宕渣路基压实质量检测方法研究Word文件下载.docx

1、【中图分类】工业技术88公 路 与 汽 运Highways&Automotive Applications第 6 期2008年 11 月宕 渣 路 基 压 实 质 量 检 测 方 法 研 究周 进 华1 ， 黄金 荣 1， 徐永福 2 （1 泰 州市公路管理 处 ， 江 苏 泰州 225300;2上海 交通大 学 船舶 海 洋与 建筑 工程学院 ， 上海 200240）摘 要 ： 宕渣是最大粒径 小 于 150mm 、粒径 大 于 40mm 的 颗 粒含量 大 于 30% 的 土 石 混合料或建筑渣土 ，经 常被用作路基填料。 大颗 粒 的 宕渣具 有不 均 匀性 ，且 最大 干 密度无 法用

2、 常规击 实 试验测 定 ，现场检测 宕渣路基压 实状 态 比 较难 。 文 中提供 了 3 种检测 宕 渣路基压 实质 量 的 方 法 ， 即固体体积率法 、 剪切 波速 法 和机械导纳 主频 法 ； 提 出 了测 量 宕 渣 最大 干 密度 的 简单方 法 ， 用 于 确定宕渣路基压 实度 ； 说 明 了用 孔 隙 率表示 宕渣路基压 实质 量 更具优越性 。关键词 ： 公路 ； 宕渣 ； 压 实度 ； 路基 ； 最大干 密度中图分类号 ：U416.1文献标识码 ：A之章编号 ：1671-2668（2008）06-0088-04宕渣原意为开 采石料及 残余之石渣 废料 ，工程 上定义为经开

3、采并符合路基填筑要求 的 自然 土石混 合材料 。 用 于路堤填筑 的宕渣 的最大颗粒粒径小于150 mm，粒径 大 于 40mm 的 颗 粒含 量 大 于 30% 。随着我 国公路里程 向山 区 延 伸 ， 由路堑 和 隧道 挖 方 形成 的粗集料填筑路堤是必须 面对 的选择 。 在平原 地 区 ，也遇到取土 困难 的 问题 ，建筑渣 土 、 废 弃路 面 及其底层宕渣用 于路堤填筑也 不 失 为 明智 的选 择 。 粗粒宕渣填筑路堤 时 ，必须 明确 压 实质 量 的检 测 与 控制指标 。目前 ，填方路堤压实质量 的现场控制基本上 都 是采用压实度 。 细粒土 的干密度测定通 常采用环刀

4、 法或筒径100mm 和筒径150mm 的灌砂法 ；对 于粗粒宕渣填筑路堤 ， 由于填料颗粒粗 ，为保证干密 度测试精度 ，往往 需要 尺 寸较 大的试坑 300mm 大直径筒径的灌砂 和 灌水法 ） ，开挖 土料 多 ， 费工 费 时 ，现场干密度 的测定精度受粗颗粒 的影 响 。 更 为 重要 的是粗颗粒宕渣 的最大干密度很难用重 型击实 试验测定 。 因此 ，对 于粗粒宕渣填筑路堤 压 实质量 的控制 ，多采取碾压工艺及碾压沉降量等间接措施 。 在没有确定碾压工艺及碾压沉降量与压实质量 的相 关关系 的情况下 ，采用 间接措施控制宕渣 路 堤 压实 质量还是不太可靠 的。 基 于这样 的

5、原 因 ，类 似于压 实度的固体体积率被用 来表示 宕渣路堤压实 质 量 。 现场测量宕渣路堤 干密度 的方法很 多 ， 除 了灌砂 和 灌水法外 ，还可 以采用 剪切波速法 和 机械导 纳 主频 法 。本文分析固体体积率法表示宕渣路堤压实质量 的不足和采用压实度表示宕渣路堤压实质量 的可行 性，提供两种测量宕渣路堤干密度的无损检测方法 ，即剪切波速法和机械导 纳 主频 法 ，并 分析用 孑 L 隙率衡量宕渣路堤压实质量 的优点 。 1固体体 积 率 法填土路基采用土 的标准击实试验得 到的压实度 作为控制 路基压实度 的标 准 ，在宕 渣 路堤采用 综合 毛体积密度及颗粒筛分结果控制路基压实

