含水率與輕型動(dòng)力觸探N10對既有重載鐵路路基壓實(shí)度指標(biāo)變化關(guān)系研究

肖尊群，李志平

(1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410075)

含水率與輕型動(dòng)力觸探N10對既有重載鐵路路基壓實(shí)度指標(biāo)變化關(guān)系研究

肖尊群1，李志平2

(1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410075)

通過朔黃鐵路現(xiàn)場路基壓實(shí)度指標(biāo)地基系數(shù)K30、動(dòng)彈性模量Evd、二次回彈模量EV2、二次回彈模量與1次回彈模量比EV2/EV1、輕型動(dòng)力觸探擊數(shù)N10測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和含水率w測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。基于以上數(shù)據(jù)研究含水率對地基壓實(shí)指標(biāo)K30、Evd、EV2、EV2/EV1和輕型動(dòng)力觸探擊數(shù)N10之間的變化關(guān)系。并且提出動(dòng)力觸探擊數(shù)N10估算K30、EV2、EV2/EV1、Evd的估算方法。通過實(shí)例驗(yàn)證得出該估算方法的適用條件：①為含水率8%～14%，且以粉質(zhì)黏土為主體填料的C組填料；②錘擊數(shù)范圍17～30擊。而且在對EV2/EV1的估算時(shí)，需要謹(jǐn)慎對待，注意誤差修正。研究結(jié)果表明：該方法對于既有重載鐵路C組填料路基的快速檢測評估具有十分重要的意義。

重載；地基系數(shù)；動(dòng)彈模量；二次回彈模量；動(dòng)力觸探；含水率

路基的壓實(shí)度指標(biāo)K30是路基壓實(shí)度的重要指標(biāo)，由于高速鐵路路基對沉降變形要求較高，高速鐵路路基施工期間，采用動(dòng)彈性模量Evd、二次回彈模量EV2、EV2/EV1 作為路基壓實(shí)度的重要評價(jià)指標(biāo)。 隨著近年來，我國重載鐵路年運(yùn)輸量逐年增加，各類路基病害越來越嚴(yán)重，迫切需要對既有重載鐵路路基的壓實(shí)度進(jìn)行重新評估。引入高速鐵路路基壓實(shí)度評價(jià)Evd、EV2、EV2/EV1，并與K30一起作為既有重載鐵路路基壓實(shí)度評估指標(biāo)，通過現(xiàn)場測試試驗(yàn)獲得有關(guān)壓實(shí)度、輕型動(dòng)力觸探N10、密度、填料含水率等測試參數(shù)。現(xiàn)場路基K30、EV2、EV2/EV1的測試工作比較復(fù)雜，測試工作廢時(shí)廢工，不適應(yīng)于整條線路快速檢測評估的需要，Evd測試雖然簡單，但也需要在路基邊坡處開挖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不適用于整條線路多點(diǎn)檢測評估。N10的現(xiàn)場測試，簡單易行、方便快捷。但是動(dòng)力觸探的實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要用來確定路基的承載力、變形模量。雖然也能在一定程度上反映路基的壓實(shí)程度，評價(jià)效果沒有K30、EV2、EV2/EV1、Evd直接。本文從重載鐵路實(shí)際運(yùn)營狀況出發(fā)，針對以粉質(zhì)黏土為主填料的C組路基填料，進(jìn)行原位測試和室內(nèi)試驗(yàn)，獲得第一手的重載鐵路路基壓實(shí)度指標(biāo)和相應(yīng)試驗(yàn)段土樣的含水率、密度等物理力學(xué)參數(shù)，首先建立輕型動(dòng)力觸探與土樣含水率之間的關(guān)系，分析時(shí)，考慮實(shí)際列車荷載作用對動(dòng)力觸探擊數(shù)的影響。

