戈壁风沙区高速铁路路基压实质量检测方法

2012-10-18王文霞

科学之友 2012年3期

王文霞

（中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西西安 710043）

1 引言

兰新铁路第二双线甘青段LXS-17标位于我国河西走廊西端的甘肃省柳园地区，线路全长104.679km，其中，路基长99.3 km，占线路全长的95%。在高标准铁路建设中如此大规模采用路基，在国内尚属首次，路基施工质量是工程成败的关键。路基的主体结构是免维修结构，不得出现路基病害，因此对其设计应考虑路基结构的受力及变形要求、填筑材料类型的要求、结构尺寸的要求、压实标准的要求、戈壁风沙区检测结果对环境的要求等。

2 高速铁路路基施工质量检测方法

2.1 压实系数K

填料压实系数检测方法有：环刀法、灌砂法、灌水法、蜡封法、气囊法。

式中：K：压实系数；

ρd：干密度，g/cm；

ρdmax：最大干密度，g/cm。

2.2 地基系数K30

根据文克勒的理论，地基系数是表征地基的刚度和变形性质的一种参数。它的值不仅与填料的性质有关，而且还与荷载板的面积、形状、加载方式有关。当确定了荷载板的面积尺寸和加载方式后，就可以测得各种地基在标准下沉量时的地基系数值。地基系数K30采用直径为300 mm的荷载板进行试验，试验时用单位面积压力除以荷载板相应下沉量，计算时选用沉降量为1.25 mm对应的荷载。

式中：K30：由直径300 mm的荷载板测得的地基系数，MPa/m；荷载强度：荷载强度与下沉量关系曲线上下沉量为1.25 mm相对应的荷载强度，MPa；

1.25 ×10-3：下沉量基准值，m。

2.3 动态变形模量Evd

工作原理是，利用落锤从一定高度自由下落在阻尼装置上，再经300 mm承载板在填料面上产生沉陷。通过测试冲击荷载的大小，一定填料面范围的动态变形来求算路基土层的动态变形模量Evd。动态变形模量Evd的大小与沉陷值的大小成反比。

式中：Evd：动态变形模量，MPa；

1.5 ：承载板形状影响系数；

σ：路基面最大动应力，0.1MPa；

S：承载板的垂直沉陷值，mm；

r：承载板半径，150 mm。

2.4 静态变形模量EV2

静态变形模量EV2是西欧、北美等国家已广泛使用的铁路路基压实检测方法。在荷载板试验应用过程中，常用的加载方式有单循环静载和二次循环静载。单循环静载是按每级40 kPa加载，当每级加载完成后每间隔1 min读取1次数据，直至前后两次读数符合沉降稳定的要求，才能转到下一级荷载直至试验最大荷载为止。二次循环静载也是按每级40 kPa加载，分级加载到最后一级荷载的沉降稳定后开始卸载，卸载梯度按最大荷载的0.5或0.25倍逐级进行，全部荷载卸除后记录其残余变形，之后开始另一加载循环。采用300 mm荷载板试验计算变形模量时荷载一直加到沉降量为5 mm或承压板应力达到0.5 MPa为止。

为了更好地分析土的变形性质和承载能力，德国标准采用了二次循环静载法，其结果采用静态变形模量EV2表示。

式中：EV：变形模量，MPa；

r：承载板半径，mm；

σ1max：第一次加载最大应力，MPa；

α1：一次项系数，mm/MPa；

α2：二次项系数，mm/MPa。

3 高速铁路路基施工各种检测方法的对比

3.1 压实系数K

试验前要对试样进行最大干密度ρdmax、最优含水率ωopt、颗粒分析，还要对标准砂密度、密度测定器锥体砂质量测定等工作，只有完成了相应的准备工作方可进行现场压实系数检测。对填料压实质量的检测属于对压实面破坏性检测，而且还要对试坑土样进行含水率测试，而测试填料含水率的过程用时长。戈壁风沙区由于风沙大往往影响电子秤计量的准确性。采用了小帐篷作为挡风设备效果虽然很好，但是操作起来比较复杂。

3.2 地基系数K30

仪器设备由荷载板、加载装置、反力装置、下沉量测装置、辅助设备等组成。实际操作过程中设备数量多、占用现场机械（反力装置）时间长、仪器安装复杂、对环境条件要求高（戈壁风沙区对试验检测结果精度的影响）。

3.3 动态变形模量EVd

动态变形模量EVd具有体积小、重量轻、便于携带、安装及拆卸方便、操作简单、自动化程度高、测试速度快、性能稳定、测试精度高、检测费用低、适用范围广等特点，而且动态变形模量EVd符合土体实际受力状况，受风沙影响小。

