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        客運(yùn)專線鐵路路基變形模量檢測(cè)與路基壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

        2010-05-04 08:42:46張智
        鐵道建筑 2010年7期
        關(guān)鍵詞:模量填料壓實(shí)

        張智

        (鐵道部工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站,北京100844)

        路基施工質(zhì)量是客運(yùn)專線鐵路建設(shè)關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題之一,而路基填筑質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)是路基施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),科學(xué)、合理的試驗(yàn)檢測(cè)方法是保證路基施工質(zhì)量的重要措施。我國(guó)有砟軌道路基壓實(shí)質(zhì)量采用地基系數(shù) K30、動(dòng)態(tài)變形模量 Evd、孔隙率 n三項(xiàng)指標(biāo)控制,無(wú)砟軌道路基檢測(cè)在有砟軌道的基礎(chǔ)上引入了變形模量Ev2檢測(cè)指標(biāo),進(jìn)行四項(xiàng)指標(biāo)控制。

        目前,我國(guó)鐵路相關(guān)規(guī)程已明確規(guī)定了二次變形模量Ev2值的控制標(biāo)準(zhǔn),二次變形模量與一次變形模量的比值Ev2/Ev1值尚無(wú)統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)一些專家及工程技術(shù)人員關(guān)于路基Ev2檢測(cè)作了大量試驗(yàn)與科研。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中提出,在無(wú)砟軌道路基檢測(cè)中均遇到過(guò)Ev2測(cè)試值雖然超過(guò)設(shè)計(jì)要求值,但Ev2與Ev1的比值卻很大,甚至在壓實(shí)度明顯不足的土上進(jìn)行Ev2檢測(cè),出現(xiàn)Ev2值也并不低的情況。本文結(jié)合新建客運(yùn)專線鐵路路基Ev2測(cè)試資料,分析了路基Ev2測(cè)試指標(biāo)的分布規(guī)律及影響因素,對(duì)Ev2工程測(cè)試具有借鑒作用。

        1 試驗(yàn)原理與方法

        變形模量Ev2試驗(yàn)屬于平板荷載試驗(yàn),在圓形荷載板上分級(jí)施加靜荷載,測(cè)試荷載強(qiáng)度與沉降變形的關(guān)系,由此計(jì)算地基的變形模量。試驗(yàn)方法與地基系數(shù)K30試驗(yàn)類似,其主要差別在于數(shù)據(jù)整理和計(jì)算方法的不同。變形模量Ev2試驗(yàn)采用二次循環(huán)加載。這樣,可以得出第一次加載、第一次卸載和第二次加載的荷載—沉降量曲線。

        在鐵路路基填筑施工質(zhì)量檢測(cè)中,一般情況下采用直徑300 mm的荷載板。試驗(yàn)先預(yù)壓0.01 MPa的荷載30 s,然后分級(jí)加載,直至沉降達(dá)到5 mm或荷載達(dá)到0.5 MPa。加載等級(jí)不應(yīng)小于6級(jí),卸載分3級(jí),每級(jí)加載要在60 s內(nèi)完成,加載完成后經(jīng)120 s加下一級(jí)荷載,荷載—沉降量曲線見(jiàn)圖1。

        圖1 Ev2荷載—沉降量曲線

        由于土是彈塑性體,在平板荷載試驗(yàn)中,第一次加載后的第一次卸載σ—s曲線當(dāng)荷載σ為零時(shí),沉降量s并不為零,即土體由于塑性的存在發(fā)生了不可恢復(fù)的殘余變形。第二次加載時(shí)由于消除了土體的部分塑性變形,得到的σ—s曲線就比較接近于直線,比較能反映土體的彈性變形。相對(duì)于K30來(lái)說(shuō),采用第二次加載曲線來(lái)計(jì)算土體在力的作用下抵抗變形的能力(變形模量Ev2),消除了土的部分表面塑性,更能反映土體的彈性性能。

        圖1中,第1次加載曲線走向平緩表明承載力高,走向陡峭則表示承載力低。卸載至零荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的殘余沉降量代表路基產(chǎn)生的塑性變形,Ev2值是消除地基表面效應(yīng)后,被壓實(shí)后路基的剛度。當(dāng)Ev2/Ev1值較大時(shí),說(shuō)明路基的塑性變形(沉降量)較大,路基壓實(shí)不充分。

