基于動力觸探的高速鐵路路基壓實狀態分析

蘆巍

（中鐵二十一局集團第四工程有限公司，西安 710065）

高速鐵路路基變形與壓實標準高，壓實狀態主要通過壓實系數K、動態變形模量Evd、地基系數K30等指標予以評判。對于海外中斷建設的高速鐵路路基工程，壓實指標只能在路基施工面層測試。DPT（Dynamic Penetration Test，動力觸探）是巖土工程勘察中一種重要的原位測試手段，近年來在地基承載力與變形參數測算、填土密實度檢測等領域的應用已較為廣泛。王祎望等［1］通過載荷試驗與DPT對比，建立了地基承載力標準值與DPT 錘擊數的經驗關系，并在建筑物強夯地基處理工程中得到應用；Shahien 等［2］開展了礫石土平板載荷試驗與DPT 測試，建立了考慮顆粒尺寸大小的變形模量計算公式，并采用現場實測沉降數據予以修正；溫世億等［3］基于可變能量動力觸探儀所測錐尖阻力與壓實度的相關性，提出了一種渠道填筑工程壓實度快速檢測方法；陳春東等［4］為克服常規檢測方法的局限性，通過對比試驗探究DPT錘擊數與壓實度的關系，提出了一種DPT檢測機場填土密實度的方法。

DPT尚未應用于評價已填高速鐵路路基壓實狀態，為適應海外中斷建設的高速鐵路路基壓實檢測評估需要，結合一國外高速鐵路建設工程，選取典型試驗段開展分層開挖分層原位試驗，建立壓實指標模型預測方法。

1 原位測試概況

國外一高速鐵路全長246 km，路基比例達97%，已采用UIC 標準按時速250 km 有砟軌道鐵路進行施工圖設計，并完成70%線下土建工程，大部分路基工程已填至基床底層頂面。現擬采用中國標準、按時速300 km 無砟軌道鐵路進行施工圖整改設計，須對已建路基工程進行檢測評估，其中路基壓實狀態評價是重點之一。

在現場選取A，B，C，D，E 共5個試驗段，填料總體均質。每一測試層面上設置5 個測試區，如圖1 所示，圖中L為路基施工頂面寬度。

圖1 原位測試方案

原位測試具體實施步驟如下：①參照圖1（b）測點布置，在已填路基頂面開展壓實指標及DPT 原位測試。②分層開挖路堤，開挖厚度為100 ± 10 cm，整平各層開挖面后重復步驟①直至路基基底。

2 壓實模型建立

文獻［5］基于現場對比試驗及室內模擬試驗，建立了粉煤灰壓實系數K與錘擊數N10的關系式：

式中，N10為10 kg 重錘擊入10 cm 所用錘擊數，其應用前提是當N10＞25擊時按25擊計數。

文獻［6］通過環刀法試驗與擊實試驗，建立了路堤壓實系數K與錘擊數N10的回歸方程：

式（1）和式（2）可用于預測路基壓實系數K，但K隨N10的增加不斷增大，難以收斂，與實際工程狀態不吻合。文獻［6］作出當N10＞25 擊時按 25 擊計數的限定，但以25擊作為分界條件尚缺乏充分的論證依據。

為研究壓實指標與DPT 錘擊數N63.5的關系，以f（N63.5）代表壓實指標K，Evd，K30任意一項，其具有以下特征。

1）f（N63.5）均隨N63.5的增加而不斷增大，即f（N63.5）增長率大于等于0，可表示為

2）隨著路基填料壓實度不斷增大，土體壓密程度變大，孔隙率降低，壓密難度增大，從而導致f（N63.5）增長率越來越慢。可表示為

當填料逐漸趨于完全壓密狀態時，填料壓實指標f（N63.5）也將趨于某一定值。

根據以上特點，建立壓實指標f（N63.5）與N63.5的模型關系：

式中：F，Q，p為模型參數；p為定值，單位為 10 cm/擊，反映了f（N63.5）隨N63.5的變化率，可由室內模型試驗或現場試驗確定。

當N63.5→0時

當N63.5→∞時

對式（5）求一階和二階導數得

由 于F＞f0，則Q＞0。 若 df（N63.5）/dN63.5≥0 且則參數p必須滿足p≥0。

3 模型驗證及精度分析

為驗證DPT 分析模型式（5）的可行性，取A，B 試驗段測取的壓實指標及N63.5（共計100 組數據）確定參數F，Q，p，再以C，D，E 試驗段測得的壓實指標及N63.5（共計140組數據）分析模型預測精度。本文DPT分析模型適于分析路基面以下0.2 m的壓實指標。

3.1 模型參數

用式（5）擬合圖2 中測試數據，確定模型參數，見表1。K與N63.5之間相關性最高，其次分別為K30與N63.5，Evd與N63.5。

圖2 現場測試數據擬合結果

表1 模型參數

3.2 精度分析

根據上述DPT 分析模型預測C，D，E 試驗段壓實指標并與實測值對比，見圖3。可知，模型預測值與實測值吻合得較好。

為進一步量化模型的預測能力，定義均方根誤差（Root Mean Square Error）［7］ERMSE為

式中：i為數據點編號；n為測點總數目；Fm（i）為壓實指標f（N63.5）實測值；Fp（i，N63.5）為N63.5取某一測試值時對應的壓實指標f（N63.5）模型預測值。

圖3 壓實指標預測結果

表 2 列出了 DPT 分析模型對上述f（N63.5）均方根誤差值，可見Evd的最大，其次為K30，K最小。由此可見，DPT 分析模型對K預測效果最好，其次分別為K30和Evd。

表2 模型計算均根誤差值

3.3 模型修正

圖4 模型預測值與實測值的關系

圖5 λ，κ和ζ頻率分布

式中：α取值0.960～1.030；β取值0.970～1.020。

表3 λ，κ和ζ統計

4 結論

1）路基壓實指標均隨DPT 錘擊數N63.5增加而不斷增大，由于土體壓密程度變大、孔隙率降低等原因導致壓實指標隨N63.5增長率越來越慢，當路基填料逐漸趨于完全壓密狀態時，壓實指標也將趨于某一定值。

2）根據壓實指標與N63.5關系曲線特征，建立了路基壓實指標DPT 分析模型。數據擬合表明，在DPT 分析模型中，K與N63.5之間相關性最高，其次為K30與N63.5和Evd與N63.5。

3）結合現場試驗段實測數據，分析了DPT 分析模型的預測能力，認為DPT 分析模型對K的預測精度最高（均方根誤差為0.011 8），其次分別為K30和Evd。

4）基于DPT 分析模型修正系數統計，提出了具有95%可靠度的K與N63.5，Evd與N63.5，K30與N63.5統計修正模型。

本文研究成果在國外一高速鐵路應用后，大幅節約了工程投資。