竇鵬,聶志紅,王翔
(中南大學土木工程學院,湖南長沙 410075)
路基壓實質量是通過試驗檢測來評價的,試驗數(shù)據(jù)的可靠性很大程度上取決于檢測方法是否合理。針對常規(guī)檢測方法存在的費時、費力和不能體現(xiàn)整個區(qū)域的壓實質量的不足,目前國內外已提出能快速、實時反映整個區(qū)域壓實質量的連續(xù)壓實思想。Thurner等[1-4]進行動力加載板荷載試驗,模擬了壓路機振動輪與路基填料的動態(tài)響應,試驗發(fā)現(xiàn)第1個諧波的振幅與基頻振幅的比值能夠反映路基的壓實質量,并提出連續(xù)壓實指標CMV,計算公式如下:
式中:常數(shù)C為300;A1為第1次諧波的加速度振幅;A0為基頻分量的加速度振幅[5],單位均為mm。Forssblad[6]進行了CMV值的現(xiàn)場試驗研究,發(fā)現(xiàn)壓路機以恒定的速度行駛,CMV與路基壓實度有很好的相關性,并指出CMV值是壓路機類型、碾壓速度、行駛方向和填土性質的函數(shù),與地基彈性模量具有很好的一致性。
與國外相比,國內連續(xù)壓實檢測研究較少、起步晚。徐光輝等[7]利用路基結構系統(tǒng)抗力的變化信息(CPMS)來評價壓實狀態(tài),并在我國多條高速公路上進行試驗,分析了CPMS與彎沉、回彈模量等指標的關系。目前我國采用的《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術規(guī)程(TB10108—2011)》[8]規(guī)定,進行連續(xù)壓實控制前應結合現(xiàn)行路基相關技術標準進行相關性校驗,通過點對點坐標對應,建立常規(guī)檢測指標與連續(xù)壓實檢測指標間的一元線型回歸方程,以此得到目標控制值,該方法沒有考慮2種檢測方法在水平方向的影響范圍對其相關系數(shù)大小的影響。本文針對該檢驗方法存在的不足,以國內外研究成果為基礎,結合滬昆高鐵客專湖南段試驗展開研究,從不同角度擬合分析連續(xù)壓實檢測指標CMV與常規(guī)質量控制指標Evd的關系。
動態(tài)平板載荷試驗原理是采用落錘自由落下沖擊路基面和測試沉陷值,模擬列車高速運行時對路基面產生的沖擊效應,繼而進行動力加載,檢測路基在動荷載作用下的動應力和動應變參數(shù),并以此計算反映路基動力特性承載力指標—動態(tài)變形模量Evd。常規(guī)壓實質量檢測Evd試驗是在每填筑層壓實完成后,每100 m路基表面進行6次檢測,存在以下問題[9]:(1)代表性差;(2)外界影響因素大;(3)不能考慮路基填料的離散性;(4)缺乏對壓實的整體質量和均勻性的控制;(5)缺乏過程檢測與重點檢測。
連續(xù)壓實質量檢測原理是根據(jù)振動輪在壓實過程中,填料的壓實度不同使振動輪的動力特性發(fā)生變化,通過安裝在振動輪上的傳感器檢測振動的波形及振動強度出現(xiàn)的規(guī)律來判定填料壓實狀況。該方法具有以下優(yōu)點[9]:(1)能在壓實過程中實現(xiàn)實時檢測;(2)均勻控制壓實;(3)減少檢測工作量和試驗時間;(4)保證壓實質量。目前該方法仍不成熟,國內沒有統(tǒng)一的CMV參考標準值,現(xiàn)階段處于摸索之中。
為研究動態(tài)連續(xù)同步壓實指標CMV與傳統(tǒng)路基壓實檢測指標Evd的相關性,在滬昆高鐵客專湖南段內選取了5個路基段對2種不同的填料進行試驗,一種填料是級配良好的粗角礫土,另一種為級配碎石,填料基本性質見表1。
本次連續(xù)壓實質量檢測設備采用美國天寶公司(Trimble)生產的CCS900—CMV采集系統(tǒng),試驗壓路機型號為8208K-5,主要技術參數(shù)如表2所示。
表1 填料物理指標Table 1 Physical index of granular fillings
表2 壓路機技術參數(shù)Table 2 Roller technology parameters
隨著壓路機工作,連續(xù)壓實系統(tǒng)沿著碾壓軌跡,連續(xù)采集CMV指標,每20 cm產生1個數(shù)值。現(xiàn)行連續(xù)壓實檢測規(guī)范[8]規(guī)定相關性校驗宜先對試驗段進行連續(xù)振動壓實試驗,在完成之后應盡快進行相應的常規(guī)試驗。按照土工試驗規(guī)程[10]進行動態(tài)平板載荷試驗,在輕、中、重3種碾壓程度下,每2 m進行1次試驗,不同碾壓程度的檢測點應保持在同一位置。對比試驗布置如圖1所示。為保證采集的數(shù)據(jù)具有可比性,在壓實過程中,同一試驗段內路基盡量使下述條件相同:
①下臥層(地基)剛度;②填土種類(最優(yōu)含水量和最大干密度等);③填筑含水量;④碾壓完成后層厚(一般偏差應≤15%);⑤碾壓機型號和參數(shù),包括振動頻率、振幅和檢測行駛速度、方向;⑥連續(xù)壓實參數(shù)測定系統(tǒng)。
試驗過程中,每個試驗段均取100 m,填料含水率在6% ~7%,接近最優(yōu)含水率(6.51%),虛鋪層厚度為28~32 cm,采集數(shù)據(jù)時壓路機保持恒速、恒振幅和恒頻率行駛,行駛速度約為5 km/h,振幅約為1.2 mm,振動的頻率約為30 Hz。
