CN115060636A

CN115060636A - 一种填石路基间隙率测试方法

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Publication number: CN115060636A
Application number: CN202210686735.9A
Authority: CN
Inventors: 刘树堂; 李振江; 俄广迅; 曹卫东; 李涛; 陈鲁川; 马峥浩; 钟国强; 丁婷婷; 田垚
Original assignee: Shandong University; Shandong High Speed Group Co Ltd; Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co Ltd
Current assignee: Shandong University; Shandong High Speed Group Co Ltd; Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co Ltd
Priority date: 2022-06-17
Filing date: 2022-06-17
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2042-06-17
Also published as: CN115060636B

Abstract

本发明提供一种填石路基间隙率测试方法，涉及路基测试领域，于填石路基的试点开挖试坑，测取开挖出的集料体积；在试坑内铺设砂袋并向砂袋内填充细砂，使填充后的顶面与带有路拱的路面平齐；根据填充细砂的总体积得到试坑体积，结合集料体积计算间隙率。针对目前灌砂法或水袋法测取填石路基间隙率误差较大的问题，采用在试坑内布置塑料薄膜作为柔性砂袋并向塑料薄膜形成的砂袋内填充细砂，塑料薄膜能够贴合试坑空间且避免细砂泄漏至试坑侧壁以外，适应填石路基路拱形状，更为准确的测取试坑体积，减少误差，从而提高间隙率测试的精度。

Description

一种填石路基间隙率测试方法

技术领域

本发明涉及路基测试领域，具体涉及一种填石路基间隙率测试方法。

背景技术

在山区修建高速公路往往遇到大量的山体与隧道开挖，产生大量的碎石，同时设计有填方甚至是高填方路基，因此，碎石自然可作为重要的筑路材料用于路基填筑，填石路基就成为山区高速公路建设的一种重要形式。相对于通常的土方路基压实质量控制而言，填石路基压实质量的监控较为复杂，常用于土方路基压实度检测的灌砂法、核子仪法等传统压实度检测技术已不再适用于填石路基。因此，工程规范常以压实沉降差和集料的间隙率来控制压实质量，譬如规范规定间隙率不超过22％。间隙率反映了集料颗粒的密实程度，直接决定着填石路基的力学特性，具有十分重要的质量标志性作用，因而对其进行准确检测至关重要。尽管这一指标十分重要，但到目前为止行业内诸多试验规程特别是公路工程现场试验规程均未给出间隙率的标注检测方法。

填石间隙率作为一种需要检测的指标，在工程实践中，工程技术人员常采用水袋法，但由于试坑开挖过程中存在不规范问题，造成不同检测人员的做法之间发生较大差异，导致检测的结果不准确。同时，现有的水袋法测算填石路基的间隙率时，要求对填石路基测点处进行整平，对凹坑不平处用砂铺整，但整平不仅带来额外试验环节增大工作量，还可能造成更大的凹坑，改变原来路基表面区域的结构，而在用砂铺整凹坑过程中，还可能因为凹坑较大导致较细的砂子下漏，进入路基深部，这将会严重影响试坑内部集料的质量，必须分离细砂与路基集料，这给试验带来新的问题，也将导致间隙率结果不准确；而若采用适用于土方路基的灌砂法，细砂会渗入试坑侧壁的间隙从而导致投入的细砂量与试坑的真实体积严重不符，产生过大的测量误差，难以满足对填石路基间隙率的测试精度和效率需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种填石路基间隙率测试方法，采用柔性砂袋盛放细砂并投入试坑进行充填，柔性砂袋能够充满试坑空间且避免细砂泄漏至试坑侧壁以外，适应填石路基路拱形状，更为准确的测取试坑体积，减少误差，从而提高间隙率测试的精度。

