客運(yùn)專線鐵路路基變形模量檢測(cè)與路基壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

張智

(鐵道部工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，北京100844)

路基施工質(zhì)量是客運(yùn)專線鐵路建設(shè)關(guān)注的關(guān)鍵問題之一，而路基填筑質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)是路基施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，科學(xué)、合理的試驗(yàn)檢測(cè)方法是保證路基施工質(zhì)量的重要措施。我國(guó)有砟軌道路基壓實(shí)質(zhì)量采用地基系數(shù) K30、動(dòng)態(tài)變形模量 Evd、孔隙率 n三項(xiàng)指標(biāo)控制，無砟軌道路基檢測(cè)在有砟軌道的基礎(chǔ)上引入了變形模量Ev2檢測(cè)指標(biāo)，進(jìn)行四項(xiàng)指標(biāo)控制。

目前，我國(guó)鐵路相關(guān)規(guī)程已明確規(guī)定了二次變形模量Ev2值的控制標(biāo)準(zhǔn)，二次變形模量與一次變形模量的比值Ev2/Ev1值尚無統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)。近年來，國(guó)內(nèi)一些專家及工程技術(shù)人員關(guān)于路基Ev2檢測(cè)作了大量試驗(yàn)與科研。文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］中提出，在無砟軌道路基檢測(cè)中均遇到過Ev2測(cè)試值雖然超過設(shè)計(jì)要求值，但Ev2與Ev1的比值卻很大，甚至在壓實(shí)度明顯不足的土上進(jìn)行Ev2檢測(cè)，出現(xiàn)Ev2值也并不低的情況。本文結(jié)合新建客運(yùn)專線鐵路路基Ev2測(cè)試資料，分析了路基Ev2測(cè)試指標(biāo)的分布規(guī)律及影響因素，對(duì)Ev2工程測(cè)試具有借鑒作用。

1 試驗(yàn)原理與方法

變形模量Ev2試驗(yàn)屬于平板荷載試驗(yàn)，在圓形荷載板上分級(jí)施加靜荷載，測(cè)試荷載強(qiáng)度與沉降變形的關(guān)系，由此計(jì)算地基的變形模量。試驗(yàn)方法與地基系數(shù)K30試驗(yàn)類似，其主要差別在于數(shù)據(jù)整理和計(jì)算方法的不同。變形模量Ev2試驗(yàn)采用二次循環(huán)加載。這樣，可以得出第一次加載、第一次卸載和第二次加載的荷載—沉降量曲線。

在鐵路路基填筑施工質(zhì)量檢測(cè)中，一般情況下采用直徑300 mm的荷載板。試驗(yàn)先預(yù)壓0.01 MPa的荷載30 s，然后分級(jí)加載，直至沉降達(dá)到5 mm或荷載達(dá)到0.5 MPa。加載等級(jí)不應(yīng)小于6級(jí)，卸載分3級(jí)，每級(jí)加載要在60 s內(nèi)完成，加載完成后經(jīng)120 s加下一級(jí)荷載，荷載—沉降量曲線見圖1。

圖1 Ev2荷載—沉降量曲線

由于土是彈塑性體，在平板荷載試驗(yàn)中，第一次加載后的第一次卸載σ—s曲線當(dāng)荷載σ為零時(shí)，沉降量s并不為零，即土體由于塑性的存在發(fā)生了不可恢復(fù)的殘余變形。第二次加載時(shí)由于消除了土體的部分塑性變形，得到的σ—s曲線就比較接近于直線，比較能反映土體的彈性變形。相對(duì)于K30來說，采用第二次加載曲線來計(jì)算土體在力的作用下抵抗變形的能力(變形模量Ev2)，消除了土的部分表面塑性，更能反映土體的彈性性能。

圖1中，第1次加載曲線走向平緩表明承載力高，走向陡峭則表示承載力低。卸載至零荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的殘余沉降量代表路基產(chǎn)生的塑性變形，Ev2值是消除地基表面效應(yīng)后，被壓實(shí)后路基的剛度。當(dāng)Ev2/Ev1值較大時(shí)，說明路基的塑性變形(沉降量)較大，路基壓實(shí)不充分。