6、质量 。 综 合毛体积密度 即材料混合密度 ， 由筛分试验 （T0302- 2000） 和密度试验联合 测 定 。 先 由筛分试验将宕 渣颗粒分为 以下 6 个 级 别 ：60mm ； 对 于5mm筛孔 以下成分选用 比重瓶法来测 定 （T0112 93），对 于 5mm 以 上 的成分选用 网篮法 （T0304-2000） 或容量瓶法来测定 （T0328 2000） 。 固体体积率是表征宕渣路堤压实度 的指标 ，是 宕渣路堤 的干密度与综合毛体积密度之 比 。 固体体 积率 VK由浮称法 （T0113-93）中计算 土料平 均 比重 的公式得到 ，具体计算方法为 ： VK 一 丛 100%8

7、 式 中：Pd 是土样干密度 ； ID 是宕 渣 综 合 毛 体积密度 ， 10 0/p 。一 Pl/Pbl+P2/tOb2+P3 /Pb3+P4/（Ob4+P5/Pb5+P6/Pb6 ； Pl P5 分别是粒径 大于 60mm 、 40 60mm、 20 40mm 、 10 20mm 、 5 10mm 材 料 占总 重 的百分率（%） ； tObl lOb5分别是粒 径 大 于 60mm 、 4060 mm 、 20 40mm 、 10 20mm 、 5 10mm 材 料 的毛体积密度 （ g/cm3） ；P6 、Pb6 分别是粒径 小 于 5颗粒 占总重 的百分率（%） 和密度 （g/cm

8、3） 。 以 宁靖盐 （ 南京靖江一盐城） 高速公路盐城北公路与汽运 Highways&Automotive第6期 2008年11月1黄金 荣徐永福2 （1泰 州市公路管理 处 ， 江 苏 泰州摘要：宕渣是最大粒径 小 于 150mm 、粒径 大 于 40mm 的 颗 粒含量 大 于 30% 的 土 石 混合料或建筑渣土 ，经 常被用作路基填料。 大颗 粒 的 宕渣具 有不 均 匀性 ，且 最大 干 密度无 法用 常规击 实试验测 定 ，现场检测 宕渣路基压 实状 态 比 较难 。 文 中提供 了 3 种检测 宕 渣路基压 实质 量 的 方 法 ，即宕渣原意为开 采石料及 残余之石渣 废料 ，

9、工程上定义为经开采并符合路基填筑要求 的 自然 土石混合材料 。 用 于路堤填筑 的宕渣 的最大颗粒粒径小于 150，粒径 大 于 40mm 的 颗 粒含 量 大 于 30% 。随着我 国公路里程 向山 区 延 伸 ， 由路堑 和 隧道 挖 方形成 的粗集料填筑路堤是必须 面对 的选择 。 在平原地 区 ，也遇到取土 困难 的 问题 ，建筑渣 土 、 废 弃路 面及其底层宕渣用 于路堤填筑也 不 失 为 明智 的选 择 。粗粒宕渣填筑路堤 时 ，必须 明确 压 实质 量 的检 测 与控制指标 。目前 ，填方路堤压实质量 的现场控制基本上 都是采用压实度 。 细粒土 的干密度测定通 常采用环刀法

10、或筒径60；对 于 5mm筛孔 以下成分选用 比重瓶法来测 定 （T0112 93），对 于 5mm 以 上 的成分选用 网篮法 （T0304- 2000） 或容量瓶法来测定 （T0328 2000） 。固体体积率是表征宕渣路堤压实度 的指标 ，是宕渣路堤 的干密度与综合毛体积密度之 比 。 固体体积率 VK由浮称法 （T0113-93）中计算 土料平 均 比 VK一 丛 100% 8式 中：一 Pl/Pbl+P2/tOb2+P3 /Pb3+P4/（Ob4+P5/Pb5 +P6/Pb6 ； Pl P5 分别是粒径 大于 60mm 、 40 60105材 料 占总重 的百分率（%） ； tObl