为了实现上述目的，采用以下方案：

一种填石路基间隙率测试方法，包括：

于填石路基的试点开挖试坑，测取开挖出的集料体积；

在试坑内铺设砂袋并向砂袋内填充细砂，使填充后的顶面与带有路拱的路面平齐；

根据填充细砂的总体积得到试坑体积，结合集料体积计算间隙率。

进一步地，选择试点，并分别于所述试点开挖半球体状试坑，试坑内壁形成球冠。

进一步地，对开挖出的所述集料进行振实后测取其体积。

进一步地，所述试坑内铺设隔离膜，并使隔离膜贴合试坑内壁，形成砂袋。

进一步地，向所述砂袋内连续填充细砂，使细砂从砂袋底部向砂袋开口方向逐渐堆积，直至充满试坑。

进一步地，所述砂袋为塑料薄膜，内部填充有细砂。

进一步地，依据修正方案，对测得的试坑间隙率数据进行修正，依据修正后的试坑间隙率数据作为真实的间隙率结果。

进一步地，所述修正方案包括以下步骤：

获取粒径不同的集料，进行集料筛分试验和密度试验，得到集料基础参数；

基于集料设计多组级配矿料，并计算各级配矿料的间隙率，作为试验真值；

对各级配矿料对应的填石路基开挖试坑，并利用砂袋测取试坑体积，获取测试间隙率；

组对测试试坑间隙率与间隙率试验真值，分析获取修正参数。

进一步地，基于集料，以间隙率为考核指标或目标导向，设计级配曲线不同的合成级配矿料，通过振实试验测得各级配矿料的间隙率。

进一步地，开挖不同直径的试坑进行间隙率测试，将多个测试结果与试验真值比对。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前灌砂法或水袋法测取填石路基间隙率误差较大的问题，采用在试坑内布置塑料薄膜作为柔性砂袋并向塑料薄膜形成的砂袋内填充细砂，塑料薄膜能够贴合试坑空间且避免细砂泄漏至试坑侧壁以外，适应填石路基路拱形状，更为准确的测取试坑体积，减少误差，从而提高间隙率测试的精度。

(2)直接在具有路拱的测点处进行试验，不对测点处进行整平，采用半球体状的试坑，相较于规程中传统的圆柱体状试坑，等体积下半球体状的试坑半径更大，试坑壁表面积更小，便于进行开挖施工，又能够减少试坑内壁的较大孔隙对试验结果的影响，并且，在布置隔离膜时，球冠结构具有更好的贴合性，进一步减少褶皱从而减少对测试结果的影响。

(3)相较于传统的灌砂法，利用柔性砂袋对内部细砂流动进行约束，减少了细砂沿试坑侧壁间隙外泄至试坑外的问题，从而保证了填充的细砂均位于试坑内，同时，利用柔性砂袋的外表形变能够保证与试坑内壁的贴合度，进一步使砂袋填充空间趋于试坑实际体积。

(4)通过设置多种级配矿料进行测试，获取测试结果作为试验真值，结合级配矿料通过砂袋方式测取的间隙率值进行比对，对通过砂袋方式测取的填石路基间隙率进行修正，提高间隙率测算精度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1中填石路基上开挖试坑的结构示意图。

图2为本发明实施例1中试坑中填充砂袋后的示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明一个典型实施例中，如图1-图2所示，给出一种填石路基间隙率测试方法。

如图1、图2所示的填石路基间隙率测试方法，用于对填石路基的间隙率进行测试，获取间隙率参数以供检测使用，尤其是针对带有路拱的填石路基间隙率进行测试。区别于传统的灌砂法和水袋法，采用砂袋盛放细砂充填试坑，柔性砂袋能够充满试坑空间且避免泄漏至试坑外，适应填石路基路拱形状，更为准确的测取试坑体积，减少误差，从而提高间隙率测试的精度。

可以理解的是，与水袋法比较水跟砂的密度差别较大，后者为前者的两倍多，因而对柔性砂袋的撑压程度不同，测得的结果有差异。

对于填石路基间隙率测试方法，包括以下内容：

于填石路基的试点开挖试坑，测取开挖出的集料体积；

具体的，结合图1和图2，对填石路基间隙率测试方法进行详细描述。

选择试点，并分别于试点开挖半球体状试坑，试坑内壁形成球冠，收集开挖出的集料，进行振实后测取其体积；

在试坑内铺设隔离膜，并使隔离膜贴合试坑内壁，形成承载待填充细砂的砂袋，在本实施例中，砂袋由隔离膜制成，隔离膜可以采用塑料薄膜或其他能够实现将细砂与试坑隔离的薄膜。

