鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)CMV與Evd的相關(guān)性校檢①

竇鵬，聶志紅，王翔

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410075)

路基壓實(shí)質(zhì)量是通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)的，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性很大程度上取決于檢測(cè)方法是否合理。針對(duì)常規(guī)檢測(cè)方法存在的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力和不能體現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的壓實(shí)質(zhì)量的不足，目前國(guó)內(nèi)外已提出能快速、實(shí)時(shí)反映整個(gè)區(qū)域壓實(shí)質(zhì)量的連續(xù)壓實(shí)思想。Thurner等［1－4］進(jìn)行動(dòng)力加載板荷載試驗(yàn)，模擬了壓路機(jī)振動(dòng)輪與路基填料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第1個(gè)諧波的振幅與基頻振幅的比值能夠反映路基的壓實(shí)質(zhì)量，并提出連續(xù)壓實(shí)指標(biāo)CMV，計(jì)算公式如下:

式中:常數(shù)C為300;A1為第1次諧波的加速度振幅;A0為基頻分量的加速度振幅［5］，單位均為mm。Forssblad［6］進(jìn)行了CMV值的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)壓路機(jī)以恒定的速度行駛，CMV與路基壓實(shí)度有很好的相關(guān)性，并指出CMV值是壓路機(jī)類型、碾壓速度、行駛方向和填土性質(zhì)的函數(shù)，與地基彈性模量具有很好的一致性。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)研究較少、起步晚。徐光輝等［7］利用路基結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗力的變化信息(CPMS)來(lái)評(píng)價(jià)壓實(shí)狀態(tài)，并在我國(guó)多條高速公路上進(jìn)行試驗(yàn)，分析了CPMS與彎沉、回彈模量等指標(biāo)的關(guān)系。目前我國(guó)采用的《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程(TB10108—2011)》［8］規(guī)定，進(jìn)行連續(xù)壓實(shí)控制前應(yīng)結(jié)合現(xiàn)行路基相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)性校驗(yàn)，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)，建立常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)與連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)指標(biāo)間的一元線型回歸方程，以此得到目標(biāo)控制值，該方法沒(méi)有考慮2種檢測(cè)方法在水平方向的影響范圍對(duì)其相關(guān)系數(shù)大小的影響。本文針對(duì)該檢驗(yàn)方法存在的不足，以國(guó)內(nèi)外研究成果為基礎(chǔ)，結(jié)合滬昆高鐵客專湖南段試驗(yàn)展開(kāi)研究，從不同角度擬合分析連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)指標(biāo)CMV與常規(guī)質(zhì)量控制指標(biāo)Evd的關(guān)系。

1 路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法

1.1 動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)原理是采用落錘自由落下沖擊路基面和測(cè)試沉陷值，模擬列車高速運(yùn)行時(shí)對(duì)路基面產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)，繼而進(jìn)行動(dòng)力加載，檢測(cè)路基在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變參數(shù)，并以此計(jì)算反映路基動(dòng)力特性承載力指標(biāo)—?jiǎng)討B(tài)變形模量Evd。常規(guī)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)Evd試驗(yàn)是在每填筑層壓實(shí)完成后，每100 m路基表面進(jìn)行6次檢測(cè)，存在以下問(wèn)題［9］:(1)代表性差;(2)外界影響因素大;(3)不能考慮路基填料的離散性;(4)缺乏對(duì)壓實(shí)的整體質(zhì)量和均勻性的控制;(5)缺乏過(guò)程檢測(cè)與重點(diǎn)檢測(cè)。

1.2 動(dòng)態(tài)連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)

連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)原理是根據(jù)振動(dòng)輪在壓實(shí)過(guò)程中，填料的壓實(shí)度不同使振動(dòng)輪的動(dòng)力特性發(fā)生變化，通過(guò)安裝在振動(dòng)輪上的傳感器檢測(cè)振動(dòng)的波形及振動(dòng)強(qiáng)度出現(xiàn)的規(guī)律來(lái)判定填料壓實(shí)狀況。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)［9］:(1)能在壓實(shí)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè);(2)均勻控制壓實(shí);(3)減少檢測(cè)工作量和試驗(yàn)時(shí)間;(4)保證壓實(shí)質(zhì)量。目前該方法仍不成熟，國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的CMV參考標(biāo)準(zhǔn)值，現(xiàn)階段處于摸索之中。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)填料

