孔艷艷

(中鐵十九局集團第二工程有限公司武廣項目部,廣東韶關(guān) 512000)

1 概述

路基施工質(zhì)量是客運專線成功建設(shè)的關(guān)鍵問題之一,而路基填筑質(zhì)量檢測技術(shù)是控制路基施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),科學(xué)、合理的試驗檢測方法是保證路基施工質(zhì)量的重要措施?？瓦\專線鋪設(shè)無砟軌道,對路基工后沉降的要求十分嚴格,如何使路基的工后沉降達到鋪設(shè)無砟軌道的要求是急需解決的技術(shù)問題?，F(xiàn)行《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》和《鐵路路基施工規(guī)范》中,對路基壓實質(zhì)量的強度指標檢測主要采用的是地基系數(shù)K30值,K30是采用荷載板測定下沉量為1.25 mm的地基系數(shù)。由于是一次加載,不能消除土體的塑性變形,測試結(jié)果離散性大,可重復(fù)性差,而且K30不能反應(yīng)路基的動荷載的影響；靜態(tài)變形模量Ev2、動態(tài)變形模量Evd檢測技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一種無損傷、高精度的物理探測技術(shù)。靜態(tài)變形模量Ev2的荷載-沉降曲線是在逐級加載后,逐級卸載,再二次加載得出,可認為其沉降(變形)消除了填料的塑性變形,測試結(jié)果離散性小,更能反映路基的真實強度,比地基系數(shù)K30更科學(xué)、更合理。而路基實際承受的荷載不僅有靜荷載,還有列車運行時對路基產(chǎn)生的動荷載。特別是高速鐵路、客運專線動荷載產(chǎn)生的沖擊力對路基的影響更為明顯,也就是說,路基的穩(wěn)定性和變形問題主要是由于動荷載引起的,所以,采用動態(tài)變形模量Evd和靜態(tài)變形模量Ev2作為路基的填筑質(zhì)量檢測標準將更科學(xué)合理、更符合實際情況。在路基試驗段的施工中推導(dǎo)出了Evd、Ev2相關(guān)公式,應(yīng)用于路基施工質(zhì)量控制中起到了很好的作用。

筆者結(jié)合在武廣鐵路客運專線的路基施工中的靜態(tài)變形模量Ev2、動態(tài)變形模量Evd檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)整理,尋求靜態(tài)變形模量Ev2和動態(tài)變形模量Evd的相關(guān)性,利用兩者的相關(guān)性原理對路基填筑施工質(zhì)量進行更為有效的控制。

2 靜態(tài)變形模量Ev2檢測技術(shù)

變形模量Ev2試驗是通過圓形承載板和加載裝置對地面進行第一次加載和卸載后,再進行第二次加載,用測得的承載板下應(yīng)力σ和與之相對應(yīng)的承載板中心沉降量S,來計算變形模量Ev2及Ev2/Ev1值的試驗方法。計量單位是MPa。

適用范圍：Evd動態(tài)平板荷載試驗適用于粒徑不大于荷載板直徑1/4的各類土和土石混合填料。試驗場地及環(huán)境條件要求如下。

(1)對于水分蒸發(fā)快的中粗砂,表面結(jié)硬殼、軟化或因其他原因表層擾動的土,變形模量Ev2試驗應(yīng)置于其影響以下進行,下挖深度應(yīng)不大于承載板直徑。

(2)對于粗、細粒均質(zhì)土,宜在壓實后2～4 h內(nèi)開始檢測。

(3)測試面應(yīng)水平無坑洞。對于粗粒土或混合料填層造成的表面凹凸不平,承載板下應(yīng)鋪一層厚2～3 mm的干燥中砂或石膏膩子。

(4)試驗時測試點應(yīng)遠離振源。

(5)雨天或風(fēng)力大于6級的天氣不得進行試驗。

2.1 靜態(tài)變形模量Ev1、Ev2檢測工作原理

圖1 應(yīng)力-沉降曲線

靜態(tài)變形模量Ev1、Ev2試驗屬于平板載荷試驗,在圓形載荷板上分級施加靜荷載,測試荷載強度與沉降變形的關(guān)系,測試儀通過第一次加載及卸載和第二次加載畫出兩次加載的應(yīng)力-沉降量曲線(圖1),在0.3σ1max和0.7σ1max之間的割線的斜率確定的。

