楊迪鋒, 沙紅衛(wèi), 蔣應(yīng)軍*, 岳衛(wèi)民, 易 勇

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064； 2.陜西西法(北線)城際鐵路有限公司， 西安 710000)

中國(guó)鐵路采用地基系數(shù)K30及壓實(shí)系數(shù)K作為路基壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)[1-3]，K30為表征路基剛度與承載能力的力學(xué)指標(biāo)，K為體現(xiàn)路基壓密特性的物理指標(biāo)。工程實(shí)踐表明，某些工程路基壓實(shí)后出現(xiàn)K滿足規(guī)范要求，而K30不滿足規(guī)范要求的現(xiàn)象，造成工程返工，影響工程進(jìn)度。因此，研究K30與室內(nèi)力學(xué)指標(biāo)之間關(guān)系具有重要意義。

目前，關(guān)于K30與其他現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)指標(biāo)之間關(guān)系的研究較多：郭傳臣[4]、關(guān)愛軍等[5]、王從貴[6]、李蘆林[7]、張廷雷等[8]研究表明K30與動(dòng)態(tài)變形模量(Evd)具有良好線性關(guān)系；蘇謙等[9]采用三維動(dòng)態(tài)有限元和無限元耦合技術(shù)對(duì)Evd特性進(jìn)行了仿真分析，得到了Evd與K30的換算關(guān)系；張照龍等[10]研究了壓實(shí)系數(shù)對(duì)壓實(shí)黃土K30和Evd的影響，結(jié)果表明Evd與K30、K存在良好的相關(guān)關(guān)系；朱浩波等[11]、馮華等[12]、常丹等[13]、牛林新等[14]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值分析表明，二次靜態(tài)變形模量(Ev2)、Evd與K30都具有較高的線性相關(guān)性，且數(shù)值模擬得出的線性擬合關(guān)系與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果比較接近；戴玉等[15]對(duì)比分析了鐵路路基壓實(shí)檢測(cè)力學(xué)指標(biāo)K30、Ev2、Evd之間的檢測(cè)原理，表明K30、Ev2均反映了土的變形模量，是路基承載力大小的體現(xiàn)，是表征路基剛度大小的參數(shù)；劉鋼等[16]研究了K30和Ev2檢測(cè)過程中加載方式對(duì)試驗(yàn)效率和誤差的影響，提出K30更能反映路基的壓密程度；聶如松等[17]通過室內(nèi)路基模型研究表明，K30與一次靜態(tài)變形模量(Ev1)、Ev2、Evd具有較好的相關(guān)性，宜選擇Ev1、Ev2、和Evd作為路基剛度評(píng)價(jià)的控制指標(biāo)；肖尊群等[18]研究表明，K30、Evd、Ev2、Ev2/Ev1與路基承載力fk呈現(xiàn)多項(xiàng)式關(guān)系；李怒放[19]澄清K30與Ev2的基本概念和本質(zhì)區(qū)別，認(rèn)為兩者無法相互替代。李懿等[20]對(duì)路橋過渡段加固路基進(jìn)行了地基系數(shù)K30試驗(yàn)與輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)K30與輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果捶擊次數(shù)(N10)存在顯著的線性關(guān)系。

上述研究主要集中于K30與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)指標(biāo)Ev1、Ev2、Evd相關(guān)關(guān)系上，鮮有涉及K30與室內(nèi)力學(xué)指標(biāo)之間關(guān)系。然而，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)指標(biāo)均需要在路基施工完成之后進(jìn)行檢測(cè)，若現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)指標(biāo)達(dá)不到規(guī)范要求則會(huì)造成返工問題，延誤施工進(jìn)度。因此，有必要建立現(xiàn)場(chǎng)K30與室內(nèi)力學(xué)性能之間的關(guān)系，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)填料進(jìn)行初步篩選，從而確保施工正常進(jìn)行。

