戈壁地区高速铁路路基压实指标研究*

李 鲲，杨 斌，李肖伦，赖国泉，杨有海

(1.中铁第一勘察设计院集团地路处，陕西 西安 710000;2.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031;3.兰新铁路新疆有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011;4.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

高速铁路路基的根本问题是路基的稳定与变形问题，而影响路基稳定与变形的主要因素之一是路基填料的压实质量。路基填筑质量的好坏关系到高速铁路无砟轨道建设的成败，而路基填筑质量检测技术及标准是控制路基施工质量的关键环节。我国铁路路基压实质量控制早期采用单一的物理指标:压实度或孔隙率。修筑大秦铁路时引进了日本的压实控制力学指标地基系数K30。在建设高速铁路时，引入了欧洲高速铁路路基检测力学标准:变形模量Ev2及动态变形模量Evd。随着京－津城际铁路、京－沪高速铁路、武－广客运专线等的建设，我国对高速铁路路基压实检测技术进行了相关研究［1－10］，但存在的问题主要有:(1)孔隙率检测标准的合理性;(2)Ev2检测标准及与其他力学指标间的匹配问题;(3)检测方法标准过多，检测工作量大，严重影响施工进度。

本文以兰新铁路第二双线路基试验段工程路基检测为依据，通过对现场实测的大量K30，Ev2，Evd和孔隙率n数据的分析，找出其相关性，提出戈壁地区高速铁路路基压实标准的建议值，为今后新疆戈壁地区修建高速铁路的设计及施工提供理论依据及建议。

1 工程概况及压实检测方案

1.1 工程概况

考虑到新疆戈壁地区地质、地层的不均匀性、不确定性以及填料分布广泛且差异性大的特点，试验段分别选择在4段不同地质情况、不同地形地貌的代表性地段，具有较强的代表性和典型性。分别为:①DK1265+800～DK1266+000(简称“红旗村”工点)，地层属典型的松软土地层;②DK1340+000～DK1340+800(简称“二堡”工点)，地层以松软土为主，夹有粗粒土透镜体的交错地层;③DK1514+700～DK1516+550(简称“小草湖”工点);④DK1797+150～DK1797+750(简称“柴窝堡”工点)，地层主要为:第四系上更新统卵石土。试验段工程各工点填料的性质见表1。

1.2 压实检测方案

路基试验段工程检测内容主要有3项力学指标试验:地基系数K30、静态变形模量Ev2、动态变形模量Evd和一项物理指标孔隙率n。每层进行4项检测指标的测试，每100 m各取6个区，其中路基中部2个区，距路基中部2.5 m处左右各1区，距路基边缘1 m处左右各1区。路基压实检测标准根据试验段工程的要求，符合《新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定》［11］(以下简称《暂规》)的规定见表2，表2也列出了铁道部最新颁布的《高速铁路设计规范》［12］(试行)(TB10020 －2009)(以下简称《高规》)对路基压实标准的规定。

2 压实检测结果分析

试验段工程各工点路基填筑采取了静压1遍+弱振1～2遍+强振若干遍(直到检测合格为止)+静压1～2遍的碾压工艺组合。以下各压实检测结果的分析，是在各工点碾压遍数6～8遍，压实厚度大致相当的情况下得出的试验结果。

表1 试验段工程各工点取土场填料参数Table 1 Filler parameters of test section borrow area

表2 路基压实质量检测标准Table 2 Standard of subgrade quality detecting

2.1 地基系数K30结果分析

由图1分析可得:试验段工程各工点中，“柴窝堡”K30值分布较离散，其他各点K30基本符合正态分布。”红旗村”工点K30约75%分布在110～150 MPa/m之间;“二堡”工点K30约78%分布在110～190 MPa/m之间;“小草湖”工点K30约71%分布在150～250 MPa/m之间;“柴窝堡”工点K30约70%分布在110～250 MPa/m之间。

图1 试验段工程各工点K30检测结果分布Fig.1 K30test results distribution of test section

2.2 静态变形模量Ev2、Ev2/Ev1结果分析

由图2分析可得:各试验段工点Ev2值分布变化较大，“红旗村”工点Ev2约81%分布在60～100 MPa之间;“二堡”工点约79%分布在100～140 MPa之间;“小草湖”工点约83%分布在100～180 MPa之间;“柴窝堡”工点约88%分布在100～180 MPa之间，部分较离散。通过比较分析，Ev2随填料中粗颗粒含量的增大而增大，当填料中粗颗粒含量大于40%时，Ev2100%符合规范要求。