式中Evi——變形模量，MPa；

r——荷載板半徑，mm；

σ1max——第一次加載最大應(yīng)力，MPa；

a1——一次項系數(shù)，mm/MPa；

a2——二次項系數(shù)，mm/MPa2。

第一次加載和第二次加載所得到的應(yīng)力-沉降量曲線,可用下式表達

式中，常數(shù)a0、a1、a2是將測試值按最小二乘法計算得到的。用于計算系數(shù)的方程為

2.2 靜態(tài)變形模試驗儀器

靜態(tài)變形模量測試儀由載荷反力裝置、載荷平板、壓力裝置、測力裝置、沉降測量裝置和輔助裝置等組成。

載荷承臺：一般是有效荷載至少比試驗所需的最高試驗載荷高出10 kN的載重車、拖車、固定支座做為載荷承臺。最簡單的方法是直接用壓路機做為載荷承臺。

載荷平板：載荷平板主要由在其表面布置有盒式水準儀且?guī)в辛繙y裝置的、平底的金屬板構(gòu)成。

壓力裝置：由壓力泵、壓力油管、液壓壓力機等構(gòu)成。

測力裝置：由壓力裝置的液壓壓力機上的壓力表或壓力傳感器組成。

沉降量測裝置：由一個探測裝置和千分表及信息處理軟件構(gòu)成。

2.3 靜態(tài)變形模量Ev2試驗要點

(1)加載：在確定變形模量Evi時,采用一塊φ30 cm的載荷平臺進行,加荷直至達到約5 mm的沉降或在載荷平板下達到0.5 MPa的法向應(yīng)力。至少以6個載荷等級,按大致相同的載荷間隔來施加載荷。如果在試驗過程中發(fā)現(xiàn)起先所選擇的間隔太大或太小,則必須選擇相應(yīng)變化的載荷間隔。從一個載荷等級向另外一個載荷等級的變換必須在60 s內(nèi)結(jié)束。加載或卸載時,每級荷載的保持時間為2 min,在該過程中荷載應(yīng)保持恒定。試驗中若施加了比預(yù)定荷載大的載荷時,應(yīng)保持該荷載,并在記錄表中加以注明。

(2)卸載及卸載周期:按最大載荷的50%、25%和0三級進行。在完全卸載后進行另外一次載荷周期。但為了使沉降、應(yīng)力保持在預(yù)加載的范圍內(nèi),只加載至第一個載荷周期的倒數(shù)第二級。

(3)按第一次加載及卸載和第二次加載測得的應(yīng)力及沉降對應(yīng)數(shù)據(jù),畫出第一次加載及卸載和第二次加載的3條σ-S曲線。

(4)數(shù)據(jù)處理:通過處理軟件,對兩次連續(xù)加載的σ-S曲線進行回歸,得到相應(yīng)回歸方程的參數(shù)(α0、α1、α2)。然后，按沉降模量計算公式及獲得的參數(shù)算出兩次加載所產(chǎn)生的變形模量Ev1、Ev2、Ev2/Ev1。測試完畢,儀器會自動計算各試驗值,并直接顯示Ev1、Ev2、Ev2/Ev1值,需要時可打印試驗結(jié)果。

在試驗規(guī)范中只要求Ev2值滿足設(shè)計,并未對Ev2/Ev1值進行限制,但從理論來講,Ev2/Ev1值過大,說明土體壓實松散或填料不理想,一般情況下Ev2/Ev1值宜≤2.6；當(dāng)2.6≤Ev2/Ev1≤3.5時,Ev1應(yīng)不小于Ev2規(guī)范規(guī)定值的60%。

3 動態(tài)變形模量Evd檢測技術(shù)

Evd動態(tài)平板載荷試驗是采用動態(tài)變形模量測試儀來監(jiān)控檢測土體承載力指標Evd的試驗方法。它通過落錘試驗和沉陷測定來直接測出反映土體動態(tài)特性的指標Evd,計量單位是MPa。

適用范圍：Evd動態(tài)平板荷載試驗適用于粒徑不大于荷載板直徑1/4的各類土和土石混合填料,測試有效深度范圍為400～500 mm。

試驗場地及環(huán)境條件要求：

(1)測試面宜水平,其傾斜度不大于5°。

(2)測試面必須平整無坑洞。對于粗粒土或混合料造成的表面凹凸不平,可用少量細中砂補平。

(3)試驗時測試點必須遠離振源。

3.1 動態(tài)變形模量Evd檢測工作原理

動態(tài)變形模量Evd測試儀的工作原理是采用一定質(zhì)量的落錘,從一定高度下落,通過阻尼裝置和承載板對路基產(chǎn)生瞬間沖擊,使路基產(chǎn)生沉陷,模擬火車運行時對路基產(chǎn)生的動荷載效應(yīng)沖擊路基,在沖擊能作用下測試路基的垂直變形,以此計算路基的動態(tài)變形模量Evd指標。路基壓實越緊密,沉陷值越小,路基動態(tài)變形模量Evd值越高,反之路基動態(tài)變形模量Evd值越低。

