高速鐵路路基不同虛鋪厚度填料壓實(shí)特性試驗(yàn)研究

蔡德鉤，葉陽升，肖金鳳,李 斯，閆宏業(yè)，魏少偉

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081；3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100855)

路基結(jié)構(gòu)是高速鐵路(以下簡稱高鐵)基礎(chǔ)設(shè)施重要的組成部分，其填筑質(zhì)量直接關(guān)系整個(gè)線路工程的質(zhì)量和列車的運(yùn)行安全。為確保路基具有良好的穩(wěn)定性和堅(jiān)固性，最主要的措施就是對路基結(jié)構(gòu)的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行控制[1-2]。近年來，在京雄高鐵線路的建設(shè)過程中，高鐵路基壓實(shí)技術(shù)逐漸從傳統(tǒng)的壓實(shí)質(zhì)量控制發(fā)展為智能壓實(shí)控制，并在京雄高鐵的固安段、霸州段等工點(diǎn)開展了大量工程化工作，取得了顯著的工程業(yè)績。但由于無人駕駛碾壓、計(jì)算機(jī)智能控制以及衛(wèi)星實(shí)時(shí)定位等技術(shù)的應(yīng)用[3-6]，無形中增加了智能壓實(shí)的成本負(fù)擔(dān)。因此，在確保路基結(jié)構(gòu)填筑質(zhì)量的前提下，加快施工進(jìn)度，提高經(jīng)濟(jì)效益，對進(jìn)一步推廣智能壓實(shí)技術(shù)具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)的填筑工藝來減少工程成本。范娟等[7]通過開展現(xiàn)場正交試驗(yàn)，定量分析了振動(dòng)壓路機(jī)工藝參數(shù)對路基填筑質(zhì)量的影響程度，提出較為穩(wěn)定的振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)工藝參數(shù)；王永等[8]對不同路基填料進(jìn)行現(xiàn)場振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了振動(dòng)壓實(shí)模式對路基填筑質(zhì)量的影響規(guī)律。Savan等[9]提出了智能壓實(shí)效益成本分析系統(tǒng)，從公路路基施工、運(yùn)營以及維護(hù)等方面對工程成本進(jìn)行評估，并發(fā)現(xiàn)提升填料的鋪設(shè)厚度可以有效地降低工程成本。對于較大填高的高鐵路基填筑工程，若能確定其最佳壓實(shí)參數(shù)，可以有效地縮短工程期限，大幅度降低填筑成本。

基于此，本文依托于京雄高鐵路基填筑工程，通過開展現(xiàn)場壓實(shí)試驗(yàn)，探討路基填料的碾壓厚度及其碾壓遍數(shù)，研究不同厚度填料在壓實(shí)過程中的加速度響應(yīng)規(guī)律，以期優(yōu)化高速鐵路路基填筑工藝。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

本文以京雄高鐵固安東站路基填筑工程為試驗(yàn)段，規(guī)劃100 m×10 m(長度×寬度)的試驗(yàn)區(qū)域，開展不同厚度填料的壓實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)段路基底面寬約42 m，頂面寬約30 m，填筑高度為4.62 m，其中基床表層、基床底層、路基本體的填筑高度分別為0.47、1.90、2.25 m。試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槁坊驳讓樱捎肁、B組粗角礫料進(jìn)行填筑。在壓實(shí)試驗(yàn)開始前，進(jìn)行了五組顆粒級配及含水率檢測，測試結(jié)果見表1、表2。顆粒級配曲線見圖1。由圖1可見，該組填料級配良好。基于前期大量壓實(shí)工作，確定該填料壓實(shí)前厚度約為壓實(shí)后厚度的1.15～1.25倍，結(jié)合QCR 9602—2015《高速鐵路路基工程施工技術(shù)規(guī)程》的要求[10]，計(jì)算得到對應(yīng)的最大虛鋪厚度為40 cm，故本次試驗(yàn)共設(shè)置40、50、60 cm三種虛鋪厚度進(jìn)行試驗(yàn)。