        2 工程測(cè)試資料分析

        變形模量Ev2值與Ev2/Ev1值均為評(píng)價(jià)無(wú)砟軌道路基壓實(shí)質(zhì)量的重要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)新建鐵路路基Ev2測(cè)試資料分析,可以看出Ev2測(cè)試指標(biāo)的分布規(guī)律及其對(duì)路基質(zhì)量的控制作用。以京津城際Ⅱ標(biāo)段路基為例,抽取的碎石類土路基800個(gè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù),Ev2值均 >130 MPa,無(wú)不合格現(xiàn)象,但在平行檢測(cè)指標(biāo) K30、Evd不合格處,Ev2/Ev1值偏大。為此,對(duì)于A、B組填料,京津城際軌道交通工程規(guī)定了 Ev2/Ev1≤3,檢測(cè)過(guò)程中,收到了良好的控制效果。

        本文隨機(jī)抽取了城際軌道交通工程93組級(jí)配碎石路基Ev2測(cè)試數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析,其中57組數(shù)據(jù)為普通級(jí)配碎石路基,36組數(shù)據(jù)為涵洞或橋臺(tái)過(guò)渡段(水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填料)。檢測(cè)結(jié)果表明,Ev2測(cè)試值介于140~926 MPa之間,是規(guī)范規(guī)定值的2.33~15.43倍,Ev2/Ev1為1.01~5.59,Ev2值及 Ev2/Ev1值分布見(jiàn)表1。

        表1 級(jí)配碎石路基Ev2值及Ev2/Ev1分布

        表1中,Ev2/Ev1主要介于2.0~3.0之間,不同填料Ev2/Ev1平均值為2.70,標(biāo)準(zhǔn)差0.85。從Ev2/Ev1值分布來(lái)看,水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填料Ev2/Ev1>3.0的量占總量的38.89%,不摻水泥級(jí)配碎石Ev2/Ev1>3.0的量占總量的21.05%。從平行檢測(cè)的K30值與Ev2值、Ev2/Ev1值的分布規(guī)律來(lái)看,隨比值 Ev2/Ev1的增大,K30值呈減小趨勢(shì),Ev2值分布無(wú)規(guī)律性;對(duì)于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填料,Ev2/Ev1≥3.0時(shí),K30值的分布規(guī)律稍差,并非隨比值的增大而減小。因此,對(duì)于普通填料Ev2/Ev1值較大時(shí),則路基壓實(shí)不充分;對(duì)于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填料,Ev2值一般均較大,且Ev2/Ev1分布規(guī)律性差,Ev2/Ev1值并不能完全反映路基壓實(shí)程度。

        針對(duì)Ev2測(cè)試值普遍偏高的現(xiàn)象,本文分析研究了新建鐵路路基的Ev2監(jiān)督抽檢資料,見(jiàn)表2。

        表2 新建鐵路路基抽檢資料分析

        表2中,除水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填料外,其余填料路基Ev2/Ev1值均<3.0,其中細(xì)粒土填料(改良土、礫砂)Ev2值均偏低,粗粒土Ev2值偏高。可以看出,Ev2值反映了路基壓實(shí)后的剛度,與填料類型有關(guān),如果填料選擇不合理,亦可能出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。因此,客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路引進(jìn)Ev2值控制是有效的。

        路基變形模量Ev2的工程測(cè)試資料分析表明,測(cè)試指標(biāo)Ev2值、Ev2/Ev1值從不同角度評(píng)定了路基質(zhì)量。Ev2值反映了路基壓實(shí)后的剛度與填料類型有關(guān),粗粒土填料的Ev2值普遍高于細(xì)粒土,彈性性能優(yōu)于細(xì)粒土;除水泥穩(wěn)定填料外,Ev2/Ev1值越大,則路基越不密實(shí)。