2 工程測(cè)試資料分析

變形模量Ev2值與Ev2/Ev1值均為評(píng)價(jià)無砟軌道路基壓實(shí)質(zhì)量的重要指標(biāo)。通過對(duì)新建鐵路路基Ev2測(cè)試資料分析，可以看出Ev2測(cè)試指標(biāo)的分布規(guī)律及其對(duì)路基質(zhì)量的控制作用。以京津城際Ⅱ標(biāo)段路基為例，抽取的碎石類土路基800個(gè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，Ev2值均 >130 MPa，無不合格現(xiàn)象，但在平行檢測(cè)指標(biāo) K30、Evd不合格處，Ev2/Ev1值偏大。為此，對(duì)于A、B組填料，京津城際軌道交通工程規(guī)定了 Ev2/Ev1≤3，檢測(cè)過程中，收到了良好的控制效果。

本文隨機(jī)抽取了城際軌道交通工程93組級(jí)配碎石路基Ev2測(cè)試數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，其中57組數(shù)據(jù)為普通級(jí)配碎石路基，36組數(shù)據(jù)為涵洞或橋臺(tái)過渡段(水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填料)。檢測(cè)結(jié)果表明，Ev2測(cè)試值介于140～926 MPa之間，是規(guī)范規(guī)定值的2.33～15.43倍，Ev2/Ev1為1.01～5.59，Ev2值及 Ev2/Ev1值分布見表1。

表1 級(jí)配碎石路基Ev2值及Ev2/Ev1分布

表1中，Ev2/Ev1主要介于2.0～3.0之間，不同填料Ev2/Ev1平均值為2.70，標(biāo)準(zhǔn)差0.85。從Ev2/Ev1值分布來看，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填料Ev2/Ev1>3.0的量占總量的38.89%，不摻水泥級(jí)配碎石Ev2/Ev1>3.0的量占總量的21.05%。從平行檢測(cè)的K30值與Ev2值、Ev2/Ev1值的分布規(guī)律來看，隨比值 Ev2/Ev1的增大，K30值呈減小趨勢(shì)，Ev2值分布無規(guī)律性;對(duì)于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填料，Ev2/Ev1≥3.0時(shí)，K30值的分布規(guī)律稍差，并非隨比值的增大而減小。因此，對(duì)于普通填料Ev2/Ev1值較大時(shí)，則路基壓實(shí)不充分;對(duì)于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填料，Ev2值一般均較大，且Ev2/Ev1分布規(guī)律性差，Ev2/Ev1值并不能完全反映路基壓實(shí)程度。

針對(duì)Ev2測(cè)試值普遍偏高的現(xiàn)象，本文分析研究了新建鐵路路基的Ev2監(jiān)督抽檢資料，見表2。

表2 新建鐵路路基抽檢資料分析

表2中，除水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填料外，其余填料路基Ev2/Ev1值均<3.0，其中細(xì)粒土填料(改良土、礫砂)Ev2值均偏低，粗粒土Ev2值偏高。可以看出，Ev2值反映了路基壓實(shí)后的剛度，與填料類型有關(guān)，如果填料選擇不合理，亦可能出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。因此，客運(yùn)專線無砟軌道鐵路引進(jìn)Ev2值控制是有效的。

路基變形模量Ev2的工程測(cè)試資料分析表明，測(cè)試指標(biāo)Ev2值、Ev2/Ev1值從不同角度評(píng)定了路基質(zhì)量。Ev2值反映了路基壓實(shí)后的剛度與填料類型有關(guān)，粗粒土填料的Ev2值普遍高于細(xì)粒土，彈性性能優(yōu)于細(xì)粒土;除水泥穩(wěn)定填料外，Ev2/Ev1值越大，則路基越不密實(shí)。

