戈壁風(fēng)沙區(qū)高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法

王文霞

（中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 710043）

1 引言

蘭新鐵路第二雙線(xiàn)甘青段LXS-17標(biāo)位于我國(guó)河西走廊西端的甘肅省柳園地區(qū)，線(xiàn)路全長(zhǎng)104.679km，其中，路基長(zhǎng)99.3 km，占線(xiàn)路全長(zhǎng)的95%。在高標(biāo)準(zhǔn)鐵路建設(shè)中如此大規(guī)模采用路基，在國(guó)內(nèi)尚屬首次，路基施工質(zhì)量是工程成敗的關(guān)鍵。路基的主體結(jié)構(gòu)是免維修結(jié)構(gòu)，不得出現(xiàn)路基病害，因此對(duì)其設(shè)計(jì)應(yīng)考慮路基結(jié)構(gòu)的受力及變形要求、填筑材料類(lèi)型的要求、結(jié)構(gòu)尺寸的要求、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的要求、戈壁風(fēng)沙區(qū)檢測(cè)結(jié)果對(duì)環(huán)境的要求等。

2 高速鐵路路基施工質(zhì)量檢測(cè)方法

2.1 壓實(shí)系數(shù)K

填料壓實(shí)系數(shù)檢測(cè)方法有：環(huán)刀法、灌砂法、灌水法、蠟封法、氣囊法。

式中：K：壓實(shí)系數(shù)；

ρd：干密度，g/cm；

ρdmax：最大干密度，g/cm。

2.2 地基系數(shù)K30

根據(jù)文克勒的理論，地基系數(shù)是表征地基的剛度和變形性質(zhì)的一種參數(shù)。它的值不僅與填料的性質(zhì)有關(guān)，而且還與荷載板的面積、形狀、加載方式有關(guān)。當(dāng)確定了荷載板的面積尺寸和加載方式后，就可以測(cè)得各種地基在標(biāo)準(zhǔn)下沉量時(shí)的地基系數(shù)值。地基系數(shù)K30采用直徑為300 mm的荷載板進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)用單位面積壓力除以荷載板相應(yīng)下沉量，計(jì)算時(shí)選用沉降量為1.25 mm對(duì)應(yīng)的荷載。

式中：K30：由直徑300 mm的荷載板測(cè)得的地基系數(shù)，MPa/m；荷載強(qiáng)度：荷載強(qiáng)度與下沉量關(guān)系曲線(xiàn)上下沉量為1.25 mm相對(duì)應(yīng)的荷載強(qiáng)度，MPa；

1.25 ×10-3：下沉量基準(zhǔn)值，m。

2.3 動(dòng)態(tài)變形模量Evd

工作原理是，利用落錘從一定高度自由下落在阻尼裝置上，再經(jīng)300 mm承載板在填料面上產(chǎn)生沉陷。通過(guò)測(cè)試沖擊荷載的大小，一定填料面范圍的動(dòng)態(tài)變形來(lái)求算路基土層的動(dòng)態(tài)變形模量Evd。動(dòng)態(tài)變形模量Evd的大小與沉陷值的大小成反比。

式中：Evd：動(dòng)態(tài)變形模量，MPa；

1.5 ：承載板形狀影響系數(shù)；

σ：路基面最大動(dòng)應(yīng)力，0.1MPa；

S：承載板的垂直沉陷值，mm；

r：承載板半徑，150 mm。

2.4 靜態(tài)變形模量EV2

靜態(tài)變形模量EV2是西歐、北美等國(guó)家已廣泛使用的鐵路路基壓實(shí)檢測(cè)方法。在荷載板試驗(yàn)應(yīng)用過(guò)程中，常用的加載方式有單循環(huán)靜載和二次循環(huán)靜載。單循環(huán)靜載是按每級(jí)40 kPa加載，當(dāng)每級(jí)加載完成后每間隔1 min讀取1次數(shù)據(jù)，直至前后兩次讀數(shù)符合沉降穩(wěn)定的要求，才能轉(zhuǎn)到下一級(jí)荷載直至試驗(yàn)最大荷載為止。二次循環(huán)靜載也是按每級(jí)40 kPa加載，分級(jí)加載到最后一級(jí)荷載的沉降穩(wěn)定后開(kāi)始卸載，卸載梯度按最大荷載的0.5或0.25倍逐級(jí)進(jìn)行，全部荷載卸除后記錄其殘余變形，之后開(kāi)始另一加載循環(huán)。采用300 mm荷載板試驗(yàn)計(jì)算變形模量時(shí)荷載一直加到沉降量為5 mm或承壓板應(yīng)力達(dá)到0.5 MPa為止。

為了更好地分析土的變形性質(zhì)和承載能力，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)采用了二次循環(huán)靜載法，其結(jié)果采用靜態(tài)變形模量EV2表示。