為研究動(dòng)態(tài)連續(xù)同步壓實(shí)指標(biāo)CMV與傳統(tǒng)路基壓實(shí)檢測(cè)指標(biāo)Evd的相關(guān)性，在滬昆高鐵客專湖南段內(nèi)選取了5個(gè)路基段對(duì)2種不同的填料進(jìn)行試驗(yàn)，一種填料是級(jí)配良好的粗角礫土，另一種為級(jí)配碎石，填料基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

本次連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備采用美國(guó)天寶公司(Trimble)生產(chǎn)的CCS900—CMV采集系統(tǒng)，試驗(yàn)壓路機(jī)型號(hào)為8208K－5，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1 填料物理指標(biāo)Table 1 Physical index of granular fillings

表2 壓路機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 2 Roller technology parameters

隨著壓路機(jī)工作，連續(xù)壓實(shí)系統(tǒng)沿著碾壓軌跡，連續(xù)采集CMV指標(biāo)，每20 cm產(chǎn)生1個(gè)數(shù)值?，F(xiàn)行連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)規(guī)范［8］規(guī)定相關(guān)性校驗(yàn)宜先對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行連續(xù)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，在完成之后應(yīng)盡快進(jìn)行相應(yīng)的常規(guī)試驗(yàn)。按照土工試驗(yàn)規(guī)程［10］進(jìn)行動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)，在輕、中、重3種碾壓程度下，每2 m進(jìn)行1次試驗(yàn)，不同碾壓程度的檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)保持在同一位置。對(duì)比試驗(yàn)布置如圖1所示。為保證采集的數(shù)據(jù)具有可比性，在壓實(shí)過(guò)程中，同一試驗(yàn)段內(nèi)路基盡量使下述條件相同:

①下臥層(地基)剛度;②填土種類(最優(yōu)含水量和最大干密度等);③填筑含水量;④碾壓完成后層厚(一般偏差應(yīng)≤15%);⑤碾壓機(jī)型號(hào)和參數(shù)，包括振動(dòng)頻率、振幅和檢測(cè)行駛速度、方向;⑥連續(xù)壓實(shí)參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)。

試驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)試驗(yàn)段均取100 m，填料含水率在6% ～7%，接近最優(yōu)含水率(6.51%)，虛鋪層厚度為28～32 cm，采集數(shù)據(jù)時(shí)壓路機(jī)保持恒速、恒振幅和恒頻率行駛，行駛速度約為5 km/h，振幅約為1.2 mm，振動(dòng)的頻率約為30 Hz。

圖1 試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)整體布置示意圖Fig.1 Overall layout diagram of test point

3 數(shù)據(jù)分析

由于連續(xù)壓實(shí)與動(dòng)態(tài)平板載荷2種檢測(cè)方法的試驗(yàn)原理及試驗(yàn)過(guò)程各有差異，且規(guī)范［8］采用的擬合方式只從連續(xù)壓實(shí)與常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)出發(fā)，沒(méi)有考慮整個(gè)路基的整體均勻性，以及指標(biāo)所代表的有效面積，因此規(guī)范［8］中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)擬合方式缺乏針對(duì)性及全面性。為了更準(zhǔn)確地找到連續(xù)壓實(shí)指標(biāo)CMV與常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)Evd之間的關(guān)系，本文從多角度出發(fā)，更具針對(duì)性和全面性地進(jìn)行擬合分析。分析均采用一元線性回歸模型，公式如下:

其中:X為連續(xù)壓實(shí)指標(biāo)值;Y為常規(guī)指標(biāo)值;A和B分別為直線的斜率和截距。

3.1 擬合方式

3.1.1 坐標(biāo)對(duì)應(yīng)

