試驗段，試驗段長約150 m(其中約80 m為填挖交界路段)，路基施工類型為高填方土石混填路基。

1.1 試驗段工況

按照J(rèn)TG E40-2007 《公路土工試驗規(guī)程》的規(guī)定，對現(xiàn)場填筑材料進(jìn)行試驗，確定其基礎(chǔ)物理性參數(shù)，包括液塑限、塑性指數(shù)、最佳含水率、最大干密度等，填筑材料物理性參數(shù)見表1。

表1 填筑材料物理性參數(shù)

現(xiàn)場路基施工每層填筑厚度為40 cm，按沉降差控制法進(jìn)行壓實質(zhì)量驗收。根據(jù)壓實試驗段的試驗結(jié)果，路基碾壓達(dá)到要求的沉降差控制值為2 mm。采用TerraTest 4000USB型手持落錘彎沉儀圖(見圖1)對碾壓完成的路基測定Evd值作為下臥層強(qiáng)度，最終確定沉降差為2 mm時對應(yīng)的Evd值為60 MPa。在達(dá)到壓實要求的路段上進(jìn)行智能壓實控制指標(biāo)影響因素的試驗研究。

圖1 TerraTest 4000USB手持落錘彎沉儀

結(jié)合研究內(nèi)容，在試驗段共設(shè)置5種工況，以分析不同填筑層厚及下臥層強(qiáng)度對壓實效果的影響，現(xiàn)場試驗工況參數(shù)見表2。其中，層厚40 cm，下臥層強(qiáng)度60 MPa的工況為正常填筑段的填筑參數(shù)；下臥層強(qiáng)度為80，93 MPa的工況位于填挖交界處開挖填筑區(qū)；填筑層厚為50，60 cm的工況是為研究填筑層厚影響規(guī)律，在正常填筑段上設(shè)置的特殊工況。

表2 現(xiàn)場試驗工況

1.2 壓實機(jī)械參數(shù)

振動壓實是被壓材料與壓實機(jī)械相互作用的過程，壓實機(jī)械類型及振動參數(shù)對填料壓實效果有顯著影響。由于現(xiàn)場試驗條件及施工工期限制，不考慮壓實機(jī)械的影響，在3個試驗中采用相同的壓實機(jī)械及參數(shù)設(shè)置。試驗壓路機(jī)為柳工CLG6122E型振動壓路機(jī)，質(zhì)量22 t，振動頻率28 Hz，激振力400 kN，碾壓行駛速度3 km/h。

1.3 智能壓實設(shè)備

智能壓實設(shè)備通過記錄振動碾壓過程中振動輪的運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)行解調(diào)分析和指標(biāo)計算，實現(xiàn)全區(qū)域內(nèi)的壓實指標(biāo)采集顯示。本試驗采用的智能壓實系統(tǒng)(智能壓實控制系統(tǒng)組成圖見圖2)由定位、采集和顯示系統(tǒng)3部分組成。

圖2 智能壓實控制系統(tǒng)組成

定位系統(tǒng)包括高精度GPS定位天線及定位接收機(jī)，主要工作是基于GNSS技術(shù)，實時采集壓路機(jī)的位置和速度信息。采集系統(tǒng)包括加速度傳感器及解調(diào)儀，其中加速度傳感器實時采集壓路機(jī)鋼輪的振動響應(yīng)，傳輸?shù)浇庹{(diào)儀中進(jìn)行解調(diào)分析與指標(biāo)計算。顯示系統(tǒng)包括計算機(jī)分析軟件和工業(yè)平板，通過軟件計算，在平板上可視化當(dāng)前碾壓信息。

在前置試驗中，已進(jìn)行智能壓實指標(biāo)相關(guān)性試驗，CMV、Evib與Evd的相關(guān)性分析見圖3、4。結(jié)果表明CMV和Evib與路基動態(tài)反應(yīng)模量Evd之間存在一定的相關(guān)性。其中，CMV與Evd的相關(guān)系數(shù)R2=0.51，Evib與Evd的相關(guān)系數(shù)R2=0.82。Evib在土石混填路基上的相關(guān)性明顯優(yōu)于CMV。在JT/T 1127-2017 《公路路基填筑工程連續(xù)壓實控制系統(tǒng)技術(shù)條件》中規(guī)定，當(dāng)智能壓實指標(biāo)與常規(guī)路基壓實檢測指標(biāo)的相關(guān)性超過0.7時，可將此智能壓實指標(biāo)作為路基壓實程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，本次試驗中選擇Evib作為本次智能壓實試驗控制指標(biāo)。

