基于实时在线检测的路基回弹模量试验研究.pdf

第3 3 卷第5 期 2 0 1 3 年1 0 月 矿冶 工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R 矾G V 0 1 ．3 3 №5 O c t o b e r2 0 1 3 基于实时在线检测的路基回弹模量试验研究① 叶为民m ，谢宾1 ⋯，叶斌1 ’2 ，武文清3 ，张建新3 1 ．同济大学地下建筑与工程系，上海2 0 0 0 9 2 ；2 ．同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海2 0 0 0 9 2 ；3 ．包头市公路局，内蒙古包头0 1 4 0 4 0 摘要基于路基压实过程中的实时在线检测技术，结合包头市北出口至固阳明登一级公路工程，现场实测研究了回弹模量与压 实度、动刚度与压实度、回弹模量与动刚度之间的关系。试验结果显示，压实过程中，路基土回弹模量与动刚度之间具有良好的线 性关系，采用实时在线检测技术检测路基回弹模量是可行的。 关键词路基；在线实时检测系统；回弹模量；承载板；压实度 中图分类号T U 4 1 3文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 5 ．0 0 2 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 5 0 0 0 9 0 4 I n v e s t i g a t i o no nM o d u l u so fR e s i l i e n c eo fS u b g r a d e B a s e do nO n l i n eR e a l ．t i m eD e t e c t i o n Y EW e i ．m i n l ，2 ，X I EB i n l 2 ，Y EB i n l ’2 ，W UW e n q i n 9 3 ，Z H A N GJ i a n x i n 3 1 ．D e p a r t m e n to fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g ，C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，T o n g j iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ； 2 ．K e yL a b o r a t o r yo fG e o t e c h n i c a la n dU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n go fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，T o n 舒iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ；3 ．B a o t o uM u n i c i p a lH i g h w a yB u r e a u ，B a o t o u0 1 4 0 4 0 ，I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h eo n l i n er e a l t i m ed e t e c t i o nd u r i n gt h ec o u r s eo fs u b g r a d ec o m p a c t i o n ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e n m o d u l u so fr e s i l i e n c ea n dd e g r e eo fc o m p a c t i o n ，d y n a m i cs t i f f n e s sa n dd e g r e eo fc o m p a c t i o n ，a sw e l la sm o d u l u so f r e s i l i e n c ea n dd y n a m i cs t i f f n e s sw a ss t u d i e db yt a k i n gp r o j e c to fC l a s sA H i g h w a yf r o mB a o t o ut oG u y a n g m i n g d e n ga sa n e x a m p l e ．R e s u l t ss h o w e dal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em o d u l u so fr e s i l i e n c eo fs u b g r a d ea n dd y n a m i cs t i f f n e s so ft h e s o i lt e s t e di nt h ec o u r s eo fc o m p a c t i o n ，v e r i f y i n gt h ef e a s i b i l i t yo fd e t e c t i n gm o d u l u so fr e s i l i e n c ew i t ho n l i n er e a l 。