含水率与轻型动力触探N10对既有重载铁路路基压实度指标变化关系研究

肖尊群，李志平

(1.武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北 武汉 430205；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410075)

含水率与轻型动力触探N10对既有重载铁路路基压实度指标变化关系研究

肖尊群1，李志平2

(1.武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北 武汉 430205；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410075)

通过朔黄铁路现场路基压实度指标地基系数K30、动弹性模量Evd、二次回弹模量EV2、二次回弹模量与1次回弹模量比EV2/EV1、轻型动力触探击数N10测试实验数据和含水率w测试实验数据。基于以上数据研究含水率对地基压实指标K30、Evd、EV2、EV2/EV1和轻型动力触探击数N10之间的变化关系。并且提出动力触探击数N10估算K30、EV2、EV2/EV1、Evd的估算方法。通过实例验证得出该估算方法的适用条件：①为含水率8%～14%，且以粉质黏土为主体填料的C组填料；②锤击数范围17～30击。而且在对EV2/EV1的估算时，需要谨慎对待，注意误差修正。研究结果表明：该方法对于既有重载铁路C组填料路基的快速检测评估具有十分重要的意义。

重载；地基系数；动弹模量；二次回弹模量；动力触探；含水率

路基的压实度指标K30是路基压实度的重要指标，由于高速铁路路基对沉降变形要求较高，高速铁路路基施工期间，采用动弹性模量Evd、二次回弹模量EV2、EV2/EV1 作为路基压实度的重要评价指标。 随着近年来，我国重载铁路年运输量逐年增加，各类路基病害越来越严重，迫切需要对既有重载铁路路基的压实度进行重新评估。引入高速铁路路基压实度评价Evd、EV2、EV2/EV1，并与K30一起作为既有重载铁路路基压实度评估指标，通过现场测试试验获得有关压实度、轻型动力触探N10、密度、填料含水率等测试参数。现场路基K30、EV2、EV2/EV1的测试工作比较复杂，测试工作废时废工，不适应于整条线路快速检测评估的需要，Evd测试虽然简单，但也需要在路基边坡处开挖实验平台，不适用于整条线路多点检测评估。N10的现场测试，简单易行、方便快捷。但是动力触探的实验结果主要用来确定路基的承载力、变形模量。虽然也能在一定程度上反映路基的压实程度，评价效果没有K30、EV2、EV2/EV1、Evd直接。本文从重载铁路实际运营状况出发，针对以粉质黏土为主填料的C组路基填料，进行原位测试和室内试验，获得第一手的重载铁路路基压实度指标和相应试验段土样的含水率、密度等物理力学参数，首先建立轻型动力触探与土样含水率之间的关系，分析时，考虑实际列车荷载作用对动力触探击数的影响。

有关轻型动力触探击数与既有重载路基压实指标之间变化关系的研究成果较少，主要研究成果集中在对新建铁路路基压实施工标准的研究上。谭祖保[1]研究了路基填筑时K30测试值的主要影响因素。戴玉等[2]对铁路路基压实检测力学指标K30、Evd、EV2之间检测原理进行对比分析。胡在良等[3]针对对不同压实条件下级配碎石路基Evd控制指标进行试验研究。常丹等[4]以D-P模型为基础，对不同参数的K30、Evd、EV2进行仿真分析，应用线性回归方法对试验结果进行分析。李芦林[5]针对铁路路基填料地基系数采用K30和Evd平板荷载试验的2种方法，对2组数据进行了统计。冯华等[6]针对京沪高速铁路控制路基压实指标中的变形模量EV2和地基系数K30两个力学指标作了相关性分析。王从贵[7]基于试验数据并利用Evd动态平板荷载试验与K30平板荷载试验数据的相关关系，推算出地基系数K30值。郭伟玲等[8]对高速铁路路基质量检测指标Evd与K30进行相关性分析，利用回归的结果计算数值与规范中给出的标准值接近，在实际工程中可将Evd替代K30与压实系数k来控制路基压实质量。朱浩波等[9]利用大量实测数据，对K30、EV2、EVD3项指标进行了相关性分析。许国平等[10]对高速铁路无砟轨道路基质量控制指标，对各控制指标的取值范围进行了探讨。肖尊群[11]对重载铁路路基的承载力状态、压实度以及病害状态的评估方法进行了研究，对评估参数的选取以及评估指标之间的关系进行了深入的探讨，建立起了相应的承载力、压实度、病害的评估模型。

