CN106368201A - 一种快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法，包括以下步骤：1)低填浅挖路基承载力分析；2)现有路基回弹模量确定方法的优缺点和适用性以及DCP法的特点；3)DCP法的介绍及试验步骤；4)DCP法快速检测低填浅挖天然地基承载力的适用性的验证；本发明提供的方法试验数据可靠，操作及测试方法容易，不受场地限制，适用性广，相较其他测试方法更适合于天然地基的测试。而且DCP法所测的贯入度D_d与回弹模量E₀、CBR等存在良好的相关关系，该法可以对低填浅挖路基进行快速检测，具有非常良好的推广价值。

Description

一种快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法

【技术领域】

本发明属于公路路基路面现场测试领域，具体涉及一种快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法。

【背景技术】

路基是整个道路结构的基础，路基质量的好坏直接影响到整个道路结构的使用质量，路基为路面结构起支撑作用，其抗变形能力对路面结构的强度、刚度和稳定性起着决定性的作用。路基一旦出现质量问题，将使公路出现严重病害，所以必须确保路基的施工质量。

对于低填路基，其天然地基处于弯沉测试影响深度之内，路基顶面的弯沉受天然地基的特性影响很大。若天然地基的强度较低，很容易出现填土压实度满足要求而路基顶面弯沉值不满足要求的情况。对于浅挖路堑，其基底承载能力偏低，基底土体的性能影响路基顶面弯沉检测结果，会导致路基竣工验收时出现压实度满足要求而弯沉值不满足要求的情况。

如果能在路基施工前预估出路基顶面弯沉值，如不达标，则提前采取一些工程预处理措施，比如回填碾压、提高填土层的压实度、无机结合料处治天然地基层等，这样就避免了验收时弯沉值超标的现象。因此有必要对天然地基的回弹模量和填土层的回弹模量进行研究。

从目前确定回弹模量的方法可看出，目前所用方法确定的都是路基整体结构的综合回弹模量，并不能确定天然地基或填土层的回弹模量。因此查表法、换算法等现有成果不能用于该研究。室内承载板法由于可成型不同压实度和含水率的试件，可用于模拟填土层，但由于试件受到试筒筒壁和筒底的刚性约束作用，需要对其修正，修正后的结果可用于填土层回弹模量的确定。现场承载板法和贝克曼梁法虽然理论上能够测出天然地基的回弹模量，但实际中存在着种种困难，比如天然地基上不具备测试车行驶的条件等，因而对天然地基的测试方法有特殊的要求性。相比其他测试方法，DCP试验更适用于天然地基的测试，DCP试验是一种纯机械、小型轻便、且操作简单的快速检测设备，可以到达并测试天然地基的任何一点，操作人员不必经过专业培训即可轻易掌握操作方法，数据处理简单。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法，DCP法可以利用试验贯入度D_d反映天然地基回弹模量，且操作简单，相比其他测试方法，DCP试验更适用于天然地基的测试。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法，包括以下步骤：

1)低填浅挖路基承载力分析；

2)采用DCP法快速检测低填浅挖天然地基承载力。

本发明进一步的改进在于：

所述步骤1)中，根据弯沉测试影响深度和填土高度或者开挖深度的关系，对低填路堤和浅挖路堑的承载力进行分析：

1-1)对于低填路基，其天然地基处于弯沉测试影响深度之内，弯沉检测时，测试车的标准轴载产生的附加应力在天然地基处仍然很大，路基顶面的弯沉值取决于填土层和碾压层两部分的强度。所以在低填路堤中，除了人工填土层外，天然地基的特性对路基顶面弯沉值的影响作用比较显著。