图2 试验段工程各工点Ev2检测结果分布Fig.2 Ev2test results distribution of test section

由图3分析可得:各试验段工点Ev2/Ev1基本呈正态分布，“红旗村”工点约70%分布在2～2.6之间，小于2的约占23%;“二堡”工点约76%分布在2～2.6之间;“小草湖”工点约83%分布在2～2.6之间;“柴窝堡”工点约75%分布在2～2.6之间。

图3 试验段工程各工点Ev2/Ev1检测结果分布Fig.3 Ev2/Ev1test results distribution of test section

2.3 动态变形模量Evd结果分析

由图4分析表明:“红旗村”工点Evd约77%分布在40～80 MPa之间;“二堡”工点约86%分布在40～80 MPa之间;“小草湖”工点约90%分布在40～80 MPa之间;“柴窝堡”工点约40%分布在60～100 MPa之间，Evd大于100 MPa的约占47%。

图4 试验段工程各工点Evd检测结果分布Fig.4 Evdtest results distribution of test section

2.4 孔隙率n结果分析

由图5分析表明:“红旗村”工点孔隙率n约87%分布在15% ～25%之间;“二堡”工点约96%分布在15% ～31%之间;“小草湖”工点约98%分布在15% ～31%之间;“柴窝堡”工点约98%分布在15%～31%之间。

图5 试验段工程各工点孔隙率n检测结果分布Fig.5 n test results distribution of test section

3 压实检测指标相关性分析

3.1 力学指标间的相关性分析

3.1.1 动态变形模量Evd与地基系数K30

采用“红旗村”工点、“二堡”工点、“小草湖”工点的检测数据分析了不同填料间Evd与K30的相关关系，见图6。

图6 各工点Evd与K30相关关系Fig.6 Relationship between Evdand K30

由图6分析表明:动态变形模量Evd与地基系数K30存在一定的线性相关性，但相关性较差。由于填料的种类、级配等的不同，各工点Evd与K30相关关系存在一定的差异。

通过对各工点数据的进一步分析，发现Evd与K30符合以下函数拟合公式:

令M=Evd/(1－sqrt(K30/Evd)，采用式(1)对各工点Evd与K30进行线性拟合，见图7。图7表明:经过调整之后，各工点Evd与K30相关系数均达到了0.9以上，具有显著的线性相关性。“红旗村”工点、“二堡”工点、“小草湖”工点Evd与K30之间的关系分别见式(2)～(4)。

图7 各工点Evd与K30调整后相关关系Fig.7 Adjusted relationship between Evdand K30

3.1.2 静态变形模量Ev2与地基系数K30

由图8分析表明:静态变形模量Ev2与地基系数K30存在一定的线性相关性，但相关性较差。由于填料的种类、级配等的不同，各工点Ev2与K30相关关系存在一定的差异。

图8 各工点Ev2与K30相关关系Fig.8 Relationship between Ev2and K30

同样，Ev2与K30符合式(5)函数拟合。

令N=Ev2/(1－sqrt(K30/Ev2)，采用式(5)对各工点Ev2与K30进行线性拟合，见图9。由图9表明:经过调整之后，各工点Ev2与K30相关系数都达到了0.9以上，具有显著的线性相关性。“红旗村”工点、“二堡”工点、“小草湖”工点Ev2与K30之间的关系分别见式(6)～(8)。

图9 各工点Ev2与K30调整后相关关系Fig.9 Adjusted relationship between Ev2and K30

不考虑填料不同种类的因素，将所有数据进行调整后的线性回归分析，各力学指标间的相关关系见图10。由图10分析可知，Evd－K30与Ev2－K30之间的相关关系见式(9)和(10)。

将规范规定值代入回归关系式(9)、式(10)，进行对比分析，见表3。

表3 力学指标间的对比Table 3 Contrast between the mechanics index

图10 不考虑填料种类调整后力学指标相关关系Fig.10 Adjusted relationship of mechanics index

由表3分析表明:当Evd等于《暂规》规定值35 MPa，《高规》规定值40 MPa时，对应K30值分别为125，136 MPa/m，这与规范K30值大小相差不多。当Ev2等于《暂规》规定值 45，60 MPa，《高规》规定值80 MPa时，对应 K30值分别为 95，109，127 MPa/m。可见，对于基床以下路堤，《暂规》与《高规》Ev2取值45 MPa偏小，应当取值60 MPa。对于基床底层，《高规》Ev2取值80 MPa，跟K30值比较匹配。

