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测量基和路基的层刚度弯曲元技术
Xiangwu Zeng I, Member, ASCE, J. Ludwig Figueroa , Member, ASCE, and Lei Fu 3
摘要: 基和路基土刚度是在公路建设对材料特性的重要参数。期间和al2er路面施工, 这是非常重要和具有成本效益有一个可靠的技术, 能够测量准确, 快速地在原址基础和路基层的刚度。AASHTO标准提出新的公路设计指南要求进行这种测量。已开发一个新的现场测试技术测量土壤小应变剪切模量使用弯曲元技术。在这个方法中使用的设备, 包括一双的锥硬度, 每个与两个弯曲元安装, 可推到基地, 底基层和路基层。机能缺失发生器产生一个脉冲, 用于激活发射机。变送器的振动产生的横波传播经过在水平和倾斜方向的土壤, 是由接收机捕获。然后从测得的剪切波速, 土刚度才能确定。该技术当前的做法是基于CBR试验的土壤刚度决心相比。
引言
基地, 底基层, 路基层的刚度, 在路面设计和评价是非常重要的参数。当前, 使用最广泛的技术确定的刚度进行土壤样品, 在实验室准备计算土壤, MR弹性模量, 使用普遍接受的经验表示式加州打比( CBR) 的测试。其中一个例子是在其中方法建议由AASHTO标准: MR=10340 CBR( 千帕) ( 1) 有一定的限制, 此方法。首先, 基地, 底基层, 路基层的标本准备在实验室使用, 土壤受到的field.1副教授, 土木工程系, 凯斯西保留地大学, 克利夫兰不同的压实程序俄亥俄州44106-7201, , 土木工程系教授, 凯斯西保留地大学, 克利夫兰, 俄亥俄44106-7201, 3研究生部Civit工程, 凯斯西保留地大学, 克利夫兰, 俄亥俄44106-7201
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36材料特性/路面系统的建模 因此, 实验室标本可能已在现场压实土壤, 不同的刚度。其次, 它不提供工程师需要的信息, 以确定是否下在现场施工的路面, 路基, 底基层, 基地土壤的刚度满足设计要求。第三, 福伦现有路面的路基, 底基层, 基地土壤, 经过了多年的天气周期和交通负荷应用, 经过自身的CBR试验不能提供一个现实的刚度测量。因此, 是需要发展原位, 非破坏性的, 准确和经济的土壤硬度测量路面工程应用.这个纸的方法, 提出了一种新技术, 能够衡量的基础和路基层的刚度, 在施工后使用本德尔元素。装有两个德尔元素集( 为波transmissionand波接收) 两个小锥硬度。硬度能够推到一个正在建设中的土壤层和层的刚度, 可在短时决定。对于现有的路面, 有两个钻孔, 能够经过路面钻, 然后硬度可分为基础层推来衡量的刚度。
实验装置
在这项研究中用来测量土壤小应变剪切模量的实验技术德尔元素的方法, 这已成为一种流行的实验近年来剪切波速测量土壤中的优势。德尔元素是压电陶瓷材料制成, 其中电机励磁适用于发射机元素, 它会导致机械振动, 在土壤中产生的横波。同样在波接收器, 一个元素的机械振动导致的电力输出。因此, 一个横波速度可经过测量其旅行时间和波发射器和接收器之间的距离决定。Dyvik andMadshus( 1985) 报道的10 3％的顺序是由于在周围的土壤德尔元素所产生的最大剪应变, 应力应变关系soils.This技术的弹性范围内已使用Dyvik andMadshus( 1985) , Thomann Hryciw( 1990年) , Jovicic等, 如研究人员的数量。( 1996年) , Viggiani andAtkinson( 1995年) , Hryciw和Thomalm( 1993) , Jovicic和Coop( 1998年) 和Zengand镍( 1998年, 1999年) 来衡量砂和黏土的刚度, 在近年来的实验室。
