鐵路路基壓實質量連續檢測指標的相關性及影響因素

左君 高翔 馬殷軍 張世恩 徐鋒 鄒國峰

1.中建鐵路投資建設集團有限公司，北京 102601；2.中南大學土木工程學院，長沙 410075；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州工程建設指揮部，蘭州 730051

隨著我國鐵路的快速發展建設，連續壓實控制技術在路基工程中得到越來越多的運用，壓實質量連續檢測指標成為連續壓實控制技術在實際應用中保持性能穩定可靠的關鍵［1］。Mooney等［2］試驗發現壓實質量連續檢測指標在粗粒土和細粒土中隨壓實工藝變化的規律正好相反，并指出不同振動壓實工藝對壓實計值（Compaction Meter Value，CMV）等連續檢測指標的影響；范娟等［3］試驗揭示了不同壓實參數對C M V的影響程度；吳龍梁等［4］基于土石壩研究了激振力和行進速度對C M V、壓實控制值（Compaction Control Value，CCV）、土體剛度系數Ks、振動壓實值（Vibration Compaction Value，VCV）等連續檢測指標測值偏差的影響規律，并通過分析指出激振力對各連續檢測指標相關性的影響；張海歐等［5］針對不同類型土石混合填料，試驗分析了松鋪厚度、碾壓遍數、壓實機械等對VC V和動態變形模量Evd相關性的影響；劉東海等［6-7］針對堆石料研究了實時監測指標與不同碾壓參數之間的相關性和適應性。然而，目前大多數研究針對單一連續檢測指標或其與單一非連續指標的比較，且由于各類指標檢測方法和檢測原理差異較大，導致研究成果有一定局限性。此外，對于連續檢測指標穩定性與可靠性的研究，缺少振動壓實參數對其變異性和相關性影響的分析，從而限制了連續壓實控制技術在實際工程中的推廣應用。

本文通過開展現場連續壓實試驗，研究工程中主要振動壓實工藝參數對C M V穩定性和可靠性的影響；通過變異系數分析研究壓實工藝對CM V穩定性的影響規律；通過CMV與不同非連續檢測指標相關性分析，研究壓實工藝對C M V可靠性的影響，從而為路基連續壓實控制技術提供參考。

1 路基壓實質量檢測方法

1.1 非連續壓實質量檢測

國內外常用的壓實質量非連續檢測方法包括壓實度檢測、動態平板荷載試驗檢測、土體剛度檢測等，分別可以獲得填筑土層的壓實度K、動態變形模量Evd和土體剛度Geo。非連續檢測技術能較為準確地反映路基壓實質量，但存在代表性不足、缺乏過程控制和整體控制、受外界因素影響大等問題。

1.2 連續壓實質量檢測

連續檢測技術能夠克服非連續檢測技術的缺點，進行全程動態檢測與控制。連續壓實質量檢測是指在壓實過程中基于振動傳感器實時地對路基壓實質量情況進行檢測［8-9］。圖1為連續壓實質量檢測系統。通過對振動傳感器獲得的信號進行分析處理，從而評價路基填料壓實狀態，并以C M V表示，即

圖1 連續壓實檢測系統

式中：k為校準系數，一般取300；A1為一次諧波加速度振幅，mm；A0為基頻加速度振幅，mm。

2 壓實試驗

為分析C M V在粗粒土填料路基壓實中的穩定性與可靠性，及CM V與非連續檢測指標Evd、Geo、K的相關關系，選取蘭張三四線K232+500—K232+620段進行試驗研究。

2.1 試驗填料

路基分層填筑，取其中一層進行試驗，填筑厚度40 cm，填料類型為間斷級配中圓礫土，屬A組填料，見表1。

表1 填料物性指標

2.2 試驗過程

試驗采用XG622MH型壓路機，RollNav TC63型智能壓實檢測系統。選取試驗場地120 m（長）×32 m（寬），劃分為9個試驗帶。為避免輪跡搭接對不同碾壓遍數下壓實效果的影響，試驗帶之間間隔1 m。