3 Ev2控制標(biāo)準(zhǔn)及影響因素

路基壓實(shí)質(zhì)量不僅與變形模量 Ev2值有關(guān)，還與Ev2/Ev1值有關(guān)。目前，行業(yè)相關(guān)規(guī)程尚未制訂Ev2/Ev1的控制標(biāo)準(zhǔn)，工程測(cè)試中，Ev2測(cè)試值遠(yuǎn)高于規(guī)范控制值。針對(duì)工程測(cè)試出現(xiàn)的問題，作如下分析討論。

3.1 Ev2值的控制標(biāo)準(zhǔn)問題

Ev2在國(guó)內(nèi)采用時(shí)間不長(zhǎng)，無論是設(shè)計(jì)取值、檢測(cè)規(guī)程、檢測(cè)設(shè)備，均是借鑒和引進(jìn)國(guó)外的，而在引進(jìn)、消化、吸收的過程中，隨著實(shí)際工程應(yīng)用所暴露出的問題，就會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了解還不夠全面和深入。工程測(cè)試資料分析表明，基于目前客運(yùn)專線所采用的填料，Ev2測(cè)試值遠(yuǎn)高于規(guī)范控制值，在研究探討如何控制路基工后沉降的同時(shí)，應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，開展相關(guān)的研究，提出適合我國(guó)高速鐵路建設(shè)的Ev2值控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 Ev2/Ev1值的控制標(biāo)準(zhǔn)問題

德國(guó)鐵路路基規(guī)范RIL836中規(guī)定了Ev2的設(shè)計(jì)值，與其相關(guān)的規(guī)范ZTVE－StB94/97(德國(guó)道路土方路基工程附加技術(shù)合同條款和規(guī)程)中對(duì)Ev2/Ev1值的大小給出了限制值。德國(guó)除規(guī)定Ev2值要滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外，同時(shí)還要求Ev2/Ev1的值要滿足相應(yīng)的值，且當(dāng)Ev1超過Ev2要求值的60%時(shí)，對(duì)Ev2/Ev1值的要求也允許適當(dāng)放寬。

目前，我國(guó)客運(yùn)專線關(guān)于Ev2/Ev1值相應(yīng)規(guī)范、規(guī)程均沒有給出其控制值。針對(duì)無砟軌道路基檢測(cè)中經(jīng)常遇到Ev2測(cè)試值雖然超過設(shè)計(jì)要求值，但Ev2與Ev1的比值卻很大，甚至在壓實(shí)度明顯不足的土上進(jìn)行Ev2檢測(cè)，出現(xiàn)Ev2值也并不低的情況，各客運(yùn)專線鐵路在建設(shè)中提出了Ev2/Ev1控制指標(biāo)，作為參考，但仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速、工況基本一致，對(duì)于相同的路基填料應(yīng)分析、研究，制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 水泥穩(wěn)定填料的Ev2檢測(cè)問題

過渡段常采用水泥穩(wěn)定填料，由于水泥的膠結(jié)作用，碾壓完畢經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間放置后，水泥穩(wěn)定填料板結(jié)形成整體，并具有一定的強(qiáng)度，出現(xiàn) Ev1、Ev2值均明顯高于Ev2控制值，Ev2/Ev1值偏高的現(xiàn)象。進(jìn)行 K30、Evd和 n平行測(cè)試時(shí)，K30、Evd一般都比較高，孔隙率n測(cè)試試坑因填料板結(jié)較難開挖。為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及有效性，水泥穩(wěn)定填料應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程要求，在碾壓完畢后2～4 h內(nèi)開始檢測(cè)。

3.4 Ev2檢測(cè)影響因素分析及應(yīng)對(duì)措施

1)含水率影響。土體的含水率對(duì)其強(qiáng)度測(cè)定有較大的影響，當(dāng)水在土體中以自由水存在時(shí)會(huì)降低其強(qiáng)度，當(dāng)水在土體中以結(jié)合水存在時(shí)會(huì)增加其強(qiáng)度。為確保檢測(cè)結(jié)果能反映出路基土的真實(shí)強(qiáng)度，試驗(yàn)時(shí)土體的含水率變化范圍應(yīng)是在其使用期間所能保持的范圍，宜在壓實(shí)后2～4 h內(nèi)開始試驗(yàn)。