        3 Ev2控制標(biāo)準(zhǔn)及影響因素

        路基壓實(shí)質(zhì)量不僅與變形模量 Ev2值有關(guān),還與Ev2/Ev1值有關(guān)。目前,行業(yè)相關(guān)規(guī)程尚未制訂Ev2/Ev1的控制標(biāo)準(zhǔn),工程測(cè)試中,Ev2測(cè)試值遠(yuǎn)高于規(guī)范控制值。針對(duì)工程測(cè)試出現(xiàn)的問(wèn)題,作如下分析討論。

        3.1 Ev2值的控制標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

        Ev2在國(guó)內(nèi)采用時(shí)間不長(zhǎng),無(wú)論是設(shè)計(jì)取值、檢測(cè)規(guī)程、檢測(cè)設(shè)備,均是借鑒和引進(jìn)國(guó)外的,而在引進(jìn)、消化、吸收的過(guò)程中,隨著實(shí)際工程應(yīng)用所暴露出的問(wèn)題,就會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了解還不夠全面和深入。工程測(cè)試資料分析表明,基于目前客運(yùn)專線所采用的填料,Ev2測(cè)試值遠(yuǎn)高于規(guī)范控制值,在研究探討如何控制路基工后沉降的同時(shí),應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn),開(kāi)展相關(guān)的研究,提出適合我國(guó)高速鐵路建設(shè)的Ev2值控制標(biāo)準(zhǔn)。

        3.2 Ev2/Ev1值的控制標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

        德國(guó)鐵路路基規(guī)范RIL836中規(guī)定了Ev2的設(shè)計(jì)值,與其相關(guān)的規(guī)范ZTVE-StB94/97(德國(guó)道路土方路基工程附加技術(shù)合同條款和規(guī)程)中對(duì)Ev2/Ev1值的大小給出了限制值。德國(guó)除規(guī)定Ev2值要滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外,同時(shí)還要求Ev2/Ev1的值要滿足相應(yīng)的值,且當(dāng)Ev1超過(guò)Ev2要求值的60%時(shí),對(duì)Ev2/Ev1值的要求也允許適當(dāng)放寬。

        目前,我國(guó)客運(yùn)專線關(guān)于Ev2/Ev1值相應(yīng)規(guī)范、規(guī)程均沒(méi)有給出其控制值。針對(duì)無(wú)砟軌道路基檢測(cè)中經(jīng)常遇到Ev2測(cè)試值雖然超過(guò)設(shè)計(jì)要求值,但Ev2與Ev1的比值卻很大,甚至在壓實(shí)度明顯不足的土上進(jìn)行Ev2檢測(cè),出現(xiàn)Ev2值也并不低的情況,各客運(yùn)專線鐵路在建設(shè)中提出了Ev2/Ev1控制指標(biāo),作為參考,但仍沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速、工況基本一致,對(duì)于相同的路基填料應(yīng)分析、研究,制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

        3.3 水泥穩(wěn)定填料的Ev2檢測(cè)問(wèn)題

        過(guò)渡段常采用水泥穩(wěn)定填料,由于水泥的膠結(jié)作用,碾壓完畢經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間放置后,水泥穩(wěn)定填料板結(jié)形成整體,并具有一定的強(qiáng)度,出現(xiàn) Ev1、Ev2值均明顯高于Ev2控制值,Ev2/Ev1值偏高的現(xiàn)象。進(jìn)行 K30、Evd和 n平行測(cè)試時(shí),K30、Evd一般都比較高,孔隙率n測(cè)試試坑因填料板結(jié)較難開(kāi)挖。為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及有效性,水泥穩(wěn)定填料應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程要求,在碾壓完畢后2~4 h內(nèi)開(kāi)始檢測(cè)。

        3.4 Ev2檢測(cè)影響因素分析及應(yīng)對(duì)措施

        1)含水率影響。土體的含水率對(duì)其強(qiáng)度測(cè)定有較大的影響,當(dāng)水在土體中以自由水存在時(shí)會(huì)降低其強(qiáng)度,當(dāng)水在土體中以結(jié)合水存在時(shí)會(huì)增加其強(qiáng)度。為確保檢測(cè)結(jié)果能反映出路基土的真實(shí)強(qiáng)度,試驗(yàn)時(shí)土體的含水率變化范圍應(yīng)是在其使用期間所能保持的范圍,宜在壓實(shí)后2~4 h內(nèi)開(kāi)始試驗(yàn)。

