簡介
《公路路基施工技術規範》(JTJ033-95)規定,公路橋涵台背回填宜選擇砂類土或滲透性好的材料。中粗砂不但透水性好, 而且可就地取材, 價格低廉,施工方便, 因而被廣泛用於高速公路的橋涵台背回填, 但是對表征台背填砂質量的技術指標—相對密實度, 至今還沒有一個合適的檢測方法。所謂合適的檢測方法, 不僅是指檢測方法正確, 而且還要實用方便和快捷, 不影響工程進度。
通過模型及現場試驗, 在理論上佐證輕便觸探可用於檢測回填中粗砂的回填質量的基礎上, 對輕便觸探檢測回填中粗砂的試驗方法進行了系統的研究, 歸納分析了輕便觸探的錘擊數與中粗砂的相對密實度之間的相關關係, 並通過與靜力觸探試驗的比對, 進一步驗證了這種方法的可靠性。
模型試驗
1 試驗工作
根據高速公路橋涵常用的台背回填料的特點, 選擇4 種不同的中粗砂作為試驗用砂, 在2m ×2m ×2m 的模型槽中進行了模型試驗, 得出了一系列的試驗數據。
2 模型試驗成果分析
（1） 臨界深度hcr
運用輕便觸探檢測橋涵台背回填砂的相對密實度時, 砂表層也是不可忽略的重要部分, 但由於受表層效應及砂體自重應力的影響, 從表層一定深度範圍, 輕便觸探錘擊數N10隨著觸探深度的增加而逐漸增加, 為了得到該觸探深度範圍內輕便觸探錘擊數隨深度的變化規律, 以便對橋涵台背回填砂的施工質量進行合理的控制和對回填砂的相對密實度進行有效的評價, 因此, 有必要確定輕便觸探臨界深度的大小, 並以臨界深度為界, 對臨界深度以上、臨界深度處及以下輕便觸探錘擊數隨深度的變化規律分別進行研究。
探頭從土面開始貫入, 隨著貫入深度的增加,N10逐步增加, 當達到一定深度後, 錘擊數N10 達到最大值, 以下則略有增加,將這個深度稱為臨界深度, 用hcr 表示。
通過對模型試驗結果的分析, 得出4 種砂的臨界深度hcr-Dr 的關係。可以看出, 輕便觸探試驗的臨界深度hcr 是確實存在的, 且隨相對密實度Dr 的增加而增加。
（2） 輕便觸探的錘擊數N10
根據模型試驗結果及可知, 在臨界深度以上, 輕便觸探的錘擊數N10 隨著觸探深度h 和砂的相對密實度Dr 的增加而增加;臨界深度處及以下, 輕便觸探的錘擊數基本保持穩定, 試驗結果表明, 相對密實度Dr 是影響臨界深度處的錘擊數N10 L 的最靈敏的因素, 臨界深度處輕便觸探的錘擊數N10 L 與砂的相對密實度有較好的相關關係。
臨界深度處的錘擊數N10L 隨Dr 增加而明顯增大。
另外, 錘擊數N10L 還與砂的細度模數Mx 也有關係, 由圖6 可知, Dr <0.80 時, 當N10 L 一定時, 細度模數Mx 越大, 則相對密實度就越大, Dr 的大小順序依次為:細砂<中砂<粗砂<特粗砂。
（3）輕便觸探檢測台背回填砂的相對密實度的對比分析
靜力觸探由於前人已經做了大量的模型試驗研究, 其理論和試驗研究已相對成熟, 已經被工程界接受和驗證, 為了驗證輕便觸探檢測橋涵台背回填中粗砂的相對密實度的可行性, 在與輕便觸探模型試驗的同時進行了靜力觸探比對試驗。綜合分析靜力觸探與輕便觸探的試驗結果的相關性發現, 兩種方法檢測中粗砂的特徵指標之間存線上性關係, 且相關性很大。
（4）模型試驗的Dr-N10的經驗公式回歸
在臨界深度hcr 以上, 運用克萊姆法則對4 種模型試驗用砂的大量的試驗數據進行統計分析與線性回歸, 得到砂的相對密實度Dr 與砂的細度模數Mx 、錐尖入土深度h 及輕便觸探的錘擊數N10(錘擊數 30cm)之間的函式關係, 見公式(1);在臨界深度處及以下, 通過非線性回歸分析得出, 錘擊數N10L 與相對密實度Dr 之間的關係滿足對數函式關係, 見公式(2)。
Dr =0.323 7 +0.109 0Mx -0.003 7h +0.007 0N10(ρ=0.917 5) (1)
Dr =-0.105 7 +0.208 0ln(N10L)(ρ=0.936 8)(2)
式中,Dr 為砂的相對密實度;N10為臨界深度以上的輕便觸探的錘擊數;Mx 為砂的細度模數;h 為輕便觸探錐尖入土的深度, cm , h <hcr ;N10L 為臨界深度處的輕便觸探的錘擊數;其它符號意義同前。
現場試驗
1 現場試驗工作
模型試驗成果在多條高速公路中均進行了現場試驗, 現以粵贛高速公路22 契約段K124+820 蓋板涵的兩個涵背為例, 對其進行現場試驗研究, 以了解模型試驗中模型槽的尺寸對試驗結果的影響, 驗證輕便觸探模型試驗與現場試驗結果的相關性, 以及模型試驗結果現場套用的方法。現場試驗台背的有效試驗尺寸大於3m ×3m ×5m。
2 現場試驗數據分析
