骨架密实型级配碎石压实度无损检测方法研究
为了对路面基层施工现场骨架密实型级配碎石压实度进行快速检测，实时反馈施工质量，提出了一种无损检测的新方法。通过控制试验中不同变量，探究结构层厚度、含水率和下承层刚度因素对PFWD法检测结果的影响规律，建立压实度与变形模量之间的关系，并在试验路段上与灌砂法检测结果进行比较分析。
试验结果表明：级配碎石路面基层压实度与变形模量之间存在良好的指数关系，可以利用PFWD法测定现场不同压实度下的变形模量，建立压实度与变形模量之间的相关关系式，得到现场压实度要求的Evd测定值，从而实现对压实质量的及时评价与控制。
结构层压实度是评价骨架密实型级配碎石的重要指标。目前，在工程中，常采用灌砂法进行压实度检测。此方法步骤看似较为简单，但在实际检测时，受量砂密度标定的准确性、操作人员掌握程度不同等因素影响，常使得试验结果存在较大误差，同时存在量砂湿度平衡和回收处理时间较长、测试位置影响检测结果等问题。为快速对压实情况进行检测，第一时间反馈施工质量、指导现场施工，采用自主研发的一套方法，探讨利用PFWD法检测级配碎石基层压实度的可行性并提出初步的评价标准。
PFWD法检测结果为结构层的动态弯沉和变形模量，本文研究了不同因素对PFWD法的检测结果的影响，建立了特定条件下压实度与变形模量之间的相关关系式。
一、试验材料及方法
（一）试验材料
试验选用19~31.5mm、9.5~19mm、4.75~9.5mm以及石屑等4种不同规格粒径的集料。并对石料的表观密度、压碎值和针片状颗粒含量指标进行检测，各项指标满足规范要求，结果如表1所示。
良好的级配是获取结构层强度和保证稳定性的重要因素。针对骨架密实型级配碎石，按照规范要求，将各档集料拌和均匀并充分晾晒至干燥后采用四分法进行筛分，结合筛分结果进行级配曲线调整并确定各档集料所占的比例。最终确定各档集料所占比例为：19~31.5mm∶9.5~19mm∶4.75~9.5mm∶石屑=38%∶25%∶5%∶32%。各档集料筛分结果如表2所示。
（二）试验方法确定
压实度是指结构层实际达到的干密度与室内标准击实试验所得最大干密度的百分比值。本项研究的室内试验方法如下：采用一个直径1250px、高度1000px的钢制圆柱模具作为击实容器，按照上述比例将4种集料混合均匀组成级配碎石，在钢制模具中压实成型后测定其动态弯沉以及变形模量，建立压实度k、最大干密度ρ、击实后高度h、容器直径d及矿料质量m的相关关系式,如式(1)所示
由式(1)可知，当m、ρ和d已知的情况下，通过测量矿料击实后的高度h，即可确定压实度。
二、相关因素对变形模量的影响
压实厚度、含水率与下承层刚度是影响现场压实效果的重要因素，为确定压实度与变形模量之间的关系，分析该3种因素对变形模量检测结果的影响。选用骨架密实型级配碎石作为试验材料，试验前采用重型击实法确定最大干密度和最佳含水率，并按照相关要求进行闷料处理。
（一）压实厚度对变形模量Evd的影响
采用分层击实测量厚度的方法进行试验。压实度定为98%，每层击实后厚度控制为200px、400px、600px和800px，在容器对应位置绘制一条刻度线作为标记。根据压实度和每结构层厚度，反算每层材料加入质量。每层击实完毕后，整平表面进行PFWD测试，记录测得的弯沉值与变形模量值。试验时下承层选择水泥混凝土结构。每结构层击实后试验结果如表3所示。
根据表3的测试结果，对于不同的级配类型，其结构层厚度与变形模量之间的关系曲线如图1所示。
由图1可以看出，对于骨架密实型级配碎石，当压实度控制在98%时，级配碎石的Evd值随压实层厚度增大而减小。当厚度为200px时，Evd值达到了99.12MPa。这是由于级配碎石作为柔性基层材料，其本身的回弹模量要低于半刚性基层材料，刚度较低，但级配碎石材料具有较为显著的非线性特性，这使得其在刚度较大的下承层上时会表现出较大的回弹模量，从而具有足够的抵抗应力和变形的能力。