1-2)对于浅挖路堑，开挖前受自重应力作用较小，基底总体承载能力偏低，压实处理作用的深度有限，此时，基底土体的性能显著影响路基顶面的弯沉检测结果。

所述步骤2)的具体方法如下：

2-1)将DCP放置测点位置，一人手扶仪器手柄，使探杆保持竖直，一人提起落锤至导向杆顶端，然后松开，使之成自由落体下落；

2-2)读取贯入深度，每贯入10mm读一次数，记录锤击数和贯入量；

2-3)连续锤击、测量，直至需要的结构层深度；当材料层坚硬，贯入量低到连续锤击10次而无变化时，停止试验或钻孔通过后继续试验；

2-4)将落锤移走，从探坑中取走DCP仪器。

所述步骤2-2)中，对于粒料类基层，每5-10次锤击读数一次；对于松软的结构层，每1-2次锤击读数一次。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明是在路基回弹模量现有确定方法分析的基础上，与DCP法进行了对比，DCP法测试简单，易于操作，所测的贯入度D_d与回弹模量E₀、CBR等存在良好的相关关系，该法可以对低填浅挖路基进行快速检测。

进一步的，本发明的方法依托原神高速公路原平段路基工程，对其可行性和可靠性进行了验证，同时该方法在实体工程中也进行了良好的应用。

【附图说明】

图1-1为本发明动力锥的结构示意图；

图1-2为本发明锥头的结构示意图；

图2为低填路堤横断面图；

图3为浅挖路堤横断面图；

图4-1为贯入度D_d与回弹模量E相关关系图；

图4-2为板法所测回弹模量与弯沉值相关关系图。

其中，1-手柄；2-落锤；3-导向杆；4-联轴器；5-扶手；6-加紧环；7-探杆；8-刻度尺；9-锥头；10-填土层；11-天然地基；12-弯沉测试影响深度；13-原地面线。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明采用动力锥进行低填浅挖路基天然地基承载力的快速检测，如图1-1和图1-2所示，动力锥包括导向杆3，导向杆3的顶部安装有落锤2，底部安装锥头9，中部设置扶手5；落锤2的上端安装有手柄1。扶手5通过联轴器4余导向杆3相连，并通过加紧环6紧固。导向杆3的侧面平行设置有刻度尺8，刻度尺8的量程为1m。

本发明快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法，包括以下步骤：

1)，根据弯沉测试影响深度12和填土高度或者开挖深度的关系，对低填路堤和浅挖路堑的承载力进行分析；

2)采用DCP法快速检测低填浅挖天然地基承载力，具体步骤如下：

2-1)将DCP放置测点位置，一人手扶仪器手柄，使探杆保持竖直，一人提起落锤至导向杆顶端，然后松开，使之成自由落体下落；

2-2)读取贯入深度，每贯入10mm读一次数，记录锤击数和贯入量；

对于粒料类基层，每5-10次锤击读数一次；对于松软的结构层，每1-2次锤击读数一次。

2-3)连续锤击、测量，直至需要的结构层深度；当材料层坚硬，贯入量低到连续锤击10次而无变化时，停止试验或钻孔通过后继续试验；

2-4)将落锤移走，从探坑中取走DCP仪器。

本发明的原理：

1、低填浅挖路基的承载力分析

1.1低填路堤的承载力分析

对于低填路基，如图2，由于填土较低，其天然地基11处于弯沉测试影响深度12之内，弯沉检测时，测试车的标准轴载产生的附加应力在天然地基11处仍然很大，路基顶面的弯沉值取决于填土层10和碾压层两部分的强度。所以在低填路堤中，除了人工填土层10外，天然地基11的特性对路基顶面弯沉值的影响也很大。天然地基11相比填土层10，如果密实度较低、强度较低，承载能力较差，即使填土层10施工质量达到要求，若天然地基11强度较低，也有可能造成整体强度不高的现象。所以低填路堤经常会出现施工时填土层10的每层压实度都满足要求而验收时路基顶面弯沉值超标的现象。所以对于低填路堤在某些情况下有必要对天然地基11采取一定的处理措施。

1.2浅挖路堑的承载力分析

浅挖路堑由于开挖深度浅，开挖前受的自重应力作用较小，密实度较低，总体承载能力偏低，规范规定路堑开挖后要经过整平碾压，并且要达到一定的压实度，但是压实处理的作用深度有限，超过一定深度后，压实对其产生的效果微乎其微。

