戈壁風沙區高速鐵路路基壓實質量檢測方法

王文霞

（中鐵十七局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710043）

1 引言

蘭新鐵路第二雙線甘青段LXS-17標位于我國河西走廊西端的甘肅省柳園地區，線路全長104.679km，其中，路基長99.3 km，占線路全長的95%。在高標準鐵路建設中如此大規模采用路基，在國內尚屬首次，路基施工質量是工程成敗的關鍵。路基的主體結構是免維修結構，不得出現路基病害，因此對其設計應考慮路基結構的受力及變形要求、填筑材料類型的要求、結構尺寸的要求、壓實標準的要求、戈壁風沙區檢測結果對環境的要求等。

2 高速鐵路路基施工質量檢測方法

2.1 壓實系數K

填料壓實系數檢測方法有：環刀法、灌砂法、灌水法、蠟封法、氣囊法。

式中：K：壓實系數；

ρd：干密度，g/cm；

ρdmax：最大干密度，g/cm。

2.2 地基系數K30

根據文克勒的理論，地基系數是表征地基的剛度和變形性質的一種參數。它的值不僅與填料的性質有關，而且還與荷載板的面積、形狀、加載方式有關。當確定了荷載板的面積尺寸和加載方式后，就可以測得各種地基在標準下沉量時的地基系數值。地基系數K30采用直徑為300 mm的荷載板進行試驗，試驗時用單位面積壓力除以荷載板相應下沉量，計算時選用沉降量為1.25 mm對應的荷載。

式中：K30：由直徑300 mm的荷載板測得的地基系數，MPa/m；荷載強度：荷載強度與下沉量關系曲線上下沉量為1.25 mm相對應的荷載強度，MPa；

1.25 ×10-3：下沉量基準值，m。

2.3 動態變形模量Evd

工作原理是，利用落錘從一定高度自由下落在阻尼裝置上，再經300 mm承載板在填料面上產生沉陷。通過測試沖擊荷載的大小，一定填料面范圍的動態變形來求算路基土層的動態變形模量Evd。動態變形模量Evd的大小與沉陷值的大小成反比。

式中：Evd：動態變形模量，MPa；

1.5 ：承載板形狀影響系數；

σ：路基面最大動應力，0.1MPa；

S：承載板的垂直沉陷值，mm；

r：承載板半徑，150 mm。

2.4 靜態變形模量EV2

靜態變形模量EV2是西歐、北美等國家已廣泛使用的鐵路路基壓實檢測方法。在荷載板試驗應用過程中，常用的加載方式有單循環靜載和二次循環靜載。單循環靜載是按每級40 kPa加載，當每級加載完成后每間隔1 min讀取1次數據，直至前后兩次讀數符合沉降穩定的要求，才能轉到下一級荷載直至試驗最大荷載為止。二次循環靜載也是按每級40 kPa加載，分級加載到最后一級荷載的沉降穩定后開始卸載，卸載梯度按最大荷載的0.5或0.25倍逐級進行，全部荷載卸除后記錄其殘余變形，之后開始另一加載循環。采用300 mm荷載板試驗計算變形模量時荷載一直加到沉降量為5 mm或承壓板應力達到0.5 MPa為止。

為了更好地分析土的變形性質和承載能力，德國標準采用了二次循環靜載法，其結果采用靜態變形模量EV2表示。

式中：EV：變形模量，MPa；

r：承載板半徑，mm；

σ1max：第一次加載最大應力，MPa；

α1：一次項系數，mm/MPa；

α2：二次項系數，mm/MPa。

3 高速鐵路路基施工各種檢測方法的對比

3.1 壓實系數K

試驗前要對試樣進行最大干密度ρdmax、最優含水率ωopt、顆粒分析，還要對標準砂密度、密度測定器錐體砂質量測定等工作，只有完成了相應的準備工作方可進行現場壓實系數檢測。對填料壓實質量的檢測屬于對壓實面破壞性檢測，而且還要對試坑土樣進行含水率測試，而測試填料含水率的過程用時長。戈壁風沙區由于風沙大往往影響電子秤計量的準確性。采用了小帳篷作為擋風設備效果雖然很好，但是操作起來比較復雜。

3.2 地基系數K30

儀器設備由荷載板、加載裝置、反力裝置、下沉量測裝置、輔助設備等組成。實際操作過程中設備數量多、占用現場機械（反力裝置）時間長、儀器安裝復雜、對環境條件要求高（戈壁風沙區對試驗檢測結果精度的影響）。

3.3 動態變形模量EVd

動態變形模量EVd具有體積小、重量輕、便于攜帶、安裝及拆卸方便、操作簡單、自動化程度高、測試速度快、性能穩定、測試精度高、檢測費用低、適用范圍廣等特點，而且動態變形模量EVd符合土體實際受力狀況，受風沙影響小。

3.4 靜態變形模量EV2

靜態變形模量EV2具有體積大、設備重、不便于攜帶、安裝拆卸復雜、操作復雜、測試速度慢、性能受風沙影響大等特點。試驗時需占用機械設備（反力裝置）時間長，測試結果整理計算較復雜，對環境條件要求高。

4 各種檢測方法數據統計分析

4.1 填料室內試驗數據分析

對30組A、B組填料進行室內試驗檢測其最大干密度、最優含水率、顆粒分析等指標。根據不均勻系數、曲率系數和小于0.075 mm顆粒含量判定其分組，見表1。

表1

從表1中可以看出，這30組料不均勻系數Cu在15.64～30.71之間、曲率系數Cc在0.6～2.29之間，反映出填料級配基本穩定屬于A組或B組細角礫土和含細角礫土。其最大干密度和最優含水率也基本均勻。