从上面的分析可以知道K30、EV2、Evd3项指标在表征路基压实度方面具有很高的相关性，但是上述研究成果都没有涉及到地基土含水率对既有路基三项压实指标的影响，也没有分析轻型动力触探N10与三项指标的变化关系。本文重点研究既有路基填料含水率对轻型动力触探以及3项压实指标之的影响，探讨路基填料3项指标与轻型动力触探N10之间的相互变化关系，为该类C组填料重载铁路路基状态的快速检测和评价服务。

1 既有路基含水率w对路基性能指标的影响

1.1含水率对路基三项压实指标的影响

既有基床和路基本体填料的含水率多在18%以下，含水率范围主要集中在9%～14%之间，因此在这区间的统计数据最有意义，通过数据拟合回归得到图1～4的曲线。

图1 含水率w与地基系数K30的变化关系图

1.1.1 含水率w与地基系数K30的变化关系

图1为路基含水率与地基系数K30的曲线变化关系，从拟合曲线的发展趋势上看，随着含水率的增加，K30有曾大的趋势，主要统计区域在含水率9%～14%之间，通过回归分析，获得K30和路基含水率之间的拟合关系符合指数分布，其拟合公式见式(1)。

K30=7.28e0.19w

(1)

拟合方差R2=0.82。该曲线拟合的相关度较高，具有一定的数理统计的意义。

1.1.2 含水率w与二次回弹模量EV2之间的变化关系

图2为含水率与二次回弹模量EV2的变化关系，与K30的变化关系类似，EV2也随着含水率w的增大而增大，通过曲线拟合回归分析，二次回弹模量与含水率的变化关系符合二次多项式分布，拟合曲线表达公式见式(2)。

EV2=1.1w2-20.6w+121.9

(2)

拟合方差R2=0.81。

1.1.3 含水率w与EV2/EV2之间的变化关系

图3为含水率与EV2/EV2之间的变化的变化关系，由图3可知：EV2/EV1与含水率的变化关系不明显，虽然在统计区间呢，拟合出了一条二次曲线，但是其变化关系却趋近于一条水平曲线，说明在统计区间内，EV2/EV1受含水率w影响不大。

1.1.4 含水率w与动弹模量Evd之间的变化关系

图4为含水率w与动弹模量Evd之间的变化关系，由图4可知：动弹性模量Evd与含水率之间的变化关系符合二次曲线的分布关系，在统计区域内动弹模量随着含水率的增加而减小，减小的速率较慢。在统计区间内，二动弹性模量与含水率的变化关系符合二次多项式分布，拟合曲线表达公式见式(3)。

Evd=-0.052w2+0.33w+27.3

(3)

拟合方差R2=0.782。

图2 含水率w与二次回弹模量EV2之间的变化关系图

图3 含水率w与EV2/EV1之间的变化关系图

图4 含水率w与动弹模量Evd之间的变化关系图

1.2含水率与轻型动力触探N10之间的变化关系

图5为含水率w与动弹模量轻型动力触探之间的变化关系，由图5可知：当含水率w在8%～14%的统计区间内，动力触探随含水率的增加而增加。高于14%以后呈现下降的趋势，但是由于路基填料含水率主要集中8%～14%之间，高于14%的统计数据有限，不具有统计学意义。因此，可以认为通常情况下，路基填料的的轻型动力触探的锤击数随含水率w的增大而增大。二者的拟合关系符合二次曲线。拟合公式见式(4)。

N10=-0.51w2+15.5w-89.5

(4)