所以对于浅挖路堑可分为两层来考虑，一层是受碾压作用后具有一定密实度和一定强度的厚度较薄的土层；一层是上述土层下部的天然地基11。如图3，下部的天然地基11处于弯沉测试影响深度12范围内，很大程度上影响着路基的整体强度，如果天然地基11较为软弱，即使上部经过碾压处理的土层密实度达到要求，也很有可能出现验收弯沉值不达标的现象。

2、现有路基回弹模量确定方法的优缺点和适用性以及DCP法的特点

2.1现有路基回弹模量确定方法的优缺点和适用性

目前回弹模量的确定方法主要有：现场承载板法、贝克曼梁法、室内模拟试验法、查表法和换算法等，其中室内模拟法、查表法和换算法是为确定设计回弹模量值的方法，该值可为路面的设计提供依据；而现场承载板法和贝克曼梁法是现场实测法，是为了检测成型路基是否达到设计要求值。换算法则是通过大量实验数据建立承载板试验所测E₀与压实度K、路基稠度ω_c或与室内路基CBR值等的关系式，利用换算关系式推算路基回弹模量值的方法，目前设计中多采用查表法。尽管多年来不少学者致力于回弹模量确定方法的研究，但目前仍存在不少问题，如现场实测法中的承载板法就存在测试需用专用车和试验速度过慢的缺点，而室内试验法的测定结果一般偏大，难以符合实际要求，需要建立室内外试验数据间的关系，换算法则存在着不同地区不同条件路段的关系式难以统一的问题。

从目前确定回弹模量的方法可看出，目前所用方法确定的都是路基整体结构的综合回弹模量，并不能确定天然地基11或填土层10的回弹模量。因此查表法、换算法等现有成果不能用于该研究。室内承载板法由于可成型不同压实度和含水率的试件，可用于模拟填土层10，但由于试件受到试筒筒壁和筒底的刚性约束作用，需要对其修正，修正后的结果可用于填土层10回弹模量的确定。现场承载板法和贝克曼梁法虽然理论上能够测出天然地基11的回弹模量，但实际中存在着种种困难，比如天然地基11上不具备测试车行驶的条件等，因而对天然地基11的测试方法有特殊的要求性。

2.2DCP法的特点

天然地基11特殊的工作环境要求试验设备简单、经济耐用、检测方便、快速等特点，动力锥贯入仪(DCP)因其试验仪器简单、携带方便、坚固耐用，操作及测试方法容易，不受场地限制，适用性广等优点，相较其他测试方法更适合于天然地基11的测试。而且DCP法所测的贯入度D_d与回弹模量E0、CBR等存在良好的相关关系，该法可以对低填浅挖路基进行快速检测。

3、DCP法的介绍及试验步骤

3.1DCP法的介绍

动力锥贯入仪(DCP)是一种小型轻便的地基土原位测试仪器，美国有些州已经将该试验用于路基回弹模量和压实性等的检测，在国外应经应用广泛，南非已将贯入值作为路面设计的参数之一。国内在2008年正式将动力锥贯入仪写入到《公路工程现场测试规程》(JTG E60-2008)中，但在我国应用仍然很少，处于引入和初级应用阶段，只有少数的几条公路比如：沪宁、太澳、唐津高速等采用DCP来检测路基压实度和强度，目前开展DCP试验研究较少，还未受到足够的重视。并且《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60-2008)中对DCP试验的介绍、规定也很简单，操作性和实用性都不够强。由于目前中国的公路事业仍处于大规模的修建期，因此DCP快速检测设备的应用前景很是开阔。

动力锥贯入仪(DCP)试验是利用一定的锤击能量，将某一规格的圆锥探头击入土中，根据探头被击入土中的难易程度(贯入阻力或贯入度等)来判别土体性质的一种现场测试方法。

