公路土基回彈模量采集分析系統的構建

周 輝，劉 鋒，吳傳海，許新權

(1.廣東交通實業投資有限公司,廣東 廣州 510623;2.廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420;3.公路交通安全與應急保障技術及裝備交通運輸行業研發中心,廣東 廣州 510420)

0 概述

土基回彈模量是新建或改擴建公路進行路面設計和養護的關鍵設計參數之一。文獻[1]的T0943承載板測試土基回彈模量方法對土基回彈模量的試驗獲取進行了詳細闡述。目前,對于土基回彈模量的研究多集中在濕度對土基回彈模量的影響研究[2]、水分遷移時路基回彈模量衰變對路面結構力學特性的影響研究[3]、承載板試驗回彈變形與荷載壓強坐標原點修正技術的研究[4]、土基回彈模量與壓實度及含水量的相關性研究、級配和含水量對千枚巖強風化路基回彈模量的影響研究[5]等。但在路面設計階段,通常需要通過T0943方法獲取土基的回彈模量。然而,在實際試驗過程中往往存在較多的問題,例如:現場采集試驗數據后實驗室再處理,這就帶來了數據有效性的問題,數據出現無效現象則意味著現場試驗過程中存在人工誤差或系統測試誤差等[6-7]。因此,及時發現并糾正試驗過程中的不足十分重要,而在試驗過程中引入道路信息化技術則可以在數據分析處理前端對數據的有效性進行智能檢驗,可最大限度地保證后續試驗的正確性。

通常,一條新建或改擴建的公路需要獲得一定數量的土基參數才能完成設計工作。以本文依托的清花高速公路(位于廣東省廣州市花都區和清遠市清城區、清新區境內,北接汕湛高速公路,南連省道S267桂和路,與西二環共線實現佛山至江門高速公路的北延功能)為例,清花高速公路全長53.898km,其中,主線橋梁29 775.3m/45座,路基段長約24.122 7km。土基回彈模量承載板測試按20km計算,每500m測試1個點,共需測試40點。眾多的試驗數據,倘若采用信息化管理,則可以大大減輕管理工作量、提高管理效能、提升服務效果,克服人工記錄和紙質資料存檔保存的不足。

1 土基回彈模量試驗原理

公路現場土基回彈模量通常是在測試點采用承載板對土基逐級加載、卸載,根據測試獲得的土基回彈變形值,通過計算求得。圖1(a)為土基回彈模量現場試驗圖,圖1(b)為其測試裝置示意圖。圖2是土基回彈模量(承載板法)的試驗原理。

圖1 土基回彈模量現場試驗

圖2 土基回彈模量試驗原理

結合工程實踐,并根據圖2土基回彈模量的試驗原理可知,土基回彈模量試驗的技術要點有:

(1)承載板與測試點土基必須穩定接觸,并避免形成夾層;由下而上的承載板、千斤頂、鋼圓筒、測力計應與車輛后部的加勁橫梁緊密接觸,并保持各部件的中心線重合。

(2)每次加載、卸載后的2個百分表讀數之差小于平均值的30%時,取平均值;如果超過30%則應重測。

(3)當測得的回彈變形值超過1mm時,即可停止試驗加載。

由于該系統的構建須在工程開工之前完成,以便后續工程實施時能及時使用,因此,本文以表1所示的某高速公路土基回彈模量試驗數據為基礎,介紹土基回彈模量的計算過程。

表1 某高速公路土基回彈模量試驗數據

步驟一:試驗數據有效性的檢驗。

根據式(1)對加載和卸載時獲得的左、右百分表數據的有效性進行檢驗。例如:單位壓力為50kPa加載時,w左-w右=14-13=1(0.01mm)<13.5×30%=4.05(0.01mm),因此,該加載條件下獲得的左、右百分表數據有效,最終取兩者的平均值。按此方法,依次檢查每次獲得的試驗數據,及時糾正試驗過程中出現的問題。

w左-w右

(1)

步驟二:各級荷載下土基回彈變形讀數值和修正值的計算。

土基回彈模量試驗所使用的貝克曼梁通常為5.4m,故其杠桿比為2∶1,由此根據式(2)計算在對應單位壓力下的土基回彈變形。例如:在50kPa加載卸載作用下,對應測點的土基回彈變形=(13.5-3)×2=21(0.01mm)。

回彈變形=(加載后讀數平均值-
卸載后讀數平均值)×貝克曼梁杠桿比

(2)

根據式(3)計算車輛對彎沉的總影響量,根據表1求得a=[(103-99)×2+(89-86)×2]/2=7(0.01mm)。

a=(b1-b2)×貝克曼梁杠桿比

(3)

式中:b1-取走千斤頂,百分表讀數平均值(0.01mm);b2-汽車開出10m以外,百分表讀數平均值(0.01mm)。

由土基回彈模量試驗基本參數可知,T1=3m,T2=0.2m,D=0.3m,Q=60kN,根據式(4)求得p1=50kPa下的影響量ai=0.42(0.01mm),因此,該級荷載下的修正值為21+0.42=21.42(0.01mm)。

(4)

式中:ai-第i級壓力下的影響量(0.01mm);T1-載重汽車前后軸距(m);T2-加勁小梁距后軸的距離(m);D-承載板直徑(m);pi-第i級承載板壓力(Pa);Q-載重汽車后軸重(N);a-總影響量(0.01mm)。

