鐵路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)K30檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)分析

張向禮 范 飛 張 偉

（1.國(guó)家鐵路局工程質(zhì)量監(jiān)督中心，北京 100891；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

地基系數(shù)K30是衡量鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一，地基系數(shù)K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)精確性的要求非常嚴(yán)格，且其對(duì)鐵路路基的建設(shè)質(zhì)量影響尤為明顯，因此，有必要對(duì)相關(guān)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

1 鐵路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)流程

1.1 測(cè)試面處理

K30檢測(cè)之前，應(yīng)結(jié)合檢測(cè)要求選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)區(qū)，要求檢測(cè)區(qū)內(nèi)地面平整、無(wú)雜物，可足夠承接1個(gè)荷載板，且板面與地面之間貼合緊密。若無(wú)法達(dá)到上述要求，可使用細(xì)砂進(jìn)行找平，控制細(xì)砂鋪設(shè)厚度在2～3cm。K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需保持檢測(cè)對(duì)象狀態(tài)應(yīng)穩(wěn)定不變，因此，在實(shí)驗(yàn)之前需充分清除測(cè)試面上的碎石等雜物，在安裝荷載板之前，對(duì)地面進(jìn)行壓實(shí)處理，結(jié)合檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況，可選擇將測(cè)試面設(shè)置在坡面上。

1.2 荷載儀設(shè)置

（1）K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的主要工具為規(guī)格300mm的剛性荷載板，將其置于測(cè)試面上，并保證二者充分貼合，用細(xì)砂層調(diào)整后，可使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行找平。（2）將反力裝置的承載端安裝在荷載板上，用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程制動(dòng)。要求在距離荷載板外沿1m位置設(shè)置反力裝置支撐點(diǎn)。（3）在反力裝置之下、荷載板之上安裝千斤頂，調(diào)節(jié)螺桿使千斤頂球形接頭與反力裝置的支撐部位緊密貼合。注意該步驟應(yīng)確保千斤頂垂度，嚴(yán)禁出現(xiàn)偏移、傾斜現(xiàn)象。（4）設(shè)置測(cè)橋，設(shè)置點(diǎn)在距支撐點(diǎn)1m位置，且在荷載板的外邊緣一側(cè)。檢測(cè)儀的安裝應(yīng)與測(cè)橋相對(duì)稱，并與荷載板的中心位置保持合理距離。

1.3 加載實(shí)驗(yàn)

為保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程荷載板穩(wěn)定，可采用0.01MPa的荷載進(jìn)行預(yù)壓，加壓時(shí)間控制在30s左右，確定荷載板設(shè)置穩(wěn)定后，卸除預(yù)壓荷載，將百分表示數(shù)調(diào)零或記錄當(dāng)前數(shù)值，作為下沉量測(cè)試的起始讀數(shù)。

預(yù)壓實(shí)驗(yàn)完畢后，設(shè)置0.04MPa的加壓梯度進(jìn)行逐級(jí)加壓，壓力值每上調(diào)一級(jí)，保持加壓狀態(tài)1min，待下沉量低于該加壓級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)下沉量的1%后，讀取荷載及下沉量示數(shù)。加壓至現(xiàn)場(chǎng)預(yù)估最高承載值、下沉量達(dá)到1.25mm或達(dá)到鐵路路基屈服點(diǎn)后，可停止實(shí)驗(yàn)。若加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)荷載板偏移、傾斜、沉降嚴(yán)重的現(xiàn)象，可將實(shí)驗(yàn)標(biāo)高調(diào)低，降低程度約為荷載板直徑大小，再次開展加載實(shí)驗(yàn)，并詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)異常情況。

1.4 注意事項(xiàng)

為保證鐵路路基K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)順利開展，得到可靠的地基系數(shù)，需結(jié)合國(guó)家及行業(yè)有關(guān)規(guī)范及鐵路工程建設(shè)要求，科學(xué)設(shè)計(jì)K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方案及現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)方案，提前檢查實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備、工具性能，尤其是讀數(shù)類儀器，要進(jìn)行精密檢查，以確保獲取數(shù)值與實(shí)驗(yàn)真實(shí)情況相一致。加載實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)的判斷需參考測(cè)試面預(yù)估最高承壓值、路基屈服點(diǎn)等參數(shù)，因此，在正式實(shí)驗(yàn)前，還需對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行詳細(xì)勘察，結(jié)合獲取的數(shù)據(jù)信息計(jì)算以上參數(shù)。