從坐標(biāo)對(duì)應(yīng)角度考慮，第1種方式是采用規(guī)范［8］中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)擬合方式，如圖2(a)。在相同試驗(yàn)條件和坐標(biāo)下，利用試驗(yàn)采集的CMV和Evd數(shù)據(jù)來(lái)擬合分析2種檢測(cè)方法間的關(guān)系。數(shù)據(jù)采集方法為:在動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)后，用GPS測(cè)出各Evd試驗(yàn)點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)，根據(jù)其坐標(biāo)找出相應(yīng)的連續(xù)壓實(shí)指標(biāo)CMV。該方法通過(guò)同一坐標(biāo)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)了指標(biāo)的對(duì)應(yīng)程度，簡(jiǎn)單明確。

3.1.2 有效面積對(duì)應(yīng)

1個(gè)CMV值反映的是2 m×20 cm矩形平面內(nèi)的路基壓實(shí)效果，1個(gè)Evd值反映的是直徑為30 cm圓形平面內(nèi)的壓實(shí)效果。在同等有效面積內(nèi)，1個(gè)CMV值所反映的壓實(shí)效果大致需要8個(gè)對(duì)應(yīng)Evd的平均值來(lái)反映。

從有效面積對(duì)應(yīng)角度考慮，第2種擬合方式采用點(diǎn)對(duì)平均值，如圖2(b)。在相同試驗(yàn)條件和有效面積下，利用試驗(yàn)所采集的CMV和Evd數(shù)據(jù)來(lái)擬合分析2種檢測(cè)方法間的關(guān)系。數(shù)據(jù)采集方法為:在1個(gè)CMV值的有效面積內(nèi)，進(jìn)行8次動(dòng)態(tài)平板載荷檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)布置為2排、每排4個(gè)，然后用GPS測(cè)出該8個(gè)Evd試驗(yàn)點(diǎn)的重心坐標(biāo)，根據(jù)其坐標(biāo)找出對(duì)應(yīng)的CMV值。

由于動(dòng)態(tài)荷載板直徑為30 cm，其檢測(cè)結(jié)果受填料粒徑的影響較大，當(dāng)荷載板位于大顆粒上方時(shí)，測(cè)試結(jié)果更多反映的是顆粒本身，而不是路基的整體壓實(shí)效果，Evd試驗(yàn)結(jié)果離散性很大。與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式相比，該方式減弱了Evd的局部性和離散性，增加了擬合結(jié)果的可靠。

3.1.3 整體對(duì)應(yīng)

從整體角度考慮，第3種擬合方式采用平均值對(duì)平均值，如圖2(c)。在1條碾壓輪跡(長(zhǎng)度為100 m)上，可獲得50個(gè)Evd值和500個(gè)CMV值，同一碾壓層輪跡較多，導(dǎo)致Evd和CMV的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很多。同點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)平均擬合方式相比，CMV平均值對(duì)Evd平均值擬合方式能充分利用試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)。

該方式考慮的是整個(gè)碾壓層，與實(shí)際情況較貼近，能更好地反映路基壓實(shí)質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集方法為:在相同碾壓程度下，利用采集的數(shù)據(jù)得出Evd的平均值和CMV的平均值，然后對(duì)其進(jìn)行擬合分析。同前2種方式相比，該方式充分運(yùn)用了CMV反映整體性的特點(diǎn)，減小了Evd和CMV的尺寸差異，并充分利用前兩者未用到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，減少了擬合結(jié)果的離散性，增加了可靠性。

圖2 擬合方式示意圖Fig.2 Layout diagram of the fitting methods

3.2 擬合結(jié)果

按照上述3種擬合方式，對(duì) DK370+278～DK370+698試驗(yàn)段各填筑層輕、中和重3種碾壓程度的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，圖3為部分?jǐn)M合結(jié)果。

對(duì)各個(gè)試驗(yàn)段的擬合結(jié)果進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 CMV值與檢測(cè)指標(biāo)Evd的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)表Table 3 Correlation statistics of the CMV and Evd

