鐵路路基工程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)

吳聲宏（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)建筑工程科學(xué)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830054）

隨著我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》及《調(diào)整規(guī)劃》的出臺(tái)，鐵路建設(shè)又迎來了新一輪的高潮。鐵路作為國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，在中國經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展中肩負(fù)著重大責(zé)任，作為鐵路工程的主體，路基工程的質(zhì)量尤為重要。本文從路基工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)的角度論述了用不同的檢測(cè)方法對(duì)路基工程質(zhì)量的控制。

1 路基檢測(cè)前準(zhǔn)備工作

1）根據(jù)國家及鐵道部有關(guān)工程檢測(cè)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目合同要求，編制試驗(yàn)檢測(cè)計(jì)劃和作業(yè)指導(dǎo)書。

2）進(jìn)行檢測(cè)前儀器、設(shè)備的調(diào)試，確認(rèn)設(shè)備的標(biāo)定是否有效，確保儀器設(shè)備能夠正常使用。

3）檢測(cè)前應(yīng)收集齊全相關(guān)信息：①檢查被檢路基填料的土工試驗(yàn)報(bào)告、填料名稱，確定檢測(cè)項(xiàng)目；②根據(jù)待檢路基部位確定檢測(cè)頻率、數(shù)量及指標(biāo)；③明確報(bào)檢的路基里程及被檢施工標(biāo)段。

2 檢測(cè)方法

2.1 地基系數(shù)K30 試驗(yàn)

1）試驗(yàn)檢測(cè)儀器包括：剛性承壓板、千斤頂、百分表或位移傳感器、基準(zhǔn)支架和反力裝置。

（1）剛性承壓板：鋼質(zhì)，板厚：T ≥22mm、直徑D=300mm(+1.4～0mm)、不圓度及上下兩面的不平行度為0.3%，下底面光潔度不應(yīng)低于二級(jí)。

（2）千斤頂：5 噸級(jí)，帶有精密壓力表(精度1%)。

（3）百分表或位移傳感器：全量程不應(yīng)小于10mm，最小刻度為0.01mm。

（4）基準(zhǔn)支架：由3m的桿件和支腳組成，桿上固定百分表。

（5）反力裝置：如果是集裝式專用試驗(yàn)車，可利用試驗(yàn)車自重、采用汽車或壓路機(jī)作為反力。

2）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

（1）根據(jù)測(cè)試要求合理選擇測(cè)點(diǎn)位置。

（2）進(jìn)行場(chǎng)地測(cè)試面平整。

將承載板放置于測(cè)試地面上，應(yīng)使承載板與地面良好接觸，必要時(shí)可鋪設(shè)一層2～3mm 薄干砂。應(yīng)注意保持試驗(yàn)主體的原始狀態(tài)，避免松動(dòng)大顆粒的碎石或石塊，安裝時(shí)不得對(duì)測(cè)點(diǎn)表面進(jìn)行壓實(shí)，當(dāng)測(cè)試面處于斜坡上時(shí)，應(yīng)將承載板支撐面做成水平面。

（3）安裝加載裝置和測(cè)量裝置

先放置承載板，利用承載板上水準(zhǔn)泡或水平尺來調(diào)整承載板水平，將反力裝置承載部位安置于承載板上方，并加以制動(dòng)，承載板外側(cè)邊緣與反力裝置支撐點(diǎn)之間的距離不得小于1m；然后將千斤頂放在承載板的中心位置，使千斤頂保持垂直，用加長桿和調(diào)節(jié)絲桿使千斤頂頂端球鉸座與反力裝置承載部位緊貼，組裝時(shí)應(yīng)保持千斤頂垂直不出現(xiàn)傾斜；再安置測(cè)橋，測(cè)橋支撐座應(yīng)設(shè)置在距離荷載板外側(cè)邊緣及反力裝置支承點(diǎn)1m以外，測(cè)表的安放必須相互對(duì)稱，并且應(yīng)與荷載板中心保持等距離。

（4）加載試驗(yàn)

預(yù)先施加0.01MPa 荷載約30s，穩(wěn)定后卸除荷載，讀取百分表讀數(shù)作為下沉量的初始讀數(shù)或?qū)俜直碚{(diào)零；再以0.04MPa的增量逐級(jí)加載，每增加一級(jí)荷載，當(dāng)1min的沉降量不大于該級(jí)荷載產(chǎn)生的沉降量的1%時(shí)，讀取荷載強(qiáng)度和下沉量讀數(shù)，然后增加下一級(jí)荷載。

