含水率與輕型動力觸探N10對既有重載鐵路路基壓實度指標變化關系研究

肖尊群，李志平

(1.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430205；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410075)

含水率與輕型動力觸探N10對既有重載鐵路路基壓實度指標變化關系研究

肖尊群1，李志平2

(1.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430205；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410075)

通過朔黃鐵路現場路基壓實度指標地基系數K30、動彈性模量Evd、二次回彈模量EV2、二次回彈模量與1次回彈模量比EV2/EV1、輕型動力觸探擊數N10測試實驗數據和含水率w測試實驗數據。基于以上數據研究含水率對地基壓實指標K30、Evd、EV2、EV2/EV1和輕型動力觸探擊數N10之間的變化關系。并且提出動力觸探擊數N10估算K30、EV2、EV2/EV1、Evd的估算方法。通過實例驗證得出該估算方法的適用條件：①為含水率8%～14%，且以粉質黏土為主體填料的C組填料；②錘擊數范圍17～30擊。而且在對EV2/EV1的估算時，需要謹慎對待，注意誤差修正。研究結果表明：該方法對于既有重載鐵路C組填料路基的快速檢測評估具有十分重要的意義。

重載；地基系數；動彈模量；二次回彈模量；動力觸探；含水率

路基的壓實度指標K30是路基壓實度的重要指標，由于高速鐵路路基對沉降變形要求較高，高速鐵路路基施工期間，采用動彈性模量Evd、二次回彈模量EV2、EV2/EV1 作為路基壓實度的重要評價指標。 隨著近年來，我國重載鐵路年運輸量逐年增加，各類路基病害越來越嚴重，迫切需要對既有重載鐵路路基的壓實度進行重新評估。引入高速鐵路路基壓實度評價Evd、EV2、EV2/EV1，并與K30一起作為既有重載鐵路路基壓實度評估指標，通過現場測試試驗獲得有關壓實度、輕型動力觸探N10、密度、填料含水率等測試參數。現場路基K30、EV2、EV2/EV1的測試工作比較復雜，測試工作廢時廢工，不適應于整條線路快速檢測評估的需要，Evd測試雖然簡單，但也需要在路基邊坡處開挖實驗平臺，不適用于整條線路多點檢測評估。N10的現場測試，簡單易行、方便快捷。但是動力觸探的實驗結果主要用來確定路基的承載力、變形模量。雖然也能在一定程度上反映路基的壓實程度，評價效果沒有K30、EV2、EV2/EV1、Evd直接。本文從重載鐵路實際運營狀況出發，針對以粉質黏土為主填料的C組路基填料，進行原位測試和室內試驗，獲得第一手的重載鐵路路基壓實度指標和相應試驗段土樣的含水率、密度等物理力學參數，首先建立輕型動力觸探與土樣含水率之間的關系，分析時，考慮實際列車荷載作用對動力觸探擊數的影響。

有關輕型動力觸探擊數與既有重載路基壓實指標之間變化關系的研究成果較少，主要研究成果集中在對新建鐵路路基壓實施工標準的研究上。譚祖保[1]研究了路基填筑時K30測試值的主要影響因素。戴玉等[2]對鐵路路基壓實檢測力學指標K30、Evd、EV2之間檢測原理進行對比分析。胡在良等[3]針對對不同壓實條件下級配碎石路基Evd控制指標進行試驗研究。常丹等[4]以D-P模型為基礎，對不同參數的K30、Evd、EV2進行仿真分析，應用線性回歸方法對試驗結果進行分析。李蘆林[5]針對鐵路路基填料地基系數采用K30和Evd平板荷載試驗的2種方法，對2組數據進行了統計。馮華等[6]針對京滬高速鐵路控制路基壓實指標中的變形模量EV2和地基系數K30兩個力學指標作了相關性分析。王從貴[7]基于試驗數據并利用Evd動態平板荷載試驗與K30平板荷載試驗數據的相關關系，推算出地基系數K30值。郭偉玲等[8]對高速鐵路路基質量檢測指標Evd與K30進行相關性分析，利用回歸的結果計算數值與規范中給出的標準值接近，在實際工程中可將Evd替代K30與壓實系數k來控制路基壓實質量。朱浩波等[9]利用大量實測數據，對K30、EV2、EVD3項指標進行了相關性分析。許國平等[10]對高速鐵路無砟軌道路基質量控制指標，對各控制指標的取值范圍進行了探討。肖尊群[11]對重載鐵路路基的承載力狀態、壓實度以及病害狀態的評估方法進行了研究，對評估參數的選取以及評估指標之間的關系進行了深入的探討，建立起了相應的承載力、壓實度、病害的評估模型。