11、 分别是粒 径 大 于 60mm 、20材料 的毛体积密度 （ g/cm3） ；以 宁靖盐 （ 南京靖江一盐城） 高速公路盐城北总第 129 期公 路 与 汽 运Highways AutomotiveApplications 89段填筑路堤 的宕 渣为例 ，随着粒径大小不 同 ，宕渣综 合毛体积密度也不相 同（ 见 图 1 ） ， 因此 ，宕渣 颗粒组 成 的不 同直接影 响了宕渣综合毛体积密度和 固体体 积率 。固体体积率和压实度一样受宕渣颗粒粒径不 均匀性 的影 响较 明显 ，反 映宕渣 路基 压实质量 的整 体性状 比较差 。 pgo3 、：q 毯 镪 氍 蛙 忡 婚 颗粒粒径/mm图

12、l 宕渣 的综合毛体积密度文献2 、 3给 出 了用 固体体 积率宕渣 路堤压 实质 量 的 控 制 指 标 ， VK 一 85% ， 对 应 的 压 实 度 为95%。固体体积率与压实度之间 的差别在于是采用 综合毛体积密度还 是采用 最 大 干 密度 ，综合 毛 体积 密度应该是 比重 Gs 的线性 函数 ，击实试验 中的最大 干 密度 Pdm。 与 比重 G 。 之间存在 以下关系 ： 出坐 一 L队l+e（2）式 中 ：P 是孔 隙 比 ，与宕渣 颗 粒组 成有 关 ； p 。 是水 的密度 。严格 意义 上 讲 ， 固体体积率与压实 度 之 间没有 定量 的关 系 ，采用 固体体积率

13、衡量宕渣 压实 质量 也 只是一种经验方法 ，还有值得商榷 的地方 。 2剪切 波速 法用 灌砂和灌水法测量得到的宕渣干密度的离散比较 明显 ，个别地方的压实度 大 于 100% ，这是 由 于宕渣本身的不 均 匀 性 引起 的 ， 只 有 改进干 密度的 测量方法才能消除于密度测量结果 的离散性 。 剪切 波速度是评价场地 土 动力 特性 的 一个重 要 指标 ，与 土体的密度和有效应 力 有关 ，剪 切 波速度 的 大小反 映了填 土 的压实效果 。 有关研究 结果 表 明 ，剪切波 速 和干密度之间具有 良好 的线 性 相关性 ，检测 结果 相关性一般在 90% 以上 ，检测误差2% 。

14、 剪切波速度 V 。 与瑞利波速度 VR 的关系为 ：l+fL Vs= 万万石1 石VR（3）式 中 ：VR为表面波速度 ； 且 为泊松 比 。瑞利波速度测 量装 置 主要 由控制检测装 置 、 发 射激振器 、接收传感器 组 成 。 振源 发 射 的表 面 波信 号被两个间距为 z 的传感器接 收 ，传感 器接 收信号 的相位差 为 Acp ，波 在 两 个传 感 器 间传 播 所 需 时 间At为Acp/（360 厂 ） ，与频率 厂相应 的瑞利波速度为 ： VR=360fr/Acp（4）宕渣干密度与剪切波速之间 的相关关 系如 图 2 所示 ，干密度与剪切波速之间 的相关关系可表示 为

