基于PFWD的公路填石路基压实质量快速检测方法研究

李盛，郜梦棵，刘玉龙，钟少杰

（1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙，410114；
2.中交四航局第二工程有限公司，湖南 长沙，410000）

随着中国中西部地区公路建设的快速增长，在山岭地区高速公路修建中进行深挖路堑或隧道施工都会产生大量碎石、块状石料。这些碎石、块状石料常作为路基填筑的主要材料［1］。但填石路基的压实质量控制一直是施工过程中的难题。现行规范《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610—2019）主要使用孔隙率和施工过程中沉降差作为填石路基压实质量控制的主要指标［2］。孔隙率检测主要为灌水法，需现场开挖试坑。该法的填石料开挖难度大，要降低测量误差值，则需增大试坑面积，费事费力。沉降差检测方法不能快速获得检测结果，影响填石路基的施工进度。目前，国内外学者对填石路基压实质量的快速检测方法展开了大量研究。李泽闯等人［3］采用便携式落锤弯沉仪（portable falling weight deflectometer，简称为PFWD）检测土石路堤的回弹模量，将检测的每段经碾压过的土石路堤的回弹模量值与实际测量的沉降差进行线性拟合并检验，发现所得参数的相关系数都在0.86以上，表明回弹模量与沉降差之间具有良好的线性关系。张军辉等人［4］采用PFWD、动态圆锥贯入仪（dynamic cone penetrometer，简称为DCP）等仪器对既有路基性能进行了检测，对比各检测手段的特点和精度，提出采用PFWD对路基性能进行快速检测的方法。孙璐等人［5］针对含砾石的黏土路基和含碎石的黏土路基的性能监测，给出了PFWD和贝克曼梁的经验回归公式和神经网络模型。ZHANG等人［6］提出了黏弹性算法，提高了运用PFWD方法进行弹性模量反算的准确性。张恺等人［7］对不同花岗岩风化料路基进行了PFWD检测，并将其检测结果与贝克曼梁法及承载板法进行了对比研究，发现路基动静模量与动静弯沉之间存在相关关系。陈龙旭等人［8］采用现场对比试验和数值分析方法研究了回弹弯沉和动态回弹模量之间的关系，研究结果表明PFWD与贝克曼梁法的检测结果具有良好的相关性。孙璐等人［9］挖掘了PFWD荷载及弯沉时程曲线的动态信息，构建了路基压实度的回归模型，并将其与传统检测方法进行比较，证明了所建立模型的有效性。王龙等人［10］采用PFWD检测了路基变形模量，建立了碎石土路基沉降差与变形模量之间的关系，发现PFWD可快速、有效地评价碎石土路基的压实状态。查旭东［11］提出PFWD现场快速检测步骤，建立了PFWD模量与承载板回弹模量、贝克曼梁及FWD模量之间的相关关系。王龙等人［12］对PFWD冲击荷载的影响参数以及参数配置进行研究，计算出了不同PFWD配置下的基层结构适宜检测的深度。程坤［13］使用幂函数对PFWD模量与压实度进行相关性分析，发现当判定系数大于0.7时，两者的相关性良好。

这些研究都表明：PFWD与孔隙率常规控制指标具有一定相关性，但对填石路基压实质量快速检测方法的可靠性研究则鲜见。因此，本研究拟依托广连高速公路TJ09标填石路基试验段为工程背景，采用PFWD、水袋法等方法对该路基进行检测，分析PFWD测量的回弹模量、回弹弯沉与孔隙率之间的相关性。对比分析这两种方法在填石路基压实质量检测过程中的优缺点，验证PFWD在填石路基压实质量快速检测中的可行性，以期为类似工程提供借鉴。

PFWD是在落锤式弯沉仪（falling weight deflectometer，简称为FWD）的基础上研发的一种新型快速检测设备。具有易携带、操作简单、测试速度快、数据处理精确、自动化程度高、使用范围广等特点。PFWD由加载系统、数据采集系统和数据传输系统三部分组成，如图1所示。工作原理为固定质量（10 kg或15 kg）的落锤提升至固定高度后释放，自由下落的落锤冲击承载板产生冲击荷载。在冲击荷载作用下，承载板产生竖向位移，压力传感器和位移传感器记录荷载和位移。PFWD产生的荷载为落锤式冲击荷载，作用时间短，一般在20 ms内，路基来不及产生塑性变形，可近似认为仍处于弹性状态，其产生的竖向变形以回弹变形为主。因此，可通过线弹性理论对路堤模量进行计算，采用圆形垂直刚性分布荷载作用的下弹性半空间理论，分析路基动态回弹模量，计算公式为：

图1 PFWD系统Fig.1 The PFWD system

式中：Ep为路基模量值；
p为实测承载板的压力峰值；
a为承载板半径；
μ为泊松比；
l为承载板中心的实测弯沉峰值。

使用PFWD进行现场快速检测，主要分为准备、测试和结束三个步骤，其工作流程如图2所示。

图2 PFWD测试流程Fig.2 The PFWD test flow chart

广连高速公路起于广州市从化区鳌头镇五丰村，连接佛清从高速公路北段，北经广州从化区、清远清城区、佛冈县、英德市、阳山县和连州市，终点为清远连州市大路边镇凤头岭（粤湘界），顺接湖南省衡临高速公路。其中，TJ09（K136+211.6～K154+652.5）标段路线起于阳山县青莲镇峡头村桂岩附近，向西北经新田，设新田隧道，经庙化至中心村盐田，设盐田隧道，跨越省道S525后经倒流洞、麻子塘，于青莲镇区北侧设青莲互通线后转北，跨越青莲河后至深塘村鱼梁头，设高峰隧道穿越山岭，路线全长18.441 km，三座隧道总长度达5.510 km，为该标段长度的29.9%。该标段存在大量岩质隧道和路堑边坡爆破作业，形成大量的大粒径碎砾石。为节约工程造价，缩短施工周期，这些碎砾石在破碎处理后，作为该试验填石路基的填筑原材料。