式中：EV：變形模量，MPa；

r：承載板半徑，mm；

σ1max：第一次加載最大應(yīng)力，MPa；

α1：一次項(xiàng)系數(shù)，mm/MPa；

α2：二次項(xiàng)系數(shù)，mm/MPa。

3 高速鐵路路基施工各種檢測(cè)方法的對(duì)比

3.1 壓實(shí)系數(shù)K

試驗(yàn)前要對(duì)試樣進(jìn)行最大干密度ρdmax、最優(yōu)含水率ωopt、顆粒分析，還要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砂密度、密度測(cè)定器錐體砂質(zhì)量測(cè)定等工作，只有完成了相應(yīng)的準(zhǔn)備工作方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)系數(shù)檢測(cè)。對(duì)填料壓實(shí)質(zhì)量的檢測(cè)屬于對(duì)壓實(shí)面破壞性檢測(cè)，而且還要對(duì)試坑土樣進(jìn)行含水率測(cè)試，而測(cè)試填料含水率的過(guò)程用時(shí)長(zhǎng)。戈壁風(fēng)沙區(qū)由于風(fēng)沙大往往影響電子秤計(jì)量的準(zhǔn)確性。采用了小帳篷作為擋風(fēng)設(shè)備效果雖然很好，但是操作起來(lái)比較復(fù)雜。

3.2 地基系數(shù)K30

儀器設(shè)備由荷載板、加載裝置、反力裝置、下沉量測(cè)裝置、輔助設(shè)備等組成。實(shí)際操作過(guò)程中設(shè)備數(shù)量多、占用現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械（反力裝置）時(shí)間長(zhǎng)、儀器安裝復(fù)雜、對(duì)環(huán)境條件要求高（戈壁風(fēng)沙區(qū)對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果精度的影響）。

3.3 動(dòng)態(tài)變形模量EVd

動(dòng)態(tài)變形模量EVd具有體積小、重量輕、便于攜帶、安裝及拆卸方便、操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、測(cè)試速度快、性能穩(wěn)定、測(cè)試精度高、檢測(cè)費(fèi)用低、適用范圍廣等特點(diǎn)，而且動(dòng)態(tài)變形模量EVd符合土體實(shí)際受力狀況，受風(fēng)沙影響小。

3.4 靜態(tài)變形模量EV2

靜態(tài)變形模量EV2具有體積大、設(shè)備重、不便于攜帶、安裝拆卸復(fù)雜、操作復(fù)雜、測(cè)試速度慢、性能受風(fēng)沙影響大等特點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)需占用機(jī)械設(shè)備（反力裝置）時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試結(jié)果整理計(jì)算較復(fù)雜，對(duì)環(huán)境條件要求高。

4 各種檢測(cè)方法數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

4.1 填料室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)30組A、B組填料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)其最大干密度、最優(yōu)含水率、顆粒分析等指標(biāo)。根據(jù)不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)和小于0.075 mm顆粒含量判定其分組，見(jiàn)表1。

表1

從表1中可以看出，這30組料不均勻系數(shù)Cu在15.64～30.71之間、曲率系數(shù)Cc在0.6～2.29之間，反映出填料級(jí)配基本穩(wěn)定屬于A組或B組細(xì)角礫土和含細(xì)角礫土。其最大干密度和最優(yōu)含水率也基本均勻。

4.2 填料壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.2.1 基床底層壓實(shí)系數(shù)K統(tǒng)計(jì)

壓實(shí)系數(shù)K分布在0.948～0.992之間，具體概率分布見(jiàn)圖1（樣本數(shù)量為3 000個(gè)）。

圖1 壓實(shí)系數(shù)K分布圖

4.2.2 基床底層動(dòng)態(tài)變形模量統(tǒng)計(jì)

動(dòng)態(tài)變形模量EVd分布在33.9～96.7之間，具體概率分布見(jiàn)圖2（樣本數(shù)量為2 500個(gè)）。

圖2 動(dòng)態(tài)變形模量EVD分布圖

4.2.3 基床底層地基系數(shù)K30統(tǒng)計(jì)

地基系數(shù)K30分布在128～222之間，具體概率分布見(jiàn)圖3（樣本數(shù)量為2 000個(gè)）。

圖3 地基系數(shù)K30分布圖

4.2.3 基床底層靜態(tài)變形模量EV2統(tǒng)計(jì)

靜態(tài)變形模量EV2分布在75～330之間，具體概率分布見(jiàn)圖4（樣本數(shù)量為3 000個(gè)）。

圖4 靜態(tài)變形模量EV2分布圖

4.3 不同檢測(cè)方法所得指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

4.3.1 壓實(shí)系數(shù)K

壓實(shí)系數(shù)K檢測(cè)數(shù)據(jù)范圍較小和其他檢測(cè)指標(biāo)無(wú)明顯相應(yīng)關(guān)系。主要是填料顆粒級(jí)配、含水率的變化影響到實(shí)測(cè)結(jié)果之間的相關(guān)關(guān)系。通過(guò)圖1可以看出，壓實(shí)系數(shù)K≥0.950占99%。只要按照試驗(yàn)段工藝性試驗(yàn)總結(jié)的各種參數(shù)控制和指導(dǎo)后續(xù)施工合格率是完全可以保證的。