當(dāng)總下沉量超過規(guī)定的基準(zhǔn)值(1.25mm)，或荷載強(qiáng)度超過估計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際最大接觸壓力，或達(dá)到地基的屈服點(diǎn)，試驗(yàn)即可終止。當(dāng)試驗(yàn)過程荷載板嚴(yán)重傾斜，應(yīng)將試驗(yàn)點(diǎn)下挖相當(dāng)于荷載板直徑的深度，重新進(jìn)行試驗(yàn)。

3）資料處理

（1）繪圖及計(jì)算工作

式中：K30—地基系數(shù)(MPa/m)，計(jì)算取整數(shù)；

σs—荷載強(qiáng)度(MPa)；

2.2 變形模量Ev2 試驗(yàn)

1）檢測(cè)儀器 ：變形模量Ev2 測(cè)試儀器應(yīng)包括承載板、反力裝置、加載裝置、荷載量測(cè)裝置及沉降量測(cè)裝置。

（1）荷載量測(cè)裝置的量測(cè)表量程應(yīng)達(dá)到最大試驗(yàn)荷載的1.25 倍，最大誤差應(yīng)不大于1%，顯示值應(yīng)能保證承載板上的荷載有效位至少達(dá)到0.001MPa。

（2）沉降量測(cè)裝置應(yīng)符合以下要求：

測(cè)橋的測(cè)量臂可采用杠桿式或垂直抽拉式,測(cè)量臂應(yīng)有足夠的剛度。承載板中心至測(cè)橋支撐座的距離應(yīng)大于1.25m。杠桿式測(cè)量臂杠桿比可在1:1 至2:1 范圍內(nèi)選擇，選定后不得改變。沉降量測(cè)表最大誤差不應(yīng)大于0.04mm，分辨率應(yīng)達(dá)到0.01mm，量程不應(yīng)小于10mm。

2）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

（1）場(chǎng)地測(cè)試面應(yīng)進(jìn)行平整，并使用毛刷掃去表面松土。當(dāng)測(cè)試面處于斜坡上時(shí)，應(yīng)將承載板支撐面做成水平面。

（2）測(cè)試儀器安裝應(yīng)符合下列要求：

先將承載板放置于測(cè)試點(diǎn)上，使承載板與地面完全接觸，必要時(shí)可鋪設(shè)一層2～3mm 薄干砂，同時(shí)利用承載板上水準(zhǔn)泡來調(diào)整承載板水平；然后將反力裝置承載部位安置于承載板上方，并加以制動(dòng)。承載板外側(cè)邊緣與反力裝置支撐點(diǎn)之間的距離不得小于0.75m；再將千斤頂放在承載板的中心位置，使千斤頂保持垂直，用加長桿和調(diào)節(jié)絲桿使千斤頂頂端球鉸座與反力裝置承載部位緊貼。

安置測(cè)橋時(shí)應(yīng)將沉降量測(cè)裝置的觸點(diǎn)自由地放入承載板上量測(cè)孔的中心位置，沉降量測(cè)表必須與測(cè)試面垂直。測(cè)橋支撐座與反力裝置支撐點(diǎn)的距離不得小于1.25m。

試驗(yàn)過程中測(cè)橋和反力裝置不得晃動(dòng)，沉降量測(cè)裝置應(yīng)用遮陽擋風(fēng)設(shè)施。預(yù)加載時(shí)，應(yīng)預(yù)先加0.01MPa 荷載約30s，待穩(wěn)定后卸除荷載，將沉降量測(cè)表讀數(shù)調(diào)零。

加載與卸載應(yīng)符合以下要求：變形模量Ev2試驗(yàn)第一次加載應(yīng)至少分6 級(jí)，并以大致相等的荷載增量(0.08MPa)逐級(jí)加載，達(dá)到最大荷載為0.5 MPa 或沉降量達(dá)到5mm 時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力后，再進(jìn)行卸載。承載板卸載應(yīng)按最大荷載的50%、25%和0 三級(jí)進(jìn)行。卸載后，按照第一次加載的操作步驟，并保持與第一次加載時(shí)各級(jí)相同的荷載進(jìn)行第二次加載，直至第一次所加最大荷載的倒數(shù)第二級(jí)。每級(jí)加載或卸載過程必須在1min內(nèi)完成。加載或卸載時(shí)，每級(jí)荷載的保持時(shí)間為2min，在該過程中荷載應(yīng)保持恒定。試驗(yàn)中若施加了比預(yù)定荷載大的荷載時(shí)，應(yīng)保持該荷載，并將其記錄在試驗(yàn)記錄表中并加以注明。

