落球检测在堤防填土工程质量评估中的应用

摘 要：

在堤防工程中，堤防填土的力学性质是影响堤防工程整体变形沉降及结构稳定的关键因素。为了更好的监测和控制填筑质量，克服传统监测技术对堤防的损坏，本文介绍了落球检测这种新型快速无损检测技术。通过落球检测技术在堤防工程的现场测试，采用网格布点的测试方法，获得落球检测结果及回弹变形模量分布图，据此分析测区压实程度及均匀性。避免传统方法对堤防的破坏，从而保证了堤防的安全性和使用寿命。结果表明该技术对于评估堤防填土工程的岩土力学特性和均匀性十分有效，不仅快速而且反映直观，后期需进一步的改进和优化，该技术将会更好地广泛应用于堤防工程的质量控制体系中。

关键词：

堤防填土；落球检测；均匀性；现场测试

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1001-005X（2017）03-0116-04

Application of the Falling Ball Test Method in Quality Assessmentof Embankment Filling Engineering

Kang Hao，Wang Zhengjun*，Lai Qinghui

（College of Water Conservancy and Electric Power，Heilongjiang University，Harbin，150086）

Abstract：

In the embankment engineering，the mechanical properties of the embankment fill are the key factors affecting deformation，settlement and structural stability of the whole embankment engineering.In order to preferably monitor and control the filling quality and overcome the damage to the embankment by traditional monitoring technology，the falling ball test method，a new fast non-destructive testing technology，was introduced and applied in embankment engineering site test.The results of falling ball test and the distribution diagram of the rebound elastic modulus were obtained by using the mesh point method，and thereby the degree of compaction and uniformity were analyzed.Compared to traditional method，this method avoids the damage to the embankment and thus ensures the safety and service life of the embankment.The results indicated that this method is quite effective for evaluation of the mechanical properties and the uniformity of geo-material in embankment fill，which is only fast but also intuitive.It would be better widely applied in the quality control system of embankment filling engineering through further improvements and optimization.

Keywords：

embankment fill；falling ball test；uniformity；site test

0 引言

众所周知，在堤防填土施工中，采用的材质主要为岩土类，具备天然性、多样性和复杂性[1]等特点。在这种情况下，岩土材料力学特性[2-3]（包括刚性和强度特性），对于堤防工程就会显得尤为重要。美国交通部联邦公路管理局研究结果表明填方路基施工质量控制[4-5]的要点是保证其工程力学特性和均匀性，堤防工程也是一样，在评价其填土工程压实质量时，应首先考虑变形模量[6]等力学特性，评估其均匀性。此外，填土施工具备较强的隐蔽性，当填筑到上层部位以后，其下层部位的质量就难以得到检测和监督。因此，长久以来堤防工程界都在努力找寻一种可靠有效的技术手段，使之可以在施工现场准确、直接、快速、方便的检测堤防填土的力学特性。

在现有检测方法中，常用的环刀法、灌水法检测速度慢，设备及人为因素影响大，对堤防表面有一定的破坏作用。而核子密度法则存在一定的放射风险。本文所介绍的落球检测[7]技术，它能够快速、高效地對岩土材料的变形特性进行检测，避免目前堤防填土破损性检测费时费工的问题；并可通过网格布点多点测试一定范围和厚度的堤防填土，结合图形分析技术，检测堤防缺陷和填土均匀性；还能对填土工程的施工质量进行大面积，全方面的综合监测，有效地确保施工质量。

1 落球检测原理

1.1 变形特性原理

落球检测理论是在Hertz[8-11]碰撞理论的基础上，与岩土材料的塑性特征相结合，根据球状刚性材料自由下落后和岩土材料的撞击测试，以此推求待测材料的压缩变形模量、回弹变形模量。

已知一个球状刚性体M与刚性未知体N进行碰撞，若未知材料N刚性越小，则撞击后的接触时间越长。如图1所示。

1.2 数据处理

（1）材料修正。

因为岩土材料粒径大小和性质的不同，会使得落球所测得的变形模量发生不同程度的变化。根据岩土材料的种类不同，采用了材料修正系数进行修正，修正系數通常介于0.67～0.90，且材料粒径越小，修正系数越大[12]。此外，根据材料种类，给出了参考泊松比μ，见表1。

2 现场检测实例

2.1 测试概况

本次现场测试采用的落球式岩土力学特性测试仪如图2所示，落球重量为19.1 kg。

测试现场选取正在施工中的松花江流域某新建堤防（2个标段）。利用落球检测技术对碾压完成后的弹性模量和弯沉进行检测，并对2个标段不同区域的变形模量分布状况进行均匀性评估。同时用传统方法环刀法和灌水法等在相应测区典型位置检测数值，与落球法检测结果相对比。

2.2 测试内容

第一标段为粘土填筑，第二标段为砂土填筑。每一个标段随机选取一个测区，各测区横向布设5个测点，测点间距为1.5 m；纵向布设5个测点，测点间距1 m。最终形成5行，5列的网格布点。在每个测点进行采集，并用测试仪主机进行处理。之后在第一标段用环刀法，第二标段用灌水法分别在典型测点进行压实度检测，以此评估工程质量。

