鐵路路基壓實指標K30、Ev2、Evd對比分析

戴 玉 賴國泉

(中鐵西北科學研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

我國鐵路路基壓實質量檢測早期采用單一的物理檢測指標控制。隨著鐵路設計標準的提高,對路基強度提出了更高的要求,僅靠采用物理檢測指標的壓實度控制參數控制壓實質量就有其局限性。我國鐵路在1985年修建大秦鐵路時引進了日本的力學控制指標地基系數K30。隨著20多年來在我國鐵路建設中的應用,從儀器設備、試驗方法、試驗標準均已相當成熟。目前,地基系數K30已納入《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102—2004)[1]。隨著我國大面積高速鐵路的建設,我國引入了歐洲高速鐵路路基檢測指標變形模量Ev2。經過大量的高速鐵路建設實踐,目前變形模量Ev2已納入了鐵道部最新頒布的《高速鐵路設計規范》(TB10020—2009)[2]。眾所周知,鐵路路基承受的是列車運行時產生的動荷載,特別是高速鐵路,動荷載對路基產生的沖擊力更大,而無論是地基系數K30還是二次變形模量Ev2都不能完全真實反映列車動荷載對路基的真實作用情況。

為解決上述問題,德國鐵路科研人員研發了動態變形模量Evd測試儀器及測試標準。我國在1999年修建秦沈客運專線時,引進了動態變形模量Evd技術。經過幾年的研究與大量工程實踐,目前動態變形模量Evd技術已納入《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102—2004)[1]。

本文通過對路基壓實檢測力學指標K30、Ev2、Evd之間檢測原理的對比分析,探討了三種壓實指標之間的聯系與區別,提出了現場壓實檢測時的合理建議。

1 各檢測指標檢測原理分析

1.1 地基系數K30

地基系數K30[1,3]表示土體表面在平面壓力作用下可壓縮性大小,是一個地基剛度系數的概念。K30平板載荷試驗見圖1,它是將直徑為300 mm的剛性圓盤置于測試路基土層表面,對其分級施加垂直荷載Pi,與此同時觀測荷載板的沉降量Si。當荷載板的總沉降量S達到0.125 cm時,通過式(1)可以計算出地基系數K30值。

K30=P0.125/S0.125

(1)

式中：K30為地基系數/(MPa/m)；P0.125為荷載板沉降量0.125 cm時對應的靜荷載/MPa;S0.125為荷載板沉降0.125 cm時的沉降量/m。

圖1 K30平板載荷試驗

由文獻[4]可知，土體變形模量的計算公式為

E0=ωP0B(1-μ2/s0)

(2)

式中：ω為與荷載板的剛度和形狀有關的系數,圓形板取0.79；E0為土的變形模量/MPa；s0為對應于荷載P0時的載荷板下沉量/m；B為荷載板直徑/m；μ為土的泊松比；P0為荷載板均布壓力/MPa。

由文獻[4]可知，土的變形模量E0可由土的壓縮模量Es換算得到,二者關系見式(3)

(3)

對于K30試驗,S0取0.001 25 m,b=0.3 m,聯立(1)和(2)可得式(4)

(4)

由式(4)可知,K30檢測值與土的物理壓縮模量Es和土的泊松比μ有很大的關系。參考文獻[5],碎石土泊松比一般在0.15～0.25,砂土一般在0.25～0.30。取中間值0.2、0.28，將其代入式(4)可得式(5)

K30≈(4.4～4.58)E0

(5)

由式(5)可知,K30檢測指標與土的變形模量成正比,實質上代表了路基壓實層的靜態變形模量,是路基承載力的體現。

1.2 靜態變形模量Ev2

靜態變形模量Ev2[1,6,7]試驗也屬于平板載荷試驗,在試驗設備上與K30試驗有相似的方面,都是通過直徑為300 mm的圓形載荷板進行試驗,但二者在定義、試驗方法及計算方法均不相同。Ev2平板載荷試驗見圖2。

圖2 Ev2平板載荷試驗

靜態變形模量Ev2試驗采取二次循環加載,第一次加載至少分為6級,并以每級大致相等的荷載增量(80 kPa)逐級加載,達到最大荷載為0.5 MPa或沉降量達到5 mm時所對應的應力后,進行卸載。卸載應按最大荷載的50%、25%和0三次進行。第二次加載按照第一次加載的順序,直至加載到0.45 MPa。這樣就得到了第一次加載、卸載及第二次加載的應力—位移(σ-s)曲線,見圖3。

圖3 Ev2應力—沉降量曲線

Ev2是由第二次加載的應力—位移(σ-s)曲線上的0.3σ1max和0.7σ1max之間割線的斜率確定的,變形模量按式(6)計算

(6)