3.1.3 Ev2/Ev1与静态变形模量 Ev2相关性分析

由图11分析表明:Ev2/Ev1与Ev2相关系数R=0.12，相关关系差。由此说明 Ev2/Ev1与Ev2表征了不同的物理意义，二者不可互相替代。Ev2/Ev1表征了路基的压实程度，相比Ev2，Ev2/Ev1更能反映路基的压实质量。目前，《高规》已将Ev2/Ev1纳入其中，并且规定:基床以下路堤:Ev2/Ev1≤2.6;基床底层:Ev2/Ev1≤2.5。由图3分析可知，试验工点中，“二堡”工点、“小草湖”工点、“柴窝堡”工点中约有50%的Ev2/Ev1大于2.6，但通过 K30检测表明，Ev2/Ev1大于2.6的时候，K30值是合格的。德国高速铁路规范Ril836［13］认为，如果1次变形模量EV1超过验标要求Ev2的60%，则Ev2/Ev1可适当放宽。根据德国的高铁建设经验，建议这种情况下Ev2/Ev1可放宽到3.5。对试验段Ev2和Ev1的数据进行统计分析，EV1超过验标要求Ev2的达到了54%左右。所以新疆戈壁地区采取 Ev2/Ev1≤2.6，Ev2/Ev1≤2.5 过严，建议现场实测时，基床以下路堤:Ev2/Ev1≤3.2;基床底层:Ev2/Ev1≤3。

图11 Ev2/Ev1—Ev2相关关系Fig.11 Relationship between Ev2/Ev1and Ev2

3.2 物理指标间的相关性分析

目前我国铁路路基压实质量检测指标，常用的物理指标有压实度K和孔隙率n，其计算公式分别见式(11)和式(12)。

式中:ρd为现场填土实际干密度(g/cm3);ρdmax为室内击实最大干密度(g/cm3);ρs为现场填土颗粒密度(g/cm3)。

由图5分析表明:试验段工程孔隙率n99%小于31%，按照《暂规》规定的孔隙率n＜28%和n≤31%标准来控制，并没有起到主控压实质量的作用，填料的压实质量是由力学指标的控制实现。

由式(11)和式(12)可以推导出式(13):

对于某种填料来说，由室内试验确定的最大干密度和颗粒密度是定值，所以由式(13)可以看出:压实度K和孔隙率n呈性关系。将表1中填料的相关数据代入式(13)，得到了压实度K和孔隙率n关系式见表4。

由表4分析可知:当压实度K≥0.92时，孔隙率n须小于25% 左右;当压实度K≥0.95时，孔隙率n须小于23% 左右。当孔隙率n≤28% 时，压实度K只须大于0.87左右;当孔隙率n≤31% 时，压实度K只须大于0.83左右，很显然这是不合理的。可见文献［11］提出的孔隙率n控制指标有待减小。根据以上分析，建议现场实测时，基床以下路堤孔隙率n≤25%，基床底层孔隙率n≤23%。

德国高速铁路将压实度Dpr作为路基填筑质量的主控指标，并且认为压实度Dpr也可以通过孔隙率n来控制，但与相应的n应针对具体的填料进行室内击实试验来确定。我国铁路传统上［14］细粒土采用压实度K控制路基的密实度，对于粗粒土采用统一孔隙率n控制路基密实度，目前铁道部最新颁布的《高速铁路设计规范》已将孔隙率n指标取消，粗粒土也采用压实度K控制。通过以上分析可以看出，采用现行规范所规定的孔隙率n值控制路基的压实度具有不合理性。

表4 压实度K和孔隙率n关系Table 4 Relationship between K and n

4 压实标准建议值

通过以上对试验段工程各工点4项指标试验结果的分析以及力学指标间、物理指标间相关性的分析，提出了适合新疆戈壁地区高速铁路路基检测的压实标准，见表5。

表5 压实标准建议值Table 5 Suggested value of subgrade quality detecting

5 结论

(1)由于填料的种类、级配等的不同，力学指标Evd与K30，Ev2与K30的直接线性相关性较差。但Evd与K30，Ev2与K30可以用一个函数进行线性拟合，它们之间的间接相关性良好。

(2)通过对 Ev2与 K30，Ev2/Ev1与 Ev2的相关性分析表明:Ev2与 K30标准不匹配;相比 Ev2，Ev2/Ev1更能表征路基的密实度。当采用Ev2标准时建议:基床以下路堤Ev2≥60 MPa且 Ev2/Ev1≤3.2;基床底层Ev2≥80 MPa 且 Ev2/Ev1≤3。

(3)采用现行规范所规定的孔隙率n控制路基的压实度具有一定的不合理性，与压实度K相对应的孔隙率n应针对具体的填料进行室内击实试验来确定。戈壁地区建议:基床以下路堤孔隙率n≤25%，基床底层孔隙率n≤23%。

(4)建议戈壁地区高速铁路路基检测，以K30和压实系数K或孔隙率n检测指标为主控指标，以加快路基压实质量检测速度。

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