铁路填方工程的检测技术（升拓检测落球式岩土力学特性检测）

填方工程往往是道路、桥梁、铁路、水利、市政等各式工程的安全基础，也是各类基础建设的基础。填方工程的质量关系到整个工程的质量、进度、安全等，科学、合理的监控测试方法是保证填方工程施工的重要措施。
特别是近年来，随着高速铁路，高速公路的迅猛发展，对填方工程的质量要求日益严格，对现场测试、施工过程控制等的需求也日益广泛。
填方工程的质量往往是通过 岩土材料力学指标监督控制，岩土材料力学特性（包括刚性特性及强度特性）是其最为重要的性能指标。同时，由于岩土材料的力学特性受到很多因素的影响，如材料种类，级配，含水量，密度，碾压方式等，长期以来研究者们都力求寻找一种能够现场测试岩土材料力学特性的简便可靠的方法。填方工程所用的材料主要是岩土类材料，主要包括碎石、砂质土、粘质土以及水泥稳定土等材料，具有天然性、多样性、复杂性等特性。其中，材料的变形特性决定了其 沉降特性，对于高速铁路、高速公路这样的长、大工程显得尤为重要。
美国联邦高速公路管理局（Federal Highway Administration，FHA）就曾指出，“如果每层覆盖层的平均刚度的不均匀性只减少 25％，路面的寿命就会延长一倍”。可见，保证填筑材料的 变形特性的均匀性，对提高道路的耐久性具有极其重要的意义。此外，填方工程不仅体积浩大，而且具有较强的隐蔽性，一旦填筑到上层部位，其下层部位的质量就难以得到检测和监督，从而为一些不良业者提供了可乘之机。因此工程界一直期待着能在施工现场准确、直接、快速、方便的检测填土力学特性的有效方法。为此，研究者们作了大量的努力。
现阶段我国路基施工技术规范中，现场路基填方工程质量的测试方法主要有 承载板法、弯沉法、加州承载比(CBR)法、落锤弯沉仪(FWD:Falling Weight Deflectometer)法、挖坑灌砂法等，这些方法或需加载测试车，或需要牵引车牵引到位，或效率低且有损路基。同时，这些测试方法操作较复杂，技术要求高，耗时耗力，费用高，测试比较困难，且具有一定的危险性。因此，有必要研究一种快速可靠的 路基质量测试方法。
图 公路破损情景
近年来，以 手持式落锤弯沉仪（PFWD）和动态弹性模量测试仪（Evd）为代表的动荷载测试方法开始受到关注。其中 Evd 更被纳入《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2004），为提高工程施工质量管理水平起到了很大的作用。但是，这些方法也存在着不少问题，造成其测试精度、适用土质范围以及测试项目等方面都有较大的局限。

国内外路基施工质量主要检测项目
表一 国内外路基施工质量检测项目
可以看出路基压实质量检测指标大致可以分为三类：
1） 物理指标
包括压实系数，相对密度、孔隙率和含气率等。其中，压实度使用历史最老、在所有调查的国家、行业均使用。
2） 强度（承载力）指标
主要为 CBR （加州承载比）试验，分为室内 CBR 和现场 CBR ，以美、日为中心使用。在我国的交通行业，室内（材料） CBR 应用较广而现场 CBR 则很少应用。
3） 变形（抗力）指标
变形指标指地基系数K30 或变形模量 ( Ev2 、 Evd 等)。贝克曼弯沉也可认为是变形指标的一种。可以看出，各国都采用一定的方法以保证路基的变形特性。其中，欧美各国通常采用 Evd、Ev2 等动、静荷载试验相结合的方法，而日本则多采用K30