現場輕便觸探曲線形式及變化規律與模型試驗一致。經修正以後, 當模型試驗與現場試驗的輕便觸探的錘擊數N10L 相同的情況下, 砂的相對密實度基本一致。由此推定, 將公式(1)與(2)修正後見公式(3)和(4)。
Dr =0.323 7 +0.109 0Mx -0.003 7h +0.007 0N′10(3)
Dr =-0.105 7 +0.208 0ln(N′10L ) (4)
式中, N′10為修正後的在臨界深度以上的輕便觸探的錘擊數, N′10 =N10 ζ, ζ= 23 ;N′10L 為修正後的在臨界深度處及以下的輕便觸探的錘擊數, N′10L =N10 L ζ;h 為輕便觸探的觸探深度, cm , h <hcr ;其它符號的意義同前。
將現場1 #-2 測點試驗數據分別代入經驗公式(1)與(2), 計算出Dr 值與現場實測值之間的對比情況, 如表6 所示。由表6 得知, 在現場試驗過程中, 當觸探深度為h <hcr 時, 用公式(1)所求出的相對密實度Dr 與現場試驗實測值之間的誤差均小於10 %;當h ≥hcr 時, 用公式(2)所求出的值的相對誤差小於10 %, 驗證了模型經驗公式(1)與(2)的正確性及現場套用的可行性。
關於模型試驗4 號砂的試驗數據分別代入修正公式(3)與(4), 計算出了現場輕便觸探試驗的相對密實度與現場實測值之間的對比情況,在觸探深度為h <hcr 時(臨界深度以上), 用公式(3)所求出的相對密實度Dr與現場試驗實測值之間的誤差均小於5 %;當h ≥hcr時(在臨界深度及以下), 用公式(4)所求出的值的相對誤差小於10 %, 故室內模型試驗的結果經修正以後是正確的, 可以套用於現場檢測中。
輕便觸探檢測橋涵台背回填砂的試驗方法
(1)現場施工時, 因為每個標段的用砂都有固定的砂石場提供, 因此檢測前應從提供現場用砂的砂石場取有代表性的砂樣, 根據現行的規範進行室內試驗,試驗項目包含顆粒分析, 來獲取砂的細度模數Mx。
(2)輕便觸探檢測橋涵台背回填砂的相對密實度的深度宜控制在2m 以內, 且不大於3m。
(3)根據現場橋涵台背的具體形狀和面積, 每個台背宜布置3 ～ 5 個測點, 隨機分布。兩測點之間的距離應大於1.2m, 每個測點與台背的邊界之間的有效距離應大於0.6m, 以避免測點對測點及台背邊界對測點的影響。
(4)採用輕便觸探設備, 從回填砂的表面開始觸探, 保持探桿垂直, 將10kg 的錘提升至50cm的有效落距後, 自由落下, 錘擊頻率為15 ～ 30 擊 min。連續向下貫入, 記錄每觸探30cm 的錘擊數N10。當每貫入30cm 的錘擊數超過100 擊時, 或觸探深度達到3m 後, 停止作業。
(5)以N10 為橫坐標, 觸探深度h 為縱坐標, 繪製N10-h 曲線, 根據現場回填材料特點對觸探異常點進行修正。 排除由巨粒組以上的顆粒對觸探結果的影響。
(6)根據N10-h 曲線確定輕便觸探試驗的單測點的臨界深度hcr(隨著貫入深度的增加, N10 逐步增加,當達到一定深度後, 錘擊數N10 達到最大值, 以下則略有增加, 本文將這個深度稱為臨界深度), 在臨界深度以上, 將實測的N10代入經驗公式(3)計算砂的相對密實度Dr ;在臨界深度處及以下, 代入經驗公式(4)計算Dr。
(7)以0.6m 為一層分別按公式(5)來計算相對密實度代表值
Drk =Dr -t αnS (5)
式中, Dr 為台背每層各測點所有的相對密實度單值的平均值;tα為t 分布表中隨層數和保證率(或置信度α)而變的係數;tα保證率為95 %;S 為各單點值的標準差;n 為單值數量。
總結
(1)輕便觸探試驗過程中, 砂的相對密實度是影響錘擊數N10的最靈敏的因素, 砂的細度模數Mx 對錘擊數N10也有一定的影響。
(2)根據對模型試驗結果的分析, 在臨界深度以上, 砂的相對密實度與輕便觸探的錘擊數N10 基本呈線性關係, 運用克萊姆法則回歸得到公式(1);臨界深度處及以下, 輕便觸探的錘擊數N10L 與相對密實度Dr 之間的關係滿足對數函式關係, 回歸得到公式(2)。
(3)將模型試驗的經驗公式(1)和(2)經過模型相似係數修正後得到了修正公式(3)和(4)。在觸探深度為h <hcr 時, 可用公式(3) 根據現場試驗得到的參數計算砂的相對密實度;當h ≥hcr , 可用公式(4)根據實測N10 計算現場回填砂的相對密實度。
(4)根據試驗研究及與靜力觸探的比對分析, 驗證了用輕便觸探檢測公路橋涵台背回填中粗砂的相對密實度的可行性。在此基礎上, 本文提出了一套方便可行的公路橋涵台背回填中粗砂相對密實度的檢測方法。