同时随着结构层厚度的不断增加，曲线斜率不断降低，在结构层厚度为500px处存在明显的转折。这表明当压实厚度较小时，虽然压实效果较好、变形模量较大，但PFWD的检测结果易受下承层刚度的影响，检测结果的变异性较大。当厚度超过500px时，曲线斜率变小，Evd值随压实厚度的增大而产生的变化逐渐减小，表明当结构层压实厚度达到一定数值时，PFWD的检测结果主要受压实层状态的影响，下承层状态对其检测结果影响较小。
（二）含水率变化对Evd的影响
对于含水率的影响，试验时压实度控制为98%，下承层选择水泥混凝土结构，含水率分别控制为2.9%、3.3%、3.7%、4.1%和4.5%，击实厚度控制为500px，分5次击实，击实完毕并整平表面后，测定弯沉值和变形模量值。试验结果如表4所示。
根据表4中所示的试验数据绘制含水率与变形模量之间的关系曲线，并进行拟合回归，结果如图2所示。
从图2中的回归曲线可以看出，相关系数R^2为0.9634，接近1，说明含水率与变形模量之间存在良好的二次抛物线关系。当含水率在最佳含水率附近时，PFWD检测结果为最大值。
含水率对于变形模量测试结果的影响，主要取决于吸附在材料表面的水膜厚度。级配碎石主要是通过粗集料表面的水膜来吸附细集料形成整体。当含水率过低时，粗集料表面的水膜厚度不足以吸附细集料时，材料过于松散;当强行击实至98%压实度时，由于摩擦力过大，细集料无法移动填充粗集料之间的空隙，而压实度提高的原因是粗集料被击碎，导致密度增大。当含水率过大时，细集料颗粒的毛细吸引力增加，孔隙水压力增大，导致材料难以击实;此时为了达到98%的压实度，就需要增加击实次数或者增大击实功，从而会导致多余的水携带着细集料不断被挤压至上表面，粗集料之间的嵌挤作用不断增大;随着孔隙的减小，孔隙水压力不断增加，最终导致粗集料破碎、密度增加。这两种情况下进行PFWD检测时，主要是由破碎后的集料承担外力的作用，导致变形模量测定值较小。因此施工时要严格控制其含水率处于最佳含水率附近，保证材料处于良好的工作状态，此时测得的PFWD模量也更加准确。
（三）下承层刚度对Evd的影响
分别选用水泥混凝土地面、沥青路面、砖石路面和压实土层作为下承层，分析下承层刚度变化对压实效果产生的影响。试验时压实度控制为96%，击实厚度控制为500px，分5次进行击实，击实完毕并整平表面后测定弯沉值和变形模量值。试验数据如表5所示。
根据表5中的试验数据绘制下承层刚度与变形模量之间的关系曲线，并对其进行拟合回归。
可以发现二者之间存在明显的对数关系，随着下承层刚度的增长，级配碎石材料层的变形模量也在逐渐增长。当下承层刚度处于较低范围内时，材料层的变形模量增长趋势较为显著，表明在压实过程中，击实的冲击力通过材料层传递给了下承层，对下承层也产生了击实作用，两个结构层模量同时增长，导致PFWD实测模量的增长较快。另一方面，当下承层模量值处于较大状态，即其刚度较高时，变形模量的增长主要是由于对级配碎石材料层的压实作用，此时PFWD的测试结果主要反映级配碎石材料本身状态的变化。
（四）变形模量与压实度关系式建立
依据上述分析结果，建立特定条件下变形模量与压实度相关关系式。试验时击实厚度控制为500px，压实度范围控制为85%~100%，下承层选择水泥混凝土结构。根据结构层厚度和每次控制的压实度，反算每层材料的加入质量，进行弯沉与变形模量测定。各结构层击实后试验结果如表6所示。
将表6中的试验结果异常值剔除，绘制压实度与变形模量之间的关系图，并对其进行回归处理，得到图4所示压实度与变形模量关系曲线。
由图4可知，当结构层压实度较低时，模量值也较低，随着压实度的增加，模量增长较为缓慢;当结构层的压实度达到一个较高的水平时(如图4中压实度达到98%时)，结构层的模量急剧增长;当压实度接近100%时，这种增长更为显著，曲线变化呈现出指数型增长趋势。
根据表6及图4，当压实层厚度、含水率和下承层刚度控制在一定条件下时，级配碎石基层压实度k与变形模量Evd值之间存在良好的指数关系，如式(2)所示：
三、现场检测及评价
（一）试验路结构
