岩土检测——岩土材料变形特性检测技术

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1、岩土材料变形特性检测技术（四川升拓检测技术有限责任公司，四川成都610045）摘要：文章是以应用四川升拓检测技术有限责任公司研发生产的落球式岩土力学特性测试仪对在各种填方工程中岩土材料的各种变形特性的无损检测技术进行探讨。关键词：岩土材料变形特性检测；落球式岩土力学特性测试仪；岩土检测随着国民经济腾飞，各类大型建设工程如日方升。其中以岩土材料做为填方基础的公路、铁路、水利、机场、桥梁、建筑等工程也应用广泛。这些工程多数为巨大规模，因此，对其工程质量的严格把关显得极其重要。但是，各种施工质量问题、豆腐渣工程也是不绝于后。其中，填方工程（如高速公路、铁路、堤防及土石坝等）由于碾压

2、，使用材料等问题，经常会发生不均匀沉降而被迫返工，严重时会因强度不足而造成滑坡事故，从而造成巨大的经济和社会损失。特别是对于高速铁路，由于其对不均匀沉降的严格限制以及难以进行加固，对建设质量控制提出了前所未有的要求。我公司从1999年起，与海内外合作伙伴一道，开发了以落球式材料力学特性测试技术（简称“落球检测技术”）为核心的岩土材料力学特性的现场测试技术。该技术不仅可以快速、简便地测出材料的刚性（如压缩模量、回弹模量、地基系数等），而且可以同时测出材料的强度指标（如内部摩擦角φ等、水泥稳定土的抗压强度等），具有极其广阔的应用领域。我们具有相关技术的全部知识产权，并申请和获得了

3、多项国家发明专利，产品出口到日本等海外。本技术相关论文2篇被世界级刊物ASCE（AmericaSocietyofCivilEngineering）的GSP收录。照片1-1落球式岩土力学特性测试仪（SEH-FBT）S型(www.scentralit.com)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（FederalHighwayAdministration，FHA）就曾指出，“如果每层覆盖层

4、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。近年来，以手持式落锤弯沉仪（PFWD）为代表的动荷载测试方法开始受到关注。其中之一的动态弹性模量测试仪（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

5、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。我们开发的落球式岩土材料力学特性测试仪（以下简称“落球检测”）基于Hertz冲击理论，可以快速、高精度地测试岩土材料的变形特性，能够大面积，全断面进行填土的施工质量监理，有效地杜绝偷工减料等不正行为，保证施工质量。同时，根据实时反馈信息，可以优化设计，以求得到技术性和经济性的最佳平衡，取得最优效果，具有巨大的社会效益和经济效益。为保证重大工程的建设质量有着非常重要的意义。2.1测试方法和原理2.2.1测试内容和方法本方法，通过金属的刚性球体落下，利用Hertz碰撞理论并经过

6、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E；ur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K（也称地基系数）；30(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。2.2.2变形特性的测试原理1)理论基础本技术测试岩土材料变形特性的理论基础源于Hertz冲击理论。H.Hertz在19世纪提出了面向线弹性体的碰撞理论。一个已知刚性的球体

7、A撞击一个未知刚性的物体B时，B的刚性越大，则碰撞时的接触时间越短（下图）。加速度坚硬材料接触时间时间松软材料图2-2-1测试理论的概要对于球形体与半无限平面体的碰撞，其接触时间可以由下式计算：2/5⎡(δ+δ)m⎤121Tc=4.53⎢⎥(2-2-1)⎢⎣R1v0⎥⎦其中，T：接触时间，单位：sc21−µ2δ=，有关材料的参数，E：变形模量，单位：Pa（N/m）。下标1：落Eπ下球体（已知），2：平面半无限体（岩土材料，待求）m：落下球体的质量，单位：kg，已知1R：落下球体的半径，单位：m，已知1v