在填充细砂时，砂袋内连续填充细砂，使细砂从砂袋底部向砂袋开口方向逐渐堆积，使填充后位于砂袋内的细砂顶面与带有路拱的路面平齐；

根据填充细砂的总体积得到试坑体积，依据修正方案，对测得的集料体积间隙率进行修正。

针对目前工程中采用水袋法测取间隙率的方案，未考虑带有路拱的填石路基开挖后的特殊结构，采用水袋填充试坑后，由于水袋不便控制形状，填充部分顶面难以形成与路拱面平齐的结构，导致测取的间隙率存在较大误差。

在本实施例中，采用砂袋进行填充，利用砂袋的形变保证贴合度，同时，砂袋具有较好的维持形状的性质，能够将砂袋填充部分的顶面调整为与带有路拱的路面平齐状态，使得砂袋填充的体积与试坑真实体积更为接近。

砂袋为塑料薄膜，内部填充有细砂，本实施例中采用砂袋填充后可保证理论上完整测得带有路拱面的试坑的体积，解决灌水无法解决的问题。

需要指出的是，现有技术中的灌砂法与土方路基压实度检测用的灌砂法有明显不同之处，虽然都用到细砂，但后者因侧壁密实无孔洞可准确测得试坑体积而不需要隔离膜，前者因侧壁及底面存在较大的空洞则需要隔离膜事先进行一定程度的“封堵”，否则灌入的砂量会显著加大，导致测得的试坑体积偏大。

同时，尽管现行《公路土工试验规程》(JTG E40-2017)中给出了灌水法，但测试结果被认为明显不准确；分析原因，在于灌水法有以下关键要求，这些要求除了导致试验人员难以严格做到外，本身也带有一定结构性缺陷，扩大了试验误差。

1.对存在路拱的测点处地表整平

路基因施工存在路拱，灌水法要求消除路拱，对测点处整平，使其处于水平状态；但对于填石路基而言，测点整平带来以下问题：1)用工具整平会导致原本已经压实固定的集料颗粒产生松动，破坏了填石路基表层集料的密实状态，进而影响试验结果的准确性；2)由于集料颗粒大小不一，整平必然产生深浅不一的凹坑，按照要求需用细砂予以铺整，使部分铺整用砂计入了试样质量中，且该操作因人而异，把控尺度难以统一，导致试验结果偏小，甚至因为整平产生较大的空洞，还可能导致细砂流入空洞深部，严重影响试验质量；3)明显增加了试验工作量，加长了试验周期，降低了测试效率，增大了检测成本。

因此，整平既带来误差，又增大检测费用。

灌水法试验需用到隔离膜，仍采用圆柱体试坑的话，由于二维平面与三维试坑的拓扑结构不同，当平展的隔离膜贴铺进圆柱体试坑内部时必然产生明显的皱褶和叠加，会不可避免地影响隔离膜与试坑底面及内壁的贴合程度，特别是在圆柱体试坑底面与竖直坑壁近似直角相交的周边也必然产生一定程度的贴合空隙。这些情况均会较为严重地影响试验结果的准确性。

综上，目前的灌水法测取填石路基的间隙率，试坑开挖为圆柱体状，而通常采用的隔离膜袋在盛有水的情况下并非呈现圆柱体形态，这就导致隔离膜跟试坑侧壁、特别是底部紧密贴合程度因薄膜的褶皱而受到明显影响，从而导致灌入试坑的水量偏小，间隙率结果偏大。

对于圆柱体试坑，隔离膜在试坑底面圆周跟侧壁直角相交处会产生一定的非密切接触，产生空隙，从而产生导致体积偏小的误差；同时圆柱体试坑开挖容易发生坍塌，而半球状体试坑不存在该种情况。