從上面的分析可以知道K30、EV2、Evd3項指標在表征路基壓實度方面具有很高的相關性，但是上述研究成果都沒有涉及到地基土含水率對既有路基三項壓實指標的影響，也沒有分析輕型動力觸探N10與三項指標的變化關系。本文重點研究既有路基填料含水率對輕型動力觸探以及3項壓實指標之的影響，探討路基填料3項指標與輕型動力觸探N10之間的相互變化關系，為該類C組填料重載鐵路路基狀態的快速檢測和評價服務。

1 既有路基含水率w對路基性能指標的影響

1.1含水率對路基三項壓實指標的影響

既有基床和路基本體填料的含水率多在18%以下，含水率范圍主要集中在9%～14%之間，因此在這區間的統計數據最有意義，通過數據擬合回歸得到圖1～4的曲線。

圖1 含水率w與地基系數K30的變化關系圖

1.1.1 含水率w與地基系數K30的變化關系

圖1為路基含水率與地基系數K30的曲線變化關系，從擬合曲線的發展趨勢上看，隨著含水率的增加，K30有曾大的趨勢，主要統計區域在含水率9%～14%之間，通過回歸分析，獲得K30和路基含水率之間的擬合關系符合指數分布，其擬合公式見式(1)。

K30=7.28e0.19w

(1)

擬合方差R2=0.82。該曲線擬合的相關度較高，具有一定的數理統計的意義。

1.1.2 含水率w與二次回彈模量EV2之間的變化關系

圖2為含水率與二次回彈模量EV2的變化關系，與K30的變化關系類似，EV2也隨著含水率w的增大而增大，通過曲線擬合回歸分析，二次回彈模量與含水率的變化關系符合二次多項式分布，擬合曲線表達公式見式(2)。

EV2=1.1w2-20.6w+121.9

(2)

擬合方差R2=0.81。

1.1.3 含水率w與EV2/EV2之間的變化關系

圖3為含水率與EV2/EV2之間的變化的變化關系，由圖3可知：EV2/EV1與含水率的變化關系不明顯，雖然在統計區間呢，擬合出了一條二次曲線，但是其變化關系卻趨近于一條水平曲線，說明在統計區間內，EV2/EV1受含水率w影響不大。

1.1.4 含水率w與動彈模量Evd之間的變化關系

圖4為含水率w與動彈模量Evd之間的變化關系，由圖4可知：動彈性模量Evd與含水率之間的變化關系符合二次曲線的分布關系，在統計區域內動彈模量隨著含水率的增加而減小，減小的速率較慢。在統計區間內，二動彈性模量與含水率的變化關系符合二次多項式分布，擬合曲線表達公式見式(3)。

Evd=-0.052w2+0.33w+27.3

(3)

擬合方差R2=0.782。

圖2 含水率w與二次回彈模量EV2之間的變化關系圖

圖3 含水率w與EV2/EV1之間的變化關系圖

圖4 含水率w與動彈模量Evd之間的變化關系圖

1.2含水率與輕型動力觸探N10之間的變化關系

圖5為含水率w與動彈模量輕型動力觸探之間的變化關系，由圖5可知：當含水率w在8%～14%的統計區間內，動力觸探隨含水率的增加而增加。高于14%以后呈現下降的趨勢，但是由于路基填料含水率主要集中8%～14%之間，高于14%的統計數據有限，不具有統計學意義。因此，可以認為通常情況下，路基填料的的輕型動力觸探的錘擊數隨含水率w的增大而增大。二者的擬合關系符合二次曲線。擬合公式見式(4)。

N10=-0.51w2+15.5w-89.5

(4)

