戈壁風沙區(qū)高速鐵路路基壓實質(zhì)量檢測方法

王文霞

（中鐵十七局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710043）

1 引言

蘭新鐵路第二雙線甘青段LXS-17標位于我國河西走廊西端的甘肅省柳園地區(qū)，線路全長104.679km，其中，路基長99.3 km，占線路全長的95%。在高標準鐵路建設中如此大規(guī)模采用路基，在國內(nèi)尚屬首次，路基施工質(zhì)量是工程成敗的關鍵。路基的主體結構是免維修結構，不得出現(xiàn)路基病害，因此對其設計應考慮路基結構的受力及變形要求、填筑材料類型的要求、結構尺寸的要求、壓實標準的要求、戈壁風沙區(qū)檢測結果對環(huán)境的要求等。

2 高速鐵路路基施工質(zhì)量檢測方法

2.1 壓實系數(shù)K

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

式中：K：壓實系數(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，而且還與荷載板的面積、形狀、加載方式有關。當確定了荷載板的面積尺寸和加載方式后，就可以測得各種地基在標準下沉量時的地基系數(shù)值。地基系數(shù)K30采用直徑為300 mm的荷載板進行試驗，試驗時用單位面積壓力除以荷載板相應下沉量，計算時選用沉降量為1.25 mm對應的荷載。

式中：K30：由直徑300 mm的荷載板測得的地基系數(shù)，MPa/m；荷載強度：荷載強度與下沉量關系曲線上下沉量為1.25 mm相對應的荷載強度，MPa；

1.25 ×10-3：下沉量基準值，m。

2.3 動態(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。通過測試沖擊荷載的大小，一定填料面范圍的動態(tài)變形來求算路基土層的動態(tài)變形模量Evd。動態(tài)變形模量Evd的大小與沉陷值的大小成反比。

式中：Evd：動態(tài)變形模量，MPa；

1.5 ：承載板形狀影響系數(shù)；

σ：路基面最大動應力，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、北美等國家已廣泛使用的鐵路路基壓實檢測方法。在荷載板試驗應用過程中，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40 kPa加載，當每級加載完成后每間隔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，才能轉到下一級荷載直至試驗最大荷載為止。二次循環(huán)靜載也是按每級40 kPa加載，分級加載到最后一級荷載的沉降穩(wěn)定后開始卸載，卸載梯度按最大荷載的0.5或0.25倍逐級進行，全部荷載卸除后記錄其殘余變形，之后開始另一加載循環(huán)。采用300 mm荷載板試驗計算變形模量時荷載一直加到沉降量為5 mm或承壓板應力達到0.5 MPa為止。

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

式中：EV：變形模量，MPa；

r：承載板半徑，mm；

σ1max：第一次加載最大應力，MPa；

α1：一次項系數(shù)，mm/MPa；

α2：二次項系數(shù)，mm/MPa。

3 高速鐵路路基施工各種檢測方法的對比

3.1 壓實系數(shù)K

試驗前要對試樣進行最大干密度ρdmax、最優(yōu)含水率ωopt、顆粒分析，還要對標準砂密度、密度測定器錐體砂質(zhì)量測定等工作，只有完成了相應的準備工作方可進行現(xiàn)場壓實系數(shù)檢測。對填料壓實質(zhì)量的檢測屬于對壓實面破壞性檢測，而且還要對試坑土樣進行含水率測試，而測試填料含水率的過程用時長。戈壁風沙區(qū)由于風沙大往往影響電子秤計量的準確性。采用了小帳篷作為擋風設備效果雖然很好，但是操作起來比較復雜。

3.2 地基系數(shù)K30

儀器設備由荷載板、加載裝置、反力裝置、下沉量測裝置、輔助設備等組成。實際操作過程中設備數(shù)量多、占用現(xiàn)場機械（反力裝置）時間長、儀器安裝復雜、對環(huán)境條件要求高（戈壁風沙區(qū)對試驗檢測結果精度的影響）。

3.3 動態(tài)變形模量EVd

動態(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、操作簡單、自動化程度高、測試速度快、性能穩(wěn)定、測試精度高、檢測費用低、適用范圍廣等特點，而且動態(tài)變形模量EVd符合土體實際受力狀況，受風沙影響小。

3.4 靜態(tài)變形模量EV2

靜態(tài)變形模量EV2具有體積大、設備重、不便于攜帶、安裝拆卸復雜、操作復雜、測試速度慢、性能受風沙影響大等特點。試驗時需占用機械設備（反力裝置）時間長，測試結果整理計算較復雜，對環(huán)境條件要求高。

4 各種檢測方法數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

4.1 填料室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)分析

對30組A、B組填料進行室內(nèi)試驗檢測其最大干密度、最優(yōu)含水率、顆粒分析等指標。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，反映出填料級配基本穩(wěn)定屬于A組或B組細角礫土和含細角礫土。其最大干密度和最優(yōu)含水率也基本均勻。