步驟三:各級荷載下土基回彈模量Ei的計算。

根據式(5)計算pi=50kPa加卸載下的土基回彈模量為48.27MPa。

(5)

式中:Ei-第i級荷載下的土基回彈模量(MPa);Li-相對于荷載pi時的第i級回彈變形修正值;μ0-土的泊松比,取0.35。

步驟四:土基回彈模量的計算。

結合表1中各加載級數下的單位壓力和各級回彈變形修正值,并根據式(6)計算得到該測點的土基回彈模量為62.7MPa。

(6)

2 系統架構

以Visual Studio.NET為開發平臺,Excel為數據倉庫,根據圖3構建公路土基回彈模量采集分析系統[8]。由圖3可知,該系統包括土基回彈模量試驗基本(靜態)參數采集模塊、土基回彈模量加、卸載試驗過程中,動態試驗數據的采集和分析模塊和土基回彈模量試驗結果后處理模塊。圖4為根據圖3編制的處理系統。

圖3 系統架構框圖

圖4 系統啟動后的主界面

3 功能模塊的構建

3.1 靜態參數采集模塊的構建

土基回彈模量(承載板法)試驗靜態參數采集模塊的主要功能是采集試驗開始前的車輛、承載板、測力計和貝克曼梁等基本參數數據(圖4)。在Visual Studio.NET中,使用Textbox文本框控件作為輸入數據的載體,但在輸入的數據進行后續的計算時,須進行數據類型的轉換,將輸入文本框中的數據類型設置為浮點數據類型。

3.2 動態參數采集模塊的構建

土基回彈模量(承載板法)試驗動態參數采集模塊的主要功能是采集試驗加、卸載過程中左右百分表的數據,并檢驗數據的有效性,然后結合靜態數據計算測點的土基回彈模量(圖5)。該模塊在圖5a的第1部分建立測點信息主鍵(數據倉庫標識,具有唯一性),主鍵名稱由高速公路名稱、標段名稱、路線走向、樁號、層位名稱、試驗日期等構成。主鍵建立后自動激活圖5a第2部分,技術人員輸入試驗數據,并通過主鍵與試驗數據之間建立聯系。

圖5 土基回彈模量(承載板法)試驗動態參數采集模塊

由圖5可知,該部分由兩個部分組成。上部虛線框中輸入與項目有關的信息、天氣狀況、土基狀況和土基回彈模量計算值等數據(圖5a);下部點劃線框中是輸入試驗過程中加、卸載時左右百分表的撓度數據和荷載數據。為了避免數據輸入過程中的出錯概率,如圖5c所示在需要輸入試驗數據的單元格處以反白顯示,而未反白顯示的單元格,則由程序根據算法自動進行計算。

數據有效性的檢驗是決定土基回彈模量(承載板法)試驗成功與否的關鍵因素之一。以往在進行試驗時,通常是由人工手寫記錄試驗過程的數據,這當然有試驗規程等方面的要求,但這也帶來了一個不容忽視的問題-數據的有效性?，F場獲得的試驗數據往往需要送回實驗室進行后續分析計算,而在后續分析中常常出現現場數據不滿足式(1)要求的情況,導致須重新試驗?；谏鲜龇治?研發了數據有效性智能檢驗功能,例如:在圖5b最上部的圖虛線框的表1和表2中分別輸入2和7時,由于其不滿足式(1)的要求,因此,程序會在輸入完第2個數據7后自動彈出圖6,提示技術人員,數據有誤,需要對試驗進行調整。由此可見,試驗過程中及時地調整對于保證后續試驗過程的正確性是十分必要的。

圖6 數據檢查是否有效提示信息

3.3 試驗結果后處理模塊的構建

試驗結果后處理模塊的主要功能是實現計算結果的顯示和統計分析(圖7)。流程:根據查詢條件,調用EXCEL數據倉庫中的相關試驗數據至圖7左下部的表格中顯示。與此同時,在模塊的上部“路面結構示意圖”中顯示測試點位。圖7顯示了清花高速公路(由于系統的開發需在工程開工之前完成,故此處為測試程序)樁號范圍在K1～K2之間試驗獲得的土基回彈模量數據,圖中白色圓圈代表現場土基回彈模量的測試點位,如:單擊樁號為K1.05測試點時,會彈出圖7中虛線框的測試點詳細信息以供分析。后續如果需要顯示更多樁號處的試驗信息,單擊圖中的滾動條,單次單擊顯示1km范圍樁號內的試驗數據,其中滾動塊的滾動長度根據高速公路樁號長度設置。

圖7 結果后處理模塊

4 結論

依托清花高速公路工程,根據承載板測試土基回彈模量試驗方法的原理和技術要點,以Visual Studio.NET為開發平臺,Excel為數據倉庫,編制完成了公路土基回彈模量采集分析系統。通過對系統的測試,驗證了該系統的可靠性和穩定性,表明該系統可以有效克服手工記錄分析無法及時檢測數據有效性的不足,保證了后續試驗的正確進行。信息化技術在道路工程中的應用,可大大地減少試驗過程中的出錯概率,有助于技術人員能較全面地掌握在建工程的整體技術狀況,也可為后續竣工的道路養護提供基礎數據。