拟合方差R2=0.842。

图5 含水率w与轻型动力触探N10之间的变化关系图

2 轻型动力触探N10击数与路基填料3项压实指标的相关性分析

轻型动力触探N10试验简单易行，在既有路基检测时，并不需要在路堤边坡开挖试验平台，可以任意寻找想要测试的位置进行测试。试验成本低，对路基破坏轻，因此在既有路基状态评估时，越来越受到重视。过去轻型动力触探N10用于检验砂土的密实度和地基承载力。在检验既有路基密实程度方面的研究比较少，主要在于轻型动力触探在评估路基的压实程度时，虽然可以获得大量的原始测试数据，但是误差比较大，而我们知道检验路基压实程度的主要指标为K30、EV2、EV2/EV1、Evd、孔隙率n等，这些指标能够比较准确的反映路基的力学和几何特性，因此被现有的铁路路基设计规范[12]广泛接受。但是要在既有线路上面通过相应的试验获得上述参数，代价是比较大的，因此，笔者通过一定量的测试数据，试图获得轻型动力触探N10击数与路基填料3项压实指标数理统计关系，然后选取类似以粉质黏土为主料的C组填料路基作为试验段对该拟合关系进行检验，若能获得一定统计区间内的拟合关系，对于通过N10估算土体三项压实指标，进而对既有路基压实度情况进行评估具有十分重要的意义。为此，课题组在朔黄铁路选取试验段进行相应的K30、Evd、EV2、EV2/EV1、N10的现场测试试验，试验结果见图6～9。

图6 K30与N10之间的变化关系曲线

图7 EV2/EV1与N10之间的变化关系曲线

图8 Evd与N10之间的变化关系曲线

图9 EV2与N10之间的变化关系曲线

通过曲线拟合获得路基填料压实指标与N10的拟合关系公式，见式(5)～(8)。

R2=0.843

(5)

R2=0.456(无统计意义)

(6)

R2=0.865

(7)

R2=0.784

(8)

朔黄铁路C组填料试验段的轻型动力触探N10击数统计范围主要集中在17～35击之间，因此，本次实验在这一区段的试验数据具有数理统计意义。本次试验所确定的路基压实指标与轻型动力触探所确定的拟合关系的适用条件为：以粉质黏土为主体且路基填土的含水率在9%～14%之间的C组填料，适合于轻型动力触探的击数范围17～35击，轻型动力触探击数为考虑列车动荷载作用的修正击数。通过以上拟合关系就可以通过测试路基的轻型动力触探击数来估测三大压实指标，从而对整个重载铁路路基基床、路基本体的压实状态进行评估。

3 工程实例验证

既有重载铁路路基的压实度与填料性质、降水、路基病害的发育、加固情况等因素关系十分密切，其与N10的变化规律也是十分复杂的，因此，利用实验数据统计出来的拟合关系的使用应严格遵守本文提出的适用条件，为了验证轻型动力触探N10与压实度指标的拟合关系是否正确，课题组选取朔黄铁路K250+434-K254+780作为试验段，进行相应参数的测试，该区段的填料与试验组填料基本一致，含水率的范围在9%～14%之间。通过试验结果与估算结果的对比对本文提出的拟合关系进行验证，部分验证结果见表1。

表1 现场试验与估算结果对比表

绘制3项压实指标的误差分析分布图如10所示，当锤击数在17～30击时，K30估算值与实测值的误差在5%以内，EV2的估算值与实测值的误差10%以内。Evd的误差相对较大，一般在10%～20%之间，离散性较大。综上所述，利用N10估算路基三项压实指标的锤击数范围在17～30击，当利用N10对Evd进行估算时，应该谨慎对待，注意误差修正。

4 结 论

图10 压实度三项指标的误差分析

1)朔黄铁路路基填料主要是以粉质黏土为主的C组填料，填料的力学性能较差，含水率一般在8%～14%之间，在这个区间，含水率与填料的压实度指标以及轻型动力触探N10击数之间存在一定的相关性。通常满足2次曲线或指数曲线变化关系。