2)路基表面平整度影響。當(dāng)試驗(yàn)場(chǎng)地面不平整時(shí)，試驗(yàn)面與承載板接觸面不緊密，甚至只有局部支撐，這樣就存在應(yīng)力集中的問題，直接影響試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于粗粒土或混合料填層造成表面凹凸不平，承載板下應(yīng)鋪一層厚約2～3 mm的干燥中砂或石膏膩?zhàn)印?/p>

3)路基表面結(jié)殼、軟化等因素的影響。對(duì)于水分揮發(fā)快的中粗砂，表面結(jié)硬殼、軟化或因其他原因表層擾動(dòng)的土，變形模量Ev2試驗(yàn)應(yīng)置于其影響以下進(jìn)行，下挖深度應(yīng)不大于承載板直徑。

4)填料粒徑的影響。K30、Evd、Ev2試驗(yàn)適用于粒徑不大于承載板直徑1/4的各類土和土石混合填料。在鐵路路基填筑施工質(zhì)量檢測(cè)中，采用直徑為300 mm的承載板，即最大粒徑不大于75 mm，而在《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))中對(duì)基床底層及以下路堤填料的最大粒徑限制值分別為100 mm和150 mm。因此，應(yīng)開展相關(guān)研究，分析大粒徑填料對(duì)測(cè)試的影響及解決措施。

5)儀器安裝、操作不規(guī)范的影響。反力裝置與測(cè)量裝置的安裝、加卸載的不規(guī)范均可能導(dǎo)致試驗(yàn)誤差。

4 結(jié)語

變形模量Ev2測(cè)試是客運(yùn)專線無砟軌道路基壓實(shí)質(zhì)量有效的控制方法，Ev2值與Ev2/Ev1值從填料剛度、壓實(shí)度兩方面進(jìn)行路基質(zhì)量控制。工程檢測(cè)資料分析表明:

1)基于目前客運(yùn)專線所采用的填料，Ev2測(cè)試值遠(yuǎn)高于規(guī)范控制值，在研究控制路基工后沉降的同時(shí)，應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，開展相關(guān)研究，提出適合我國(guó)高速鐵路建設(shè)的Ev2值控制標(biāo)準(zhǔn)。

2)Ev2/Ev1值是反映路基壓實(shí)質(zhì)量的重要指標(biāo)，當(dāng)路基壓實(shí)質(zhì)量較差時(shí)，Ev2/Ev1值偏大，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)并綜合分析，應(yīng)盡早提出適應(yīng)我國(guó)填料和壓實(shí)要求的統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3)水泥穩(wěn)定填料的 Ev2測(cè)試結(jié)果表明，由于水泥板結(jié)作用導(dǎo)致 Ev2/Ev1值偏高、規(guī)律性較差，檢測(cè)時(shí)在綜合分析其影響因素的同時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程要求，在碾壓完畢后2～4 h內(nèi)開始檢測(cè)，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。

4)為保證Ev2檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、評(píng)定的有效性，宜綜合考慮對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響的不利因素，規(guī)范檢測(cè)程序，降低測(cè)試誤差。

［1］胡在良，李晉平，王軍東，等.無砟軌道鐵路 Ev2控制指標(biāo)的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，29(6):20 －24.

［2］李明領(lǐng).武廣鐵路客運(yùn)專線路基工程設(shè)計(jì)與施工綜述［J］.鐵道建筑，2010(1):102－105.

［3］呂賓林，張千里.地基系數(shù)變形模量及動(dòng)態(tài)變形模量的測(cè)試與對(duì)比［J］.鐵道建筑，2006(2):55－57.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)［2005］188號(hào) 變形模量檢測(cè)規(guī)程(試行)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)函［2005］754號(hào) 客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)［2005］160號(hào) 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)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.