有關(guān)輕型動(dòng)力觸探擊數(shù)與既有重載路基壓實(shí)指標(biāo)之間變化關(guān)系的研究成果較少，主要研究成果集中在對新建鐵路路基壓實(shí)施工標(biāo)準(zhǔn)的研究上。譚祖保[1]研究了路基填筑時(shí)K30測試值的主要影響因素。戴玉等[2]對鐵路路基壓實(shí)檢測力學(xué)指標(biāo)K30、Evd、EV2之間檢測原理進(jìn)行對比分析。胡在良等[3]針對對不同壓實(shí)條件下級配碎石路基Evd控制指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究。常丹等[4]以D-P模型為基礎(chǔ)，對不同參數(shù)的K30、Evd、EV2進(jìn)行仿真分析，應(yīng)用線性回歸方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。李蘆林[5]針對鐵路路基填料地基系數(shù)采用K30和Evd平板荷載試驗(yàn)的2種方法，對2組數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。馮華等[6]針對京滬高速鐵路控制路基壓實(shí)指標(biāo)中的變形模量EV2和地基系數(shù)K30兩個(gè)力學(xué)指標(biāo)作了相關(guān)性分析。王從貴[7]基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)并利用Evd動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)與K30平板荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，推算出地基系數(shù)K30值。郭偉玲等[8]對高速鐵路路基質(zhì)量檢測指標(biāo)Evd與K30進(jìn)行相關(guān)性分析，利用回歸的結(jié)果計(jì)算數(shù)值與規(guī)范中給出的標(biāo)準(zhǔn)值接近，在實(shí)際工程中可將Evd替代K30與壓實(shí)系數(shù)k來控制路基壓實(shí)質(zhì)量。朱浩波等[9]利用大量實(shí)測數(shù)據(jù)，對K30、EV2、EVD3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析。許國平等[10]對高速鐵路無砟軌道路基質(zhì)量控制指標(biāo)，對各控制指標(biāo)的取值范圍進(jìn)行了探討。肖尊群[11]對重載鐵路路基的承載力狀態(tài)、壓實(shí)度以及病害狀態(tài)的評估方法進(jìn)行了研究，對評估參數(shù)的選取以及評估指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行了深入的探討，建立起了相應(yīng)的承載力、壓實(shí)度、病害的評估模型。

從上面的分析可以知道K30、EV2、Evd3項(xiàng)指標(biāo)在表征路基壓實(shí)度方面具有很高的相關(guān)性，但是上述研究成果都沒有涉及到地基土含水率對既有路基三項(xiàng)壓實(shí)指標(biāo)的影響，也沒有分析輕型動(dòng)力觸探N10與三項(xiàng)指標(biāo)的變化關(guān)系。本文重點(diǎn)研究既有路基填料含水率對輕型動(dòng)力觸探以及3項(xiàng)壓實(shí)指標(biāo)之的影響，探討路基填料3項(xiàng)指標(biāo)與輕型動(dòng)力觸探N10之間的相互變化關(guān)系，為該類C組填料重載鐵路路基狀態(tài)的快速檢測和評價(jià)服務(wù)。

1 既有路基含水率w對路基性能指標(biāo)的影響

1.1含水率對路基三項(xiàng)壓實(shí)指標(biāo)的影響

既有基床和路基本體填料的含水率多在18%以下，含水率范圍主要集中在9%～14%之間，因此在這區(qū)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)最有意義，通過數(shù)據(jù)擬合回歸得到圖1～4的曲線。

圖1 含水率w與地基系數(shù)K30的變化關(guān)系圖

1.1.1 含水率w與地基系數(shù)K30的變化關(guān)系

圖1為路基含水率與地基系數(shù)K30的曲線變化關(guān)系，從擬合曲線的發(fā)展趨勢上看，隨著含水率的增加，K30有曾大的趨勢，主要統(tǒng)計(jì)區(qū)域在含水率9%～14%之間，通過回歸分析，獲得K30和路基含水率之間的擬合關(guān)系符合指數(shù)分布，其擬合公式見式(1)。

K30=7.28e0.19w

(1)

擬合方差R2=0.82。該曲線擬合的相關(guān)度較高，具有一定的數(shù)理統(tǒng)計(jì)的意義。

1.1.2 含水率w與二次回彈模量EV2之間的變化關(guān)系

圖2為含水率與二次回彈模量EV2的變化關(guān)系，與K30的變化關(guān)系類似，EV2也隨著含水率w的增大而增大，通過曲線擬合回歸分析，二次回彈模量與含水率的變化關(guān)系符合二次多項(xiàng)式分布，擬合曲線表達(dá)公式見式(2)。

EV2=1.1w2-20.6w+121.9

(2)

擬合方差R2=0.81。

1.1.3 含水率w與EV2/EV2之間的變化關(guān)系

圖3為含水率與EV2/EV2之間的變化的變化關(guān)系，由圖3可知：EV2/EV1與含水率的變化關(guān)系不明顯，雖然在統(tǒng)計(jì)區(qū)間呢，擬合出了一條二次曲線，但是其變化關(guān)系卻趨近于一條水平曲線，說明在統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)，EV2/EV1受含水率w影響不大。

1.1.4 含水率w與動(dòng)彈模量Evd之間的變化關(guān)系

圖4為含水率w與動(dòng)彈模量Evd之間的變化關(guān)系，由圖4可知：動(dòng)彈性模量Evd與含水率之間的變化關(guān)系符合二次曲線的分布關(guān)系，在統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)動(dòng)彈模量隨著含水率的增加而減小，減小的速率較慢。在統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)，二動(dòng)彈性模量與含水率的變化關(guān)系符合二次多項(xiàng)式分布，擬合曲線表達(dá)公式見式(3)。

Evd=-0.052w2+0.33w+27.3

(3)