2.3 测试结果

落球测试结果如图3～图6所示，通过软件解析，可以直观的看到测区每一个测点的变形模量、回弹模量、弯沉和地基系数K30等[17-18]检测指标，以此对堤防填土工程压实质量进行评价。而在生成的回弹变形模量分布图中，浅色代表对应区域变形模量较小，深色则相反，据此来反映堤防填土工程压实的均匀性。

采用传统环刀法及灌水法在图4和图6中所标示的3个点所对应的实际位置进行压实度检测的结果如下，见表2。

2.4 结果分析

根据回弹变形模量分布图可以看出，无论是第一标段还是第二标段，均存在局部变形模量过高区域。

具体来看，对于第一标段，采用粘土填筑，由于压实后过去较长时间，一方面来往重型车辆反复压实，会使弹性模量变大，但总体上较为均匀，从数据上看也是如此；另一方面有测点落在车辙上，会出现测试结果急剧变小的情况出现，即客观存在的测试误差，可用前文提到的等价变形法进行数据处理。而从环刀法测试结果可以看出深色区域较浅色区域压实度要高，整体上压实度良好且均匀性要优于第二标段。

对于第二标段，采用砂砾石填筑，虽然压实度良好且表面平整，但砂砾石材料在受到冲击时会发生侧向流动和强度降低等问题，对附近测点弹性模量造成一定影响。就测试结果来看，此标段压实度较高，对于局部变形模量较大的区域是否会产生应力集中问题需进一步分析。从灌水法测得结果可以明显看出，压实程度存在显著差异，深色区域弹性模量大，压实度高，浅色区域弹性模量小，压实度低。

3 结论

根据现场试验，相对于环刀法，灌水法等传统方法，落球检测技术操作简便，测试效率高，数据处理经过多次修正，在对堤防工程的整体压实情况及均匀性的评价中具有明显的优越性。对于一个测区只需短短几分钟就可完成网格布点的多点测试，并且集成度较高，能快速测定填土工程的变形模量、回弹模量和弯沉等评价压实程度的岩土力学指标，以及通过图形处理反映其整体均匀性。不同于传统方法只对某一测点进行检测，其更侧重大面积的多点采样，生成的模量分布图可以直观地看出整个测区的压实情况。落球检测技术在堤防填土工程的质量评估中可以作为一种有效的检测手段进行应用。

【参 考 文 献】

[1]王曦光.落球式岩土力学测试仪的原理与应用[J].北方交通，2016，39（6）：82-85.

[2]Tatsuoka F.Brief review of the strength and deformation characteristics of sedimentary soft rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（6）：872-893.

[3]张继锋，陈彦芹.土石混合填料的压实特性及其质量控制探讨[J].土木建筑学术文库，2007，8（1）：667-668.

[4]Walsh K，Houston W，and Houston S.field implications of current compaction specification design practices[J].Journal of Construction Engineering and Management，1997，123（4）：363-370.

[5]Li L M.Analysis of the construction and the quality control of the railway subgrade[C].Singapore Management and Sports Science Institute，Singapore，2015，49：5.

[6]毛云龙.基于落球检测技术的宕渣路基均匀性检测研究[J].公路交通科技 应用技术版，2014，10（7）：96-98.

[7]吴佳晔，北本幸义，吉田辉，等.落球式岩土材料力学特性的现场测试方法和装置[P].中华人民共和国发明专利，CN101545841，2009-09-30.

[8]许祥，刘伟庆，徐秀丽.结构地震碰撞分析的线性粘弹性碰撞模型[J].工程力学，2013，30（2）：278-284.

[9]吴飞科，罗继伟，张磊，等.关于Hertz点接触理论适用范围的探讨[J].轴承，2007，50（5）：1-3.

[10]Zou Y H.A theoretical model of collision between soft-spheres with Hertz elastic loading and nonlinear plastic unloading[J].Theoretical & Applied Mechanics Letters，2011，1（4）：34-39.

[11]Bu C G，Xia B R，Lian Y J，et al.Simulation of hertz transient contact/Impact of flexible bodies[J].Journal of Earth Science，2012，23（02）：225-232.

[12]何静.基于落球式测试法的宕渣路基施工质量检测技术研究[D].西安：长安大学，2014.

[13]Vuren S V，Vriend H D，Barneveld H.A stochastic model approach for optimization of lowland river restoration works[J].Journal of Earth Science，2016，27（1）：55-67.

[14]Bai F Q，Liu S X，Liu J Q，et al.In-situ plate load tests on the soilbag reinforced expansive soil foundation[C].Proceedings of 2013 3rd International Conference on Advanced Measurement and Test（AMT 2013）.Information Engineering Research Institute，USA，2013，718-720：1888-1894.

[15]田北平，吳佳晔，蒋世龙，等.落球式便携刚性检测仪在填土碾压质量管理中的应用[J].建筑结构，2009，39（S2）：456-459.

[16]田北平，吴佳晔，蒋世龙，等.基于落球检测技术原理的测试系统在填土路基碾压质量管理中的应用[J].公路交通科技 应用技术版，2009，5（12）：70-72.

[17]陈谦应，邓卫东.土石混合非均质填方压实质量检测方法综述[J].国外公路，1991，11（6）：28-30.

[18]戴玉，赖国泉.铁路路基压实指标K30、Ev2、Evd对比分析[J].铁道勘察，2011，37（3）：52-54.