[发明专利]落球式岩土材料力学特性的现场测试方法和装置

说明书

一所属技术领域

本发明是与测试岩土材料的力学特性有关，详细内容是对岩土材料的变形及强度特 性进行简易的测试以及有关的计算方法。

二背景技术

随着国民经济的高速发展，各种大型建设工程方兴未艾。这些工程规模巨大，影响 深远，其建设质量的保证具有极其重要的经济及社会意义。但是，各种施工质量问题、 豆腐渣工程也是不绝于后。其中，许多岩土工程(如高速公路、铁路、堤防及土石坝等) 由于碾压，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。

岩土工程所用的材料主要是岩土类材料，主要包括碎石、砂质以及粘土质材料，具 有天然性、多样性、复杂性等特性。其中，决定其性能(沉降、稳定等)最关键的指标 为其力学特性(包括变形模量E和强度指标c、φ等)。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，因此工程界一直期待着 能在施工现场准确、直接、快速、方便的检测方法。

然而，迄今为止，世界上尚无能够在现场全面检测岩土材料力学特性的快速方法。 目前通常的检测方法往往是通过间接的手段，如测试干密度等推算出岩土材料的力学特 性，虽然经过上百年的应用，但仍存在着很多根本性的问题未得到很好地解决。

1现有的测试方法简介

1)通过与室内实验结果进行对比的方法：以测试材料的密度及含水量为主，通过 现场与室内实验结果的对比关系来推算其力学特性。该类方法应用最为广泛， 但存在着室内材料与现场材料的差异较大，测点少、代表性差，施工方法的影 响大等问题。

2)现场静力载荷试验的方法：直接在现场进行压载试验，进而求得材料的变形特 性，如现场CBR法、承载板法、现场剪切试验(图-2)，测试精度高但需要反 力装置，耗财费力，只适合于局部重点区域的测试。此外，由于填土工程所用 的材料为松散材料，而且粒径相对较大，迄今尚无有效的方法可以测出材料的 剪切强度特性。

3)现场动力载荷的方法：基本原理与2)类似，所不同的是通过快速加载或者冲 击动荷载以代替静力载荷，如落锤式弯沉仪法(FWD，适用于大颗粒材料)、手 持式弯沉仪法(PFWD，适用于中小颗粒材料)等，近年来得到快速的发展。大 致可分为变形特性测试技术与强度特性测试技术两大类。

2测试材料变形特性的快速检测技术

主要有：

1)现场CBR：比较先进的有土基现场CBR值测试方法及落球仪快速测试土基现场 CBR值试验方法。

2)压实度：目前比较先进的有振动压路机的压实度连续检测仪，通过现场标定， 可以连续测试。

3)弯沉：近年来，采用落锤式弯沉仪(FWD)测定路面的动态弯沉，并用来反算路 面的回弹模量，是目前最先进和最流行的测试技术之一。但由于FWD设备庞大，

一般只用于道路路面的检测，一些厂商将其轻量化以适应岩土材料的测试，即 手持落锤式弯沉仪法(PFWD)(图-3)。

3测试材料强度特性的快速检测技术

岩土材料的强度特性只有在较大应变水平时才能显现，往往需要较大的荷载或者采 用较小的截面积。用于深度较深的地基勘测的圆锥动力触探、标准贯入试验方法一般难 以用于填土材料强度的检测，因此学者们用各种方法进行了尝试。

日本国土交通省近畿地方整备局在2005年提出了名叫“キャスポル”的简易支持 力测定装置，是目前比较先进的技术(图-4)。通过测试的加速度，并根据事先标定的 经验公式来推求岩土材料的各种指标(c，φ，CBR等)。

三现有技术的问题点

1传统的密度管理的方法

按照传统的密度的管理方法，需要对不同的材料分别决定其最优密度(最大干燥密 度和最小干燥密度)等。这个最优密度，需要用室内夯实试验和现场碾压试验来求得， 要花费许多的时间、人力和费用，而且结果不一定可靠。此外，通过室内试验测出的结 果，由于粒径，碾压方式的不同，在现场的应用中会出现不匹配的问题。

2目前较为先进的现场快速测试方法

1)手持落锤式弯沉仪法(PFWD)具有以下问题：

①结构复杂：如图-3所示，有垫板、导杆等装置，结构复杂；

②不能测试材料的强度特性；