该设备相比其他测试手段具有以下优点：

(1)设备简单，坚固耐用；

(2)操作及测试方法容易；

(3)适用性广；

3.2DCP试验设备及步骤

3.2.1试验设备

仪器与材料技术要求：

DCP试验设备包括：手柄、落锤、导向杆、联轴器(锤座)、扶手、夹紧环、探杆、1m刻度尺、锥头，如图1所示。

标准落锤质量为8kg或10kg。

锥头角度为90°、60°或30°，最大直径20mm。锥头最大允许磨损尺寸，尖端为4mm，直径为10％，否则必须更换。该实验还需要扳手、铁铲、记录本等。

3.2.2试验测试步骤

1)将DCP放置测点位置，一人手扶仪器手柄，使探杆保持竖直，一人提起落锤至导向杆顶端，然后松开，使之成自由落体下落。如果试验中探杆稍有倾斜，不可扶正；如果倾斜较大，造成落锤不是自由落体，则该试验点应废弃。

2)读取贯入深度。每贯入约10mm读一次数，记录锤击数和贯入量(mm)。

对于粒料类基层，可能每5-10次锤击读数一次；对于比较松软的结构层，可能1-2次锤击读数一次。

3)连续锤击、测量，直至需要的结构层深度。当材料层坚硬，贯入量低到连续锤击10次而无变化时，可以停止试验或钻孔通过后继续试验。

4)将落锤移走，从探坑中取走DCP仪器

4、DCP法快速检测低填浅挖天然地基承载力的适用性的验证

4.1DCP试验数据分析

DCP试验结果一般用贯入度(平均每击的贯入量)D_d表示，显然土体强度越高，贯入度越小，土体强度越低，贯入度越大，因此该指标可以反映路基的强度大小，国内外很多学者专家建立了DCP贯入度D_d与回弹模量E₀、CBR值之间的相关关系。根据国内外大量实测结果统计分析表明，DCP贯入度D_d与回弹模量E₀、CBR值等存在着良好的相关关系式，统计回归关系一般采用乘幂函数进行拟合，这样不仅在保证回归关系式具有较高的相关系数的同时，也使得关系式形式简单明了，使用方便。即采用下式形式：

y＝a·x^b (4.1)

式中，y为回归关系的因变量，即回弹模量(MPa)；x为回归关系式的自变量，即DCP试验的贯入度D_d(mm/锤)；a和b为回归系数。

4.2DCP法适用性的验证

为了检验用DCP试验贯入度D_d反映天然地基11回弹模量的可行性与实用性，该项目依托原神高速公路原平段路基工程，在天然地基11表面进行DCP试验，并在同一点做了现场承载板等试验。

4.2.1测点的布置与准备工作

(1)测点的选取，在该路段选取低填浅挖段路基，且地形较为平坦，能够顺利进行试验的路段，测点沿路基纵向布置，测点间距不少于10m。

(2)试验的准备工作：①室内试验，现场取样进行室内击实试验(采用重型Ⅱ-1击实方法)和土的液塑限试验(通过液塑限联合测定仪法)，得到土的最大干密度为1.83g/cm3、最佳含水率为13.8％，液限为30，塑限为18；②现场准备工作：由于天然地基11表面平整不一，土质疏松，不利于试验车的行驶和相关试验的进行；所以需对天然地基11稍作处理，包括整平和碾压，碾压采用轻型非震动压路机，碾压一遍即可，这样即可保证试验的顺利进行，又不会对天然地基11的力学性质产生过大影响。

4.2.2试验内容

(1)贝克曼梁法测回弹模量(即轮法测回弹模量)

采用3.6m的贝克曼梁仪、后轴重为BZZ-100的标准车进行天然地基11回弹模量的检测。

(2)现场承载板法测回弹模量(即板法测回弹模量)

采用直径为30cm、板厚为2cm的刚性承载板进行回弹模量的检测，控制变形为1mm之内，加载级数取6～7级。

(3)动力锥贯入仪(DCP)试验

采用锤重为10kg，落距为57.5cm的贯入仪，测深为80cm。

以上所有现场试验都应采用“点对点”一一对应的原则，即原则上各试验都应在同一测点上进行，以保证试验结果的可比性，但是考虑到某些试验对土体有破坏或压密的作用，会对接下来的试验产生影响，所以接下来的试验选在在上述测点的附近。