t i m e d e t e c t i o nt e c h n o l o g y ． K e yw o r d s s u b g r a d e ；o n l i n er e a l t i m ed e t e c t i o ns y s t e m ；m o d u l u so fr e s i l i e n c e ；l o a d i n gp l a t e ；d e g r e eo fc o m p a c t i o n 目前，我国的路基设计和施工以压实度作为路基 土填筑质量的控制标准。实际上，压实度仅是工艺参 数，反映的是填料的物理特性；而真正反映路基力学性 能和稳定性的是回弹模量等力学指标。J 。寻求一种 准确、便捷的回弹模量检测方法，以实现路基压实质量 的控制标准由物理性指标 压实度 向力学性指标 回 弹模量 的转变，对于提高路基填筑施工质量及效率 均具有重要的理论与工程实践意义。 工程实践中，常见的路基回弹模量现场检测方法主 要有3 种承载板法，贝克曼梁法和动载落锤式弯沉仪 法 F W D 法 。其中，承载板法和贝克曼梁法需使用大 型设备，操作较为繁琐；F W D 法则成本较高，异地检测 耗时费力M J 。为此，国内外学者均致力于研究新型的、 快速可靠且方便的回弹模量检测设备和方法，其中便携 式落锤弯沉仪 P o r t a b l eF a l l i n gW e i g h tD e f l e c t o m e t e r ， P F W D 得到了较多的关注“ 1 j 。但与传统的检测方法 类似，P F W D 法仍采用“以点代面”的点式检测方法，且 必须在路基碾压完毕后方可进行检测。因此，研发能在 碾压过程中，实现回弹模量的同步检测技术具有重要的 实践意义。 对此，国外已进行了一定的同步检测技术研究工 作。比如，德国在无砟轨道高速铁路路基施工过程中， 通过采用动力连续同步检测技术 C C C 测试动回弹模 量的方法，来控制路基和基床的填筑质量_ “。等。 本文在分析研究实时在线检测系统工作原理的基 础上，针对包头市北出口至固阳明登一级公路路基工 程，采用实时在线检测系统开展了回弹模量的现场检 测试验，并与传统的回弹模量承载板测试法及压实度 ①收稿日期2 0 1 3 - 0 4 1 3 基金项目内蒙古自治区交通科技项目资助 作者简介叶为民 1 9 6 3 - ，男，安徽人，教授，博士，主要从事地质工程方面的研究。 万方数据 l O 矿冶工程 第3 3 卷 法检测结果进行了对比分析。 1 实时在线检测系统及其工作原理 实时在线检测系统直接安装在压路机上，由传感 器、车载控制器、L C D 显示器和P c 分析软件等组成， 见图1 。检测前，先进行系统参数设置；检测过程中， 传感器获取碾轮的垂直加速度值并将信号传递至处理 器中，经过处理器中的信号分析与处理模块将加速度 信号转化为参数尺值，并通过显示器将尺值显示出 来，从而实现路基压实质量的实时岭摔 图I系统组成示意 振动压路机在碾压路基土的过程中，振动轮与土 壤相互作用的动态响应过程可由“压路机．路基土”二 自由度动力学数学模型表示，见图2 。模型中假设 ①被碾压路基层是具有一定刚度的弹性体；②将压 路机的上、下车简化为一定质量的块体；③压路机工 作过程中，振动轮始终与地面保持接触∽叫⋯。 图2 振动压路机- 被压材料二自由度动力学模型 位移 瞬时振幅 ；m 。为机架质量；m 为振动轮质量； k ，为减震器刚度；| | } 为土的刚度；c ，为减震器阻尼；C 2 为 土的阻尼；F 。为激振力；t o 为激振频率 角频率 。 对于线性非时变系统且激振为谐振力时，上述方 程组的解为 。『 A l2 B 12 1i f 硝叫。【可‘万】 J 2 【铲R 【黼】i 一 式中 A l ．j } l ；B l - - - - C 1 ∞2 曰2 ；A 2 知l m l ∞2 ； C [ 后1 船2 嘶2 ∞2 ] 后1 _ m l ∞2 吨12 - c 1 c 2 c 1 ∞2 ．J t ．C 12 ∞2 ； D [ k l 后2 一m 2 ∞2 ] c 1 ∞ k l m l ￡J 2 c l c 2 t o 一2 k l c l ∞。 加速度口计算公式为o ∞2 z ，故加速度可表 示为 旷叫等等] i ㈤ 当压路机的振动频率、振幅恒定时，式 3 中k ．，C 。 即为不变量，系统中只有k ，c 是变化的。故振动轮 的垂直加速度口可认为只与土的刚度k 与阻尼c 有 关。而刚度和阻尼反映了铺层材料的力学指标，故可 通过传感器获得压路机工作时振动轮的垂直加速度参 数，根据一定的算法和技术手段得到一个代表被压材 料的力学特性参数R 。在线实时检测系统便是基于上 述原理开发而成的，该系统中将参数R 定义为材料的 “动刚度”。 同样是反映土体力学性能的指标，动刚度与回弹 模量之间必然存在密切的关系。