2 鐵路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)K30檢測(cè)影響因素及實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

2.1 影響因素

（1）測(cè)試面不平。測(cè)試面平整度不足易導(dǎo)致加載實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)荷載板嚴(yán)重傾斜的現(xiàn)象，即現(xiàn)場(chǎng)2～3個(gè)測(cè)量百分表測(cè)得下沉量之差大于平均下沉量的30%。在鐵路路基K30檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)試面清理通常以人工方式進(jìn)行，使用毛刷去除測(cè)試面上的松土、石塊等雜物，然后安裝荷載板，因此，測(cè)試面的平整度很難被保證，導(dǎo)致需重復(fù)找平或重新劃定測(cè)試區(qū)域，延長(zhǎng)K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)周期。（2）測(cè)橋支點(diǎn)設(shè)置不準(zhǔn)。測(cè)橋支點(diǎn)應(yīng)與荷載板外側(cè)間距為1m，但在實(shí)際工作中，該間距的把控一般采用目測(cè)方式，支點(diǎn)設(shè)定主觀性和隨機(jī)性過(guò)高，導(dǎo)致測(cè)橋位置無(wú)法滿足實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)的要求，引發(fā)返工問(wèn)題。（3）數(shù)據(jù)處理方式落后。傳統(tǒng)鐵路路基K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，加載壓力與下沉量間的關(guān)系曲線為人工繪制，誤差大、耗時(shí)長(zhǎng)，很難從曲線上準(zhǔn)確讀取某一加載處的下沉量，因曲線誤差過(guò)大，給后期路基施工沉降控制帶來(lái)不小難度。

2.2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

針對(duì)以上K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，給出如下優(yōu)化方案：（1）優(yōu)化測(cè)試面清理、整平方法。在測(cè)試面清理過(guò)程引入水平尺，對(duì)測(cè)試面水平度進(jìn)行監(jiān)控，使用細(xì)砂或石膏膩?zhàn)釉O(shè)施調(diào)平墊層，確保測(cè)試面處于完全水平狀態(tài)，且不同測(cè)量百分表的讀數(shù)差值在平均值的30%以內(nèi)。經(jīng)驗(yàn)證，使用該方法進(jìn)行測(cè)試面處理后，測(cè)點(diǎn)合格率可較之前提升70%左右。除此之外，也可利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試面水平度調(diào)整，該方式的操作過(guò)程更為簡(jiǎn)便、讀數(shù)直觀，可對(duì)找平作業(yè)進(jìn)行理論指導(dǎo)，測(cè)點(diǎn)合格率也能被有效保證。（2）嚴(yán)格控制測(cè)橋支點(diǎn)與荷載板外沿的距離。從測(cè)橋中點(diǎn)開始，設(shè)置0點(diǎn)、15cm和120cm的標(biāo)記，以取代人工目測(cè)距離的方式。經(jīng)驗(yàn)證，該距離控制方案可將本步驟的操作時(shí)間縮短至5min以內(nèi)，且距離控制效果優(yōu)良。（3）引入先進(jìn)的曲線繪制方法。依照鐵路路基K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)規(guī)程的要求，對(duì)加載壓力及下沉量做二次方程擬合，在Excel程序下，完成二者關(guān)系曲線的繪制，并自動(dòng)計(jì)算檢測(cè)結(jié)果。以往需人工進(jìn)行的計(jì)算步驟在Excel程序下自動(dòng)進(jìn)行，計(jì)算效率及精度均大幅度提升。基于二次擬合曲線的函數(shù)模型，曲線擬合過(guò)程也可自動(dòng)完成。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，曲線自動(dòng)繪制時(shí)長(zhǎng)一般在30～50s內(nèi)即可順利完成，可節(jié)約時(shí)間180s以上。

3 鐵路路基工程施工現(xiàn)場(chǎng)K30檢測(cè)案例分析

3.1 案例背景簡(jiǎn)介

某鐵路路段為30 t的軸重鐵路，該鐵路工程建設(shè)區(qū)域內(nèi)地勢(shì)較低，沿線多填方，路堤中心高程在5.5～6.5m。該鐵路路基填料主要是粉質(zhì)黏土，83%的填料粒徑在0.005～0.075mm，另有0.30%左右填料粒徑在0.075～2mm，其余填料粒徑在0.005mm以下。