圖1 試驗檢測點整體布置示意圖Fig.1 Overall layout diagram of test point
由于連續(xù)壓實與動態(tài)平板載荷2種檢測方法的試驗原理及試驗過程各有差異,且規(guī)范[8]采用的擬合方式只從連續(xù)壓實與常規(guī)檢測指標的坐標對應出發(fā),沒有考慮整個路基的整體均勻性,以及指標所代表的有效面積,因此規(guī)范[8]中的點對點坐標對應擬合方式缺乏針對性及全面性。為了更準確地找到連續(xù)壓實指標CMV與常規(guī)檢測指標Evd之間的關系,本文從多角度出發(fā),更具針對性和全面性地進行擬合分析。分析均采用一元線性回歸模型,公式如下:
其中:X為連續(xù)壓實指標值;Y為常規(guī)指標值;A和B分別為直線的斜率和截距。
3.1.1 坐標對應
從坐標對應角度考慮,第1種方式是采用規(guī)范[8]中的點對點擬合方式,如圖2(a)。在相同試驗條件和坐標下,利用試驗采集的CMV和Evd數(shù)據(jù)來擬合分析2種檢測方法間的關系。數(shù)據(jù)采集方法為:在動態(tài)平板載荷試驗后,用GPS測出各Evd試驗點的地理位置坐標,根據(jù)其坐標找出相應的連續(xù)壓實指標CMV。該方法通過同一坐標獲得試驗數(shù)據(jù),加強了指標的對應程度,簡單明確。
3.1.2 有效面積對應
1個CMV值反映的是2 m×20 cm矩形平面內的路基壓實效果,1個Evd值反映的是直徑為30 cm圓形平面內的壓實效果。在同等有效面積內,1個CMV值所反映的壓實效果大致需要8個對應Evd的平均值來反映。
從有效面積對應角度考慮,第2種擬合方式采用點對平均值,如圖2(b)。在相同試驗條件和有效面積下,利用試驗所采集的CMV和Evd數(shù)據(jù)來擬合分析2種檢測方法間的關系。數(shù)據(jù)采集方法為:在1個CMV值的有效面積內,進行8次動態(tài)平板載荷檢測試驗,試驗點布置為2排、每排4個,然后用GPS測出該8個Evd試驗點的重心坐標,根據(jù)其坐標找出對應的CMV值。
由于動態(tài)荷載板直徑為30 cm,其檢測結果受填料粒徑的影響較大,當荷載板位于大顆粒上方時,測試結果更多反映的是顆粒本身,而不是路基的整體壓實效果,Evd試驗結果離散性很大。與點對點方式相比,該方式減弱了Evd的局部性和離散性,增加了擬合結果的可靠。
3.1.3 整體對應
從整體角度考慮,第3種擬合方式采用平均值對平均值,如圖2(c)。在1條碾壓輪跡(長度為100 m)上,可獲得50個Evd值和500個CMV值,同一碾壓層輪跡較多,導致Evd和CMV的試驗數(shù)據(jù)很多。同點對點或點對平均擬合方式相比,CMV平均值對Evd平均值擬合方式能充分利用試驗所采集的數(shù)據(jù)。
該方式考慮的是整個碾壓層,與實際情況較貼近,能更好地反映路基壓實質量。數(shù)據(jù)采集方法為:在相同碾壓程度下,利用采集的數(shù)據(jù)得出Evd的平均值和CMV的平均值,然后對其進行擬合分析。同前2種方式相比,該方式充分運用了CMV反映整體性的特點,減小了Evd和CMV的尺寸差異,并充分利用前兩者未用到的試驗數(shù)據(jù),減少了擬合結果的離散性,增加了可靠性。
圖2 擬合方式示意圖Fig.2 Layout diagram of the fitting methods
按照上述3種擬合方式,對 DK370+278~DK370+698試驗段各填筑層輕、中和重3種碾壓程度的數(shù)據(jù)進行整理分析,圖3為部分擬合結果。
對各個試驗段的擬合結果進行匯總統(tǒng)計,如表3所示。
表3 CMV值與檢測指標Evd的相關性統(tǒng)計表Table 3 Correlation statistics of the CMV and Evd
結果表明:Evd和CMV具有良好的相關關系,點對點方式的相關度在0.70以上;點對平均方式的相關度在0.80以上;平均對平均方式的相關度在0.90以上。由表3中相關性關系,通過粗角礫土和級配碎石填料的Evd規(guī)范值可得到CMV的控制值,建議分別取33和40。規(guī)范[8]中采用的坐標對應點對點擬合方式沒有另2種方法相關度高,建議對規(guī)范[8]進行補充修正。
圖3 3種線性擬合方式例圖Fig.3 Example diagrams of three fitting methods
(1)2種填料的Evd和CMV均具有良好的正相關線性關系,相關度系數(shù)均在0.7以上,CMV檢測方法具有可行性,建議路基壓實時采用CMV為主、傳統(tǒng)Evd為輔的檢測方法。
(2)點對點擬合相關度較低且波動性大,點對平均值和平均值對平均值的擬合相關度較高且穩(wěn)定,故分析Evd和CMV的對應關系時,采用后兩者擬合方式,效果較好,建議對《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術規(guī)程(TB10108—2011)》規(guī)范從坐標對應角度采用的點對點擬合方式進行補充修正。
(3)由2種填料確定的相關性回歸公式和Evd規(guī)范值得到的CMV參考控制值可供參考。
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