3）資料處理

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制應(yīng)力-沉降量曲線，應(yīng)力-沉降量曲線上應(yīng)用箭頭標(biāo)明受力方向。

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(dá)：

式中：σ—承載板下應(yīng)力(MPa)；S—承載板中心沉降量(mm)；

a0—常數(shù)項(xiàng)(mm)；

a1—次項(xiàng)系數(shù)(mm/MPa)；

a2—次項(xiàng)系數(shù)(mm/MPa)

應(yīng)力-沉降量曲線方程的系數(shù)是將測(cè)試值按最小二乘法計(jì)算得到的。用于計(jì)算系數(shù)的方程式為

式中iσ，Si(i=1，2，3，…..，n)分別為每級(jí)荷載的應(yīng)力和相應(yīng)的承載板中心沉降量測(cè)試值。

變形模量Ev 是通過應(yīng)力-沉降量曲線在0.3σ1max和0.7σ1max之間割線的斜率確定的，變形模量應(yīng)按下式計(jì)算：

式中Evi—變形模量(MPa)；

r—承載板半徑(mm)；

σ1max—第一次加載最大應(yīng)力(MPa)。

2.3 壓實(shí)系數(shù)和孔隙率

1）試驗(yàn)方法：灌砂法

2）試驗(yàn)檢測(cè)儀器：密度測(cè)定器(包括容砂瓶、灌砂漏斗和底盤)；天平；土樣篩；標(biāo)準(zhǔn)砂；其他：小鐵鍬、小鐵鏟、盛土容器等。

3）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

先將選定試坑位置處的地面鏟平，其面積略大于試坑直徑150mm，按試坑直徑劃出坑口輪廓線，在輪廓線內(nèi)下挖至要求深度200mm 處，邊挖邊將挖出的土放入盛土容器內(nèi)，稱土的質(zhì)量，然后取代表性土樣測(cè)定含水率。再向容砂瓶內(nèi)灌滿標(biāo)準(zhǔn)砂，關(guān)閥門，稱灌滿標(biāo)準(zhǔn)砂的密度測(cè)定器的總質(zhì)量。最后將密度測(cè)定器倒置于挖好的坑口上，打開閥門，使密度測(cè)定器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)砂流入坑內(nèi)，當(dāng)密度測(cè)定器內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)砂停止流動(dòng)時(shí)關(guān)閉閥門，稱密度測(cè)定器和剩余標(biāo)準(zhǔn)砂的質(zhì)量，并計(jì)算灌滿試坑所用標(biāo)準(zhǔn)砂的質(zhì)量。

4) 資料處理

根據(jù)下列公式計(jì)算：

式中ρ—填土的濕密度(g/cm3)；

ρd—填土的干密度(g/cm3)；

ρdmax—填土的最大干密度(g/cm3)；

mp—取自試坑內(nèi)土的質(zhì)量(g)；

Vp—試坑體積(cm3)；

ω—填土含水率(%)；

G —填土顆粒密度(g/cm3)。

2.4 動(dòng)態(tài)變形模量Evd 試驗(yàn)

1）動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試的工作原理

動(dòng)態(tài)彈性模量Evd 是指土體在一定時(shí)間、大小的豎向沖擊力作用下抵抗變形能力的參數(shù)。動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀的工作原理：采用一定質(zhì)量的落錘，從一定高度自由落下，通過阻尼裝置、承載板，對(duì)路基產(chǎn)生瞬間的沖擊，使路基產(chǎn)生沉陷。也就是采用一定質(zhì)量的落錘，從一定高度自由落下，模擬列車運(yùn)行時(shí)對(duì)路基產(chǎn)生的動(dòng)荷載效應(yīng)沖擊路基，在沖刷能相同的條件下，測(cè)試路基的垂直變形值，以此計(jì)算路基的動(dòng)態(tài)變形模量Evd 指標(biāo)。從理論上講，路基碾壓越密實(shí)，沉陷值越小，路基的動(dòng)態(tài)變形模量Evd 值越高；反之，路基的Evd 值越低。

動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀的測(cè)試深度，即落錘自由下落對(duì)路基產(chǎn)生的沖擊影響深度，也是該測(cè)試儀的主要技術(shù)指標(biāo)和研究內(nèi)容之一。落錘的質(zhì)量和落高是決定沖擊影響深度的主要因素，落高一定時(shí)，落錘越重，影響土體的深度越深，反之則越淺。但對(duì)于便攜式測(cè)試儀來說，落錘太重，不便于攜帶。所以在研制時(shí)，采用直徑為30cm的承載板，10kg的落錘。落錘從一定高度自由落下，通過阻尼裝置、承載板對(duì)路基產(chǎn)生沖擊，再通過在土體中不同深度處分層埋設(shè)壓力和的試驗(yàn)方法，測(cè)試沿土層深度方向錘擊能量衰減的程度，來確定沖擊影響深度。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，錘擊能量的大部分（約70%）消耗在40cm 厚的土層內(nèi)。因此可以得出落錘沖擊路基的影響深度為40～50 cm，滿足路基施工中每層填土碾壓后30cm的分層檢測(cè)要求。