15、：Pd=0.5V0.31（5）暑ho 一 、q 髓 龆H-剪切波速 y /（m -s-l）图 2 宕渣 的剪切 波速 与干密度 的相 关 关 系 3机械导 纳 主频 法宕渣路基 的干密度还可 以采用机械导纳 主频法测 量 。宕渣路基 动力 主频和干密度之 间的关系提供 了定量检测宕渣 路基压 实质 量 的方 法 和 控制 指标 。 某频率下 的振动速度导 纳定义 为振动速度与激振力 的 幅值之 比 ，其倒 数称 为速度 阻抗 。 利用 块 体竖 向 振动速度导纳 曲线 （ 由此可 以确定共振频率） 可 以获 得较全面地反 映宕 渣 路基 一 地 基 土 系 统 特 性 的信 息，这种方法称 为

16、机械导 纳法 的动测 技术 。 在 现场 测试时 ，先类似于静载试验 ，在路基上放置一刚性载 荷板或块体 ，然后 通 过竖 向的稳 态 扫频激振 或 瞬态 敲击 ，采集 和记录激振 和 块 体表 面某点 的振 动速度 信号 ，经过信号处理获得该处 块体 的竖 向振 动机 械 导纳幅频（M 。 厂 ） 和 相 频 （ p ， 厂 ） 关 系 曲线 。 根 据 线性振动理论 ，M 。 -V（ 厂 ）/F（f） ，只 与 系统 的物 理 力学特性有关而不受激振力 的影响 。 可 由其低频 幅 值估算 出系统 的静 刚度 ， 由幅频 曲线 的峰点 和 相 频 曲线的零点来确定 系 统 的共振 频 率

17、，综 合评判 宕 渣 路基 的压实性状 。机械导纳 主频测试分为稳态振动测试和瞬态振 动测试 。 稳态振动测 试 中 ， 电磁式 激振 器 由半 刚性 悬挂 系统安装在测 点 正 中 ，在悬挂底 座上 安装 压 电 力传感器 。 通过调 节 功 率放 大器 的信号 放 大 幅度 ， HighwaysAutomotive段填筑路堤 的宕 渣为例 ，随着粒径大小不 同 ，宕渣综合毛体积密度也不相 同（ 见 图 1 ） ， 因此 ，宕渣 颗粒组成 的不 同直接影 响了宕渣综合毛体积密度和 固体体积率 。固体体积率和压实度一样受宕渣颗粒粒径不均匀性 的影 响较 明显 ，反 映宕渣 路基 压实质量 的整

18、体性状 比较差 。 p g o、： q毯镪氍蛙忡婚颗粒粒径/mm图l宕渣 的综合毛体积密度文献2 、 3给 出 了用 固体体 积率宕渣 路堤压实质 量 的 控 制 指 标 ， VK 一 85% ， 对 应 的 压 实 度 为 95%固体体积率与压实度之间 的差别在于是采用综合毛体积密度还 是采用 最 大 干 密度 ，综合 毛 体积密度应该是 比重 Gs 的线性 函数 ，击实试验 中的最大干 密度 Pdm。出坐 一 L队 l+e （2）严格 意义 上 讲 ， 固体体积率与压实 度 之 间没有定量 的关 系 ，采用 固体体积率衡量宕渣 压实 质量 也只是一种经验方法 ，还有值得商榷 的地方 。比较

19、 明显 ，个别地方的压实度 大 于 100% ，这是 由于宕渣本身的不 均 匀 性 引起 的 ， 只 有 改进干 密度的测量方法才能消除于密度测量结果 的离散性 。 剪切波速度是评价场地 土 动力 特性 的 一个重 要 指标 ，与土体的密度和有效应 力 有关 ，剪 切 波速度 的 大小反映了填 土 的压实效果 。 有关研究 结果 表 明 ，剪切波速 和干密度之间具有 良好 的线 性 相关性 ，检测 结果相关性一般在 90% 以上 ，检测误差剪切波速度 V 。 l+fL Vs=万万石1 石VR （3）瑞利波速度测 量装 置 主要 由控制检测装 置 、 发射激振器 、接收传感器 组 成 。 振源