鑒于京雄高鐵路基壓實(shí)工程所采用的振動(dòng)壓路機(jī)為中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司監(jiān)制、三一重工生產(chǎn)的SSR260C-6型單鋼輪壓路機(jī)，故本次試驗(yàn)同樣采用該型號振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，保證試驗(yàn)與現(xiàn)場施工的一致性。振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)工藝參數(shù)如下：振動(dòng)壓路機(jī)的工作質(zhì)量為26.7 t，工作寬度為2 000 mm；振動(dòng)頻率為27/31 Hz，振動(dòng)幅值為2.05/1.03 mm，可分為弱振、強(qiáng)振兩個(gè)工作狀態(tài)。為獲得填料在壓實(shí)過程中的動(dòng)力響應(yīng)，在填料不同深度處埋設(shè)傳感器采集加速度數(shù)據(jù)，見圖2。圖2中，填料虛鋪厚度為40 cm時(shí)，加速度傳感器測點(diǎn)1、2、3的埋置深度分別為5、20、35 cm；填料虛鋪厚度為50 cm時(shí)，加速度傳感器測點(diǎn)1、2、3、4的埋置深度分別為5、20、35、45 cm；填料虛鋪厚度為60 cm時(shí)，加速度傳感器測點(diǎn)1、2、3、4的埋置深度分別為5、20、35、55 cm。加速度傳感器采用東華測試生產(chǎn)的1C303型三向加速度傳感器，量程為±16.0g，靈敏度為0.57 mV/g。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用東華測試32通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備DH5922D。為確保采集的振動(dòng)信號與真實(shí)振動(dòng)信號的擬合度，本次試驗(yàn)的加速度采集頻率為2 000 Hz。當(dāng)填料鋪平、靜壓，以疊壓的形式開始壓實(shí)試驗(yàn)。

表1 顆粒級配測試結(jié)果

表2 含水率測試結(jié)果

圖1 顆粒級配曲線

圖2 不同虛鋪厚度填料中的傳感器埋設(shè)

2 路基壓實(shí)質(zhì)量檢測

采用動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)對填料的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行檢測，該方法主要是通過采集落錘自由落下沖擊地面時(shí)填料的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變參數(shù)，計(jì)算路基的動(dòng)態(tài)變形模量Evd[11]。將計(jì)算得到的Evd與TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定值[12](碎石類及粗粒土動(dòng)態(tài)變形模量Evd大于40 MPa)進(jìn)行對比，以此判斷路基的壓實(shí)質(zhì)量是否滿足要求。在每遍壓實(shí)完成后，選取填料較為均勻的區(qū)域進(jìn)行Evd檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果決定壓實(shí)遍數(shù)。虛鋪填料厚度為40、50、60 cm時(shí)，動(dòng)態(tài)變形模量Evd檢測結(jié)果見圖3。

圖3 動(dòng)態(tài)變形模量Evd檢測結(jié)果

由圖3可見，隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加，不同厚度填料的Evd均大致呈現(xiàn)出“先增大后穩(wěn)定”的趨勢。當(dāng)填料虛鋪厚度為40 cm時(shí)，以弱振工況開始疊壓。第一遍壓實(shí)完成后，填料各檢測點(diǎn)的Evd值分布于30～35 MPa，繼續(xù)增加壓實(shí)遍數(shù)，填料的Evd值不斷增大，并在第四遍壓實(shí)完成后，填料部分檢測點(diǎn)的Evd值已超過規(guī)范值，也存在個(gè)別未達(dá)到要求的檢測點(diǎn)。在第五遍壓實(shí)后，所有檢測點(diǎn)Evd均大于40 MPa，該段路基已達(dá)到壓實(shí)要求，說明填料虛鋪厚度為40 cm時(shí)，填料的碾壓遍數(shù)至少為5遍。繼續(xù)增加弱振遍數(shù)，Evd的增長較小，穩(wěn)定在45～55 MPa；當(dāng)增加填料虛鋪厚度至50 cm時(shí)，同樣采用弱振工況進(jìn)行碾壓。與虛鋪厚度40 cm不同，在4遍壓實(shí)完成后僅有一個(gè)檢測點(diǎn)達(dá)到規(guī)范要求，5遍壓實(shí)完成后填料的Evd值顯著提高，并在6遍壓實(shí)完成后填料絕大多數(shù)區(qū)域已滿足壓實(shí)要求。隨后的碾壓完成，各檢測點(diǎn)Evd值逐漸穩(wěn)定在45 MPa左右；當(dāng)填料虛鋪厚度為60 cm時(shí)，對填料進(jìn)行8遍弱振碾壓，填料的Evd均值由28 MPa增加至35 MPa左右，碾壓段填料無法達(dá)到壓實(shí)要求。