現場試驗設計見表2。試驗1通過正交試驗研究不同激振力和碾壓速度對C M V穩定性的影響，以及激振力對CMV可靠性的影響。試驗2在不同碾壓速度下進行相關性校驗，研究碾壓速度對C M V可靠性的影響。試驗3對不同碾壓遍數下進行相關性校驗，研究碾壓遍數對壓實質量檢測指標的影響，并給出壓實質量連續檢測的建議。

表2 現場試驗設計

除C M V全程檢測外，其他壓實質量檢測試驗均為非連續檢測，每條試驗帶上，隔10 m測一行Evd和Geo數據；從有效面積對應考慮，一行測6個Evd和Geo數據，取平均值來反映該點處CMV對應的壓實效果，每帶測8行數據；每隔20 m測一組K數據，測點位置與Evd和Geo測點位置重合，每帶測4行數據，試驗帶及檢測點布置如圖2所示。試驗中碾壓方向均為正向碾壓。

圖2 試驗帶及檢測點設置示意

3 數據分析

3.1 激振力和碾壓速度對C MV穩定性的影響

將每條試驗帶的C M V均值作為該試驗帶連續壓實質量檢測參數代表值，并計算不同壓實工藝下C M V的變異系數，計算結果見表3和圖3。可知：壓路機振動壓實過程中，激振力和碾壓速度不同，CM V的穩定性也有所不同；變異系數越小，檢測結果波動越小，CMV越穩定。碾壓速度相同時，弱振工藝下CMV的變異系數小于強振，表明弱振工藝下CM V更穩定；激振力相同時，快速碾壓的變異系數小于慢速碾壓，表明快速碾壓時CMV更穩定。當激振力為270 kN、速度為5 km∕h時，CM V變異系數最小，表明快速弱振工藝下CMV最穩定。

圖3 不同激振力和碾壓速度下C M V測值變化曲線

表3 不同壓實工藝下C MV均值與變異系數

為進一步探究激振力和碾壓速度對CM V穩定性的影響規律，對不同壓實工藝引起的C M V變異系數偏差進行統計，結果見表4。

表4 CMV變異系數偏差

由表4可知，碾壓速度不同引起的CMV變異系數偏差為1.46%～2.11%，激振力不同引起的C M V變異系數偏差為6.74%～7.39%。由碾壓速度引起的C M V穩定性偏差相對較小，激振力引起的C M V穩定性偏差相對較大。因此，實際工程中應用連續壓實控制技術時應當盡量保持激振力穩定。

3.2 激振力對相關性校驗影響

為進一步研究激振力對CMV可靠性的影響，通過試驗2對不同激振力下CMV與非連續壓實質量檢測指標Evd、Geo、K進行相關性校驗，如圖4所示（圖中下標a為強振，激振力390 kN，虛線；下標b為弱振，激振力270 kN，實線）。可知，強振和弱振時，CMV與各非連續壓實質量檢測指標之間的相關系數大于0.7，具有強相關性，且滿足壓實質量連續檢測規范要求；同時，弱振時C M V與非連續檢測指標（Geo除外）的相關系數均大于強振時。采用強振進行壓實時，振動輪會產生較多跳振，而跳振時振動輪與土體處于脫離狀態，不再滿足輪-土耦合接觸關系，從而導致強振下得到的CMV離散性較大，這也與3.1節中強振工藝下C M V變異系數大的結果相符合。由此可知，激振力對CMV相關性校驗的影響顯著，且在弱振下CMV相關性校驗結果更好。

圖4 不同激振力下CMV與非連續壓實指標相關性校驗結果

3.3 碾壓速度對相關性校驗影響

為了分析碾壓速度對CMV可靠性的影響，通過試驗3獲得不同碾壓速度下CM V與非連續檢測指標檢測結果，對采集數據進行線性回歸分析，得到不同碾壓速度下C M V與非連續檢測指標的相關系數見表5。