擬合方差R2=0.842。

圖5 含水率w與輕型動力觸探N10之間的變化關系圖

2 輕型動力觸探N10擊數與路基填料3項壓實指標的相關性分析

輕型動力觸探N10試驗簡單易行，在既有路基檢測時，并不需要在路堤邊坡開挖試驗平臺，可以任意尋找想要測試的位置進行測試。試驗成本低，對路基破壞輕，因此在既有路基狀態評估時，越來越受到重視。過去輕型動力觸探N10用于檢驗砂土的密實度和地基承載力。在檢驗既有路基密實程度方面的研究比較少，主要在于輕型動力觸探在評估路基的壓實程度時，雖然可以獲得大量的原始測試數據，但是誤差比較大，而我們知道檢驗路基壓實程度的主要指標為K30、EV2、EV2/EV1、Evd、孔隙率n等，這些指標能夠比較準確的反映路基的力學和幾何特性，因此被現有的鐵路路基設計規范[12]廣泛接受。但是要在既有線路上面通過相應的試驗獲得上述參數，代價是比較大的，因此，筆者通過一定量的測試數據，試圖獲得輕型動力觸探N10擊數與路基填料3項壓實指標數理統計關系，然后選取類似以粉質黏土為主料的C組填料路基作為試驗段對該擬合關系進行檢驗，若能獲得一定統計區間內的擬合關系，對于通過N10估算土體三項壓實指標，進而對既有路基壓實度情況進行評估具有十分重要的意義。為此，課題組在朔黃鐵路選取試驗段進行相應的K30、Evd、EV2、EV2/EV1、N10的現場測試試驗，試驗結果見圖6～9。

圖6 K30與N10之間的變化關系曲線

圖7 EV2/EV1與N10之間的變化關系曲線

圖8 Evd與N10之間的變化關系曲線

圖9 EV2與N10之間的變化關系曲線

通過曲線擬合獲得路基填料壓實指標與N10的擬合關系公式，見式(5)～(8)。

R2=0.843

(5)

R2=0.456(無統計意義)

(6)

R2=0.865

(7)

R2=0.784

(8)

朔黃鐵路C組填料試驗段的輕型動力觸探N10擊數統計范圍主要集中在17～35擊之間，因此，本次實驗在這一區段的試驗數據具有數理統計意義。本次試驗所確定的路基壓實指標與輕型動力觸探所確定的擬合關系的適用條件為：以粉質黏土為主體且路基填土的含水率在9%～14%之間的C組填料，適合于輕型動力觸探的擊數范圍17～35擊，輕型動力觸探擊數為考慮列車動荷載作用的修正擊數。通過以上擬合關系就可以通過測試路基的輕型動力觸探擊數來估測三大壓實指標，從而對整個重載鐵路路基基床、路基本體的壓實狀態進行評估。

3 工程實例驗證

既有重載鐵路路基的壓實度與填料性質、降水、路基病害的發育、加固情況等因素關系十分密切，其與N10的變化規律也是十分復雜的，因此，利用實驗數據統計出來的擬合關系的使用應嚴格遵守本文提出的適用條件，為了驗證輕型動力觸探N10與壓實度指標的擬合關系是否正確，課題組選取朔黃鐵路K250+434-K254+780作為試驗段，進行相應參數的測試，該區段的填料與試驗組填料基本一致，含水率的范圍在9%～14%之間。通過試驗結果與估算結果的對比對本文提出的擬合關系進行驗證，部分驗證結果見表1。

表1 現場試驗與估算結果對比表

繪制3項壓實指標的誤差分析分布圖如10所示，當錘擊數在17～30擊時，K30估算值與實測值的誤差在5%以內，EV2的估算值與實測值的誤差10%以內。Evd的誤差相對較大，一般在10%～20%之間，離散性較大。綜上所述，利用N10估算路基三項壓實指標的錘擊數范圍在17～30擊，當利用N10對Evd進行估算時，應該謹慎對待，注意誤差修正。

4 結 論

圖10 壓實度三項指標的誤差分析

1)朔黃鐵路路基填料主要是以粉質黏土為主的C組填料，填料的力學性能較差，含水率一般在8%～14%之間，在這個區間，含水率與填料的壓實度指標以及輕型動力觸探N10擊數之間存在一定的相關性。通常滿足2次曲線或指數曲線變化關系。