图1显示了最近开发的弯管机锥硬度。发射机的振动是由电脉冲从波发生器, 这是一个数字示波器同步触发。由接收器产生的电输出记录示波器, 可确定的旅行时间从发射机尖到接收机的一角剪切波。然后, 剪切波速计算根据旅行时间记录和一个发射器和一个接收器之间的距离提示。由于德尔的四个要素的独特的设定, 小应变剪切模量, 剪切面四个能够同时测量。从顶部的发射器( S1) 和顶部的接收器( R1) 之间的横波的旅行时间, 剪切模量层的顶部附近才能确定。同样, GMAX耳底部材料特性/路面系统的建模
37 监测底部发射机( 2美元) 和底部的接收器( R) 。同时, 底部的接收器( R) 接收到P变送器( 1美元) 所产生的横波时, 这个倾斜的剪切面的剪切模量能够推断。同样, 底部发射器( $ 2) 和顶部的接收器( R1) 决定波速的基础上, 对相应的剪切面的剪切模量能够得到。因此, 在一个测试设置, 它能够测量四个剪切面的剪切模量。由于德尔内层锥硬度的深度能够准确地测量硬度刻标志着, 四架飞机的位置是准确知道。GMAX的四架飞机上测得的平均提供了一个良好的弹性刚度的土层深度的硬度测量。德尔元素可涂用环氧树脂, 使她们防水, 让她们在一个饱和的环境使用。同样的硬度范围内的所有电气连接, 能够使放水。
图1对于现有的路面德尔锥硬度的实验装置, 两个孔能够经过上层沥青混凝土或水泥混凝土层芯的硬度, 能够推到底层来衡量其刚度。因此, 在同一台设备可用于检查小组现有路面层的力学性能。也能够进行一个测试很快就根据路面建设的结果, 能够在几分钟内显示的子层, 使器件能够用来监测压实要求。
38 材料特性/路面系统的建模为确保接收机捕获的第一信号, 确实是横波, 在外地的地震波测试中使用的相同的技术生产38材料采用的电脉冲, 导致两极振动发生逆转。接收到的信号也显示了一个180度的相变, 从而确认, 横波产生的信号。
假设一个波发射器和一个波接收机之间的距离是土地波前往这个距离的时间为t, 平均剪切波速VS = L / T( 2) 土壤的弹性剪切模量GM〜X应 GMAX PVS( 3) , 其中P是土壤质量密度。杨氏模量E, 这是类似的路面设计土壤的弹性模量, 能够计算出=2( 1+〜) GMAX( 4) 第是的泊松比, 其中有一个干燥的土壤典型值0.3。德尔两波发射器和接收锥硬度如图2所示, 而在一个完整的测试中的测试设置如图3所示。接收机捕获的典型信号如图4所示, 它是很容易找准的第一次浪潮的到来。然后, 在图四波路径上的弹性模量E所示。 1可使用上述公式计算。
实验结果
实验室进行的测试分别在三个选定的土壤: 从特拉华州的县, 俄亥俄, 粗粒砂和内华达州的沙特拉华州粘土, 使用德尔锥硬度测量弹性模量。这些土壤的回弹模量, 也使用CBR试验比较的目的。表1总结了所有三种土壤的性质。应该指出, 所有的土壤, 空气干燥。
材料特性/路面系统的建模
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图2。配备硬度与弯曲元锥
图3。一个德尔锥penet rometer实验装置
图4。在示波器上显示一个接收器接收到的信号
40 材料特性/路面系统的建模五层统一在一个大的钢模具压实每个土壤样本进行测试。样品准备就绪后, 德尔锥硬度是推入土壤, 慢慢地, 直到德尔元素到达指定深度( uppergroup: 土壤表面以下10厘米, 下部组: 16.5 CRN土壤表层以下) , 然后进行测试剪切波速测量, 记录每一波路径的平均旅行时间。锥硬度可插入更深, 在外地, 但在实验室测试的土壤深度的限制模具的高度。为了确保实验数据的可重复性, 每一个测试是按照同样的程序编制第二个样品进行。