表5 不同速度下CM V與非連續指標相關系數

由表5可知，在弱振工藝下，快速碾壓和慢速碾壓時CM V與Evd、K之間的相關系數大于0.7，具有強相關性，滿足規范要求；CMV與Geo的相關系數部分在0.5～0.7，具有弱相關性，不滿足規范要求。快速碾壓與慢速碾壓得到的C M V與各指標相關系數之間則較為接近，影響不顯著。

結合3.2節可知，在振動碾壓過程中，C M V與Evd和K相關性強，與Geo相關性較弱。分析可知，各壓實質量檢測指標的測試影響范圍和力學原理不同導致了CM V與各指標之間相關性的差異，各檢測指標影響范圍如圖5所示。C M V檢測影響范圍即振動輪接觸作用范圍，與Evd和K檢測范圍基本相同，與Geo檢測范圍則有所不同，從而導致了壓實質量檢測結果的不同和相關性的差異。

圖5 不同壓實質量檢測指標影響范圍示意

由此可知，碾壓速度對C M V相關性校驗影響不顯著，但檢測影響范圍對C M V相關性校驗影響顯著。

3.4 碾壓遍數影響

為探究碾壓遍數對C M V相關性校驗和壓實質量檢測指標數值的影響，通過開展試驗3對不同碾壓遍數下C M V與非連續檢測指標進行相關性分析，結果見表6。

表6 不同碾壓遍數下CM V與非連續檢測指標相關系數

由表6可知，在不同碾壓遍數下，C M V與各非連續檢測指標間相關系數均大于0.7，具有強相關性且滿足規范要求。此外，第2遍（強振）時各相關系數基本小于其他遍數（弱振），而各檢測指標間相關系數與碾壓遍數之間并無明顯關系。結合3.2節和3.3節可知，上述規律與激振力和碾壓速度對相關性校驗的影響規律一致，與碾壓遍數無關，因此碾壓遍數對C M V與非連續檢測指標相關性校驗無顯著影響。

為進一步探究碾壓遍數對壓實質量檢測指標數值的影響，統計不同碾壓遍數下壓實質量檢測指標均值變化情況，見表7。可知：CMV、Evd和K隨碾壓遍數的增加而增大，與吳龍梁等［4］的結論相一致，Geo則隨碾壓遍數的增加呈波動增大。

表7 不同碾壓遍數下壓實質量檢測指標的均值

對碾壓遍數與各檢測指標均值進行相關性分析，得到相關系數見表8。可知：CMV、Evd和K與碾壓遍數的相關系數均大于0.7，具有較好的相關性；Geo與碾壓遍數之間的相關系數在0.5～0.7，相關性較弱。此外，相比工程驗收時的K檢測，Evd檢測更加方便高效。因此在實際工程中，建議路基壓實時采用C M V連續檢測為主、傳統Evd檢測為輔的檢測方法，并在連續壓實控制中盡量保持激振力穩定。

表8 碾壓遍數與壓實質量檢測指標的相關系數

4 結論

1）相同條件下，C M V變異系數的大小關系為：弱振＜強振，快速碾壓＜慢速碾壓。此外，由碾壓速度不同引起的C M V變異系數偏差為1.46%～2.11%，由激振力不同引起的C M V變異系數偏差為6.74%～7.39%。激振力對C M V穩定性影響更顯著。

2）激振力對CMV相關性校驗影響顯著；碾壓速度和碾壓遍數對C M V相關性校驗影響較小，而檢測影響范圍對CM V相關性校驗影響顯著。

3）針對中圓礫土填料，在不同壓實工藝下，C M V與Evd、K均有良好的線性相關關系。鑒于CM V和Evd檢測的便利性，進行路基壓實連續檢測時宜采用C M V連續檢測為主、傳統Evd檢測為輔的方法，并在連續壓實控制中盡量保持激振力穩定。