2）檢測(cè)儀器 ：動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀器由加載裝置、載荷板和沉陷測(cè)定儀三部分組成。

（1）加載裝置主要由掛(脫)鉤裝置、落錘、導(dǎo)向桿、阻尼裝置等部分構(gòu)成；

（2）荷載板主要由圓形鋼板和傳感器等部分構(gòu)成；

（3）沉陷測(cè)定儀主要由信號(hào)處理、顯示、打印機(jī)和電源等部分構(gòu)成。

沉陷測(cè)試范圍：(0.1～2.0)mm±0.05mm。

3）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

（1）荷載板放置在平整好的測(cè)試面上，安裝上導(dǎo)桿并保持垂直。

（2）將落錘提升至(脫)掛鉤裝置上掛住，然后使落錘脫鉤自由落下，當(dāng)落錘彈回時(shí)將其抓住并掛在(脫)掛裝置上。按此操作進(jìn)行3 次預(yù)沖擊。

（3）進(jìn)行3 次沖擊測(cè)試，作為正式測(cè)試記錄。測(cè)試時(shí)應(yīng)避免承載板的移動(dòng)和跳躍。

4）資料處理

試驗(yàn)結(jié)果按下式計(jì)算動(dòng)態(tài)變形模量：

式中：Evd—?jiǎng)討B(tài)變形模量(MPa)，精確至0.1MPa；

r—荷載板半徑(mm)，r=150mm；

σ—荷載板下最大動(dòng)應(yīng)力，σ=0.1MPa；

S—實(shí)測(cè)荷載板下沉降量(mm)。

取3 次沖擊測(cè)得的平均值S 計(jì)算Evd，作為該測(cè)點(diǎn)的測(cè)試值。

在試驗(yàn)記錄表格中應(yīng)附有動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀打印出的實(shí)測(cè)結(jié)果及實(shí)測(cè)s-t (沉陷－時(shí)間)曲線。

3 結(jié)論

路基的施工質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量、進(jìn)度和列車運(yùn)行安全，而運(yùn)用科學(xué)的試驗(yàn)檢測(cè)方法是保證路基工程施工質(zhì)量的重要措施之一。在路基工程施工中，土體壓實(shí)是一個(gè)最基本的問題，通過對(duì)以上試驗(yàn)檢測(cè)方法的分析，可以看出僅用密實(shí)度指標(biāo)來檢測(cè)和判斷路基的質(zhì)量有其局限性。因此，在檢測(cè)密實(shí)度的基礎(chǔ)上，將強(qiáng)度及變形指標(biāo)作為反映路基承載力的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，是國內(nèi)外路基施工質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向，而傳統(tǒng)的強(qiáng)度及變形參數(shù)指標(biāo)通過靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)測(cè)得，即檢測(cè)地基系數(shù)K30，但路基實(shí)際承受的荷載不僅有靜荷載，還有列車運(yùn)行時(shí)對(duì)路基產(chǎn)生的動(dòng)荷載，特別是高速鐵路，動(dòng)荷載產(chǎn)生的沖擊力對(duì)路基的影響更為明顯。所以鐵路路基施工質(zhì)量的檢測(cè)不僅要考慮靜荷載作用下的檢測(cè)，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)考慮到動(dòng)荷載的作用下的檢測(cè)。綜合國內(nèi)外鐵路路基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)方法，可以歸納為兩類，一類是密實(shí)度質(zhì)量的檢測(cè)，如壓實(shí)度、孔隙率；一類是強(qiáng)度和抗變形能力的檢測(cè)。K30、Ev2 是考慮路基承受靜荷載的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)方法，而Evd 則是考慮到路基承受動(dòng)荷載作用下的檢測(cè)方法，把兩種方法統(tǒng)一用到路基現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制中，是目前我國鐵路路基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)的方向。

[1]鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程,TB10102-2004

[2]鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程,TB10018-2003

[3]變形模量Ev2 檢測(cè)規(guī)程,鐵建設(shè)[2005]188 號(hào)

[4]動(dòng)態(tài)變形模量Evd 測(cè)定儀,JJG198-2008

[5]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)