2)轻型动力触探试验简单易行，可以利用N10估算压实度的三项指标。提出的拟合公式适用条件为：含水率在8%～14%粉质黏土为主的C组填料，N10击数在17～30击之间。利用N10拟合公式估算K30和EV2可以很好的控制误差。利用N10算动弹性模量Evd时，需要谨慎对待，需要进行相应的误差修正。

3)朔黄线、大秦线等主要重载货运线路而言，其路基填料在组成、性能、线路运营情况基本类似，本文的研究成果对于重载铁路路基状态的快速检测评估以及养护加固对策的制定具有指导意义。

[1] 谭祖保.浅析路堤填料含水率与K30测试值的关系[J].路基工程，2003(S1)：24-28.

[2] 戴玉，赖国泉.铁路路基压实指标K30、Ev2、Evd对比分析[J].铁道勘查，2011(3)：52-55.

[3] 胡在良.李晋平，王军东，等.无砟轨道铁路路基变形模量Ev2控制指标的试验研究[J].中国铁道科学，2008，29(5)：45-48.

[4] 常丹，刘建坤，田亚护.Evd，Ev2和K30相关关系的数值分析[J].岩土工程学报，2013，35(2)：428-432.

[5] 李芦林.Evd，K30平板载荷对比试验探讨[J].铁道工程学报，2007，12(S1)：24-29.

[6] 冯华，曲宏略，杨海清.变形模量Ev2与地基系数K30的相关性分析[J].2011，22(4)：151-153.

[7] 王从贵.动态变形模量Evd与地基系数K30的相关性研究[J].路基工程，2004(2)：4-8.

[8] 郭伟玲，刘军.高速铁路路基质量检测指标Evd与K30相关性分析[J].公路交通科技，2015，125(3)：85-88.

[9] 朱浩波，曲宏略，张顶立． 高速铁路路基质量检测指标K30、Ev2、Evd的相关性分析[J]． 北京交通大学学报，2011，35(1)：49-53．

[10] 许国平，周全能，胡一峰.高速铁路无砟轨道路基质量控制指标研究[J].铁道工程学报，2007(11)：14-18.

[11] 肖尊群.重载铁路路基状态评估系统研究[D].长沙：中南大学，2011.

[12] 《铁路路基设计规范》编委会.铁路路基设计规范(TB10001-2005 J447—2005)[M].北京：中国铁道出版社，2005.

ResearchonexistingoverloadedrailwaysubgradecompactionindexchanginginrelationtoN10andmoisturecontentseparately

XIAO Zunqun1，LI Zhiping2

(1.School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan430205，China；2.School of Geosciences and Inf-physics，Central South University，Changsha410075，China)

The railway subgrade compaction indexs of foundation coefficient K30，dynamic elastic modulusEvd，the second rebound modulusEV2， the second resilient modulus and a second resilient modulusEV2/EV1，light dynamic penetrationN10，and moisture content w were obtained by field test in SHU-HUANG railroad.Based on the above datas，The changing relationship of foundation compaction indexes —K30，Evd，EV2，EV2/EV1，N10，and moisture content w separately were researched.The mentioned estimation methods inK30，EV2，EV2/EV1，Evdbeing estimated by use of N10were proposed.The applicable conditions of estimation method was obtained through examples verification：① the silty clay as main filler was belong to c group，the moisture content being8%～14%；②N10range was17～30，andEV2/EV1was estimated to fix error.The results were shown：The method proposed was great importance，for the existing heavy rail roadbed filler GroupCrapid detection and evaluation.

heavy load；foundation coefficient；dynamic elastic modulus；the second rebound modulus；light dynamic penetration；moisture content.

2016-03-31责任编辑：宋菲

国家自然科学基金项目“列车动荷载作用下道砟散体动态力学特征与道砟陷槽病害微观力学机制研究” 资助(编号：51308424)

肖尊群(1982-)，男，博士，副教授，主要从事重载铁路路基加固与评估技术方面的研究工作，E-mail：xiaozunqun@126.com。

U213.1

：A

：1004-4051(2017)09-0164-05