3.2 試驗儀器

動態(tài)變形模量測試儀主要由加載裝置、荷載板和沉陷測定儀組成。

落錘儀包括脫鉤裝置、落錘、導(dǎo)向桿、阻尼裝置和承載板等。落錘質(zhì)量10 kg,取沖擊力為7.07 kN,沖擊持續(xù)時間(18±2)ms,導(dǎo)向桿必須垂直、光潔,荷載板主要由圓形鋼板和傳感器等部件組成,圓形鋼板直徑300 mm、厚度20 mm,傳感器必須牢固密貼地安裝在荷載中心位置上。

沉陷測定儀主要由信號處理、顯示、打印機和電源等部分組成。沉陷儀測試范圍為(0.1～2.0)mm±0.05 mm。

Evd測試范圍為10～225 MPa。

3.3 試驗步驟

測試前測試面應(yīng)整平,使荷載板與地面良好接觸,必要時可用少量的細砂來補平,導(dǎo)桿應(yīng)保持垂直,檢查儀器標明的落距。測試步驟如下。

(1)荷載板放置在平整好的測試面上,安裝上導(dǎo)向桿并保持其垂直；

(2)將落錘提升至掛(脫)鉤裝置上掛住,然后使落錘脫鉤并自由落下,當(dāng)落錘彈回后將其抓住并掛在掛(脫)鉤裝置上,按此操作進行3次預(yù)沖擊；

(3)正式測試時進行3次沖擊測試,作為正式測試記錄,測試時應(yīng)避免荷載板的移動和跳躍；

(4)測試時,應(yīng)記錄每個測點的工程名稱、檢測部位、試驗時間、土的種類、含水率以及相關(guān)的參數(shù)。

3.4 試驗結(jié)果計算

試驗結(jié)果應(yīng)按下列平板壓力公式計算

Evd=1.5×r×σ/S

或采用簡化公式

Evd=22.5/S

式中Evd——動態(tài)變形模量,MPa,計算至0.1 MPa；

r——圓形剛性荷載板的半徑，mm,即r=150 mm；

σ——荷載板下的最大動應(yīng)力,它是通過在剛性基礎(chǔ)上,由最大沖擊力FS=7.07 kN且沖擊時間ts=18 ms時標定得到的,σ=0.1 MPa；

S——實測荷載板下沉幅值，mm,取3次沖擊測得的平均值。

測試完畢,儀器會自動計算顯示檢測Evd值,并可打印試驗結(jié)果。

4 Ev2和Evd試驗的相關(guān)分析

動態(tài)變形模量Evd測試儀體積小、質(zhì)量輕(總質(zhì)量不超過35 kg,單件質(zhì)量不超過15 kg)、安裝攜帶方便,且不需外加附屬設(shè)備,試驗操作簡單、測試速度快,檢測一點只需3 min。在路基的狹窄地段,如路橋過渡段、邊坡附近檢測也非常方便適用,在施工中可以增加檢測點的數(shù)量,使試驗數(shù)據(jù)更全面、更有代表性,并且還可以隨時跟蹤檢測,真正實現(xiàn)施工過程中的質(zhì)量監(jiān)控；而Ev2試驗對測試環(huán)境和測試時間要求較嚴格,安裝調(diào)試較煩瑣,分級加載和分級卸載耗的時間長,出現(xiàn)了施工等待檢測結(jié)果的現(xiàn)象。為解決兩者之間檢測時間上的矛盾問題,在武廣鐵路客運專線路基檢測過程中積累了大量的檢測數(shù)據(jù),經(jīng)線性回歸分析,發(fā)現(xiàn)Evd與Ev2之間具有較好的相關(guān)性,并且應(yīng)用于施工中,起到了良好的指導(dǎo)作用?，F(xiàn)將武廣鐵路客運專線Ⅴ標段路基檢測Ev2、Evd的數(shù)據(jù)收集、整理和進行的初步分析匯總?cè)缦隆?/p>

