落球式巖土力學測試儀的原理與應用

1、落球式巖土力學測試儀的原理與應用王曦光（遼寧省交通科學研究院，沈陽，110015）摘要：公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程（JTG E60 2008）修訂版征求意見稿中，在第七章強度與模量的測試方法中加入了一種應用落球儀對土質彈性模量進行檢測的方法，本文介紹了 該方法的基本測試原理，應用的范圍以及在工程中的對比應用，并簡要介紹了幾種影響該檢 測方法精度的因素，為大家以后的工程應用提供參考。關鍵詞：落球式檢測儀；基本原理；現(xiàn)場測試；影響因素第1章概述隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及人們出行要求的持續(xù)提高，高速公路以及高速鐵路的建設 規(guī)模以及里程也在逐步增長，如何有效控制路基工程的質量，保證高速行車的安全與舒適就

2、 顯得尤為重要。而土基常采用的填筑材料（如碎石、粘質土以及水泥穩(wěn)定土等）具有天然性、 多樣性、復雜性等特性，在碾壓完成后常常會發(fā)生不均勻沉降，從而影響工程質量，嚴重時 會造成巨大的經(jīng)濟和社會損失?？梢娙绾斡行У臋z測填筑材料的變形特性，增加路基的整體 均勻性，對提高路基的耐久性具有極其重要的意義。工程界一直希望能夠有一種能在施工現(xiàn)場準確、直接、快速、方便的檢測土基力學特性的有 效方法，為此科研工作者作了大量的努力，本文提到的落球式巖土力學測試儀被路基路面 現(xiàn)場測試規(guī)程（JTG E60-2008 ）修訂版征求意見稿納入，作為一種新的檢測方法，為檢測和 監(jiān)督工程施工質量提供了另一種依據(jù)。第2章測試原

3、理落球儀檢測土體強度和模量的基本原理為，通過金屬的剛性球體落下利用Hertz碰撞理論并經(jīng)過巖土材料的塑性修正直接測定材料的變形模量E以及回彈模量Eur ,同時根據(jù)彈性理論和相關經(jīng)驗公式推算出基床系數(shù)K30 （也稱地基系數(shù)）、貝克曼彎沉以及土基其他相關物 理指標（干密度、壓實度、相對密度等） 。2.1落球儀測試的基本原理（1）應用落球儀檢測填筑材料變形特性的理論基礎源于Hertz沖擊理論。H.Hertz在19世紀提出了面向線彈性體的碰撞理論，該理論認為，一個已知剛性的球體 A與一個未知剛性的物體B撞擊時，如果物體 B的剛性越大則碰撞時接觸的時間就越短（圖 1）。圖1Hertz碰撞理論示意圖圖 2

4、修正的Hertz碰撞理論示意圖對于球形體與半無限平面體的碰撞，其接觸時間可以由下式計算丁 /二。+$2mi卡、Tc = 4.53 -(式(1)-g。j式中：T 接觸時間，單位：s； c 1一口22、6=有關材料的參數(shù)，E變形模量，單位：Pa （ N/m ）;E 二mi下落球體的質量，單位：kg,已知；R1 下落球體的半徑，單位： m,已知；Vo 落下球體與半無限體材料碰撞時的速度，單位： m/s,已知。通過測試所得到的接觸時間 Tc,通過對方程（1）的反求解便可求得土體的變形模量E。其中波松比N的影響很小，并可以通過工程經(jīng)驗，將其中的泊松比賦予一個初始值。但是Hertz碰撞理論僅適用于線彈性材

5、料，而巖土材料是典型的彈塑性材料，因此必須對該理論進行修正。修正理論為：將剛質物體與土體的碰撞過程分為兩個過程進行分析，即壓縮過程和 回彈過程，通過土體的壓縮過程的接觸時間來推算其變形模量E ,再通過土體的回彈過程的接觸時間來推算回彈模量 Eur。通過對Hertz碰撞理論的修正，土體壓縮時的彈性模量由式2計算。Ec :0.0719Ef.2k(1-JsmfEf):RfVo(2Tcc)2.5-m7式(2)式中：Ecf(1T)c土基壓縮式的彈性模量（MPa）;k 材料修正系數(shù)，見表 1；s 路基材料泊松比，見表 1；（不銹鋼）泊松比，取 0.3;mf碰撞體質量（kg）；3Ef 膨脹體材料（不銹鋼）的

6、變形模量（ MPa）,取200M10 MPa；Tcc碰撞壓縮過程時間（s）；Rf 自由下落球體的曲率半徑（m）,取0.12m。土體回彈時的彈性模量由式 3計算。Eurk(1 -口2mfEf)0.0719Ef . RfV0(Tc)2.5-mf(1-三式（3）式中：Eur f）土基回彈模量（MPa）;Tc碰撞接觸時間（s）；Rf 自由下落球體的曲率半徑（ m）,取0.12m。按照下式計算每個測區(qū)的彈性模量E。E=kN式（4）式中：E 測區(qū)的彈性模量（Pa）；% （1/EJi 1N 測試的次數(shù)；Ei 各測點壓縮式彈性模量或者回彈時彈性模量（Pa）;（2）數(shù)據(jù)處理在各種下落式檢測技術中，遇到大粒徑材料