20、发 射 的表 面 波信号被两个间距为 z 的传感器接 收 ，传感 器接 收信号的相位差 为 Acp ，波 在 两 个传 感 器 间传 播 所 需 时 间 At VR =360 fr/Acp （4）宕渣干密度与剪切波速之间 的相关关 系如 图 2所示 ，干密度与剪切波速之间 的相关关系可表示 为 ： Pd=0.5V0.31（5）暑 ho一髓龆 H- s-l）宕渣 的剪切 波速 与干密度 的相 关 关 系宕渣路基 动力 主频和干密度之 间的关系提供了定量检测宕渣 路基压 实质 量 的方 法 和 控制 指标 。某频率下 的振动速度导 纳定义 为振动速度与激振力的 幅值之 比 ，其倒 数称 为速度 阻

21、抗 。 利用 块 体竖 向振动速度导纳 曲线 （ 由此可 以确定共振频率） 可 以获得较全面地反 映宕 渣 路基 一 地 基 土 系 统 特 性 的信息，这种方法称 为机械导 纳法 的动测 技术 。 在 现场测试时 ，先类似于静载试验 ，在路基上放置一刚性载荷板或块体 ，然后 通 过竖 向的稳 态 扫频激振 或 瞬态敲击 ，采集 和记录激振 和 块 体表 面某点 的振 动速度信号 ，经过信号处理获得该处 块体 的竖 向振 动机 械导纳幅频（M 。 根 据线性振动理论 ，M 。 -V（ 厂 ）/F（f） ，只 与 系统 的物 理力学特性有关而不受激振力 的影响 。 可 由其低频 幅值估算 出系统

22、 的静 刚度 ， 由幅频 曲线 的峰点 和 相 频曲线的零点来确定 系 统 的共振 频 率 ，综 合评判 宕 渣路基 的压实性状 。机械导纳 主频测试分为稳态振动测试和瞬态振动测试 。 稳态振动测 试 中 ， 电磁式 激振 器 由半 刚性悬挂 系统安装在测 点 正 中 ，在悬挂底 座上 安装 压 电力传感器 。 通过调 节 功 率放 大器 的信号 放 大 幅度 ，90公 路 与 汽 运Highways&Automotive第 6 期2008控制激振力 的大小 。 响应信号通过加速度传感器经 由电荷放大器送人电脑 。 由事先设定好的程序经过 变换 、 滤波 、 计算 等过程 ，得 出速度相应信号

23、 。 因激 振力在频率变化时保持恒定 ，则速度响应 可 表 示 为 导纳 。瞬态激振测 试 与稳态激振类似 ， 只 是激振设 备更为简化 ，可 采 用尼 龙锤直接激振 。 试验 中的块 体采用边 长 为 0.6m、 质量 为 300kg 的方形 钢 板 ， 下铺厚度约 10cm 的细砂垫层 。宁靖盐高速公路盐城北宕渣瞬态激振方式测量竖向振动速度导纳幅频 曲线如图 3 所示 。 根据基础 振动船析理论 ， 主频 ， 。 与基础 剪 切 模 量 G 的平 方 根成正 比 （ 即 。 ccGI/2 ） ，G=lD ，lD 是 宕 渣 的 干 密 度，现场用灌砂法 测量 。 当路基材 料 的剪切 波

24、速一定时 ， 。 与 Pd胆 成正 比 ： 厂。 =aV.P5 2（6）式 中 ：a为待定参数 ，与路基材料本身的特性有关 。 1- 曝频率 Hz图 3 宕渣瞬态激振幅频曲线宁靖盐高速公路盐城北宕渣层 主频与其干密度 之间的关系见图 4 。 从 图 4 可知 ，宕渣路堤振动 主频 与干密度成正 相关关 系 ，公式 为 fn 一 0.0164pliz ， 由 机械导纳主频测试方法能较快地测 出宕渣 路基 的干 密度 ， 由此可评判宕渣路基的压实特性 。一I 一o C0振动主频f ， Hz图 4 振动主频与压实宕渣干密度 的关 系 4宕渣 路堤 压 实质量 的衡量指标 4.1 压 实度 用压实度衡