采用黃土修筑的路基中，含水率對(duì)于路基的壓實(shí)特性具有較大影響[21-23]。為保證壓實(shí)后路基能同時(shí)滿足K和K30規(guī)范要求，同時(shí)優(yōu)選路基填料，結(jié)合路基填筑試驗(yàn)段研究了K30與K、含水率w之間的關(guān)系，以及室內(nèi)加州承載比(California bearing ratio, CBR)與K、含水率w之間的關(guān)系，從而建立K30與室內(nèi)CBR之間經(jīng)驗(yàn)公式，并基于鐵路規(guī)范對(duì)地基系數(shù)的要求提出黃土填料CBR控制標(biāo)準(zhǔn)。成果將為鐵路路基設(shè)計(jì)、施工以及質(zhì)量控制等提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)土樣及研究方案

1.1 物理性質(zhì)

試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)如表1所示。重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。土樣為褐黃色，屬于低液限粉質(zhì)黏土、C組填料，土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)較為致密、潮濕，有少量蟲孔及植物根莖存在，取自西法城際鐵路XFB-TJ01標(biāo)段DK32+200右側(cè)，挖深約為3 m。試驗(yàn)按《鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)相應(yīng)方法進(jìn)行。

表1 主要物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Main physical property indicators

表2 重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of heavy compaction test

1.2 研究方案

1.2.1 試驗(yàn)方案

(1)研究地基系數(shù)K30與壓實(shí)系數(shù)K、含水率w之間的關(guān)系。為了實(shí)測(cè)地基系數(shù)K30與壓實(shí)系數(shù)K、含水率w，在西法城際鐵路XFB-TJ01標(biāo)段鋪筑試驗(yàn)段。試驗(yàn)段底層寬度8 m、長(zhǎng)度60 m，分三個(gè)壓實(shí)段落，每個(gè)壓實(shí)段落長(zhǎng)20 m，每層松鋪厚度為30～35 cm(如圖1中①、②所示)。三個(gè)段落壓實(shí)系數(shù)K擬采用0.90、0.93、0.96，路基邊坡按1∶1的坡率進(jìn)行放坡向上填筑，路基現(xiàn)場(chǎng)填筑示意圖如圖1所示。每層壓實(shí)完畢，檢測(cè)地基系數(shù)K30及壓實(shí)系數(shù)K、含水率w。

圖1 路基現(xiàn)場(chǎng)填筑示意圖Fig.1 Sketch map of on-site filling of roadbed

(2)研究室內(nèi)CBR與壓實(shí)系數(shù)K、含水率w之間的關(guān)系。為保證室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)處于同等條件(相同含水率w、壓實(shí)系數(shù)K、土質(zhì))，在試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)路基碾壓前，取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。每個(gè)壓實(shí)系數(shù)K附近制備3個(gè)平行試件，并成型兩組試件。一組試件浸水4 d后，進(jìn)行CBR試驗(yàn)(浸水CBR0)，另一組試件未浸水直接進(jìn)行CBR試驗(yàn)(非浸水CBR1)。分析室內(nèi)CBR與壓實(shí)系數(shù)K、含水率w之間的關(guān)系。

(3)研究地基系數(shù)K30與室內(nèi)CBR之間的關(guān)系。將現(xiàn)場(chǎng)地基系數(shù)K30對(duì)應(yīng)的實(shí)際壓實(shí)系數(shù)K、含水率w代入室內(nèi)浸水與非浸水CBR的經(jīng)驗(yàn)公式中進(jìn)行擬合，建立現(xiàn)場(chǎng)地基系數(shù)K30與室內(nèi)浸水、非浸水CBR之間的經(jīng)驗(yàn)公式，構(gòu)建室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)之間的關(guān)系。