4.1 B組填料試驗結(jié)果分析

采用過篩的天然級配砂礫石(最大粒徑60 mm)作為填料的粗骨料,摻入23%的粉質(zhì)黏土場拌后作為B組填料。施工采用機械化作業(yè),按照“三階段、四區(qū)段、八流程”的作業(yè)程序進行填筑作業(yè),及時進行現(xiàn)場測量和含水率的控制,保證每一層碾壓效果均勻一致。檢測結(jié)果及分析情況見表1。

由表1可以得出，Ev2值的變異系數(shù)總體上小于Evd的變異系數(shù),即相同的填料、相同的施工工藝，Ev2值相對于Evd值離散性小、且Ev2與Evd的值是呈同向變化的,將各層的Ev2和Evd的平均數(shù)做為一個樣本,假設(shè)Ev2和Evd是成線性關(guān)系,即Ev2=a+bEvd,用最小二乘法進行線性回歸,求得a=95.399 7,b=0.776 6,相關(guān)系數(shù)γ=0.624>γ0.05(查相關(guān)系數(shù)檢驗表,樣本個數(shù)n=19,顯著水平β=0.05的臨界值γ0.05=0.433),假設(shè)可以成立,Ev2和Evd是成線性關(guān)系,且回歸方程Ev2=95.399 7+0.776 6Evd是有意義的。其關(guān)系曲線見圖2。

圖2 B組填料Ev2與Evd關(guān)系曲線

4.2 過渡段級配碎石試驗結(jié)果分析

過渡段填料為級配碎石摻加5%的水泥,采取場拌方法,混合料直接卸入運輸車車斗內(nèi),運至現(xiàn)場,推土機輔以人工攤鋪,機械碾壓。過渡段與相鄰路段B組填料同步施工、檢測,檢測結(jié)果及分析情況見表2。

水泥穩(wěn)定級配碎石Ev2的變異系數(shù)也是總體上小于Evd的變異系數(shù),同樣用最小二乘法進行線性回歸,求得a=69.880 6,b=1.094 2,相關(guān)系數(shù)γ=0.794>γ0.05(查相關(guān)系數(shù)檢驗表,樣本個數(shù)n=28,顯著水平β=0.05的臨界值γ0.05=0.361),假設(shè)可以成立,Ev2和Evd是成線性關(guān)系,且回歸方程Ev2=69.880 6+1.094 2Evd是有意義的。關(guān)系曲線見圖3。

表1 B組填料(細圓礫土)壓實實測值統(tǒng)計分析

表2 水泥穩(wěn)定級配碎石壓實實測值統(tǒng)計分析

圖3 水泥穩(wěn)定級配碎石Ev2與Evd關(guān)系曲線

客運專線直接要求將Ev2、Evd作為基床底層、基床表層和過渡段的壓實指標,而客運專線路基施工過程中由于工期限制等因素的影響,勢必造成各施工路段必須平行作業(yè),而Ev2、Evd檢測儀器目前在國內(nèi)價格還是相當(dāng)昂貴,各標段不可能同時配備多臺變形模量Ev2測試儀和動態(tài)變形模量Evd測試儀。同標段的各施工路段都需同一儀器檢測時,可先檢測Evd,根據(jù)上述公式推斷Ev2,Evd和Ev2推測值都合格時再實際檢測Ev2；Ev2不合格的施工路段繼續(xù)碾壓,這樣節(jié)約了檢測時間,提高了檢測效率,加快了施工進度。

5 結(jié)語

Ev2是反映路基填料二次靜載壓縮的特征參數(shù),Evd是反映路基填料動態(tài)壓縮的特征參數(shù)。對路基變形嚴格要求的客運專線鐵路來說,采用Ev2和Evd進行路基填筑壓實檢測是必須和可靠的。武廣鐵路客運專線作為我國首條設(shè)計時速為350 km的鐵路,必將為中國大規(guī)模高速鐵路全面建設(shè)積累寶貴經(jīng)驗,Ev2和Evd的相關(guān)性分析對其他鐵路的建設(shè)具有參考價值。由于各線使用的填料不同,建議在路基檢測的試驗階段找出動態(tài)變形模量Evd與靜態(tài)變形模量Ev2之間的規(guī)律,確定其線性方程,輔助應(yīng)用于路基施工檢測中,以提高路基檢測和施工效率。

[1] 鐵道第一勘察設(shè)計院.變形模量Ev2檢測檢測規(guī)程(試行)[S].北京：中國鐵道道出版社,2005.

[2] TB10102—2004，鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].

[3] 李怒放.客運專線無砟軌道路基壓實標準K30與Ev2的探討[J].鐵道標準設(shè)計，2006(2)：1-3.