4.2.3现场测试结果与相关性分析

将所做试验数据经整理汇总，见表4-1：

表4-1现场试验数据汇总

为了检验DCP试验检测天然地基11回弹模量的可行性与实用性，结合国内外总结的经验，采用乘幂形式的回归关系式，建立现场DCP试验所测贯入度与现场承载板所测回弹模量间的回归关系式。

根据采用《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60-2008)规定的现场承载板法测得的天然地基11回弹模量值，建立与用DCP贯入试验测得的贯入度D_d之间的相关关系式，关系曲线图，见图4-1。

由图4-1可以看出，承载板所测回弹模量E与DCP试验所测贯入度D_d呈现反比的关系。当D_d从7mm/锤到13mm/锤时，回弹模量值从85.1MPa下降到50.3MPa，下降幅度为41％。剔除异常点，其回归关系式具体如下：

E＝209.92D_d ^-0.511(n＝20，R²＝0.8288) (4.1)

式中：E—承载板所测回弹模量值(MPa)

D_d—贯入度(mm/锤)

可以看出，回归关系式的相关系数达到了0.8288，相关性良好，所以，用DCP贯入试验可以较准确的反应天然地基11回弹模量的大小，相比现场承载板法，DCP试验具有仪器简单、携带方便、测试快捷等优点。

通过表4-1中的数据，还可以建立如下关系：

(1)现场承载板试验与贝克曼梁试验之间的相关关系

将贝克曼梁法(即：轮法)所测结果与现场承载板法(即：板法)所测结果做如下对比：

表4-2轮法与板法所测结果对比

由表4-2可看出，轮法所测结果较板法所测结果普遍偏小，而板法测路基回弹模量更具准确性。弯沉实测值与现场承载板所测回弹模量间可用乘幂函数进行拟合,拟合曲线如图4-2所示。

回归关系式如下：

E＝2291.1l₀ ^-0.68(n＝21，R²＝0.8776) (4.2)

相关系数达到0.8776，相关性良好，因此，该地区该土质采用贝克曼梁法测回弹模量时，采用式(4.2)的计算结果比理论公式计算结果更准确。

(2)现场承载板法所测回弹模量与压实度和稠度间的相关关系

当土质一定时，土基回弹模量是压实度和稠度的二元函数，理论上三者之间存在良好的相关性。因此，将现场承载板法所测回弹模量值与压实度和稠度间进行二元回归分析，可得如下结果：

E＝77.01K^2.637w_c ^0.785(n＝21，R²＝0.80) (4.3)

相关系数达到了0.80，相关性良好，因此对于该地区的该土质，也可以通过检测天然地基11的压实度和含水率，通过式(4.3)推算天然地基11的回弹模量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)低填浅挖路基承载力分析；

2)采用DCP法快速检测低填浅挖天然地基承载力。

2.根据权利要求1所述的快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法，其特征在于，所述步骤1)中，根据弯沉测试影响深度和填土高度或者开挖深度的关系，对低填路堤和浅挖路堑的承载力进行分析。

3.根据权利要求1所述的快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法，其特征在于，所述步骤2)的具体方法如下：

2-1)将DCP放置测点位置，一人手扶仪器手柄，使探杆保持竖直，一人提起落锤至导向杆顶端，然后松开，使之成自由落体下落；

2-2)读取贯入深度，每贯入10mm读一次数，记录锤击数和贯入量；

2-3)连续锤击、测量，直至需要的结构层深度；当材料层坚硬，贯入量低到连续锤击10次而无变化时，停止试验或钻孔通过后继续试验；

2-4)将落锤移走，从探坑中取走DCP仪器。

4.根据权利要求3所述的快速检测低填浅挖路基天然地基承载力的方法，其特征在于，所述步骤2-2)中，对于粒料类基层，每5-10次锤击读数一次；对于松软的结构层，每1-2次锤击读数一次。