3.2 K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

（1）方案設(shè)計(jì)。為明確地基系數(shù)K30與填土含水量、加載壓力等參數(shù)間的變化關(guān)系，該工程在施工區(qū)域內(nèi)路堤下選擇多個(gè)土層開展K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)流程為：①分布選取15個(gè)測(cè)試點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)量填料的K30。②當(dāng)加載變形時(shí)間穩(wěn)定后，測(cè)量填料的K30，設(shè)定實(shí)驗(yàn)加載時(shí)間間隔為2min，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行8組。③測(cè)定不同預(yù)壓荷載條件下填料的K30，預(yù)壓荷載在0.02～0.08MPa，變化梯度為0.02MPa。④測(cè)定不同含水量條件下填料的K30，共進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)，以調(diào)整填料是否浸水控制其含水量。

（2）設(shè)備選擇。該K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備工具主要是精度等級(jí)0.4、最大輸出壓力值為800N/cm2的千斤頂、反力裝置、荷載板、水平尺等。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）實(shí)驗(yàn)一：標(biāo)準(zhǔn)條件下的K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)共選取15個(gè)測(cè)試點(diǎn)，15個(gè)測(cè)點(diǎn)中，K30的最大值和最小值分別為151.1MPa/m和68.7MPa/m，平均值約為94.4MPa/m。K30達(dá)到最大值和最小值的時(shí)間分別為8.6min和3.5min，實(shí)驗(yàn)加載的平均穩(wěn)定時(shí)間約為5min。（2）實(shí)驗(yàn)二：實(shí)驗(yàn)二共獲取16組測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)加載時(shí)間間隔為2min時(shí)，得到K30的最大值、最小值和平均值分別為176MPa/m、42.3MPa/m和95.1MPa/m。可以看出，加載時(shí)間為2min時(shí)測(cè)得的平均K30與標(biāo)準(zhǔn)條件下的K30數(shù)值相差不大，但兩組實(shí)驗(yàn)的加載時(shí)間相差卻非常明顯，分別為5min和2min。由此可以判斷，實(shí)驗(yàn)二的檢測(cè)效率要遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)一。（3）實(shí)驗(yàn)三：實(shí)驗(yàn)三測(cè)得K30與預(yù)壓荷載間的變化曲線表明，隨著預(yù)壓荷載的上升，K30數(shù)值逐漸增加；當(dāng)預(yù)壓荷載達(dá)到0.04MPa后，K30的增幅開始增加；當(dāng)預(yù)壓荷載達(dá)到0.06MPa后，K30數(shù)值趨于穩(wěn)定。綜合分析可得出測(cè)試面與荷載板之間的變形影響。當(dāng)預(yù)壓荷載較小時(shí)，荷載板與測(cè)試面之間的變形無(wú)法被有效抵消，若不做出調(diào)整，測(cè)得的K30將偏低。當(dāng)預(yù)壓荷載大小正好消除荷載板與測(cè)試面之間的變形時(shí)，此時(shí)的K30曲線也為正常狀態(tài)，即K30更加貼近真實(shí)情況。（4）實(shí)驗(yàn)四：對(duì)比發(fā)現(xiàn)，填料浸水后路基的K30較之前有顯著的降低，當(dāng)填料平均含水率為20.6%時(shí)，K30的平均值在61.2MPa/m。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：第一，當(dāng)改變K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，測(cè)得的K30數(shù)值也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)加載時(shí)間間隔達(dá)到2min時(shí)，K30的變化程度不超過(guò)5%，但可顯著提高實(shí)驗(yàn)效率。第二，K30結(jié)果與預(yù)壓荷載之間關(guān)系密切，且呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，綜合看來(lái)，預(yù)壓荷載在0.04MPa以下為宜。第三，當(dāng)鐵路路基填料粒徑較小時(shí)，其含水率與K30之間負(fù)相關(guān)，當(dāng)填料含水率達(dá)到飽和左右時(shí)，K30的降低幅度在50%左右。因此在鐵路路基施工中，需重點(diǎn)做好現(xiàn)場(chǎng)排水作業(yè)，確保路基排水性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的有效開展，能夠?yàn)殍F路路基工程施工方案的優(yōu)化及施工質(zhì)量控制提供可靠的理論參考。因此，在開展K30檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)做好測(cè)試面清潔、測(cè)橋支點(diǎn)選擇及曲線繪制方法優(yōu)化等工作，以便得出最真實(shí)的K30數(shù)據(jù)，促使鐵路路基工程施工順利開展。