改變振動(dòng)壓路機(jī)的工作模式，以強(qiáng)振工況繼續(xù)對填料進(jìn)行碾壓，填料的Evd值短暫逐漸增大，少數(shù)檢測點(diǎn)滿足壓實(shí)要求。但在第三次強(qiáng)振碾壓后填料的Evd值顯著減小，發(fā)生上述現(xiàn)象的主要原因可能是由于強(qiáng)振碾壓造成填料表層局部區(qū)域發(fā)生“過壓破壞”，導(dǎo)致其承載力降低。填料表層的局部破壞現(xiàn)象見圖4。

圖4 填料表層的局部破壞現(xiàn)象

對比分析三組試驗(yàn)可知，在振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓下，填料的密度和剛度逐漸增大，體積和變形逐漸減小。當(dāng)達(dá)到一定壓實(shí)遍數(shù)時(shí)，填料由松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐?shí)狀態(tài)，其物理力學(xué)參數(shù)不再發(fā)生變化，填料保持在一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)。該穩(wěn)定狀態(tài)與填料厚度有關(guān)，虛鋪厚度為40、50、60 cm時(shí)Evd均值分別為47、44、35 MPa。在填料進(jìn)入相對穩(wěn)定的狀態(tài)后，單一的增加壓實(shí)遍數(shù)并不會(huì)提高其壓實(shí)程度，需通過轉(zhuǎn)換振動(dòng)壓路機(jī)的工作模式，改變激振力及激振頻率，才有可能使填料進(jìn)入下一階段的穩(wěn)定狀態(tài)。考慮到虛鋪厚度為40、50 cm的填料在弱振作用下達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)已滿足壓實(shí)要求，無需再采用強(qiáng)振工況進(jìn)行碾壓。而對于虛鋪厚度為60 cm的填料，即使采用不同的壓實(shí)工況，也無法達(dá)到壓實(shí)要求。

3 不同虛鋪厚度填料的壓實(shí)特性

為了進(jìn)一步分析不同虛鋪厚度填料的壓實(shí)特性，本文通過采集填料不同深度處的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，從時(shí)域、頻域、時(shí)頻域及能量域等方面展開研究。

3.1 填料的加速度峰值

當(dāng)填料虛鋪厚度為40、50、60 cm時(shí)，不同深處各測點(diǎn)加速度峰值隨壓實(shí)遍數(shù)的變化曲線見圖5。由圖5可見，填料加速度峰值的變化規(guī)律與Evd相似。在弱振作用下，由于開始壓實(shí)時(shí)填料的級配參數(shù)等基本相同，不同虛鋪厚度填料加速度峰值也基本相同。隨著壓實(shí)變數(shù)的增加，虛鋪厚度為40、50 cm的填料Evd增長較快，其剛度和阻尼變化較大，各測點(diǎn)的加速度響應(yīng)逐漸增大。而虛鋪厚度為60 cm的填料受到厚度限制，其Evd值增長較小，各測點(diǎn)加速度峰值變化并不明顯。對比填料不同深度的加速度響應(yīng)，在5～20 cm深度范圍內(nèi)差異較大，20～45 cm深度范圍差異較小，特別是虛鋪厚度為60 cm的填料，在強(qiáng)振作用下上層填料的加速度峰值明顯大于弱振作用，而下層填料的加速度峰值差異較小。可見在填料厚度過大時(shí)，強(qiáng)振也只是對上層填料產(chǎn)生作用，對底層填料的壓實(shí)效果并不明顯。

圖5 不同厚度填料各測點(diǎn)加速度峰值隨壓實(shí)遍數(shù)的變化曲線

為進(jìn)一步分析填料加速度峰值與Evd值之間的變化關(guān)系，以各虛鋪厚度填料5 cm處的加速度峰值為基準(zhǔn)，分別建立其與Evd值之間的相關(guān)關(guān)系，見圖6。由圖6可見，在弱振作用下，填料的加速度峰值與Evd之間大致呈線性分布，不同厚度的相關(guān)系數(shù)R均大于0.7，具有嚴(yán)格的線性相關(guān)關(guān)系。

圖6 填料加速度峰值與Evd值的相關(guān)關(guān)系

3.2 加速度的頻譜特征

對填料各測點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)，分析其頻譜特征在壓實(shí)過程中隨碾壓遍數(shù)的變化情況，計(jì)算結(jié)果見圖7。由圖7可知，在弱振作用下，不同厚度填料各測點(diǎn)加速度的基波頻率基本上穩(wěn)定在22 Hz附近，在強(qiáng)振作用下填料的基波頻率減小至19 Hz，且增加壓實(shí)遍數(shù)并不會(huì)一直增大或減小基波的頻率。