3.4 静态变形模量EV2

静态变形模量EV2具有体积大、设备重、不便于携带、安装拆卸复杂、操作复杂、测试速度慢、性能受风沙影响大等特点。试验时需占用机械设备（反力装置）时间长，测试结果整理计算较复杂，对环境条件要求高。

4 各种检测方法数据统计分析

4.1 填料室内试验数据分析

对30组A、B组填料进行室内试验检测其最大干密度、最优含水率、颗粒分析等指标。根据不均匀系数、曲率系数和小于0.075 mm颗粒含量判定其分组，见表1。

表1

从表1中可以看出，这30组料不均匀系数Cu在15.64～30.71之间、曲率系数Cc在0.6～2.29之间，反映出填料级配基本稳定属于A组或B组细角砾土和含细角砾土。其最大干密度和最优含水率也基本均匀。

4.2 填料压实质量检测结果统计

4.2.1 基床底层压实系数K统计

压实系数K分布在0.948～0.992之间，具体概率分布见图1（样本数量为3 000个）。

图1 压实系数K分布图

4.2.2 基床底层动态变形模量统计

动态变形模量EVd分布在33.9～96.7之间，具体概率分布见图2（样本数量为2 500个）。

图2 动态变形模量EVD分布图

4.2.3 基床底层地基系数K30统计

地基系数K30分布在128～222之间，具体概率分布见图3（样本数量为2 000个）。

图3 地基系数K30分布图

4.2.3 基床底层静态变形模量EV2统计

静态变形模量EV2分布在75～330之间，具体概率分布见图4（样本数量为3 000个）。

图4 静态变形模量EV2分布图

4.3 不同检测方法所得指标的相关关系

4.3.1 压实系数K

压实系数K检测数据范围较小和其他检测指标无明显相应关系。主要是填料颗粒级配、含水率的变化影响到实测结果之间的相关关系。通过图1可以看出，压实系数K≥0.950占99%。只要按照试验段工艺性试验总结的各种参数控制和指导后续施工合格率是完全可以保证的。

4.3.2 地基系数K30与动态变形模量EVd的关系

本次对比从基床底层随机抽样2 600个点，舍去异常点后对2 588个点进行统计和回归分析，样本采用率为99.5%，结果见图5。

图5 地基系数K30-动态变形模量EVD关系曲线图

通过分析得出结果如下：

回归方程：K30=77.033+1.333 3Evd

5 智能压实系统

5.1 智能压实系统CMV概述

智能压实系统报告的CMV值作为控制路基压实质量的重要依据，能够在一定程度上反映当前路基的压实状态。智能压实系统报告包括：目标CMV、平均CMV、CMV百分比及薄弱区域的位置，见图7。

图7 智能压实系统CMV报告

目标CMV值是结合常规路基现场检测方法，利用压实系数、动态变形模量、地基系数等与CMV线性关系，通过线性回归分析取得，这个值可以作为后续相同填料压实度的目标值，是检测路基压实质量的临界状态，也是一个最经济的控制指标，并成为智能压实系统过程控制的核心部分。智能压实系统优势为：及时读取数据，实现了压实质量过程控制，属于无损检测；全面对路基压实质量进行控制，并非以点带面；保证了以最少压实变数达到指定目标值，节省时间，极大地提高了施工效率；完整的数据存档，为施工提供过程控制数据，便于改良压实工艺，提高施工检测效率。

5.2 智能压实系统应用效果分析

表2 基床底层碾压变为5遍时采集数据

表3 基床底层碾压变数为7遍时采集数据

表4 基床底层碾压变数为9遍时采集数据

图9 CMV值与动态变形模量EVD关系图

图10 CMV值与地基系数K30关系图

碾压7遍、9遍采集数据见表2、表3、表4，CMV与K、EVD、K30对应散点图，见图8、图9、图10。通过对数据分析可知，随着碾压变数的增加，CMV值与各种检测指标值都在不断增大。在散点图上可以看出，只要CMV目标值在60或60以上，各项指标检测结果都能基本满足设计要求。

6 结束语

根据填料质量确定合适的CMV目标值，当CMV值达到目标值后对照报告中薄弱区域对其进行检测，根据检测结果判定其压实质量。通过对戈壁风沙区高速铁路路基施工质量检测数据的分析，对进一步优化戈壁风沙区高速铁路路基检测技术有着积极意义。但论证结果使用范围有一定的局限性，其他地区建议通过填料性能和施工现场实际检测数据进一步讨论。

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