4.2 填料壓實質(zhì)量檢測結果統(tǒng)計

4.2.1 基床底層壓實系數(shù)K統(tǒng)計

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

圖1 壓實系數(shù)K分布圖

4.2.2 基床底層動態(tài)變形模量統(tǒng)計

動態(tài)變形模量EVd分布在33.9～96.7之間，具體概率分布見圖2（樣本數(shù)量為2 500個）。

圖2 動態(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

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

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

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

圖4 靜態(tài)變形模量EV2分布圖

4.3 不同檢測方法所得指標的相關關系

4.3.1 壓實系數(shù)K

壓實系數(shù)K檢測數(shù)據(jù)范圍較小和其他檢測指標無明顯相應關系。主要是填料顆粒級配、含水率的變化影響到實測結果之間的相關關系。通過圖1可以看出，壓實系數(shù)K≥0.950占99%。只要按照試驗段工藝性試驗總結的各種參數(shù)控制和指導后續(xù)施工合格率是完全可以保證的。

4.3.2 地基系數(shù)K30與動態(tài)變形模量EVd的關系

本次對比從基床底層隨機抽樣2 600個點，舍去異常點后對2 588個點進行統(tǒng)計和回歸分析，樣本采用率為99.5%，結果見圖5。

圖5 地基系數(shù)K30-動態(tài)變形模量EVD關系曲線圖

通過分析得出結果如下：

回歸方程：K30=77.033+1.333 3Evd

相關系數(shù)為：r=0.991 1

由此得到地基系數(shù)K30與動態(tài)變形模量之間的對應關系性較好。

4.3.3 靜態(tài)變形模量EV2與動態(tài)變形模量EVd的關系

本次對比從基床底層隨機抽樣2 500個點，舍去異常點后對2 476個點進行統(tǒng)計和回歸分析，樣本采用率為99.0%，結果見圖6。

圖6 靜態(tài)變形模量EV2-動態(tài)變形模量EVD關系圖

回歸方程：EV2=74.922+1.2689EVD

相關系數(shù)：r=0.898 3

由此得到靜態(tài)變形模量EV2與動態(tài)變形模量EVd之間的對應關系有一定的規(guī)律，但受填料種類、級配、含水率等多種因素的影響，不宜簡單地進行回歸分析，可以對相對穩(wěn)定的填料進行比對。

5 智能壓實系統(tǒng)

5.1 智能壓實系統(tǒng)CMV概述

智能壓實系統(tǒng)報告的CMV值作為控制路基壓實質(zhì)量的重要依據(jù)，能夠在一定程度上反映當前路基的壓實狀態(tài)。智能壓實系統(tǒng)報告包括：目標CMV、平均CMV、CMV百分比及薄弱區(qū)域的位置，見圖7。

圖7 智能壓實系統(tǒng)CMV報告

目標CMV值是結合常規(guī)路基現(xiàn)場檢測方法，利用壓實系數(shù)、動態(tài)變形模量、地基系數(shù)等與CMV線性關系，通過線性回歸分析取得，這個值可以作為后續(xù)相同填料壓實度的目標值，是檢測路基壓實質(zhì)量的臨界狀態(tài)，也是一個最經(jīng)濟的控制指標，并成為智能壓實系統(tǒng)過程控制的核心部分。智能壓實系統(tǒng)優(yōu)勢為：及時讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了壓實質(zhì)量過程控制，屬于無損檢測；全面對路基壓實質(zhì)量進行控制，并非以點帶面；保證了以最少壓實變數(shù)達到指定目標值，節(jié)省時間，極大地提高了施工效率；完整的數(shù)據(jù)存檔，為施工提供過程控制數(shù)據(jù)，便于改良壓實工藝，提高施工檢測效率。

5.2 智能壓實系統(tǒng)應用效果分析

表2 基床底層碾壓變?yōu)?遍時采集數(shù)據(jù)

表3 基床底層碾壓變數(shù)為7遍時采集數(shù)據(jù)

表4 基床底層碾壓變數(shù)為9遍時采集數(shù)據(jù)

圖9 CMV值與動態(tài)變形模量EVD關系圖

圖10 CMV值與地基系數(shù)K30關系圖

碾壓7遍、9遍采集數(shù)據(jù)見表2、表3、表4，CMV與K、EVD、K30對應散點圖，見圖8、圖9、圖10。通過對數(shù)據(jù)分析可知，隨著碾壓變數(shù)的增加，CMV值與各種檢測指標值都在不斷增大。在散點圖上可以看出，只要CMV目標值在60或60以上，各項指標檢測結果都能基本滿足設計要求。

6 結束語

根據(jù)填料質(zhì)量確定合適的CMV目標值，當CMV值達到目標值后對照報告中薄弱區(qū)域?qū)ζ溥M行檢測，根據(jù)檢測結果判定其壓實質(zhì)量。通過對戈壁風沙區(qū)高速鐵路路基施工質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)的分析，對進一步優(yōu)化戈壁風沙區(qū)高速鐵路路基檢測技術有著積極意義。但論證結果使用范圍有一定的局限性，其他地區(qū)建議通過填料性能和施工現(xiàn)場實際檢測數(shù)據(jù)進一步討論。

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