圖7 不同厚度填料基頻隨碾壓遍數(shù)變化曲線

圖8 不同厚度填料傅里葉幅值隨碾壓遍數(shù)變化曲線

虛鋪厚度為40、50、60 cm填料傅里葉幅值隨碾壓遍數(shù)變化曲線見圖8。由圖8可見，隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加，基波與多次諧波的幅值大致呈現(xiàn)出增長的變化趨勢。在虛鋪厚度為40、50 cm的填料中，上層填料測點(diǎn)的基波及各次諧波的幅值大于下層填料，而在厚度為60 cm的填料中，隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加，上層填料的基波幅值逐漸小于下層填料。當(dāng)振動(dòng)壓路機(jī)的工作模式由弱振轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)振時(shí)，填料測點(diǎn)的一次諧波幅值突然增大，其幅值大于基波幅值。

3.3 加速度的時(shí)頻特征

為進(jìn)一步分析填料加速度數(shù)據(jù)在時(shí)頻域上的動(dòng)力響應(yīng)特征，以填料虛鋪50 cm為例，對填料各測點(diǎn)加速度進(jìn)行Hilbert-Huang變換(HHT)[13]，并采用二維平面等值線圖的形式進(jìn)行表示，第一遍、第五遍和第八遍壓實(shí)后填料測點(diǎn)的Hilbert譜見圖9。

圖9 第一遍、第五遍和第八遍壓實(shí)后填料測點(diǎn)的Hilbert譜

由圖9可知，填料在時(shí)頻域上的響應(yīng)特征可被Hilbert-Huang變換較好地描述出來。在第一遍壓實(shí)過程中，填料測點(diǎn)的振動(dòng)能量主要有基波和一次諧波所攜帶，主要集中在5～6 s之間。隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加，填料進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，各測點(diǎn)所攜帶的能量同樣呈現(xiàn)出“先增大后穩(wěn)定”的趨勢，且時(shí)間逐漸增長至2 s左右，但振動(dòng)能量在頻域上并未發(fā)生明顯改變，說明在填料的壓實(shí)過程中，填料密度增大使得振動(dòng)壓路機(jī)有效碾壓時(shí)間逐漸增大。對比上層填料和下層填料在壓實(shí)過程中的Hilbert譜，可以發(fā)現(xiàn)在振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)碾壓下，填料表層受到的振動(dòng)能量及其時(shí)間明顯大于填料底層。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場壓實(shí)試驗(yàn)，探討了填料的不同虛鋪厚度及其壓實(shí)遍數(shù)，并分析了壓實(shí)過程中填料不同深度處的加速度響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

(1)在路基壓實(shí)過程中，填料由松散狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐?shí)狀態(tài)，其Evd值大致呈現(xiàn)出“先增大后穩(wěn)定”的趨勢，其中虛鋪厚度40、50、60 cm分別穩(wěn)定在47、44、35 MPa。此外，填料虛鋪厚度為40 cm時(shí)，在5遍弱振碾壓后達(dá)到規(guī)范要求；虛鋪厚度為50 cm時(shí)，則需要6遍弱振碾壓可達(dá)到規(guī)范要求；而虛鋪厚度提升至60 cm，始終無法達(dá)到路基壓實(shí)要求。

(2)填料加速度峰值的變化規(guī)律與Evd相似。在弱振作用下，虛鋪厚度為40、50 cm的填料Evd值增長較快，各測點(diǎn)的加速度響應(yīng)逐漸增大。而虛鋪厚度為60 cm的填料受到厚度限制，其Evd值增長較小，各測點(diǎn)加速度峰值變化并不明顯。不同厚度填料加速度峰值與Evd值之間近似呈線性分布，具有嚴(yán)格的線性相關(guān)關(guān)系。

(3)采用FFT、HHT等數(shù)字信號分析填料加速度的頻譜特征。在虛鋪厚度為40、50 cm的填料中，上層填料測點(diǎn)加速度的基波及各次諧波的幅值大于下層填料，而在厚度為60 cm的填料中，上層填料的基波幅值逐漸小于下層填料。當(dāng)振動(dòng)壓路機(jī)的工作模式由弱振轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)振時(shí)，填料測點(diǎn)的一次諧波幅值突然增大，其幅值大于基波幅值。隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加，各測點(diǎn)所攜帶的能量同樣呈現(xiàn)出“先增大后穩(wěn)定”的趨勢，且時(shí)間逐漸增長至2 s左右，但振動(dòng)能量在頻域上并未發(fā)生明顯改變。