擬合方差R2=0.782。

圖2 含水率w與二次回彈模量EV2之間的變化關(guān)系圖

圖3 含水率w與EV2/EV1之間的變化關(guān)系圖

圖4 含水率w與動(dòng)彈模量Evd之間的變化關(guān)系圖

1.2含水率與輕型動(dòng)力觸探N10之間的變化關(guān)系

圖5為含水率w與動(dòng)彈模量輕型動(dòng)力觸探之間的變化關(guān)系，由圖5可知：當(dāng)含水率w在8%～14%的統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)，動(dòng)力觸探隨含水率的增加而增加。高于14%以后呈現(xiàn)下降的趨勢，但是由于路基填料含水率主要集中8%～14%之間，高于14%的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有限，不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，可以認(rèn)為通常情況下，路基填料的的輕型動(dòng)力觸探的錘擊數(shù)隨含水率w的增大而增大。二者的擬合關(guān)系符合二次曲線。擬合公式見式(4)。

N10=-0.51w2+15.5w-89.5

(4)

擬合方差R2=0.842。

圖5 含水率w與輕型動(dòng)力觸探N10之間的變化關(guān)系圖

2 輕型動(dòng)力觸探N10擊數(shù)與路基填料3項(xiàng)壓實(shí)指標(biāo)的相關(guān)性分析

輕型動(dòng)力觸探N10試驗(yàn)簡單易行，在既有路基檢測時(shí)，并不需要在路堤邊坡開挖試驗(yàn)平臺(tái)，可以任意尋找想要測試的位置進(jìn)行測試。試驗(yàn)成本低，對路基破壞輕，因此在既有路基狀態(tài)評估時(shí)，越來越受到重視。過去輕型動(dòng)力觸探N10用于檢驗(yàn)砂土的密實(shí)度和地基承載力。在檢驗(yàn)既有路基密實(shí)程度方面的研究比較少，主要在于輕型動(dòng)力觸探在評估路基的壓實(shí)程度時(shí)，雖然可以獲得大量的原始測試數(shù)據(jù)，但是誤差比較大，而我們知道檢驗(yàn)路基壓實(shí)程度的主要指標(biāo)為K30、EV2、EV2/EV1、Evd、孔隙率n等，這些指標(biāo)能夠比較準(zhǔn)確的反映路基的力學(xué)和幾何特性，因此被現(xiàn)有的鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[12]廣泛接受。但是要在既有線路上面通過相應(yīng)的試驗(yàn)獲得上述參數(shù)，代價(jià)是比較大的，因此，筆者通過一定量的測試數(shù)據(jù)，試圖獲得輕型動(dòng)力觸探N10擊數(shù)與路基填料3項(xiàng)壓實(shí)指標(biāo)數(shù)理統(tǒng)計(jì)關(guān)系，然后選取類似以粉質(zhì)黏土為主料的C組填料路基作為試驗(yàn)段對該擬合關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，若能獲得一定統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)的擬合關(guān)系，對于通過N10估算土體三項(xiàng)壓實(shí)指標(biāo)，進(jìn)而對既有路基壓實(shí)度情況進(jìn)行評估具有十分重要的意義。為此，課題組在朔黃鐵路選取試驗(yàn)段進(jìn)行相應(yīng)的K30、Evd、EV2、EV2/EV1、N10的現(xiàn)場測試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6～9。

圖6 K30與N10之間的變化關(guān)系曲線

圖7 EV2/EV1與N10之間的變化關(guān)系曲線

圖8 Evd與N10之間的變化關(guān)系曲線

圖9 EV2與N10之間的變化關(guān)系曲線

通過曲線擬合獲得路基填料壓實(shí)指標(biāo)與N10的擬合關(guān)系公式，見式(5)～(8)。

R2=0.843

(5)

R2=0.456(無統(tǒng)計(jì)意義)

(6)

R2=0.865

(7)

R2=0.784

(8)

朔黃鐵路C組填料試驗(yàn)段的輕型動(dòng)力觸探N10擊數(shù)統(tǒng)計(jì)范圍主要集中在17～35擊之間，因此，本次實(shí)驗(yàn)在這一區(qū)段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有數(shù)理統(tǒng)計(jì)意義。本次試驗(yàn)所確定的路基壓實(shí)指標(biāo)與輕型動(dòng)力觸探所確定的擬合關(guān)系的適用條件為：以粉質(zhì)黏土為主體且路基填土的含水率在9%～14%之間的C組填料，適合于輕型動(dòng)力觸探的擊數(shù)范圍17～35擊，輕型動(dòng)力觸探擊數(shù)為考慮列車動(dòng)荷載作用的修正擊數(shù)。通過以上擬合關(guān)系就可以通過測試路基的輕型動(dòng)力觸探擊數(shù)來估測三大壓實(shí)指標(biāo)，從而對整個(gè)重載鐵路路基基床、路基本體的壓實(shí)狀態(tài)進(jìn)行評估。