其中：r為承載板半徑/mm；σ1max為第一次加載最大應力/MPa；a1為一次項系數/(mm/MPa)；a2為二次項系數/(mm/MPa)。

將式(2)變換形式

(7)

對于碎石土，取泊松比μ=0.21,有

E0=1.5rK30

(8)

對于式(8)采用增量形式得

Ev1=1.5rΔσ/Δs=0.225K30

(9)

其中r=0.15 m；Δσ為0.7σ1max對應的σ1和0.3σ1max對應的σ2值的差值；Δs：σ1和σ2對應的s1與s2的差值。

由式(9)可知：變形模量Ev1與K30之間具有一定的函數關系，二者均反映了土的變形模量。

1.3 動態變形模量Evd

動態變形模量Evd[1,8]是指土體在一定大小的沖擊力Fs和沖擊時間ts作用下抵抗變形能力的參數,它是通過在剛性基礎上,由最大沖擊力Fs=7.07 kN且沖擊時間ts=18 ms時標定得到的。實測結果采用式(10)計算。

Evd=22.5/s

(10)

式中s為實測荷載板下沉值/mm。

Evd動態變形模量測試儀也稱“輕型落錘儀”見圖4。

圖4 輕型落錘儀

眾所周知,鐵路路基承受的是列車運行時產生的動荷載,特別是高速列車的出現,動荷載產生的沖擊力對路基影響更為明顯,通過靜態試驗得到的K30與Ev2尚不能反映列車在高速運行條件下所產生的動應力對路基的真實作用情況。為彌補局限于靜態檢測的K30與Ev2不足,德國于上世紀90年代提出了新的路基壓實質量控制標準——動態變形模量標準。

2 討論

我國目前應用于鐵路路基壓實質量檢測指標中的力學指標主要有K30、Ev2、Evd。還有物理檢測指標壓實度K、孔隙率n等。壓實指標過多,影響施工進度。

K30、Ev2都是力學檢測指標,都是在直徑為300 mm的承載板上逐級施加靜力平板載荷,觀測地基在各級荷載作用下的沉降量,根據荷載—沉降量曲線計算地基的變形模量Ev2或地基系數K30值。二者之間的不同之處主要在于：①計算原理的不同。②加載方式不同。K30是一次加載,沉降變形包括彈性變形與塑性變形；而Ev2是進行第一次加載和卸載后再進行第二次加載,用第二次加載曲線來計算變形模量Ev2值,其沉降主要以彈性變形為主。③Ev2檢測儀器復雜,檢測時間長,一般是K30檢測時間的3～4倍。

有前述分析可知,K30、Ev2均反映了土的變形模量,是路基承載力大小的體現,是路基剛度大小參數。我國在K30檢測方面有了大量的經驗,我國的Ev2檢測標準是直接取自歐洲相關國家的規范,隨著我國高速鐵路的大量建設已做了相關研究,形成了自己的檢測體系,但是是否適應高速鐵路建設,尚待研究。我國最新頒布的《高速鐵路設計規范》[2](試行)(TB10020—2009)建議二者只取其一。文獻[9]建議以K30檢測指標為主,以加快路基施工速度。為彌補局限于靜態檢測的K30與Ev2不足,德國于上世紀90年代提出了新的路基壓實質量控制標準——動態變形模量標準。由于Evd動態變形模量測試儀較靜態變形模量Ev2各方面比較起來具有優勢,已成為路基檢測技術的發展方向。

3 結束語

本文對比探討了鐵路路基壓實檢測指標之間K30、Ev2、Evd之間的異同,表明K30、Ev2二者是靜力學指標,都是路基剛度的體現,現場實測時建議以K30為主；Evd測試較靜態變形模量Ev2各方面比較起來具有優勢,已成為路基檢測技術的發展方向。由于其輕型方便,現場實測時,可以大量檢測,可作為首選檢測指標,當Evd測試值檢測合格后,再啟用其他檢測方法。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10102—2004 鐵路工程土工試驗規程[S].北京：中國鐵道出版社,2004

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10020—2009 高速鐵路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2009

[3]楊新安,李怒放.路基檢測新技術[M].北京：中國鐵道出版社,2006

[4]陳仲頤,周景星,王洪瑾.土力學[M].北京：清華大學出版社,2004

[5]工程地質手冊編寫委員會.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,1992

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

[7]李慶民,肖金鳳,李樹峰.變形模量Ev2檢測方法及檢測中應注意的問題[J].鐵道標準設計,2006(3)：32-35

[8]李怒放.Evd路基壓實標準在鐵路規范中的規定與特點[J].鐵道標準設計,2004(7)

[9]楊有海,賴國泉.戈壁地區高速鐵路路基填筑試驗研究[J].鐵道學報,2011,33(3):1-7