2)輕型動力觸探試驗簡單易行，可以利用N10估算壓實度的三項指標。提出的擬合公式適用條件為：含水率在8%～14%粉質黏土為主的C組填料，N10擊數在17～30擊之間。利用N10擬合公式估算K30和EV2可以很好的控制誤差。利用N10算動彈性模量Evd時，需要謹慎對待，需要進行相應的誤差修正。

3)朔黃線、大秦線等主要重載貨運線路而言，其路基填料在組成、性能、線路運營情況基本類似，本文的研究成果對于重載鐵路路基狀態的快速檢測評估以及養護加固對策的制定具有指導意義。

[1] 譚祖保.淺析路堤填料含水率與K30測試值的關系[J].路基工程，2003(S1)：24-28.

[2] 戴玉，賴國泉.鐵路路基壓實指標K30、Ev2、Evd對比分析[J].鐵道勘查，2011(3)：52-55.

[3] 胡在良.李晉平，王軍東，等.無砟軌道鐵路路基變形模量Ev2控制指標的試驗研究[J].中國鐵道科學，2008，29(5)：45-48.

[4] 常丹，劉建坤，田亞護.Evd，Ev2和K30相關關系的數值分析[J].巖土工程學報，2013，35(2)：428-432.

[5] 李蘆林.Evd，K30平板載荷對比試驗探討[J].鐵道工程學報，2007，12(S1)：24-29.

[6] 馮華，曲宏略，楊海清.變形模量Ev2與地基系數K30的相關性分析[J].2011，22(4)：151-153.

[7] 王從貴.動態變形模量Evd與地基系數K30的相關性研究[J].路基工程，2004(2)：4-8.

[8] 郭偉玲，劉軍.高速鐵路路基質量檢測指標Evd與K30相關性分析[J].公路交通科技，2015，125(3)：85-88.

[9] 朱浩波，曲宏略，張頂立． 高速鐵路路基質量檢測指標K30、Ev2、Evd的相關性分析[J]． 北京交通大學學報，2011，35(1)：49-53．

[10] 許國平，周全能，胡一峰.高速鐵路無砟軌道路基質量控制指標研究[J].鐵道工程學報，2007(11)：14-18.

[11] 肖尊群.重載鐵路路基狀態評估系統研究[D].長沙：中南大學，2011.

[12] 《鐵路路基設計規范》編委會.鐵路路基設計規范(TB10001-2005 J447—2005)[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

ResearchonexistingoverloadedrailwaysubgradecompactionindexchanginginrelationtoN10andmoisturecontentseparately

XIAO Zunqun1，LI Zhiping2

(1.School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan430205，China；2.School of Geosciences and Inf-physics，Central South University，Changsha410075，China)

The railway subgrade compaction indexs of foundation coefficient K30，dynamic elastic modulusEvd，the second rebound modulusEV2， the second resilient modulus and a second resilient modulusEV2/EV1，light dynamic penetrationN10，and moisture content w were obtained by field test in SHU-HUANG railroad.Based on the above datas，The changing relationship of foundation compaction indexes —K30，Evd，EV2，EV2/EV1，N10，and moisture content w separately were researched.The mentioned estimation methods inK30，EV2，EV2/EV1，Evdbeing estimated by use of N10were proposed.The applicable conditions of estimation method was obtained through examples verification：① the silty clay as main filler was belong to c group，the moisture content being8%～14%；②N10range was17～30，andEV2/EV1was estimated to fix error.The results were shown：The method proposed was great importance，for the existing heavy rail roadbed filler GroupCrapid detection and evaluation.

heavy load；foundation coefficient；dynamic elastic modulus；the second rebound modulus；light dynamic penetration；moisture content.

2016-03-31責任編輯：宋菲

國家自然科學基金項目“列車動荷載作用下道砟散體動態力學特征與道砟陷槽病害微觀力學機制研究” 資助(編號：51308424)

肖尊群(1982-)，男，博士，副教授，主要從事重載鐵路路基加固與評估技術方面的研究工作，E-mail：xiaozunqun@126.com。

U213.1

：A

：1004-4051(2017)09-0164-05