表二 我国高速铁路施工要求
发展趋势
关于 路基填筑质量的控制，多年来，国内外一直普遍采用以 Proctor 压实理论为基础的密度检测法进行检测，这是因为该法比较容易通过测定重量和体积得出，并且具有明确的物理意义。但就对路基的性能来说，仅用单一的密度指标难以反映出路基填方压实后的稳定与变形特性，而且对评价非均质土石填方压实质量也有其局限性。因此为了能真实地反映土体整体压实情况，保证压实填方具有较小的变形和足够抵抗变形的能力，以满足路基的使用要求。近些年来，对路基填方压实质量，开始逐步放弃传统的密度检测法，而是转为 采用以变形控制为依椐的抗力检测法 。例如，Evd、FWD、平板载荷试验法等等，并在实际工程应用中取得良好效果。下图是日本土质学会提出的关于填方工程现场质量管理的技术路线图。
其中，我们提出的落球式检测技术也位列其上。
目前，建筑工业正试图通过发展更精确地设计和更严谨地施工方法，在提高施工质量的同时亦能降低施工费用的需要。这就意味着用于设计的结构刚度和材料模量参数也必须是用来评价施工质量。这种趋势正逐步成为各国所关注的焦点。例如：在美国新发展的 AASTHTO2002 路面设计规范中不仅规定在设计中使用模量参数，而且极力推荐使用模量参数来评价施工质量。
在我国也采用回弹模量作为道路的设计参数。根据施加荷载的方法，抗力检测法又可分为 静载法和动载法。其中，以 K30 平板载荷试验为代表的静载法的应用历史最为悠久。但 静载法普遍存在以下缺点：
1） 测点有限，难以评价整个铺设层的压实质量；
2） 测试手段上费时、费力，在一定程度上干扰和延误机械化施工。
另一方面， 动载法由于 测试简便、费用低，正得到越来越多的重视和应用。
落球测试方法和原理
通过金属的刚性球体落下，利用 Hertz 碰撞理论（也称 Hertz 弹性接触理论）并经过岩土材料的塑性修正，能够直接测定材料的：
(1) 变形模量 E ；
(2) 回弹模量Eur ；
同时，根据弹性理论和相关经验公式，还可以推算
(1) 基床系数K30（也称地基系数）；
(2) 贝克曼弯沉 L ；
(3) 物理指标（干密度、压实度、相对密度等）；
具体的测试方法如下：
(1) 把刚性球体提到一定的高度。
(2) 让刚性球体自由落下并与沿途材料碰撞，在这过程中测试加速度。
(3) 通过对冲击过程的加速度的解析，可同时求出土质材料的各项指标
Hertz弹性接触理论

升拓检测测试岩土材料变形特性的理论基础源于Hertz弹性接触理论。该理论在机械、机电工程中得到了广泛的应用。

在机械、机电工程中，常遇到两曲面物体相互接触，以传递力的情况。例如齿轮、轮轨接触、联接装置、球轴承、金属加工，金属成型等。这种接触在加载前都是点接触或线接触，而在加载后，由于材料的弹性变形，接触点变为了接触面。实际工程中常常
需要求解接触面的压力分布和接触区域的应力分布。接触力学就是研究两物体因受压相触后产生的局部应力和应变分布规律的学科。

1881 年， Hertz（赫兹）最早研究了玻璃透镜在使它们相互接触的力作用下发生的弹性变形，并首先用数学弹性力学方法导出接触问题的计算公式。其假设条件为：
(1) 认为材料是均匀的，各向同性的、完全弹性的；
(2) 接触表面的摩擦力可忽略不计，接触面上只作用有分布的垂直压力；
(3) 接触面呈椭圆形
当接触面附近的物体表面轮廓近似为二次抛物面，且接触面尺寸远比物体尺寸和表面的相对曲率半径小时，由Hertz理论可得到与实际相符的结果。在Hertz接触问题中，由于接触区附近的变形受周围介质的强烈约束，因而各点处于三向应力状态，且接触应
力的分布呈高度局部性，随离接触面距离的增加而迅速衰减。此外，接触应力与外加压力呈非线性关系，并与材料的弹性模量和泊松比有关。