        2)路基表面平整度影響。當(dāng)試驗(yàn)場(chǎng)地面不平整時(shí),試驗(yàn)面與承載板接觸面不緊密,甚至只有局部支撐,這樣就存在應(yīng)力集中的問(wèn)題,直接影響試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于粗粒土或混合料填層造成表面凹凸不平,承載板下應(yīng)鋪一層厚約2~3 mm的干燥中砂或石膏膩?zhàn)印?/p>

        3)路基表面結(jié)殼、軟化等因素的影響。對(duì)于水分揮發(fā)快的中粗砂,表面結(jié)硬殼、軟化或因其他原因表層擾動(dòng)的土,變形模量Ev2試驗(yàn)應(yīng)置于其影響以下進(jìn)行,下挖深度應(yīng)不大于承載板直徑。

        4)填料粒徑的影響。K30、Evd、Ev2試驗(yàn)適用于粒徑不大于承載板直徑1/4的各類土和土石混合填料。在鐵路路基填筑施工質(zhì)量檢測(cè)中,采用直徑為300 mm的承載板,即最大粒徑不大于75 mm,而在《客運(yùn)專線鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)》(鐵建設(shè)[2005]160號(hào))中對(duì)基床底層及以下路堤填料的最大粒徑限制值分別為100 mm和150 mm。因此,應(yīng)開(kāi)展相關(guān)研究,分析大粒徑填料對(duì)測(cè)試的影響及解決措施。

        5)儀器安裝、操作不規(guī)范的影響。反力裝置與測(cè)量裝置的安裝、加卸載的不規(guī)范均可能導(dǎo)致試驗(yàn)誤差。

        4 結(jié)語(yǔ)

        變形模量Ev2測(cè)試是客運(yùn)專線無(wú)砟軌道路基壓實(shí)質(zhì)量有效的控制方法,Ev2值與Ev2/Ev1值從填料剛度、壓實(shí)度兩方面進(jìn)行路基質(zhì)量控制。工程檢測(cè)資料分析表明:

        1)基于目前客運(yùn)專線所采用的填料,Ev2測(cè)試值遠(yuǎn)高于規(guī)范控制值,在研究控制路基工后沉降的同時(shí),應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn),開(kāi)展相關(guān)研究,提出適合我國(guó)高速鐵路建設(shè)的Ev2值控制標(biāo)準(zhǔn)。

        2)Ev2/Ev1值是反映路基壓實(shí)質(zhì)量的重要指標(biāo),當(dāng)路基壓實(shí)質(zhì)量較差時(shí),Ev2/Ev1值偏大,在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)并綜合分析,應(yīng)盡早提出適應(yīng)我國(guó)填料和壓實(shí)要求的統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)。

        3)水泥穩(wěn)定填料的 Ev2測(cè)試結(jié)果表明,由于水泥板結(jié)作用導(dǎo)致 Ev2/Ev1值偏高、規(guī)律性較差,檢測(cè)時(shí)在綜合分析其影響因素的同時(shí),應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程要求,在碾壓完畢后2~4 h內(nèi)開(kāi)始檢測(cè),確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。

        4)為保證Ev2檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、評(píng)定的有效性,宜綜合考慮對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響的不利因素,規(guī)范檢測(cè)程序,降低測(cè)試誤差。

        [1]胡在良,李晉平,王軍東,等.無(wú)砟軌道鐵路 Ev2控制指標(biāo)的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2008,29(6):20 -24.

        [2]李明領(lǐng).武廣鐵路客運(yùn)專線路基工程設(shè)計(jì)與施工綜述[J].鐵道建筑,2010(1):102-105.

        [3]呂賓林,張千里.地基系數(shù)變形模量及動(dòng)態(tài)變形模量的測(cè)試與對(duì)比[J].鐵道建筑,2006(2):55-57.

        [4]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2005]188號(hào) 變形模量檢測(cè)規(guī)程(試行)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

        [5]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)函[2005]754號(hào) 客運(yùn)專線無(wú)砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

        [6]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2005]160號(hào) 客運(yùn)專線鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

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