基于此，本文将动刚 度视为评价路基土层回弹模量的间接参数，利用常规 点式检测技术测定填土的回弹模量和压实度指标，以 期建立两者之间的相关关系。 2 实例工程概况 包头市北出口至固阳明登一级公路，是包头市连接 大青山以北地区的一条陕速通道，起点位于包头市民族 东路以西约3 ．5k m 、国道G l l 0 跨昆河大桥东岸1 3 0m 处，终点位于固阳县东南明登村，路线全长5 0 ．8 5k m 。 试验场地位于包头市固阳县城附近，试验场地周围地貌 主要是山丘、山地，地表土以砂性土为主。 该模型的运动方程是 f m 必 ㈠ c 2 戈 而，盹 “ 茁2 - - C 1 贾。一k F o s i n t o ￡ 3 现场检测方案及结果分析 【m l x 2 c l 鹭l “1 2 1 一c 】贾2 一k 1 算2 0 3 ．1 现场检测方案 1 式中髫。为机架瞬时位移 瞬时振幅 ；戈为振动轮瞬时 试验区域如图3 所示。试验区域的各测试面层上 布置3 4 个测试点，测试点之间距离不小于1 0m ；路 万方数据 第5 期叶为民等基于实时在线检测的路基回弹模量试验研究 基共分三层压实，从上至下各层厚度分别是0 ．8 ，0 ．7 和0 ．6m 见图3 。路基填筑时，每次松铺厚度为0 ．3 m ，在线实时检测系统安装于振动压路机上，碾压过程 中随车检测并记录路基的动刚度R 值 图4 ；压实至 预定测试面层高程时，将路基表面仔细整平后用卷尺、 石灰粉标出测试点的位置，用于各项测试。 ≈1 8 釜1 4 穗 1 0 测试点 图3 试验场地示意 a 平面示意图； b A - B 剖面示意图 0S1 01 52 02 53 03 54 04 55 0 距离／m 薰i 匿兰一 1 0 } f 斋西丽葛_ 丽蕊■j 广≮广知 图4 实时在线检测系统现场检测结果 第 遍 第 三 遍 碾压过程中，当动刚度尺值达到设计值时，停止 碾压并在预设测试点处参照公路路基路面现场测试 规程 J r I ’GE 6 0 - 2 0 0 8 刈中有关规定进行承载板试 验和压实度检测。 3 ．2 检测结果与分析 现场试验的实测结果见表l 。 基于现场试验结果，可得回弹模量 E 与压实度 K 、动刚度 R 与压实度 K 以及回弹模量 E 与动 刚度 R 之间的关系，如图5 7 所示。 表1 现场测试成果 压实度K ／％ 图5回弹模量与压实度关系 压实度置，％ 图6 动刚度与压实度关系 动⋯度N 图7回弹模置与动剐度关系 图5 ～6 显示，回弹模量与压实度、动刚度与压实 度之间均呈现较好的线性相关性。这与文献[ 1 2 ] 通 万方数据 1 2矿冶工程 第3 3 卷 过室内试验获得安徽含砾低液限粘土和湖南含砂高液 限粘土等3 种路基土的试验结果相一致。 图7 表明，回弹模量与动刚度之间具有较好的线 性关系。回弹模量随动刚度的增加，呈现良好的线性 增长关系。 实测回弹模量与动刚度二者之间的拟合关系，可 由图7 中A 线来表征。其拟合关系为 E o 6 ．8 3 8 R 一2 8 ．8 9 4 与文献[ 1 2 ] 相比，图7 中实测值与拟合直线A 之 间存在一定离散性，究其原因可能是现场被测土体的 不均匀性、含水量差异等因素列影响造成的。但实测 点均落在拟合值 A 线 两侧、两条对称的虚线之间。 从工程安全角度出发，若将拟合曲线A 平行下移，以 保证9 5 ％以上的实测数据点落在拟合线上方，便可获 得另一曲线B ，其拟合公式为 E o 6 ．8 3 8 R 一4 0 ．8 9 5 因此，依据实测动刚度由式 5 获得的回弹模量，可以 满足工程需要。 也就是说，当利用实时在线检测系统检测、控制路 基的碾压质量时，当设计路基回弹模量值要求达到设 定值日时，只需保证动刚度值达到拟合公式 5 中E 。 所对应的R 风 值即可。 4 结语 1 碾轮压路机的碾轮垂直加速度与土的刚度与阻 尼有关。材料的压实程度不同，刚度和阻尼不同，对应 着不同的垂直加速度。通过传感器获得压路机工作时 振动轮的垂直加速度参数，根据一定的算法和技术手段 即可得到一个能代表被压材料的力学特性的参数尺。 2 依托工程现场试验结果表明①回弹模量与 压实度，以及动刚度与压实度之间有较好的线性关系； 利用实时在线检测系统测试路基回弹模量是可行的。 ②运用在线实时检测技术的核心与基础是参数标定， 包括标定函数和质量要求。 3 本文试验研究是在砂性土地区进行的，其他地 区运用该技术时可参考进行。 参考文献 [ 1 ] J T GD 3 0 - 2 0 0 4 ，公路路基设计规范[ S ] ．2 0 0 4 ． [ 2 ]张洪亮，王秉纲．黄土路基压实标准研究[ J ] ．公路工程，2 0 0 8 ，3 3 5 1 9 2 3 ． [ 3 ] 卢明康，顾小安，滕玉明，等．浅层面波测试应用于高速公路路基 检测[ J ] ．重庆交通学院学报，2 0 0 4 ，2 3 3 3 7 4 4 ． [ 4 ] 方涛，李跃军．P F W D 在路基回弹模量检测中的应用[ J ] ．公路 工程，2 0 1 0 ，3 5 3 1 2 3 1 3 5 ． [ 5 ]V a r g h e s eG e o r g e a ，N a g e s h w a rC hR a o a ，RS h i v a s h a n k a r a ．