基于PFWD无损检测的高速公路底基层级配设计(基层无损检测含水量试验)

关键词：PFWD;无损检测;底基层;级配设计;

作者简介：胡明武（1978—），男，高级工程师，研究方向为道路桥梁施工。
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底基层在高速公路路面结构中主要发挥承受和传递垂直荷载的作用，其级配设计直接关系到基层施工质量。
传统的钻芯取样检测法会对公路路面基层结构产生一定破坏，且检测过程繁琐、检测效率低下、精度不高，相比而言便携式落锤弯沉仪（Portable Falling Weight Deflectometer,PFWD）无损检测技术则能快速检测公路底基层施工材料动态模量及变异系数值，并根据检测结果进行底基层施工均匀性评价。
PFWD无损检测技术应用于高速公路底基层级配设计对于底基层施工质量控制及公路路面结构整体性能的提升意义重大。

某高速公路主要位于山区，地形地势崎岖陡峭，地质条件复杂，结合地质勘查资料及工程实际，路面基层主要采用15cm厚级配碎石垫层+20cm厚水稳级配碎石底基层+36cm水稳级配碎石基层的设计方案。
考虑到公路底基层为面层、基层传递车辆垂直荷载的主要承受层，发挥重要的承上启下的工程作用，必须加强其级配设计，以保证公路结构整体耐久性。

结合工程实际，该高速公路底基层主要采用P.O42.5普通硅酸盐水泥以及粒径为0～5mm,5～10mm,10～20mm及20～30mm的石灰岩碎石料。
对不同粒径碎石料进行筛分试验和级配设计，出于缩短设计周期、提升设计效率的考虑，共设计出两种级配，具体见表1。

表1 公路底基层级配设计 下载原图

(1）最佳含水量确定

结合《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009），对以上两种不同级配混合料进行振动成型试验。
根据试验结果，推荐级配下1#,2#,3#,4#,5#试件干密度分别为2.361g/cm³,2.374g/cm³,2.382g/cm³,2.372g/cm³,2.359g/cm³，含水量分别为3.5%,4.1%,4.5%,5.0%,5.5%；比选级配下1#,2#,3#,4#,5#试件干密度值分别为2.349g/cm³,2.358g/cm³,2.369g/cm³,2.367g/cm³,2.354g/cm³，含水量分别为3.5%,4.0%,4.5%,5.0%,5.5%。
将以上试验结果绘制为含水量-干密度关系曲线，并进行二次抛物线拟合[1]，结果见图1和图2，将最大干密度所对应的含水量及干密度视为最佳含水量和最大干密度。

由以上两种不同级配下混合料含水量-干密度关系曲线可知，推荐级配混合料干密度最大值取2.378g/cm³，含水量最佳取4.45%，比选级配混合料干密度最大值取2.364g/cm³，含水量最佳取4.67%。

运用振动成型技术分别按照确定的干密度最大值和最佳含水量制备尺寸为f15cm×15cm的试块，水泥掺加量控制为4.1%，将制备好的试块先放置于25℃,95%湿度的养生室内进行为期6d的养生；养生期结束后取出试块，继续饱水养生1d，此后按照相关规范对试块实施无侧限抗压强度试验[2]。
试验结果显示，推荐级配和比选级配下试块无侧限抗压强度均值分别为6.0MPa和6.4MPa，标准差分别为0.14MPa和0.18MPa，两种级配混合料抗压强度均符合规范要求，但比选级配下混合料试件抗压强度明显偏大。

图1 推荐级配含水量-干密度关系曲线 下载原图

图2 比选级配含水量-干密度关系曲线 下载原图

在完成室内试验的基础上，以起讫段K420+200—K420+450和K420+500—K420+750为试验段分别进行推荐级配和比选级配的摊铺施工，试验段宽度均为16m，且均采用两台徐工BP-952型水稳碎石料摊铺机以10m的间距前后紧跟推进施工，行进速度控制在1.0～2.0m/min范围内，搭接宽度不小于20cm。

便携式落锤弯沉仪（PFWD）是当前应用较为广泛的路基路面结构强度无损检测设备，其比传统检测技术精度高、使用方便、安全可靠，能在进行路基弯沉及动态弹性模量实时检测的同时，构建路基回弹模量和施工控制指标之间的标准关系[3]，为路基路面结构设计提供数据支持。

借助皮尺将待检测区域划分为长2.0m的检测段，通过手持便携式落锤弯沉仪分别进行试验段距离中央分隔带1.0m,3.0m,5.0m,7.0m及9.0m处底基层动态模量值的检测。
根据检测所得试验段底基层动态模量值，进行动态模量变异系数计算，并根据计算结果进行路用性能及施工质量评价。
动态模量变异系数取值分别为(0,0.3],(0.3,0.4],(0.4,0.6],(0.6,1.0]时，所对应的底基层施工质量及路用性能分别为优、良、中、差。

应用手持便携式落锤弯沉仪分别对K420+200—K420+450段和K420+500—K420+750段底基层进行无损检测，结果分别见表2和表3。

表2 K420+200—K420+450段底基层动态回弹模量无损检测结果 下载原图

由表2所示无损检测结果可以看出，K420+200—K420+450试验段总体动态模量变异系数取值为0.38，且施工均匀性评价结果为良好。
横向施工均匀性评价结果显示，该试验段施工质量差异小，施工均匀性优良段较多，也说明摊铺机横向布料均匀程度高。
根据纵向施工均匀性评价结果，与中央分隔带距离越近的测点均匀性越好。

表3 K420+500—K420+750段底基层动态回弹模量无损检测结果 下载原图

下载原表

由表3所示无损检测结果可以看出，K420+500—K420+750试验段总体动态模量变异系数取值为0.44，施工均匀性评价结果为中等。
根据施工均匀性横向评价发现，该试验段施工质量存在较大差异，桩号K420+580、K420+740均匀性为“优”，其余大多测点为“中”，且施工均匀性较好的测点不多，表明摊铺机横向布料普遍存在离析，且离析点分布较为规律。
根据施工均匀性纵向评价可知，摊铺过程中中部较稳定、边部不稳定。

综合以上对K420+200—K420+450段（推荐级配）和K420+500—K420+750段（比选级配）底基层无损检测结果的比较分析可以看出，K420+200—K420+450段（推荐级配）施工均匀性更好；结合最佳含水量分析及无侧限抗压强度试验结果，该高速公路底基层最终采用推荐级配设计。

该高速公路底基层采用推荐级配施工后的检测结果显示的底基层摊铺均匀性与试验段PFWD无损检测结果一致，表明本工程所选用的无损检测技术较为适用，且底基层推荐级配设计下混合料无侧线抗压强度更小，能较好地实现水稳基层温缩性能和强度的平衡，故应采用推荐级配。
此外，该公路底基层摊铺施工结果还显示，高速公路底基层边部均匀性控制存在较大难度，发生离析的可能性较大，必须通过控制摊铺机布料仓饱满度、增强边部摊铺施工密实度等措施，以加强边部施工均匀性控制。

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