4.3.2 地基系數(shù)K30與動(dòng)態(tài)變形模量EVd的關(guān)系

本次對(duì)比從基床底層隨機(jī)抽樣2 600個(gè)點(diǎn)，舍去異常點(diǎn)后對(duì)2 588個(gè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和回歸分析，樣本采用率為99.5%，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 地基系數(shù)K30-動(dòng)態(tài)變形模量EVD關(guān)系曲線(xiàn)圖

通過(guò)分析得出結(jié)果如下：

回歸方程：K30=77.033+1.333 3Evd

相關(guān)系數(shù)為：r=0.991 1

由此得到地基系數(shù)K30與動(dòng)態(tài)變形模量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系性較好。

4.3.3 靜態(tài)變形模量EV2與動(dòng)態(tài)變形模量EVd的關(guān)系

本次對(duì)比從基床底層隨機(jī)抽樣2 500個(gè)點(diǎn)，舍去異常點(diǎn)后對(duì)2 476個(gè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和回歸分析，樣本采用率為99.0%，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 靜態(tài)變形模量EV2-動(dòng)態(tài)變形模量EVD關(guān)系圖

回歸方程：EV2=74.922+1.2689EVD

相關(guān)系數(shù)：r=0.898 3

由此得到靜態(tài)變形模量EV2與動(dòng)態(tài)變形模量EVd之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系有一定的規(guī)律，但受填料種類(lèi)、級(jí)配、含水率等多種因素的影響，不宜簡(jiǎn)單地進(jìn)行回歸分析，可以對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的填料進(jìn)行比對(duì)。

5 智能壓實(shí)系統(tǒng)

5.1 智能壓實(shí)系統(tǒng)CMV概述

智能壓實(shí)系統(tǒng)報(bào)告的CMV值作為控制路基壓實(shí)質(zhì)量的重要依據(jù)，能夠在一定程度上反映當(dāng)前路基的壓實(shí)狀態(tài)。智能壓實(shí)系統(tǒng)報(bào)告包括：目標(biāo)CMV、平均CMV、CMV百分比及薄弱區(qū)域的位置，見(jiàn)圖7。

圖7 智能壓實(shí)系統(tǒng)CMV報(bào)告

目標(biāo)CMV值是結(jié)合常規(guī)路基現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，利用壓實(shí)系數(shù)、動(dòng)態(tài)變形模量、地基系數(shù)等與CMV線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)線(xiàn)性回歸分析取得，這個(gè)值可以作為后續(xù)相同填料壓實(shí)度的目標(biāo)值，是檢測(cè)路基壓實(shí)質(zhì)量的臨界狀態(tài)，也是一個(gè)最經(jīng)濟(jì)的控制指標(biāo)，并成為智能壓實(shí)系統(tǒng)過(guò)程控制的核心部分。智能壓實(shí)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)為：及時(shí)讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了壓實(shí)質(zhì)量過(guò)程控制，屬于無(wú)損檢測(cè)；全面對(duì)路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行控制，并非以點(diǎn)帶面；保證了以最少壓實(shí)變數(shù)達(dá)到指定目標(biāo)值，節(jié)省時(shí)間，極大地提高了施工效率；完整的數(shù)據(jù)存檔，為施工提供過(guò)程控制數(shù)據(jù)，便于改良?jí)簩?shí)工藝，提高施工檢測(cè)效率。

5.2 智能壓實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

表2 基床底層碾壓變?yōu)?遍時(shí)采集數(shù)據(jù)

表3 基床底層碾壓變數(shù)為7遍時(shí)采集數(shù)據(jù)

表4 基床底層碾壓變數(shù)為9遍時(shí)采集數(shù)據(jù)

圖9 CMV值與動(dòng)態(tài)變形模量EVD關(guān)系圖

圖10 CMV值與地基系數(shù)K30關(guān)系圖

碾壓7遍、9遍采集數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3、表4，CMV與K、EVD、K30對(duì)應(yīng)散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖8、圖9、圖10。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析可知，隨著碾壓變數(shù)的增加，CMV值與各種檢測(cè)指標(biāo)值都在不斷增大。在散點(diǎn)圖上可以看出，只要CMV目標(biāo)值在60或60以上，各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果都能基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)填料質(zhì)量確定合適的CMV目標(biāo)值，當(dāng)CMV值達(dá)到目標(biāo)值后對(duì)照?qǐng)?bào)告中薄弱區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判定其壓實(shí)質(zhì)量。通過(guò)對(duì)戈壁風(fēng)沙區(qū)高速鐵路路基施工質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化戈壁風(fēng)沙區(qū)高速鐵路路基檢測(cè)技術(shù)有著積極意義。但論證結(jié)果使用范圍有一定的局限性，其他地區(qū)建議通過(guò)填料性能和施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步討論。

[1]李怒放.動(dòng)態(tài)變形模量EVd標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用與展望[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003（6）：53-54.

[2]《高速鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10751-2010）.

[3]高傳偉、郭宏坤，高速鐵路路基A、B組填料壓實(shí)方法、標(biāo)準(zhǔn)的探討[J]，鐵道工程學(xué)報(bào)，2007（1）：47.

[4]李蘆林.EVd、K30平板載荷對(duì)比試驗(yàn)討論[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2007（1）34-37.

[5]TB1001-2005，鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].