3 工程實(shí)例驗(yàn)證

既有重載鐵路路基的壓實(shí)度與填料性質(zhì)、降水、路基病害的發(fā)育、加固情況等因素關(guān)系十分密切，其與N10的變化規(guī)律也是十分復(fù)雜的，因此，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出來的擬合關(guān)系的使用應(yīng)嚴(yán)格遵守本文提出的適用條件，為了驗(yàn)證輕型動(dòng)力觸探N10與壓實(shí)度指標(biāo)的擬合關(guān)系是否正確，課題組選取朔黃鐵路K250+434-K254+780作為試驗(yàn)段，進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的測試，該區(qū)段的填料與試驗(yàn)組填料基本一致，含水率的范圍在9%～14%之間。通過試驗(yàn)結(jié)果與估算結(jié)果的對比對本文提出的擬合關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，部分驗(yàn)證結(jié)果見表1。

表1 現(xiàn)場試驗(yàn)與估算結(jié)果對比表

繪制3項(xiàng)壓實(shí)指標(biāo)的誤差分析分布圖如10所示，當(dāng)錘擊數(shù)在17～30擊時(shí)，K30估算值與實(shí)測值的誤差在5%以內(nèi)，EV2的估算值與實(shí)測值的誤差10%以內(nèi)。Evd的誤差相對較大，一般在10%～20%之間，離散性較大。綜上所述，利用N10估算路基三項(xiàng)壓實(shí)指標(biāo)的錘擊數(shù)范圍在17～30擊，當(dāng)利用N10對Evd進(jìn)行估算時(shí)，應(yīng)該謹(jǐn)慎對待，注意誤差修正。

4 結(jié) 論

圖10 壓實(shí)度三項(xiàng)指標(biāo)的誤差分析

1)朔黃鐵路路基填料主要是以粉質(zhì)黏土為主的C組填料，填料的力學(xué)性能較差，含水率一般在8%～14%之間，在這個(gè)區(qū)間，含水率與填料的壓實(shí)度指標(biāo)以及輕型動(dòng)力觸探N10擊數(shù)之間存在一定的相關(guān)性。通常滿足2次曲線或指數(shù)曲線變化關(guān)系。

2)輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)簡單易行，可以利用N10估算壓實(shí)度的三項(xiàng)指標(biāo)。提出的擬合公式適用條件為：含水率在8%～14%粉質(zhì)黏土為主的C組填料，N10擊數(shù)在17～30擊之間。利用N10擬合公式估算K30和EV2可以很好的控制誤差。利用N10算動(dòng)彈性模量Evd時(shí)，需要謹(jǐn)慎對待，需要進(jìn)行相應(yīng)的誤差修正。

3)朔黃線、大秦線等主要重載貨運(yùn)線路而言，其路基填料在組成、性能、線路運(yùn)營情況基本類似，本文的研究成果對于重載鐵路路基狀態(tài)的快速檢測評估以及養(yǎng)護(hù)加固對策的制定具有指導(dǎo)意義。

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ResearchonexistingoverloadedrailwaysubgradecompactionindexchanginginrelationtoN10andmoisturecontentseparately

XIAO Zunqun1，LI Zhiping2

(1.School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan430205，China；2.School of Geosciences and Inf-physics，Central South University，Changsha410075，China)

The railway subgrade compaction indexs of foundation coefficient K30，dynamic elastic modulusEvd，the second rebound modulusEV2， the second resilient modulus and a second resilient modulusEV2/EV1，light dynamic penetrationN10，and moisture content w were obtained by field test in SHU-HUANG railroad.Based on the above datas，The changing relationship of foundation compaction indexes —K30，Evd，EV2，EV2/EV1，N10，and moisture content w separately were researched.The mentioned estimation methods inK30，EV2，EV2/EV1，Evdbeing estimated by use of N10were proposed.The applicable conditions of estimation method was obtained through examples verification：① the silty clay as main filler was belong to c group，the moisture content being8%～14%；②N10range was17～30，andEV2/EV1was estimated to fix error.The results were shown：The method proposed was great importance，for the existing heavy rail roadbed filler GroupCrapid detection and evaluation.

heavy load；foundation coefficient；dynamic elastic modulus；the second rebound modulus；light dynamic penetration；moisture content.

2016-03-31責(zé)任編輯：宋菲

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“列車動(dòng)荷載作用下道砟散體動(dòng)態(tài)力學(xué)特征與道砟陷槽病害微觀力學(xué)機(jī)制研究” 資助(編號：51308424)

肖尊群(1982-)，男，博士，副教授，主要從事重載鐵路路基加固與評估技術(shù)方面的研究工作，E-mail：xiaozunqun@126.com。

U213.1

：A

：1004-4051(2017)09-0164-05