本研究试验路段为K148+510~K148+680的填石路基段，其填石料主要为硬质岩石，是弱风化灰岩隧道的弃渣，其单轴饱和抗压强度平均值为65 MPa，其平均填方高度为6～10 m。选取有代表性的填料进行筛分试验，填料颗粒级配见表1～2。

表1 粗粒筛分结果Table 1 Results of coarse screening

表2 细粒筛分结果Table 2 Results of fine screening

该试验路段采取分层填筑的压实方式，具体填筑参数见表3，压实机械型号及参数见表4。

表3 试验段路基填筑参数Table 3 Subgrade filling parameters of test section

表4 压路机型号及参数Table 4 Roller models and parameters

3.1 现场试验段检测

为控制其填筑压实质量，检测填石路基试验路段的填筑沉降差。先采用PFWD对已完成路基进行无损检测，再采用水袋法检测其孔隙率，将孔隙率作为该路段的控制指标和验收标准。

在总长为170 m试验路段的左幅每隔30 m选取一个截面，每截面的左路肩和3个行车道处各布置一个PFWD测点，每截面共4个测点，全试验路段共20个测点，每测点取3组稳定数值，取其平均值作为该点实测值。现场检测结果见表5，测点示意图如图3所示。

表5 现场检测结果Table 5 Field test results of test section

图3 PFWD测点分布（单位：m）Fig.3 Distribution of the PFWD measuring points（unit：m）

3.2 试验数据分析

计算PFWD检测模量和回弹弯沉的变异系数，具体见表6。由表6可知，模量的变异系数比回弹弯沉的变异系数小，这说明模量实测数据的离散程度更小，更稳定。应用Origin数据分析软件分别对PFWD模量、回弹弯沉与孔隙率进行回归分析。分别采用线性回归、指数回归和对数回归模型进行拟合。回弹弯沉与孔隙率相关关系如图4所示，模量与孔隙率相关关系如图5所示。回弹弯沉与孔隙率的拟合公式见表7，模量与孔隙率的拟合公式见表8。

表8 模量与孔隙率拟合公式Table 8 Fitting formula of modulus and porosity

图5 模量与孔隙率相关关系Fig.5 Correlation between modulus and porosity

表6 模量及回弹弯沉变异系数Table 6 Modulus and coefficient of variation of rebound deflection

图4 回弹弯沉与孔隙率相关关系Fig.4 Correlation between rebound deflection and porosity

表7 回弹弯沉与孔隙率拟合公式Table 7 The fitting formula of rebound deflection and porosity

从表7可知，相较于线性回归模型和指数回归模型，对数回归模型的回弹弯沉l与孔隙率n之间相关系数R2最大，为0.718 6，这说明回弹弯沉和孔隙率之间呈正相关关系，即回弹弯沉越大，孔隙率越大，路基压实质量也越差。R2大于0.7，表明回弹弯沉值与孔隙率之间存在良好的相关关系。从表8可知，三种回归模型的回归系数R2均大于0.7，这表明PFWD测得的模量值E与路堤孔隙率n具有较强的相关关系。其中，线性回归方程的R2最大，这表明PFWD测得模量值与孔隙率之间采用线性模型拟合最为准确。PFWD所测得的模量值E与路堤孔隙率n之间呈负相关的关系，即模量值E越大，路基的孔隙率n越小，路基压实质量越好。

3.3 填石路基压实质量快速检测方法确定

填石路基压实质量是路基整体质量控制的关键，现行规范《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610—2019）采用孔隙率作为路基压实质量的控制指标。水袋法检测需要4～5人，耗时约30 min；
而PFWD检测只需2人，耗时仅为5 min。在实际工程实践中，由于填石路基填石料特性，传统的水袋法开挖试坑难度大，费时费力，需要较多操作人员，检测效率低下；
PFWD监测法更为便捷。因此，建议填石路基压实质量的快速检测优先选择PFWD。若采用回弹弯沉值作为质量控制指标，则建议采取拟合程度最高的对数回归模型进行检测，当产生不合格测量结果时，应用水袋法进行补测，验证其准确性，并根据水袋法结果修正回归公式，提升PFWD检测方法的准确率。

本研究以广连TJ09标段填石路基试验段为工程背景，分别采用PFWD和水袋法对路基的压实质量进行检测，建立了PFWD检测结果和其他检测指标参数与孔隙率之间的回归公式，验证了PFWD检测填石路基压实质量的可行性。

1）运用PFWD检测回弹弯沉值进行路基压实质量快速检测，应使用拟合程度最高的对数回归模型，提高其反算的准确性。

2）三种回归模型下PFWD测得的回弹模量值与水袋法测量的孔隙率均有较好的相关关系（相关系数R2＞0.7），均可用于填石路基压实质量的快速检测。

3）该试验段实际检测回弹模量和回弹弯沉数据的变异系数分别为16.7%、19.0%，这表明回弹模量E的变异程度小于回弹弯沉的变异程度，结合回弹模量E和回弹弯沉与现行填石路基压实控制指标孔隙率的拟合程度，建议采用PFWD检测回弹模量E应用于填石路基压实质量的快速检测。

4）PFWD设备拆卸组装迅速，携带方便，不受检测场地及运输的影响，测试速度快，包括设备组装时间在内，2人仅需5 min即可完成测试工作，有效地提高了路基压实检测效率。