4.2 填料壓實質量檢測結果統計

4.2.1 基床底層壓實系數K統計

壓實系數K分布在0.948～0.992之間，具體概率分布見圖1（樣本數量為3 000個）。

圖1 壓實系數K分布圖

4.2.2 基床底層動態變形模量統計

動態變形模量EVd分布在33.9～96.7之間，具體概率分布見圖2（樣本數量為2 500個）。

圖2 動態變形模量EVD分布圖

4.2.3 基床底層地基系數K30統計

地基系數K30分布在128～222之間，具體概率分布見圖3（樣本數量為2 000個）。

圖3 地基系數K30分布圖

4.2.3 基床底層靜態變形模量EV2統計

靜態變形模量EV2分布在75～330之間，具體概率分布見圖4（樣本數量為3 000個）。

圖4 靜態變形模量EV2分布圖

4.3 不同檢測方法所得指標的相關關系

4.3.1 壓實系數K

壓實系數K檢測數據范圍較小和其他檢測指標無明顯相應關系。主要是填料顆粒級配、含水率的變化影響到實測結果之間的相關關系。通過圖1可以看出，壓實系數K≥0.950占99%。只要按照試驗段工藝性試驗總結的各種參數控制和指導后續施工合格率是完全可以保證的。

4.3.2 地基系數K30與動態變形模量EVd的關系

本次對比從基床底層隨機抽樣2 600個點，舍去異常點后對2 588個點進行統計和回歸分析，樣本采用率為99.5%，結果見圖5。

圖5 地基系數K30-動態變形模量EVD關系曲線圖

通過分析得出結果如下：

回歸方程：K30=77.033+1.333 3Evd

相關系數為：r=0.991 1

由此得到地基系數K30與動態變形模量之間的對應關系性較好。

4.3.3 靜態變形模量EV2與動態變形模量EVd的關系

本次對比從基床底層隨機抽樣2 500個點，舍去異常點后對2 476個點進行統計和回歸分析，樣本采用率為99.0%，結果見圖6。

圖6 靜態變形模量EV2-動態變形模量EVD關系圖

回歸方程：EV2=74.922+1.2689EVD

相關系數：r=0.898 3

由此得到靜態變形模量EV2與動態變形模量EVd之間的對應關系有一定的規律，但受填料種類、級配、含水率等多種因素的影響，不宜簡單地進行回歸分析，可以對相對穩定的填料進行比對。

5 智能壓實系統

5.1 智能壓實系統CMV概述

智能壓實系統報告的CMV值作為控制路基壓實質量的重要依據，能夠在一定程度上反映當前路基的壓實狀態。智能壓實系統報告包括：目標CMV、平均CMV、CMV百分比及薄弱區域的位置，見圖7。

圖7 智能壓實系統CMV報告

目標CMV值是結合常規路基現場檢測方法，利用壓實系數、動態變形模量、地基系數等與CMV線性關系，通過線性回歸分析取得，這個值可以作為后續相同填料壓實度的目標值，是檢測路基壓實質量的臨界狀態，也是一個最經濟的控制指標，并成為智能壓實系統過程控制的核心部分。智能壓實系統優勢為：及時讀取數據，實現了壓實質量過程控制，屬于無損檢測；全面對路基壓實質量進行控制，并非以點帶面；保證了以最少壓實變數達到指定目標值，節省時間，極大地提高了施工效率；完整的數據存檔，為施工提供過程控制數據，便于改良壓實工藝，提高施工檢測效率。

5.2 智能壓實系統應用效果分析

表2 基床底層碾壓變為5遍時采集數據

表3 基床底層碾壓變數為7遍時采集數據

表4 基床底層碾壓變數為9遍時采集數據

圖9 CMV值與動態變形模量EVD關系圖

圖10 CMV值與地基系數K30關系圖

碾壓7遍、9遍采集數據見表2、表3、表4，CMV與K、EVD、K30對應散點圖，見圖8、圖9、圖10。通過對數據分析可知，隨著碾壓變數的增加，CMV值與各種檢測指標值都在不斷增大。在散點圖上可以看出，只要CMV目標值在60或60以上，各項指標檢測結果都能基本滿足設計要求。

6 結束語

根據填料質量確定合適的CMV目標值，當CMV值達到目標值后對照報告中薄弱區域對其進行檢測，根據檢測結果判定其壓實質量。通過對戈壁風沙區高速鐵路路基施工質量檢測數據的分析，對進一步優化戈壁風沙區高速鐵路路基檢測技術有著積極意義。但論證結果使用范圍有一定的局限性，其他地區建議通過填料性能和施工現場實際檢測數據進一步討論。

[1]李怒放.動態變形模量EVd標準應用與展望[J].鐵道標準設計，2003（6）：53-54.

[2]《高速鐵路路基工程施工質量驗收標準》（TB10751-2010）.

[3]高傳偉、郭宏坤，高速鐵路路基A、B組填料壓實方法、標準的探討[J]，鐵道工程學報，2007（1）：47.

[4]李蘆林.EVd、K30平板載荷對比試驗討論[J].鐵道工程學報，2007（1）34-37.

[5]TB1001-2005，鐵路路基設計規范[S].