7、時往往會得到過大的測試值，從而影響檢測精度。因此大多數(shù)下落式測試技術往往需要避開石塊等大粒徑材料進行測試，但這樣也不可避免地 影響測試的客觀性。落球式力學性能測試儀能夠對檢測數(shù)據(jù)進行修正，通過修正能夠更加合 理地反映不同材料的影響，避免了大粒徑塊體對測試結果的過大影響，保證測試結果的穩(wěn)定 性。對于土質材料，其彈性模量并非定值，而是與荷載時間、應力水平等因素有關，對于路基、各層材料也有所不同，測試深度范圍對測試結果也有較大的影響，路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程（JTG E60-2008）修訂版意見稿中推薦了相應的修正系數(shù)。根據(jù)土質材料的種類修正系數(shù)在0.66-1.00之間，土體粒徑越大則修正系數(shù)越小，詳見

8、表1。表1各材料泊松比及修正系數(shù)材料礫石砂粉砂粘土水泥穩(wěn)定土泊松比0.200.300.350.400.20修正系數(shù)k0.660.850.901.000.702.2其他變形參數(shù)的推算利用落球儀測試得到的變形模量E和回彈模量Eur,可以推算基床系數(shù) K30和貝克曼彎沉L。（1）基床系數(shù)k30對于均質彈性體，根據(jù)彈性理論，基床系數(shù)K30計算見式（5）。K30E20.79D（1-；2）式中：D 為載荷板直徑，為0.30m。（2）貝克曼彎沉L根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標準公路路面基層施工技術規(guī)范（ 彎沉值可由式（6）回歸。JTJ034-2000） , 土基頂面的回彈L=詈（1 N2）a”2式（6）Eur式中

9、：Lq為回彈彎沉 0.01mm。第3章應用范圍及檢測效果對比利用落球儀檢測方法能快速測定粘土、粉土、沙石土土質路基的回彈模量，測試材料的最大粒徑應小于10cm,測試深度不大于 25cm。為了驗證落球式檢測儀的測試精度以及穩(wěn)定性，將落球儀的檢測結果用承載板和落錘式彎沉 儀分別進行驗證。與承載板測試方法的對比試驗選擇高速公路路基常用的粘土、碎石以及水泥穩(wěn)定土材料，在對以上材料的路基使用荷 載板進行檢測時，同時應用落錘儀進行對比檢測，將落球儀檢測的數(shù)據(jù)與用承載板檢測的數(shù) 據(jù)進行對比（圖3）,通過對圖3數(shù)據(jù)的對比分析，可見應用該兩種方法所采集的數(shù)據(jù)相關性 良好，檢測結果也非常穩(wěn)定，應用落球儀進行檢測的

10、數(shù)據(jù)結果可以接受。1000果結測檢儀球落1承載板試驗對比結果100101101001000承載板試驗結果（MPa圖3承載板與落錘儀檢測結果對比圖與貝克曼梁彎沉測試方法的對比我們在工程檢測中，對比了用落球儀換算的彎沉值和用貝克曼梁測試的彎沉值，見圖4?？梢钥闯鰞烧咧g基本上能夠吻合。但由于測點、影響深度的不同，兩者之間不可避免地出現(xiàn)一定的偏差。140彎沉檢測結果對比值落錘儀換算值120落錘式彎沉儀161116212631364146515661圖4落錘彎沉儀檢測結果與落錘儀換算彎沉對比圖需要強調(diào)的是貝克曼梁彎沉測得是材料的回彈性質，而落球儀測得的彎沉值是根據(jù)土體的壓 縮特性和回彈特性計算而來，兩

11、者往往有很大的區(qū)別。因此貝克曼梁彎沉一般只適用于鋪裝、 水泥穩(wěn)定土等接近于彈性或半彈性材料而不適用于土質材料。同時，貝克曼梁影響深度較大，可達50cm以上，而落球式檢測儀影響深度較小，一般小于25cm。通過采用這兩種檢測方法的對比，落球儀具有較高的相關性，采用落球儀進行檢測，具有較高的準確度和可信性，精度高，重復性好。第4章落球式檢測儀的特點及影響因素4.1落球儀設備的特點(1)集成度高落球儀能夠滿足各類土石方設計、施工規(guī)范的要求，直接測試巖土材料的變形模量，通過現(xiàn)場標定可精確推算土質材料的物理指標(干密度Pd、壓實度Dc、相對密度Dr),相關系數(shù)可達97%以上，更加直觀、準確地反應土石方的力

12、學性能。(2)測試效率高無需平整測試場地也不必刻意挑選測試位置，操作簡便、快速、高效率，無需重型機械，精 度高，重復性好。4.2落球儀檢測精度的影響因素(1) 土體材料的粒徑粒徑是影響落球式檢測儀器精度的一個重要的影響因素，在路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程修訂版征求意見稿中，明確要求粒徑小于 25cm, 一般來說檢測土體的粒徑越大，將會造成測得的彈性模量比實際較大。(2)應變水平巖土材料的變形特性與其所處的應力水平有很大的關系。一般來說當材料的應變小于10-5時,其顯現(xiàn)線彈性體的特性。另一方面當應變超過10-2時，材料會顯現(xiàn)典型的塑性特性，同時其強度特征也會得到反映。總體而言，落球測試的應變水平較高，其材料的變形和強度特性發(fā) 揮的越好。(3)粘性落球測試的沖擊時間較短。與靜荷載相比，動荷載受材料的粘性的影響相對較大。(4)測試深度利用落球儀推算基床系數(shù)、貝克曼彎沉值時，要注意影響深度的問題。落球儀的測試深度范圍大致在 15-25cm左右，而30cm