室内检测结果表明，压实度与变形模量之间存在良好的相关关系。在某高速公路施工过程中，选用100m长度作为标定段，验证室内检测方法在现场施工时的适用性。待测层为上基层，采用无黏结级配碎石，厚度为450px;下基层采用5%水泥稳定碎石，厚度为500px;底基层采用5%水泥稳定砂砾，厚度为500px;垫层采用天然砂砾，厚度为500px。
（二）试验路材料
级配碎石采用页岩材料，同时添加石屑来增加集料的黏附性、减小离析，再掺加一定量的粉煤灰来提高级配碎石的压实性能与抗离析性能[7]。采用骨架密实型级配，通过筛分确定的集料配比为19~31.5mm碎石∶9.5~19mm碎石∶石屑=30%∶35%∶35%，粉煤灰掺量为5%。此时最大干密度为2.29g/cm³、最佳含水率为6.6%、加州承载比CBR值为153%，满足规范要求。
（三）现场压实度及变形模量检测
根据现场压实机械的配备和材料状况，确定采用1遍静压+4遍振压+1遍静压相结合的方法进行压实。级配碎石基层摊铺后(压实之前)，选取50m左右的距离布设测点，每10m选一个截面，每个截面选3个点，并用石灰做上标记，使用PFWD测量各点的Evd值作为基础数据，并对应检测压实度;进行第一遍压实后使用PFWD测试各点上的Evd值，然后取某一测定点，用灌砂法检测该点附近的压实度，试验后取土将灌砂后的坑填满捣实，以减小对下一次检测的影响;之后每压一遍就重复以上工作，直到碾压结束。对检测结果整理后，将代表值进行回归，回归曲线如图5所示。
从图5中可以看出，压实度k与变形模量Evd具有良好的指数关系。关系式如下：
式(3)中相关系数R^2为0.9441，接近1，说明压实度和变形模量具有良好的相关性。
根据本项目对级配碎石基层压实度的要求，按照式(3)可以得出本路段Evd测定值应≥86MPa。
（四）压实质量快速检测及效果评价
为验证上述压实度标准的有效性，对级配碎石施工现场的压实度进行了跟踪检测，同时选取PFWD检测位置附近进行灌砂法试验验证。试验段桩号为K90+900~K91+200，沿右幅道路中线，每间距为10m布设一个点，待摊铺碾压结束后，立即进行PFWD变形模量检测。测试结果如图6所示。
如图6所示，在30个采集点中，仅有7个检测点的Evd值满足基层标准≥86MPa的要求，合格率为23%。之所以产生这样的效果，是因为在标定路段，测试人员对施工过程有严格的要求和技术指导;在试验路段，则是施工技术人员根据施工技术要求自行施工。从检测结果可以发现，二者存在显著的差异。如果按照灌砂法评价该路段的压实质量，由于检测频率和试验方法的问题，可能会淡化此路段压实质量的差异性，难以发现施工中存在的质量问题。而采用快速高密度、无损的PFWD数据采集结果来评定压实效果，则能及时发现并反馈施工中存在的问题，更好地控制现场施工质量。
将PFWD变形模量检测结果，换算成为压实度，同时将同一位置灌砂法检测结果共同绘制于图7中。可以发现，采用灌砂法检测后，也仅有7个采集点压实度结果满足施工要求，PFWD法与灌砂法得到的压实度曲线基本重合，检测结果显示出高度的一致性。这说明采用PFWD法可以有效地对现场施工质量进行评价。
四、结语
本文采用自主研发的检测技术，对路面基层骨架密实型级配碎石的压实度进行了探究，主要结论如下。
1、利用室内试验，分析了结构层厚度、含水率与下承层刚度因素对骨架密实型级配碎石变形模量的影响规律;明确了当压实层厚度控制在500px左右、含水率为最佳含水率、下承层刚度较高时压实度与变形模量之间存在良好的指数关系。
2、通过试验路工程验证了现场压实度与级配碎石变形模量之间也存在良好的指数关系，并明确了本路段压实度要求的Evd测定值应≥86MPa。
3、采用PFWD法对级配碎石施工现场的变形模量进行检测，并与灌砂法压实度结果进行比对分析，结果基本相同，验证了本方法的有效性。
4、本文提出的PFWD法可以实现高密度、快速和无损的现场压实度检测，客观并有效地评价施工质量，为保证工程品质提供了一种无损检测的新方法。
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