轻便触探试验

《公路路基施工技术规范》(JTJ033-95)规定,公路桥涵台背回填宜选择砂类土或渗透性好的材料。中粗砂不但透水性好, 而且可就地取材, 价格低廉,施工方便, 因而被广泛用于高速公路的桥涵台背回填, 但是对表征台背填砂质量的技术指标—相对密实度, 至今还没有一个合适的检测方法。所谓合适的检测方法, 不仅是指检测方法正确, 而且还要实用方便和快捷, 不影响工程进度。

通过模型及现场试验, 在理论上佐证轻便触探可用于检测回填中粗砂的回填质量的基础上, 对轻便触探检测回填中粗砂的试验方法进行了系统的研究, 归纳分析了轻便触探的锤击数与中粗砂的相对密实度之间的相关关系, 并通过与静力触探试验的比对, 进一步验证了这种方法的可靠性。

1 　试验工作

根据高速公路桥涵常用的台背回填料的特点, 选择4 种不同的中粗砂作为试验用砂, 在2m ×2m ×2m 的模型槽中进行了模型试验, 得出了一系列的试验数据。

2 　模型试验成果分析

（1）　临界深度hcr

运用轻便触探检测桥涵台背回填砂的相对密实度时, 砂表层也是不可忽略的重要部分, 但由于受表层效应及砂体自重应力的影响, 从表层一定深度范围, 轻便触探锤击数N10随着触探深度的增加而逐渐增加, 为了得到该触探深度范围内轻便触探锤击数随深度的变化规律, 以便对桥涵台背回填砂的施工质量进行合理的控制和对回填砂的相对密实度进行有效的评价, 因此, 有必要确定轻便触探临界深度的大小, 并以临界深度为界, 对临界深度以上、临界深度处及以下轻便触探锤击数随深度的变化规律分别进行研究。

探头从土面开始贯入, 随着贯入深度的增加,N10逐步增加, 当达到一定深度后, 锤击数N10 达到最大值, 以下则略有增加,将这个深度称为临界深度, 用hcr 表示。

通过对模型试验结果的分析, 得出4 种砂的临界深度hcr-Dr 的关系。可以看出, 轻便触探试验的临界深度hcr 是确实存在的, 且随相对密实度Dr 的增加而增加。

（2）　轻便触探的锤击数N10

根据模型试验结果及可知, 在临界深度以上, 轻便触探的锤击数N10 随着触探深度h 和砂的相对密实度Dr 的增加而增加;临界深度处及以下, 轻便触探的锤击数基本保持稳定, 试验结果表明, 相对密实度Dr 是影响临界深度处的锤击数N10 L 的最灵敏的因素, 临界深度处轻便触探的锤击数N10 L 与砂的相对密实度有较好的相关关系。

临界深度处的锤击数N10L 随Dr 增加而明显增大。

另外, 锤击数N10L 还与砂的细度模数Mx 也有关系, 由图6 可知, Dr <0.80 时, 当N10 L 一定时, 细度模数Mx 越大, 则相对密实度就越大, Dr 的大小顺序依次为:细砂<中砂<粗砂<特粗砂。

（3）轻便触探检测台背回填砂的相对密实度的对比分析

静力触探由于前人已经做了大量的模型试验研究, 其理论和试验研究已相对成熟, 已经被工程界接受和验证, 为了验证轻便触探检测桥涵台背回填中粗砂的相对密实度的可行性, 在与轻便触探模型试验的同时进行了静力触探比对试验。综合分析静力触探与轻便触探的试验结果的相关性发现, 两种方法检测中粗砂的特征指标之间存在线性关系, 且相关性很大。

（4）模型试验的Dr-N10的经验公式回归

在临界深度hcr 以上, 运用克莱姆法则对4 种模型试验用砂的大量的试验数据进行统计分析与线性回归, 得到砂的相对密实度Dr 与砂的细度模数Mx 、锥尖入土深度h 及轻便触探的锤击数N10(锤击数 30cm)之间的函数关系, 见公式(1);在临界深度处及以下, 通过非线性回归分析得出, 锤击数N10L 与相对密实度Dr 之间的关系满足对数函数关系, 见公式(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 为砂的相对密实度;N10为临界深度以上的轻便触探的锤击数;Mx 为砂的细度模数;h 为轻便触探锥尖入土的深度, cm , h 。