P F W D ， D C Pa n dC B Rc o r r e l a t i o n sf o re v a l u a t i o no f l a t e r i t i cs u b g r a d e s [ J ] ． I n t e m a t i o n a lJ o u r n a lo fP a v e m e n tE n g i n e e r i n g ，2 0 0 9 ，1 0 3 1 8 9 1 9 9 [ 6 ] A m i rK a v u s s i a ，K a m r a nR a f i e i b ，S h a h a b o d d i nY a s r o b i a ．E v a l u a t i o no f P F W Da sp o t e n t i a lq u a l i t yc o n t r o lt o o l o fp a v e m e n tl a y e r s [ J ] ．J o u r n a l o fC i v i lE n 矛n e e r i n ga n dM a n a g e m e n t ，2 0 1 0 ，1 6 1 1 2 3 1 2 9 ． [ 7 ]胡一峰，李怒放．动力连续同步检测技术 C C C 在无砟轨道路基填 筑质量控制、验收中的应用[ J ] ．铁道标准设计，2 0 0 9 4 1 - 8 ． [ 8 ] K r f i b e rW ，F l o s sR ，W a l l r a t hW 。D y n a m i cs o i ls t i f f n e s sa sq u a l i t y c r i t e r i o nf o rs o i lc o m p a c t i o n [ C ] ∥G e o t e e h n i c sf o rR o a d s ，R a i lT r a c k s a n dE a r t hS t r u c t u r e s ，AAB a l k e m aP u b l i s h e r s ，L i s s e ／A b i n g d o n ／ E x t o n P a ／T o k y o ． [ 9 ] 顾海明，周勇军．机械振动理论与应用[ M ] ．南京东南大学出版 社，2 0 0 7 ． [ 1 0 ]王宇峰．随车压实度在线检测系统研究[ D ] ．长安大学信息工程 学院，2 0 1 1 ． [ 1 1 ] J T GE 6 0 2 0 0 8 ，公路路基路面现场测试规程[ S ] ．2 0 0 8 ． [ 1 2 ] 王立新．路基回弹模量与压实度的转换关系[ J ] ．公路交通科 技，2 0 1 2 9 1 7 5 1 7 7 [ 1 3 ]凌建明，陈声凯，曹长伟．路基土回弹模量影响因素分析[ J ] ．建 筑材料学报，2 0 0 7 ，1 0 4 4 4 6 4 5 1 ． 非金属矿 2 0 1 4 年度征订启事 非金属矿杂志 国际标准大1 6 开 ，1 9 7 8 年创刊，国内外公开发行，全国中文核心期刊、全国性建材技术期刊。主要报道国内外 非金属矿以及建材原料矿产等开发利用、制品、选矿深加工、采矿以及当前行业管理、设备研制、市场等方面的有关论文、科技成果、生产 经验、综合评述等；辟有试验研究、开发应用、选矿加工、地质采矿、环保工程、设备仪器、摩擦摩阻材料、行业动态等专栏。 非金属矿刊发的论文为美国S C I 和c A 、日本科技文献速报、俄罗斯文摘等国际知名检索刊物收录，海外发行包括美、英、日、 俄、德、芬等国及港台地区。 为方便用户与生产厂家，本刊辟有牵线搭桥专栏，并承接国内外广告业务。欢迎利用，欢迎刊登广告。读者可据此获得有关技术转 让与咨询、仪器设备以及非金属矿产品等信息。 本刊主要面向非金属矿及有关的生产、设计、科研、机关、院校、基建、地质勘探及乡镇企业等单位，读者对象主要为科技人员、领导 干部、院校师生和企业管理工作者。 本刊为双月刊，邮发代号2 8 - 8 4 。凡单位或个人均可直接向当地邮局订阅。如邮局订阅不便，亦可向本刊编辑部订购。每册l O ．o o 元 含邮资2 ．0 0 元 ，全年定价6 0 ．0 0 元 含邮资1 2 ．0 0 元 。 编辑部地址苏州市三香路9 9 9 号 邮编2 1 5 0 0 4电话 0 5 1 2 6 8 2 7 2 6 9 66 8 7 0 1 0 8 0 传真 0 5 1 2 6 8 2 7 2 6 9 6 网址h t t p ／／w w w ．s z f j s k ．c o mE m a i l s z f j s k 1 6 3 ．c o m 开户银行江苏省苏州市交通银行彩虹支行 帐号3 2 5 6 0 4 0 0 0 0 1 0 1 4 9 0 0 1 6 0 1 ；开户名称苏州非金属矿工业设计研究院有限公司 弓- 钎堋u 彩曩饼绷u 嘶疆础荆- 凇碉∥塌脯∞Ⅳ嬲疆础础u 黼疆删∞■似堋u 删丑似矧u 搿疆础纠u 崩礓脱榭_ 删埔础础u 删曩倒蜊u 删丑似绷u 嬲癯倒绷u 魍礓眦堋u 蝴癯揣矧u 删丑钎堋u 批礓，∥m “黼礓脱张u 彤曩埘绷u 绕礓脯∞烧确k 彩曩似绷u ∥埔d 嬲_ n n 万方数据