結(jié)果表明:Evd和CMV具有良好的相關(guān)關(guān)系，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式的相關(guān)度在0.70以上;點(diǎn)對(duì)平均方式的相關(guān)度在0.80以上;平均對(duì)平均方式的相關(guān)度在0.90以上。由表3中相關(guān)性關(guān)系，通過(guò)粗角礫土和級(jí)配碎石填料的Evd規(guī)范值可得到CMV的控制值，建議分別取33和40。規(guī)范［8］中采用的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)擬合方式?jīng)]有另2種方法相關(guān)度高，建議對(duì)規(guī)范［8］進(jìn)行補(bǔ)充修正。

圖3 3種線性擬合方式例圖Fig.3 Example diagrams of three fitting methods

4 結(jié)論

(1)2種填料的Evd和CMV均具有良好的正相關(guān)線性關(guān)系，相關(guān)度系數(shù)均在0.7以上，CMV檢測(cè)方法具有可行性，建議路基壓實(shí)時(shí)采用CMV為主、傳統(tǒng)Evd為輔的檢測(cè)方法。

(2)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)擬合相關(guān)度較低且波動(dòng)性大，點(diǎn)對(duì)平均值和平均值對(duì)平均值的擬合相關(guān)度較高且穩(wěn)定，故分析Evd和CMV的對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，采用后兩者擬合方式，效果較好，建議對(duì)《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程(TB10108—2011)》規(guī)范從坐標(biāo)對(duì)應(yīng)角度采用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)擬合方式進(jìn)行補(bǔ)充修正。

(3)由2種填料確定的相關(guān)性回歸公式和Evd規(guī)范值得到的CMV參考控制值可供參考。

［1］Thurner H，Sandstr?m ?.A new device for instant compaction control［C］//Proceedings of International Conference on Compaction，1980(2):611 －614.

［2］Thurner H，Sandstr?m ?.Continuous compaction control，CCC［C］//EuropeanWorkshop Compaction of Soils and Granular Materials，Presses Ponts et Chaussées，Paris，F(xiàn)rance，2000:237 －246.

［3］Thurner H，Sandstr?m ?.Quality assurance in soil compaction［C］//Proceedings of XII IRF world Congress，Madrid，1980:951 －955.

［4］ Sandstr?m ? J，Pettersson C B.Intelligent systems for QA/QCin soil compaction［C］//Proceedings of the Annual Transportation Research Board Meeting，2004.

［5］White D J，Thompson M J.Relationships between in situ and roller－integrated compaction measurements for granular soils［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2008，134(12):1763 －1770.

［6］Forssblad L.Compaction meter on vibrating rollers for improved compaction control［C］//Proceedings of International Conference on Compaction，1980(2):541 －546.

［7］徐光輝，高輝，王哲人.路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2007(5):17－22.XU Guanghui，GAO Hui，WANG Zheren.Continuous dynamic monitor technology on subgrade compaction quality［J］.China Journal of Highway and Transport，2007(5):17－22.

［8］TB10108—2011，鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程［S］.TB10108—2011，Code for continuous compaction control of railway earth structure fill engineering［S］.

［9］和民鎖.高速鐵路路基填筑質(zhì)量檢測(cè)方法控制指標(biāo)及評(píng)價(jià)體系研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2010.HE Minsuo.Research of test methods，acceptance criteria and evaluation system for compaction quality of highspeed railway subgrade［D］.Changsha:Central South U－niversity，2010.

［10］TB10102—2004，鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.TB10102—2004，Code for soil test of railway engineering［S］.

［11］徐光輝，高輝，王哲人.級(jí)配碎石振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005(11):35－37.XU Guanghui，GAO Hui，WANG Zheren.Analysis of continuous dynamic monitoring on vibrating compaction process of graded broken stone［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005(11):35 －37.

［12］Vennapusa P K R，White D J，Morris M D.Geostatistical analysis for spatially referenced roller－integrated compaction measurements［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2009，136(6):813－822.

［13］胡一峰，李怒放.動(dòng)力連續(xù)同步檢測(cè)技術(shù)(CCC)在無(wú)砟軌道路基填筑質(zhì)量控制、驗(yàn)收中的應(yīng)用［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(4):1－8.HU Yifeng，LI Nufang.Application of dynamic continuous compaction control technology to compaction quality control and acceptance of ballastless track subgrade［J］.Railway Standard Design，2009(4):1 －8.