而本实施例中，针对灌砂法的缺点，将试坑由圆柱体改为半球状体。隔离膜采用塑料薄膜，但为最大程度地减小薄膜在试坑内产生皱褶与叠加带来的试验误差，采用半球状体试坑，且约定半球状体试坑体积跟圆柱体试坑的相等，半径等于圆柱体试坑的深度。

对于圆柱体试坑和本实施例中半球状体的表面积比对，分析如下：

设圆柱体试坑的半径为r，深度为R，则体积V₁为

V₁＝πr²R

圆柱体试坑的侧壁与底面的表面积之和为

S₁＝πr²+2πrR

设半球状体试坑的半径为R，则体积为

半球状体试坑的表面积为

S₂＝2πR²

在试坑的体积相等(挖出的试坑内集料的质量自然也相等)时，有V₁＝V₂，即

得到：

因此，在体积相等时，圆柱体试坑与半球状试坑的表面积之差为

即，圆柱体试坑的表面积较半球状体试坑的大15％，由此带来的间隙率测试偏差不可忽视。

平面隔离膜铺装坑内侧壁时产生皱褶，皱褶会导致实测体积偏小，因此，较小的褶皱带来更小的测试结果误差。跟圆柱体试坑相比，半球状体试坑产生皱褶程度较小，分析如下：

对于圆柱体试坑

产生的褶皱面积为：π[(R+r)²-r²]-2πrR＝π(R²+2rR)-2πrR＝πR²

对于半球状体试坑

已知半球状体试坑的表面积为2πR²，假设半球状体试坑的表面以最低点为圆心展开为平面，则其“覆盖”的面积为π³R²/4，则产生的皱褶面积为：

π³R²/4-2πR²＝πR²(π²/4-2)＝0.47πR²

可见，半球状体试坑产生的皱褶面积仅为圆柱体试坑产生的47％，其带来的间隙率误差较圆柱体试坑的更小。

经计算分析表明，在同样深度和同样体积下，半球体的表面积较小，这样带来几点重要优点：

1)采用与圆柱体试坑相同的体积时，半球体的半径更大，试坑更易开挖；

2)较小的表面积可减小试坑侧壁对试验结果的影响，计算分析表明，同样直径下，圆柱体试坑的表面积比半球状试坑的大15％，即半球状试坑的表面积较小，较小的表面积降低了开挖过程对试坑侧壁集料颗粒带来的扰动影响，从而减小试验误差，因此，半球状试坑进行试验更为合理；

3)试验时利用平展的隔离膜来放入试坑，使其与坑壁紧密贴合；由于半球体表面为连续曲面，不存在隔离膜在圆柱体试坑底面与侧壁近似直角相交处产生空隙的情形，因而避免了圆柱体试坑产生该种空隙导致的误差，尽管贴合仍然会产生一定程度的薄膜褶皱，但跟圆柱体试坑相比，隔离膜铺贴试坑时产生更小的皱褶，进而显著降低试验误差的影响。对于上述内容，均最大程度地减小了试验误差，使测试结果的准确性更高。另一方面，开挖效率高，缩短了试验周期，降低了试验成本，增加经济效益。

本实施例中砂袋法测得结果的准确性或偏离真值的程度无从得知，自然也未给出试验结果的修正措施。而本实施例中半球状体试坑的面壁必然存在着凹坑空隙，这些空隙中应该有多少算作试样的体积及被砂袋法测出的试坑体积是否就准确还需进一步分析；同时，尽管半球状体试坑大幅度减少了隔离膜的褶皱与叠加造成的试验误差，但试验误差毕竟还是存在，影响着试验结果的准确性。

因此，在本实施例中，为了提高结果的准确性，给出试验结果的修正方案，对于修正方案，包括以下步骤：

组对测试间隙率与试验真值，分析获取修正参数。

在本实施例中，对上述修正方案进行详细介绍，包括以下内容：

1.从工程现场获取粒径不同的若干规格的碎石粗集料，室内分别进行集料的筛分试验与密度试验，获得基础参数；基于这些集料，以间隙率为考核指标或目标导向，设计级配曲线不同的合成级配矿料，通过振实试验测得各级配矿料的间隙率，这些测试结果作为试验真值。

