英國標準BS 1377與中國標準在鐵路路基壓實試驗中的異同

蘇 昕，李祝文,2,3，劉朝暉，王永紅，吳清強

(1.中國交建馬來西亞東海岸鐵路項目總經理部，吉隆坡 50480；2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430040；3.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430040)

中國標準種類繁多、范圍廣，不同行業對同一試驗的要求也不盡相同，如土工試驗在中國國家標準和鐵路標準中都有詳細規定，并且更新速度快，能適應各行業新模式、新方法、新材料及新設備的引進創新[1]。相對于中國標準來說，由于采用英國標準的英聯邦國家眾多，英國標準使用時間長，很多屬于英聯邦國家的發展中國家，由于社會、經濟、文化等因素依然延續英國標準的儀器設備、試驗操作流程及相關參數控制指標。雖然中國標準的參考、推廣和使用是一個大的趨勢，但這個過程仍將持續一段時間[2，3]。為便于國際工程試驗檢測人員對傳統的英國標準和不斷更新完善的中國標準之間有個對比認識，該文對評價現場鐵路路基壓實質量的壓實度試驗、CBR試驗及EVD動態變形試驗進行了簡單介紹，從儀器要求、操作流程、數據處理3個方面對比分析了英國標準BS 1377[4]與中國標準[5]的差異。

1 壓實度試驗

壓實度K是評價路基壓實程度最常用的方法，壓實度計算必須檢測地基或路基壓實材料的干密度和最大干密度。現場干密度測定試驗也稱作原位試驗，主要通過現場所測濕密度和土的含水率換算所得，灌砂筒法是最常用的方法。最大干密度主要采用室內擊實試驗測得，通過測定不同含水率下的土的干密度，確定最佳含水率對應的最大干密度。

1.1 儀器設備

中國鐵路標準采用容量瓶和漏斗替代灌砂筒，對灌砂筒或容量瓶的選擇基本都是綜合考慮填料最大粒徑和填筑層厚來進行選擇，英國標準BS 1377是直接采用灌砂筒進行測量，通過測試層厚度來選擇灌砂筒。

現場測試過程中，試坑尺寸主要由灌砂儀器決定，不同標準中試坑尺寸與相應的最大粒徑如表1所示，由表可知試坑尺寸要求從大到小依次為國家標準GB/T 50123—2019、鐵路標準TB 10102—2010、英國標準BS 1377。英國標準對試坑尺寸要求最小，現場測試時間較短。路基壓實度試驗中，試坑內沙子替換的體積直接影響到試驗結果的誤差大小，粒徑越大，在試坑側壁上凸出來的石子所占的面積也越大，如果試坑的面積也增大了，就可以有效地減小誤差。與英國標準相比，中國標準有效地減小了因填料粒徑大小對試驗結果的影響，同時結合填料粒徑確定試坑大小，也較為貼近現場施工中采用填料粒徑綜合確定填筑層厚度的工況。

表1 不同標準中試坑尺寸與相應的最大粒徑 /mm

1.2 操作流程及數據處理

英國標準BS 1377大小灌砂筒法主要分為材料選擇、灌砂筒漏斗中砂的質量和體積密度的判定、現場干密度測定3個操作流程。鐵路標準TB 10102—2010操作流程與英國標準BS 1377基本相同，在材料的選擇方面沒有特定的說明，僅要求不能用于填石路基壓實度的測定。 現場干密度測量過程中英國標準BS 1377要求使用刮刀將試驗土面裁剪成一個水平面，鐵路標準TB 10102—2010要求鏟平測試地面，雖然操作方法不同，但目的都是人為制造一個水平的測試面，相比較而言，開挖一個水平面在試驗精度方面更好控制。鐵路標準TB 10102—2010與英國標準BS 1377對濕密度和干密度的計算基本相同，只是密度單位不同，中國鐵路標準用g/cm3，而英國標準BS 1377的密度單位是mg/m3。

2 CBR試驗

CBR(California Bearing Ratio)試驗是1982年美國加州在進行瀝青路面破壞調查時為比較材料的強度而提出的，也稱加州承載比試驗。CBR試驗可分為室內試驗和原位試驗，兩種方法在適用環境和儀器設備方面差距較大，但室內CBR試驗在工地試驗室中最為常見。

2.1 儀器設備

CBR試驗儀器主要由擊實儀、貫入儀及其他儀器設備(天平、標準篩、臺秤、膨脹量測量裝置、底板等)組成，英國標準BS 1377要求使用的擊實儀和其他儀器設備與中國標準相比基本相似，但在試驗貫入儀方面差別較大，如圖1(a)和圖1(b)所示。

CBR試驗中，中國標準1個測力計量表位于測力環中心，2個測量貫入深度的百分表位于試樣頂部兩側，在實際操作過程中，經常遇到反映貫入量的兩個百分表讀數相差較大，使取值困難，主要是由于試驗儀未水平或貫入桿與試件頂面未完全接觸而引起的，可以通過在試驗儀器低的一段墊鐵片或調整偏球座來解決，雖然操作比較繁雜，但有效減小試驗操作過程中偶然誤差。英國標準BS1377則選用一個百分表位于試樣頂部一側，直接讀取貫入深度值，操作簡單，但在試驗儀調平過程中沒有依據證明儀器已經水平，而只是通過視覺直接感受，讀數誤差大。