圖3 CMV-Evd相關(guān)性

圖4 Evib-Evd相關(guān)性

2 試驗方案

填筑層厚及下臥層強(qiáng)度影響規(guī)律試驗的主要內(nèi)容為通過對不同填筑層厚及下臥層強(qiáng)度工況的智能壓實指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析填筑厚度及下臥層強(qiáng)度對路基壓實質(zhì)量的影響。

2.1 填筑層厚度影響分析試驗

在正常填筑段上進(jìn)行填筑層厚度影響分析試驗，設(shè)立填筑層厚度分別為40，50，60 cm 3種工況。每種工況設(shè)1條試驗帶，試驗帶長約45 m，寬約2 m，見圖5。試驗時先由推土機(jī)將填料整平，再讓壓路機(jī)按設(shè)定的振動參數(shù)進(jìn)行碾壓。碾壓過程中智能壓實系統(tǒng)將對所有工況的每遍碾壓均采集數(shù)據(jù)，直至碾壓完成。試驗完成后根據(jù)不同工況下智能壓實控制指標(biāo)隨碾壓進(jìn)行的變化規(guī)律，分析填筑層厚對壓實質(zhì)量的影響。

圖5 填筑層厚度影響分析試驗帶示意圖

2.2 下臥層強(qiáng)度影響分析試驗

在試驗段內(nèi)填挖交界處進(jìn)行下臥層強(qiáng)度影響分析試驗。試驗段為半填半挖路基，共設(shè)3條寬約2 m的試驗帶。填筑過程中，在填挖交界處開挖臺階，寬度與試驗帶寬度相當(dāng)。開挖臺階后，按每層40 cm填筑3層后，再開挖下一層。具體試驗段開挖及填筑實施方案見圖6。填挖交界處3條試驗帶分別位于原填方路基、一級臺階、二級臺階上，開挖臺階后，對臺階測試Evd值，確定各試驗帶的下臥層強(qiáng)度分別為60，80，93 MPa。填筑過程中，采用智能壓實控制系統(tǒng)記錄每層填筑后的智能壓實指標(biāo)值。試驗完成后，根據(jù)智能壓實指標(biāo)隨碾壓過程的變化規(guī)律，分析下臥層強(qiáng)度對壓實質(zhì)量的影響。

圖6 下臥層強(qiáng)度影響分析試驗帶示意圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 填筑層厚度對路基壓實質(zhì)量的影響

選取填筑層厚作為變量，對3個工況(下臥層強(qiáng)度均為60 MPa，填筑層厚依次為40，50，60 cm)的智能壓實數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，探究填筑層厚度對路基整體壓實質(zhì)量變化的影響。

不同填筑層厚下終壓Evib分布曲線見圖7；不同填筑層厚Evib均值隨碾壓遍數(shù)的變化情況見圖8；3種工況下路基Evib的增長率隨碾壓進(jìn)行的變化情況見圖9。

圖7 不同填筑層厚度Evib終壓曲線

由圖7可見，在碾壓遍數(shù)相同的情況下，不同填筑層厚的路基終壓Evib曲線有明顯分層現(xiàn)象。隨著填筑層厚的增加，終壓值逐漸減小。值得注意的是，填筑厚度為40 cm與填筑厚度為50 cm工況下的終壓值相差很小，而填筑厚度為60 cm的工況終壓曲線則遠(yuǎn)低于另外2種工況。產(chǎn)生上述差異的可能原因有2個：①填筑層較薄的路基在未達(dá)第8遍碾壓時就已達(dá)到較高的強(qiáng)度，此時繼續(xù)壓實其強(qiáng)度提升效果已經(jīng)不明顯，而填筑層稍厚的路基在后續(xù)碾壓中強(qiáng)度增加較多，因此導(dǎo)致終壓時二者均值相差不大；②當(dāng)填筑層較厚時，振動輪產(chǎn)生的壓實力難以傳遞至填筑層下部的填土，不但下部填土難以被壓實，還影響上部填土的壓實效果，導(dǎo)致整體壓實質(zhì)量上升緩慢。

圖8 不同填筑層厚Evib均值變化柱狀圖

由圖8可見，隨著填筑層厚的增加，在碾壓進(jìn)行的任何階段，路基整體壓實質(zhì)量均呈下降趨勢。當(dāng)碾壓最后3次時，填筑層厚40 cm與50 cm的Evib差值逐漸縮小，填筑層厚40 cm的工況由于路基整體強(qiáng)度已經(jīng)較高因此強(qiáng)度增長放緩，60 cm的工況則由于填筑層過厚，難以完全壓實，因此每遍碾壓后壓實強(qiáng)度仍在緩慢提升，這一變化規(guī)律與前段根據(jù)壓實影響深度對出現(xiàn)此現(xiàn)象的推論一致。