2.在按上述步骤进行真值测试的过程中，对每个级配矿料也用砂袋填充试坑进行不同半球体试坑的间隙率测试，将多个测试结果跟真值组对，并将多个级配矿料的结果组对绘制在二维坐标系中，分析规律并给出修正措施。

3.利用上述成果，对工程现场通过砂袋填充试坑测试的间隙率结果进行修正，获得相当于真值的间隙率结果。

可以理解的是，通过振实试验测得各级配矿料的间隙率、计算等工作采用现有的方案即可。并将测试结果作为试验真值合理有效应用于间隙率的修正中。

具体的，修正参数的获取在室内进行，修正方案的还可以采用以下步骤：

1.根据工程现场使用集料的情况，取3～5种不同粒径规格的集料按照现行试验规程的相关方法分别进行筛分、毛体积密度及松装密度试验，获得其筛分曲线及间隙率等基础参数；将测得的间隙率作为真值。

2.在进行了各规格集料松装密度测定后，接着在试筒内开挖半球状体试坑，进行本实施例中提供的填石路基间隙率测试方法测得松装密度，计算得到间隙率结果，作为该法的试验值。

3.将上述得到的间隙率真值与试验值按同规格集料进行组对，得到若干组数据；一般情况下单一规格集料的间隙率较大，譬如40％左右。

4.基于各规格材料的筛分曲线，进行合成集料级配设计，得到间隙率大概为15％、20％、25％及30％的不同级配的混合集料。

5.对不同级配的混合集料按照现行相关试验规程的方法分别测得其松装密度，计算得到合成毛体积密度，获得间隙率结果，作为真值；同时，在测得松装密度后，接着按照本发明方法进行半球状体试坑开挖，测得松装密度，获得间隙率试验值；将合成集料的间隙率真值与试验值按同级配进行组对，并进行平行试验，获得至少8组以上数据对。

6.将上述所有间隙率真值与试验值的组对绘制在二维坐标系中，坐标系横轴代表试验值，纵轴代表真值；根据散点分布趋势，选择适当的函数类型进行曲线拟合，获得回归方程，基于回归方程即可计算分析试验值与真值的偏差，以此作为试验修正值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种填石路基间隙率测试方法，其特征在于，包括：

于填石路基的试点开挖试坑，测取开挖出的集料体积；

2.如权利要求1所述的填石路基间隙率测试方法，其特征在于，选择试点，并分别于所述试点开挖半球体状试坑，试坑内壁形成球冠。

3.如权利要求1所述的填石路基间隙率测试方法，其特征在于，对开挖出的所述集料进行振实后测取其体积。

4.如权利要求1所述的填石路基间隙率测试方法，其特征在于，所述试坑内铺设隔离膜，并使隔离膜贴合试坑内壁，形成砂袋。

5.如权利要求1所述的填石路基间隙率测试方法，其特征在于，向所述砂袋内连续填充细砂，使细砂从砂袋底部向砂袋开口方向逐渐堆积，直至充满试坑。

6.如权利要求5所述的填石路基间隙率测试方法，其特征在于，所述砂袋为塑料薄膜，内部填充有细砂。

7.如权利要求1所述的填石路基间隙率测试方法，其特征在于，依据修正方案，对测得的试坑间隙率数据进行修正，依据修正后的试坑间隙率数据作为真实的间隙率结果。

8.如权利要求7所述的填石路基间隙率测试方法，其特征在于，所述修正方案包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的填石路基间隙率测试方法，其特征在于，基于集料，以间隙率为考核指标或目标导向，设计级配曲线不同的合成级配矿料，通过振实试验测得各级配矿料的间隙率。

10.如权利要求8或9所述的填石路基间隙率测试方法，其特征在于，开挖不同直径的试坑进行间隙率测试，将多个测试结果与试验真值比对。