使用本德尔锥硬度的三个土壤的测试结果总结在表2, 3, 4, 杨氏模量的计算假定泊松比0.3的所有土壤。如表中所示, 金沙的刚度随深度的增加, 增加附加费的结果。另一方面, 特拉华州粘土, 材料特性/路面系统的建模
41刚度随深度下降, 因为表面附近的更好的压实。因为使用干粘土, 粘土的刚度相当低。整体压实样品不是很好。即使只风干土壤样品进行了测试, 能够使用相同的设备地下水位以下, 如果德尔元素和电气连接防水, 如前所述。
德尔锥硬度上述结果与传统的CBR试验为基础的方法, 在相同的方式弯曲元测试准备了两个三个土壤样本的CBR进行了测试。然后, 对样品的弹性模量计算方程( 1) 。三个土壤的CBR测试结果显示在图中。 5, 6, 7, 而弹性模量的结果总结在表5。对于CBR试验
42 材料特性/路面系统的建模特拉华粘土, 负担过重的压力, 相当于德尔锥硬度中旬深入的有效应力, 因为干粘土表面附近出现软, 无围压。
图5。特拉华粘土CBR试验结果
图6。 CBR试验结果粗粒砂
材料特性/路面系统的建模
43 图7。 CBR试验在内华达州沙reuslts
表5。 CBR的测试结果摘要
特拉华粘土粗〜下雨砂内华达州沙
在上述测试中使用的土壤, 包括粗粒砂, 细粒砂, 和一支精干的粘土。因此, 该装置可应用于种类繁多, 一般见于和发现的基础和行人路路基层的土壤。在这里的测试报告, 波发射器和接收器之间的距离约5至8厘米。然而, 在其它一些测试中, 我们增加了距离约20厘米, 并在同一台设备工作正常。因此, 该装置可用于一些小的修改, 以保护传感器在砾质土或碎石。由于在表2, 3和4显示的数据, 似乎是一个数据的重复性好, 显示良好的一致性和可靠性的技术。从三组数据的总的趋势是相同的, 顶对德尔元素高, 测量模数由两个倾斜路径略低测量模数, 模量测量一双德尔元素高的底部一次。这能够解释的样品制备过程和样品中的有效应力状态。一般情况下, 样品的顶部附近,
44 材料特性/路面系统的建模土壤更好的被压实。另一方面, 作为在土壤中增加的深度, 有效应力诱导上述增加土壤的重量, 从而底部附近的土壤的刚度开始增加。在图所示的CBR测试结果相比。5-7, 使用本德尔锥硬度的测试似乎有更好的一致性和可重复性。同意使用CBR的数字计算的弹性模量以及与顶对德尔元素锥硬度测量的杨氏模量。这似乎是合理的, 因为CBR值主要是由近地表的土壤影响。
结论
已开发基于弯曲元技术新设备, 它能够测量的基础和路基层刚度准确, 快速地。在实验室证明, 该技术适用于各种各样的土壤和数据具有良好的重复性。特别德尔元素对近地表同意从本泰斯特衍生的杨氏模量和CBR的测试所得的弹性模量。由于设备可用于正在建设在该领域现有的人行道和行人路, 它提供了一个基地和路基刚度测量的精湛技术。
参考
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    材料特性/路面系统的建模
45附录.NOTATION

 在本文中使用下列符号:

  CBR =加州轴承比率

  DR0 = 10％, 更精细的土壤颗粒大小

  D30 =土壤颗粒大小与更精细的30％

  D6o = 60％, 更精细的土壤颗粒大小

  E =杨氏模量的土壤

  晶晶= =弹性剪切模量的土壤

  L =发射器和接收器之间的距离

  议员=弹性模量

  t =时间

  VS =剪切波速