圖9 不同填筑厚度Evib變化率曲線

由圖9可見，大部分路基強(qiáng)度的增加皆集中于前4遍碾壓，4遍碾壓后，路基強(qiáng)度的增長率很小。按照J(rèn)T/T-1127-2017 《公路路基填筑工程連續(xù)壓實控制系統(tǒng)技術(shù)條件》中的建議，當(dāng)相鄰2遍碾壓的智能壓實指標(biāo)變化不超過1%時，即可判斷壓實達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，壓實質(zhì)量不會再發(fā)生明顯變化。當(dāng)碾壓達(dá)到6遍時，填筑層厚40，50 cm的工況已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但當(dāng)碾壓達(dá)到8遍時，填筑層厚60 cm的工況仍未達(dá)到壓實穩(wěn)定的要求，說明過厚的填筑層不利于實現(xiàn)充分的壓實。

3.2 下臥層強(qiáng)度對路基壓實質(zhì)量的影響

選取下臥層強(qiáng)度作為變量的3個工況(填筑層厚均為40 cm，下臥層強(qiáng)度依次為93，80，60 MPa)的Evib數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以探究下臥層強(qiáng)度對路基整體壓實質(zhì)量的影響。

不同下臥層強(qiáng)度的終壓Evib分布曲線圖見圖10；不同下臥層強(qiáng)度的Evib均值隨碾壓遍數(shù)的變化情況圖見圖11；3種工況下路基Evib的增長率隨碾壓進(jìn)行的變化情況圖見圖12。

圖10 不同下臥層強(qiáng)度Evib終壓曲線

圖11 不同下臥層強(qiáng)度Evib均值變化柱狀圖

圖12 不同下臥層強(qiáng)度Evib變化率曲線

由圖10可見，在總碾壓遍數(shù)相同的情況下，不同下臥層強(qiáng)度的路基終壓后壓實值分布曲線同樣有明顯分層現(xiàn)象。其中下臥層強(qiáng)度最大的工況獲得最高的Evib值。值得注意的是，下臥層強(qiáng)度93 MPa和下臥層強(qiáng)度80 MPa的工況在碾壓到第6遍時即已經(jīng)達(dá)到壓實要求，說明提升下臥層強(qiáng)度可以有效提高路基整體壓實模量。

由圖11可見，隨著下臥層強(qiáng)度的降低，在碾壓進(jìn)行的任何階段，路基整體壓實質(zhì)量均呈下降趨勢。

由圖12可見，與不同填筑層厚時的變化趨勢相同，大部分路基強(qiáng)度的增加集中于前4遍碾壓，4遍碾壓后再繼續(xù)進(jìn)行碾壓，路基強(qiáng)度的增長率很小。當(dāng)碾壓達(dá)到6遍時，僅有下臥層60 MPa的工況達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)碾壓達(dá)到8遍時，所有工況才達(dá)到壓實穩(wěn)定的要求，可能的原因是較強(qiáng)的下臥層為被壓土體提供了有力的支撐，使得土體在外力的作用下仍能繼續(xù)被壓實。這也說明了提高下臥層強(qiáng)度可以有效提高路基整體壓實質(zhì)量。

4 結(jié)論

1) 在土石混填路基的壓實過程中，填筑層厚度對路基壓實質(zhì)量有明顯影響，隨著填筑層厚的增加，Evib值會逐漸減小。此外，填筑厚度為40 cm與填筑厚度為50 cm工況下終壓結(jié)果相差較小，而填筑厚度為60 cm的路基Evib則遠(yuǎn)低于前2種工況，這與振動壓路機(jī)的有效影響深度有關(guān)，在正式進(jìn)行智能壓實控制前應(yīng)對所用壓路機(jī)的影響深度進(jìn)行調(diào)研，再調(diào)整施工中填筑層的厚度。

2) 隨著碾壓遍數(shù)的提高，填筑層厚40，50 cm的工況均能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但填筑層厚60 cm的工況即使在碾壓8遍后仍未達(dá)到壓實穩(wěn)定的要求，說明過厚的填筑層不利于實現(xiàn)充分的壓實，建議控制填筑層厚度不要超過50 cm。

3) 在碾壓過程中，不同下臥層強(qiáng)度的路基壓實質(zhì)量有明顯差異，其中下臥層強(qiáng)度最高的工況獲得最大的Evib。下臥層強(qiáng)度93 MPa和下臥層強(qiáng)度80 MPa的工況在碾壓到第6遍時即已經(jīng)達(dá)到壓實要求，說明提升下臥層強(qiáng)度可以有效提高路基整體壓實模量，盡量使下臥層強(qiáng)度達(dá)到80 MPa及以上為宜。