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路面路基刚度评估现场装置比较.pdf
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1、54 建筑机械SURVEYING专题论述路面路基刚度评估现场装置比较严武文,张 彬(中国公路工程咨询集团有限公司,北京 100000)摘要路基表面是在其上建造路面结构的路基的顶面,其为路面的施工提供一个平台并支撑路面。同时,路基能够避免不必要的偏斜引起的路面质量的降低。为了保证路基路面拥有稳定的承载力,必须在施工过程中根据设计结果对路基承载力进行质量控制。动态原位落锤式弯沉仪试验应用广泛,能够很好地确定路基质量,被认为是确定路面承载力和弹性模量最可靠、合适的方法。此外,轻型落锤弯沉仪能够在施工区域内方便地搬运移动并且可以动态施加载荷,这些都为路基质量的确定提供了便利。本文对比了不同原位试验结果
2、之间的相关性,将落锤式弯沉仪及动态圆锥贯入仪的试验结果进行了比较。结果表明,不同现场设备测量的结果之间具有良好的相关性,可以用这些方法确定路基弹性模量。关键词路基承载力;落锤式弯沉仪;轻型落锤弯沉仪;动态圆锥贯入仪;路基弹性模量中图分类号U416 文献标识码B 文章编号1001-554X(2023)09-0054-04Comparison of on-site devices for evaluating pavement and subgrade stiffnessYAN Wu-wen,ZHANG Bin近年来,力学-经验设计方法引起了路面工程师和研究人员的广泛关注,这些设计方法要求设计师要
3、充分了解构成路面结构的材料的力学特性1-3。在这些设计方法中,弹性模量(Mr)是表征非粘结路面材料的基本参数,同时路面弹性挠度与现场总路面挠度有更好的相关性4-6。弹性模量为偏应力d与可恢复应变r的比值:Mr=d/r。实验室测试路基弹性模量的程序非常复杂,特别是现场测试,这使得许多公路路面研究设计机构开始探索其他的测试方法。随之产生了用落锤式弯沉仪(FWD)和轻型落锤弯沉仪(LWD)进行挠度测量的方法,还有用动态圆锥贯入仪(DCP)进行贯入试验的方法7-10。为了确定用落锤式弯沉仪、轻型落锤弯沉仪和动态圆锥贯入仪进行的原位试验推导路面路基弹性模量方法的可行性,本文通过落锤式弯沉仪测量结果之间的
4、相关性,对轻型落锤弯沉仪和动态圆锥贯入仪测得的试验结果进行了测试和验证。同时,现场试验的结果也得到了实验室试验结果的验证。1 试验介绍试验场地中包括不同沉积环境的冲积沉积物,由冲积平原的粉质粘土层和基底的火山岩交替组成。如图1所示,测试区域的面积为2.5m 2.5m,分为9个测试点。本文进行了几项常规的实验室试验,包括粒径分布、指标性质、剪切强度和弹性模量的测定。采用筛分试验进行筛分分析,测试了各试样的级配特性。图2显示了所有被测样品的颗粒级配曲线。图1 测试点代码试样的比重Gs值的范围为2.712.74,天然含水率wn值的范围为18.46%24.04%,界限含水量值wL、wP的范围分别为58
5、.07%61.91%、30%DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.09.004收稿日期2023-01-06通讯地址严武文,北京市海淀区西三环北路昌运宫17号CONSTRUCTION MACHINERY 552023/09总第571期10002040筛余百分率/%60801001010.10.010.0010.0001粒径/mmBGGM碎石砂子淤泥质土粉土MSS试样1试样2试样3试样4试样5图2 试样的颗粒级配曲线40%,塑性指数PI值的范围为23%30%。实验室的试验结果表明,这些试样质地比较均匀。为了确定路基土体的刚度,进行动态加载板试验,其中包括落锤式弯沉仪试验和轻型落锤
6、弯沉仪试验。采用一套公式来计算均匀的、各向同性的线弹性半无限空间连续体在圆形加载区域下的应力、应变和位移等数值。半无限空间连续体的弹性模量值由式(1)计算drrM 2001faEd 1naECp 0012naEnCp 2f 1.528 0.0841log300mm10DPIDPIE 1.6433 0.2098log150mm10DPIDPIE (1)式中 E为弹性模量;f为影响因子,与应力分布情况有关;v为泊松比;0为加载板下的压力;a为加载板半径;d0为圆形载荷中心的挠度。如果路基是非线性弹性的,那么使用线弹性方法可能会导致计算的弹性模量不准确,可能算出较大的路基弹性模量。路基是非线性弹性时
7、,采用下述公式计算路基的弹性模量值1naECp 0012naEnCp 2f 1.528 0.0841log300mm10DPIDPIE 1.6433 0.2098log150mm10DPIDPIE (2)式中 1是外部加载的主应力,即排除材料自重引起的应力;pa是相对应力,通常等于0.1MPa的大气压力;C和n是常数。式(2)中,在点荷载P作用下,可以用布森内斯克方程计算非线性弹性半无限空间连续体中的应变和位移,用主应力的非线性函数代替弹性模量。因此,在式(1)的前提下,得到表面弹性模量式(3)0012naEnCp 2f 1.528 0.0841log300mm10DPIDPIE 1.6433
8、 0.2098log150mm10DPIDPIE (3)式中 0为板下均匀分布的应力。采用室内三轴试验的方法研究路基的非线性特性。在进行的实验室试验中,圆柱形土壤试样受到一系列不同偏应力的循环加载,模拟多个车轮在路面上移动。同时在试样上施加恒定围压,模拟由覆盖层压力和车轮载荷引起的侧向应力。利用循环荷载作用下试样的轴向可恢复变形来计算材料的弹性模量。用两个外部安装的线性可变差动变压器式位移传感器(LVDT)来记录试样的轴向变形。循环三轴试验中轴向应变与偏应力的关系图如图3所示,图4为试样弹性模量随偏应力变化的情况,弹性模量取值范围为50180kPa。由回归曲线可以看出,试样的弹性模量随偏应力的
9、增大而减小。00.2/%/(kN/m2)-130.40.60.804080120160200图3 三轴试验结果:应力-应变曲线0Mr/MPa050d=1-3/(kN/m2)50100d-0.459 100150150200200250250Mr=700.61R2=0.7747图4 三轴试验结果:弹性模量-偏应力同时进行落锤式弯沉仪和轻型落锤弯沉仪试验(如图5所示)。落锤式弯沉仪是一种非破坏性的现场试验仪器,旨在模拟由快速移动的卡车引起的路面偏转。该装置能够模拟重型车辆的负载情况,并通过固定在横梁上的传感器测量路面56 建筑机械SURVEYING专题论述的挠度,进而推算路面的力学性能响应情况。传
10、统的落锤式弯沉仪能够施加7140kN的载荷,能够满足用于结构路面分析的标准载荷的施加(3050kN,在载荷板下的压力约为700kPa)。该装置允许重物从可变的高度扔下来,并通过圆形加载板将负载施加到路面上,重物的重量从50450kg不等。半正弦脉冲产生的持续时间为30ms,对应于卡车以40km/h的速度行驶所产生的载荷时间。研究中使用的落锤式弯沉仪配备了一个直径为300mm的加载板和15个与加载板偏移量不同的检波器(最远的检波器位于横梁上2100mm处),负载为150kg,在所处的高度能够产生230240kPa的应力。a落锤式弯沉仪 b轻型落锤弯沉仪 c动态圆锥贯入仪图5 用于原位试验的设备由
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