1.2.2 試驗(yàn)方法

(1)地基系數(shù)K30測(cè)試方法。根據(jù)《鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)，地基系數(shù)K30是在路基頂面進(jìn)行靜壓平板載荷試驗(yàn)，剛性承載板的半徑為15 cm，以0.04 MPa的增量進(jìn)行逐級(jí)加載，待每級(jí)荷載作用下的下沉量穩(wěn)定后，讀取荷載強(qiáng)度與相應(yīng)的下沉量，總沉降變形量大于1.25 mm后，結(jié)束試驗(yàn)。根據(jù)每級(jí)試驗(yàn)結(jié)果繪制荷載強(qiáng)度與下沉量的關(guān)系曲線，在曲線上找出下沉量基準(zhǔn)值(1.25 mm)對(duì)應(yīng)的荷載強(qiáng)度。該荷載強(qiáng)度與下沉量基準(zhǔn)值的比值，即K30。K30檢測(cè)裝置如圖2(a)所示，每個(gè)壓實(shí)區(qū)選取三個(gè)K30平行檢測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在地基系數(shù)K30檢測(cè)點(diǎn)附近檢測(cè)壓實(shí)系數(shù)K，測(cè)點(diǎn)布置如圖2(b)所示。

圖2 路基現(xiàn)場(chǎng)K30試驗(yàn)Fig.2 K30 test on the roadbed site

(2)室內(nèi)CBR試驗(yàn)方法。根據(jù)《鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)，將試樣與試筒置于貫入儀的升降臺(tái)上，安裝貫入桿與測(cè)量貫入深度的百分表，調(diào)整升降臺(tái)的高度，使貫入桿與試樣表面剛好水平接觸。在試樣表面放置4塊荷載塊，對(duì)貫入桿預(yù)加45 N的荷載，讀取測(cè)力計(jì)和百分表的初始讀數(shù)。然后以1～1.25 mm/min的速度貫入試樣，同時(shí)測(cè)量測(cè)力計(jì)讀數(shù)和相應(yīng)的貫入深度讀數(shù)，并注意確保在貫入2.5 mm深度前有不少于5組的讀數(shù)。試驗(yàn)至貫入量為10～12.5 mm時(shí)即告完成。在貫入試驗(yàn)結(jié)束后，以單位壓力為橫坐標(biāo)，貫入量為縱坐標(biāo)，繪制單位壓力與貫入量的關(guān)系曲線。貫入深度2.5 mm時(shí)的荷載強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度之比為CBR。貫入裝置如圖3(a)所示。浸水CBR0試驗(yàn)，須將成型試件浸水4 d，再進(jìn)行貫入試驗(yàn)，浸水設(shè)備如圖3(b)所示；非浸水CBR1試件直接進(jìn)行貫入試驗(yàn)。

圖3 CBR試驗(yàn)Fig.3 CBR test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 地基系數(shù)K30

地基系數(shù)K30與壓實(shí)系數(shù)K、含水率w之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 K30與K、w關(guān)系圖Fig.4 Relationship between K30 and K, w

由圖4可知，含水率w一定時(shí)，地基系數(shù)K30隨壓實(shí)系數(shù)K增加而增加，壓實(shí)系數(shù)K每增加1%，地基系數(shù)K30增加12.3 MPa/m，提高約10.4%；壓實(shí)系數(shù)K一定時(shí)，地基系數(shù)K30隨著含水率w的增加而減小，含水率w每增加1%，地基系數(shù)K30減小18.6 MPa/m，降低約14%。

回歸可得K30與K、w之間經(jīng)驗(yàn)公式，如式(1)所示。

K30=1 233K-18.6w-734，R2=0.931

(1)

2.2 室內(nèi)承載比CBR

2.2.1 浸水CBR(CBR0)

壓實(shí)系數(shù)K、含水率w與浸水CBR(CBR0)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 CBR0與K、w關(guān)系圖Fig.5 Relationship between CBR0 and K, w

由圖5可知，含水率w一定時(shí)，CBR0隨著壓實(shí)系數(shù)K的增加而增加，壓實(shí)系數(shù)K每增加1%，CBR0增加約15.1%；壓實(shí)系數(shù)K一定時(shí)，CBR0隨著含水率w的增加而增加，并且隨著含水率w的增加，CBR0增長(zhǎng)的趨勢(shì)變緩。

回歸可得CBR0與K、w之間的經(jīng)驗(yàn)公式，如式(2)所示：

CBR0=141K-0.338ω2+11.0ω-20，

R2=0.962

(2)

2.2.2 非浸水CBR(CBR1)

壓實(shí)系數(shù)K、含水率w與非浸水CBR(CBR1)的關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 CBR1與K、w關(guān)系圖Fig.6 Relationship between CBR1 and K, w

