测量基和路基的层刚度弯曲元技术

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1、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，可以测量准确，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

2、一个脉冲，用于激活 发射机。变送器的振动产生的横波传播通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。该技术目前的做法是基 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。目前， 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达式加州打比（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

3、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，xxzl6po.cwru.edu2，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 35 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，通过自身的 CBR 试验

4、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，可 以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。硬度可以推到一个正在建 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，可 以通过路面钻，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

5、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 个横波速度可通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），

6、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，剪切面四个可以同时测量。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

7、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 模量可以推断。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可以得到。因此，在一个测试设置，它可 以测量四个剪切面的剪切模量。由于德尔内层锥硬度的深度可以准确地测量硬 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， 使他们防水，让他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

8、，可以使放水。 图 1 对于现有的路面德尔锥硬度的实验装置，两个孔可以通过上层沥青混凝土 或水泥混凝土层芯的硬度，可以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。也可以进行一个测试很快就根据路面 建设的结果，可以在几分钟内显示的子层，使器件可以用来监测压实要求。 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

9、为 t，平均剪切波速 VS = L / T（2）土壤的弹性剪切模量 GMX 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，可以计算出=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

10、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 39 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

11、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，可以使 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

12、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

13、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，通常用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，在其他 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。这可以解释的样 品制

14、备过程和样品中的有效应力状态。通常情况下，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，它可以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

15、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 Dyvik，R.和 Madshus，C.（1985） 。 “G使用本德尔元素 x 的实验室测量。 ”在测试循环的条件下，ASCE 的会议上，密歇根州底特律，岩土工程部，纽 约,186 - 196 下土壤的艺术。Hryciw，R. D. Thomann，T. G.（1993） 。 “应力 - 基于历史的粘性土摹模型。” ASCE 的岩土工程学报，119（7）,1073 - 1093。Jovicic，XV，P，nMd.R

16、r oCoo。laend 辛 TIEC，SM。 “（1e9o9te6） 。 ” iOqbje ctivne oCnriteri（议员）F 或 5D7 eterm.iningJovicic，五，和 Coop， （ 1998 年） 。 “刚度与弯曲元测试粘土在三轴仪测量。 ”岩土工程测试学报， ASTM，21（1） ，3-10。Thomann，T. G.，Hryciw，R.（1990） 。 “实验室测量 SmallStrain 剪切模量 高的条件下。 ”岩土。测试研究 ASTM，13（2）,97 - 105。Viggiani，G.和 Atkinson，J. H.（1995） 。 “释义弯曲元测试。 ”岩土工程， 45（1） ，149-154。曾，X 和镍，B.（1998） ， “在高山条件下的测量 Gx ofSand 德尔元素的应用。” Geotectt TestingJ。 ASTM，21（3） ，251 263.Zeng，X.和镍，B.（1999） ，“应力引起的各向异性 GMX 金沙和 ItsMeasurements。 ” ASCE 的岩土工程 和