25、量宕渣路堤的压实质量是工程界最容易接受 的 ，但 需 要 解 决 最 大干 密 度 的 测 定 难 题 。 Prochaska和 Drnevich 用单点振动击实锤试验和振动 台试验分别测量粒状土 的最 大干密度 。 试料的颗 粒分布如图 5 所示 ，颗粒的最大粒径是通过 48 筛孔（4.76mm） 。逞 衄 钿 梨 刊S 翅 韬 磔H 七粒/mm图 5 试料的颗粒分布单点振动 击 实 锤 试 验 曲线 如 图 6 所 示 。 图 6 中 ，细粒土 的最大粒径 为 0.074mm 。 妣。 是 由烘 干 试料的最大干密度计算 出来 的含水量 ，硼。， =（yd/y 。，-l/Gs） 100%

26、； yov 是 由单点振 动击实锤试验得 到 的烘干试料 的最大干密度 ； G 是 比重 。 从 图 6 可 看 出，烘干试料击实试验 得 到 的 干 密 度就是最 大 干 密度 ， 在 含 水 量 为 0.9wo。 左 右 时 ，试料 的击 实干 密度基本达到最大值 ，试料含水 量对粒状试料 的击 实试验结果有影 响 。毒 罡 w/w图 6 单点振动击 实锤试验结果将单点振动击实锤试验和振动 台试验得到的最 大干 密度进行 比较 （ 如 图7 所 示 ） ，两 种试验 得 到 的 S 雨 f 鍪 主 擅 e 熏 j 塔振动台试验得到的 ydu:a:/（kN.rrl-3）图 7 最大干密度 的

27、 比较控制激振力 的大小 。 响应信号通过加速度传感器经由电荷放大器送人电脑 。 由事先设定好的程序经过变换 、 滤波 、 计算 等过程 ，得 出速度相应信号 。 因激振力在频率变化时保持恒定 ，则速度响应 可 表 示 为导纳 。瞬态激振测 试 与稳态激振类似 ， 只 是激振设备更为简化 ，可 采 用尼 龙锤直接激振 。 试验 中的块体采用边 长 为 0.6m、 质量 为 300kg 的方形 钢 板 ，下铺厚度约 10cm 的细砂垫层 。向振动速度导纳幅频 曲线如图 3 所示 。 根据基础振动船析理论 ， 主频 ， 。 与基础 剪 切 模 量 G 的平 方根成正 比 （ 即 。 ccGI/2

28、） ，G=lD ，lD 是 宕 渣 的 干 密度胆成正 比 ：厂=a V.P5 （6） 1- 曝3宕渣瞬态激振幅频曲线宁靖盐高速公路盐城北宕渣层 主频与其干密度之间的关系见图 4 。 从 图 4 可知 ，宕渣路堤振动 主频与干密度成正 相关关 系 ，公式 为 fn 一 0.0164pliz ， 由机械导纳主频测试方法能较快地测 出宕渣 路基 的干密度 ， 由此可评判宕渣路基的压实特性 。 I C04振动主频与压实宕渣干密度 的关 系 4.1压 实度用压实度衡量宕渣路堤的压实质量是工程界最和Drnevich用单点振动击实锤试验和振动 台试验分别测量粒状土 的最 大干密度 。 试料的颗粒分布如图 5 所示 ，颗粒的最大粒径是通过 48 筛孔 （4.76mm） 。逞衄钿梨刊 S翅韬磔 H七试料的颗粒分布单点振动 击 实 锤 试 验 曲线 如 图 6 所 示 。 图 6中 ，细粒土 的最大粒径 为 0.074mm 。 是 由烘 干试料的最大干密度计算 出来 的含水量 ，硼。， -l/Gs） yov 是 由单点振 动击实锤试验得 到的烘干试料 的最大干密度 ； 从