由圖6可知，含水率w一定時(shí)，CBR1隨著壓實(shí)系數(shù)K的增加而增加，壓實(shí)系數(shù)K每增加1%，CBR1增加約10.7%；壓實(shí)系數(shù)K一定時(shí)，CBR1隨著含水率w的增加而減小，含水率w每增加1%，CBR1減小約15.6%。

回歸可得CBR1與K、w之間的經(jīng)驗(yàn)公式，如式(3)所示：

CBR1=546K-11.2ω-290，R2=0.966

(3)

2.3 室內(nèi)CBR與地基系數(shù)K30相關(guān)關(guān)系

2.3.1 室內(nèi)浸水CBR(CBR0)與地基系數(shù)K30的相關(guān)關(guān)系分析

CBR0與地基系數(shù)K30的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，黃土試件的CBR0與現(xiàn)場(chǎng)地基系數(shù)K30相關(guān)系數(shù)不足0.1，這主要是由于含水率w對(duì)CBR0與地基系數(shù)K30影響程度不同。壓實(shí)系數(shù)K一定時(shí)，CBR0隨著含水率w的增加而增加；而地基系數(shù)K30則與之相反。

圖7 CBR0與K30關(guān)系圖Fig.7 Relationship between CBR0 and K30

2.3.2 室內(nèi)非浸水CBR(CBR1)與地基系數(shù)K30相關(guān)關(guān)系分析

CBR1與地基系數(shù)K30的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，黃土試件的CBR1與現(xiàn)場(chǎng)地基系數(shù)K30之間存在良好的線性關(guān)系，這主要是由于含水率w對(duì)CBR1與地基系數(shù)K30影響程度一致。壓實(shí)系數(shù)K一定時(shí)，CBR1與地基系數(shù)K30隨著含水率w的增加，均呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。

圖8 CBR1與K30關(guān)系圖Fig.8 Relationship between CBR1 and K30

CBR1與K30之間回歸公式如式(4)所示：

K30=1.91CBR1+35，R2=0.931

(4)

3 填料室內(nèi)力學(xué)控制標(biāo)準(zhǔn)

K30與CBR的相關(guān)關(guān)系易受填料性質(zhì)、施工工藝及氣候狀況等因素的影響。對(duì)于某項(xiàng)具體工程，應(yīng)該通過K30與CBR的對(duì)比試驗(yàn)來確定兩者相關(guān)關(guān)系，盡量避免生搬硬套。

表3為文獻(xiàn)[1]中以C組細(xì)粒土作為填料的鐵路路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)與相應(yīng)的室內(nèi)力學(xué)控制標(biāo)準(zhǔn)，由式(4)換算得到。在黃土填料選擇及取土坑確定時(shí)，室內(nèi)可采用非浸水CBR作為力學(xué)控制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行填料預(yù)選。

表3 C組細(xì)粒土壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)與室內(nèi)力學(xué)控制標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Compaction standards and indoor mechanical control standards for group C fine-grained soil

4 結(jié)論

(1)含水率w一定時(shí)，每增加1%，地基系數(shù)K30增加12.3 MPa/m，提高約10.4%；壓實(shí)系數(shù)K一定時(shí)，含水率w每增加1%，地基系數(shù)K30減小18.6 MPa/m，降低約14%。

(2)室內(nèi)浸水CBR0與非浸水CBR1均隨壓實(shí)系數(shù)K的增加而增加；壓實(shí)系數(shù)K增加1%，CBR0和CBR1分別增加約15.1%、10.7%。含水率w增加時(shí)，CBR0呈增大趨勢(shì)且增長(zhǎng)速率趨緩；CBR1值呈減小趨勢(shì)，含水率w增加1%，CBR1減小約15.6%。

(3)室內(nèi)非浸水CBR1與K30呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93。結(jié)合鐵路路基相關(guān)規(guī)范對(duì)地基系數(shù)K30的規(guī)定，提出了針對(duì)C組填料的室內(nèi)CBR控制標(biāo)準(zhǔn)。