2.2 操作流程

從適用范圍、試樣成型、浸水試驗、貫入試驗4個方面對中國鐵路標準(TB 10102—2010)和英國標準(BS1377—4)進行對比，主要差異見表2。

表2 CBR試驗操作流程中英標準對比

在取樣方面，中國鐵路標準允許使用粒徑20～40 mm的土樣，但20～40 mm粒徑土樣對貫入試驗結果有影響，在試驗過程中應和英國標準一樣，最好不超過20 mm，特別是20～40 mm占比很少的情況，可以直接去掉大于20 mm的土樣。但是20～40 mm土樣占比大于10%時，應嚴格對結果進行修正。中國鐵路標準取樣范圍更廣，而且為了適應現場環境，也要求根據不同粒徑土樣占比進行結果修正。試樣成型過程中，兩個標準在風干方式和樣品制備數量方面均不相同，這主要與CBR值確定有關。操作過程中，中國標準要求注水后水槽內水面應保持高出試樣頂面25 mm，而英國標準BS1377則考慮試樣應放在水面以下至少10 mm的高度，兩種標準在浸水高度上的差異，實則是對模擬實際現場工況的不同，故在平時檢測過程中，應結合現場實際工況，如馬來西亞多采用英國標準，但馬來西亞環境和英國差距極大，許多地方膨脹性的紅黏土較多，雨季和旱季土壤含水率差異很大，且雨季周期長，路基填料泡水深度和時間可能較大，應加大浸水深度，中國鐵路標準更加貼近馬來西亞現場實際環境。

在貫入試驗方面，兩個標準在施加壓力和貫入速率方面差異很小，在貫入深度差異較大，但都要求貫入深度大于7.5 mm，由于取值為2.5 mm或5 mm，兩個標準的總貫入深度對CBR取值影響不大，只是在結果修正時，中國鐵路標準選用的數據范圍更廣，修正誤差偏小。

2.3 數據處理

兩種標準在試驗曲線修正方面相同，均選用貫入量2.5 mm和5.0 mm中較大承載比，只是當貫入量2.5 mm承載比小于貫入量5.0 mm承載比，中國鐵路標準需要再做一次試驗進行復核，而英國標準則是直接選用，中國鐵路標準在CBR取值方面更為嚴謹。由于兩種標準選用標準強度單位不一致(見表3)，導致貫入量2.5 mm和5.0 mm換算所得強度標準值英國標準偏小90 kPa和184 kPa，強度標準值相差很小，壓實度相同的土樣采用兩種標準計算出來的承載比也相差較小。由于采用鐵路標準配制的土樣壓實度在95%～100%，而選用的是壓實度為100%理想狀態下的土樣來計算承載比值，同種類型土樣，壓實度越大，CBR值越大，故采用鐵路標準計算的CBR值普遍要大于英國標準。但是，在實際施工過程中，路基壓實度很少達到96%以上，因此，在日常試驗檢測質量管控中，對于采用中國標準試驗的土體CBR值應更為嚴格。

表3 中國標準與英國標準CBR試驗計算公式

3 動態變形模量試驗

英國標準對反映路基壓實情況的壓實度和CBR均有詳細的描述，但對于EVD基本未涉及。中國在2004年開始實施的《鐵路工程土工試驗規程》中對EVD工作原理、儀器設備、操作過程、試驗記錄及相關要求進行了詳細的說明，但多局限于壓實質量要求高的特殊路段，未普及整個土工試驗檢測過程中，具體如下：1)中國鐵路標準TB 10751—2018要求過渡段路堤高度≤3 m時，EVD ≥40 MPa；過渡段路堤高度>3 m時，EVD ≥30 MPa；2)中國鐵路客運專線技術管理辦法(試行)(300～350)中要求基床表層EVD ≥55 MPa，但同時地基系數k30和孔隙率n也需滿足相關規范或設計要求；3)中國客專無碴軌道鐵路路基設計指南要求基床及以下路基壓實質量標準EV2和EVD參考德國標準。

EVD試驗是一種先進的路基質量檢測方法，尤其在反應列車真實狀態方面占有優勢，即列車高速運轉產生動應力對路基土的干擾，與路基壓實度和CBR試驗相比，EVD試驗操作簡單、測試速度快、精準度較高，在室內不同壓實度試驗過程中，EVD和壓實度及CBR值均存在近似線性關系，說明動態變形模量EVD作為路基壓實質量檢測方法具有一定的理論依據。在路基占比極高且參考英國標準的國際工程，如果能參考中國標準對EVD的相關要求，注意對測點進行合理清理與布置，分析EVD控制指標與路基填料壓實度和CBR之間的相關性，推薦路基EVD控制指標的建議限值，并推廣到路基施工的全過程質量控制中，將極大提升檢測效率，在施工過程中可以同步監測路基施工質量而不影響施工進度。

4 結 論

a.對比中英兩國標準發現：①鐵路標準根據填料粒徑及測試層厚度選擇灌砂儀器容積和試坑尺寸，英國標準則主要通過測試層厚度來選擇，試坑開挖尺寸較小；②兩種標準在CBR試驗儀器設備、樣品數量和CBR值選取方面差異較大，與樣品數量有關；③中國標準提供的CBR指標是一種等價于最優含水率的理想狀態，但英國標準提出的CBR值相對較小；④英國標準未涉及EVD試驗，而中國標準僅在壓實質量要求高的特殊路段進行相關規定；⑤中國標準考慮更為綜合全面，英國標準部分試驗結果精度較高。

b.EVD試驗與路基壓實度和CBR值之間存在線性相關關系，如推薦EVD控制指標的建議限值，將在路基占比極高、路基壓實度檢測效率較低的國際工程中具有較好的實踐，極大提升檢測效率。