1 　现场试验工作

模型试验成果在多条高速公路中均进行了现场试验, 现以粤赣高速公路22 合同段K124+820 盖板涵的两个涵背为例, 对其进行现场试验研究, 以了解模型试验中模型槽的尺寸对试验结果的影响, 验证轻便触探模型试验与现场试验结果的相关性, 以及模型试验结果现场应用的方法。现场试验台背的有效试验尺寸大于3m ×3m ×5m。

2 　现场试验数据分析

现场轻便触探曲线形式及变化规律与模型试验一致。经修正以后, 当模型试验与现场试验的轻便触探的锤击数N10L 相同的情况下, 砂的相对密实度基本一致。由此推定, 将公式(1)与(2)修正后见公式(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为修正后的在临界深度以上的轻便触探的锤击数, N′10 =N10 ζ, ζ= 23 ;N′10L 为修正后的在临界深度处及以下的轻便触探的锤击数, N′10L =N10 L ζ;h 为轻便触探的触探深度, cm , h

将现场1 #-2 测点试验数据分别代入经验公式(1)与(2), 计算出Dr 值与现场实测值之间的对比情况, 如表6 所示。由表6 得知, 在现场试验过程中, 当触探深度为h

关于模型试验4 号砂的试验数据分别代入修正公式(3)与(4), 计算出了现场轻便触探试验的相对密实度与现场实测值之间的对比情况,在触探深度为h 。

(1)现场施工时, 因为每个标段的用砂都有固定的砂石场提供, 因此检测前应从提供现场用砂的砂石场取有代表性的砂样, 根据现行的规范进行室内试验,试验项目包含颗粒分析, 来获取砂的细度模数Mx 。

(2)轻便触探检测桥涵台背回填砂的相对密实度的深度宜控制在2m 以内, 且不大于3m 。

(3)根据现场桥涵台背的具体形状和面积, 每个台背宜布置3 ～ 5 个测点, 随机分布。两测点之间的距离应大于1.2m, 每个测点与台背的边界之间的有效距离应大于0.6m, 以避免测点对测点及台背边界对测点的影响。

(4)采用轻便触探设备, 从回填砂的表面开始触探, 保持探杆垂直, 将10kg 的锤提升至50cm的有效落距后, 自由落下, 锤击频率为15 ～ 30 击 min 。连续向下贯入, 记录每触探30cm 的锤击数N10 。当每贯入30cm 的锤击数超过100 击时, 或触探深度达到3m 后, 停止作业。

(5)以N10 为横坐标, 触探深度h 为纵坐标, 绘制N10-h 曲线, 根据现场回填材料特点对触探异常点进行修正。 排除由巨粒组以上的颗粒对触探结果的影响。

(6)根据N10-h 曲线确定轻便触探试验的单测点的临界深度hcr(随着贯入深度的增加, N10 逐步增加,当达到一定深度后, 锤击数N10 达到最大值, 以下则略有增加, 本文将这个深度称为临界深度), 在临界深度以上, 将实测的N10代入经验公式(3)计算砂的相对密实度Dr ;在临界深度处及以下, 代入经验公式(4)计算Dr 。

(7)以0.6m 为一层分别按公式(5)来计算相对密实度代表值

Drk =Dr -t αnS (5)

式中, Dr 为台背每层各测点所有的相对密实度单值的平均值;tα为t 分布表中随层数和保证率(或置信度α)而变的系数;tα保证率为95 %;S 为各单点值的标准差;n 为单值数量。

(1)轻便触探试验过程中, 砂的相对密实度是影响锤击数N10的最灵敏的因素, 砂的细度模数Mx 对锤击数N10也有一定的影响。

(2)根据对模型试验结果的分析, 在临界深度以上, 砂的相对密实度与轻便触探的锤击数N10 基本呈线性关系, 运用克莱姆法则回归得到公式(1);临界深度处及以下, 轻便触探的锤击数N10L 与相对密实度Dr 之间的关系满足对数函数关系, 回归得到公式(2)。

(3)将模型试验的经验公式(1)和(2)经过模型相似系数修正后得到了修正公式(3)和(4)。在触探深度为h

(4)根据试验研究及与静力触探的比对分析, 验证了用轻便触探检测公路桥涵台背回填中粗砂的相对密实度的可行性。在此基础上, 本文提出了一套方便可行的公路桥涵台背回填中粗砂相对密实度的检测方法。