鐵路路基填料最優(yōu)振動壓實模式判斷準則研究

王 永，史存林，張千里，陳 鋒，朱宏偉

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

振動壓實是復(fù)雜的非線性過程，振動壓路機-土體在振動壓實過程中構(gòu)成一個完整的振動系統(tǒng)，二者之間存在著復(fù)雜的動態(tài)相互作用，土體的自身特性影響振動壓路機的動態(tài)響應(yīng)[1]，而振動壓實參數(shù)則決定土體的壓實效果[2-4]。被壓實土體的工程性質(zhì)不同，使振動壓路機處于最佳工作狀態(tài)的振動模式也不同[5-7]。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，路基填筑過程振動碾壓組合是先采用弱振再換強振。弱振碾壓遍數(shù)通常是按照設(shè)計遍數(shù)[8]，缺少過程判斷準則來優(yōu)化，因此，如何制定振動壓實模式的判斷準則是亟待解決的問題。

本文選取2種路基填料進行現(xiàn)場試驗，采用CCC-800連續(xù)壓實檢測系統(tǒng)測量被壓實土體的振動壓實值(Vibratory Compaction Value，VCV)，進而識別土體振動壓實狀態(tài)，研究振動模式對振動壓實值的影響規(guī)律，同時選取填料的目標振動壓實值[VCV]作為基數(shù)計算VCV變化率，通過分析弱振模式下每1遍碾壓后VCV變化率的發(fā)展規(guī)律，初步提出最優(yōu)振動壓實模式的判斷準則。

1 試驗場地及試驗方案設(shè)計

1.1 試驗場地

試驗場地位于京沈客專遼寧段某標段一工區(qū)、三工區(qū)，起止里程分別為DK575+650—DK575+750、DK599+700—DK575+800，松鋪35 cm結(jié)束，待平地機攤平后，用白灰在試驗段起止里程設(shè)置起始和終止標志線，為保證壓路機在進入試驗區(qū)域時達到正常振動狀態(tài)，在起始和終止線各退后10 m再設(shè)1道線作為壓路機工作的起止線，在壓路機行駛線路上按10 m間距畫上橫道線，方便取點定位。填筑部位均為基床以下路堤，填料分別為A組細角礫填料和B組粗角礫填料，填料典型級配參數(shù)見表1。

表1 填料典型級配參數(shù)

1.2 試驗方案設(shè)計

振動壓實設(shè)備為三一重工振動壓路機，型號為SMR222，整機質(zhì)量22.5 t，額定功率132 kW。連續(xù)壓實檢測系統(tǒng)采用CCC-800，試驗前需在2個工區(qū)進行相關(guān)性試驗。相關(guān)性試驗需滿足Q/CR 9210—2015《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程》[9]要求。為了研究每1遍弱振碾壓后連續(xù)壓實檢測曲線的變化規(guī)律，本次試驗方案對于2種填料的4條試驗道分別先進行弱振碾壓，直至連續(xù)壓實檢測曲線的VCV十分接近后，再換強振碾壓。根據(jù)現(xiàn)場的施工經(jīng)驗，確定弱振、強振碾壓組合方式，具體試驗方案設(shè)計見表2。

表2 試驗方案設(shè)計

2 試驗結(jié)果分析

2.1 建立相關(guān)性

A,B組填料的振動壓實值-地基系數(shù)(VCV-K30)相關(guān)性試驗分別進行了2次，試驗結(jié)果見圖1。根據(jù)Q/CR 9210-2015中規(guī)定的普通填料VCV-K30計算相關(guān)系數(shù)。由圖1(a)、圖1(b)可知:本次試驗A組填料的VCV-K30相關(guān)系數(shù)平均值為0.938，相關(guān)性良好，滿足要求。根據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》[10]基床以下部分細粒土的K30控制值為110 MPa/m，由此得到[VCV]=40。由圖1(c)、圖1(d)可知：B組填料的VCV-K30相關(guān)系數(shù)平均值為0.875，相關(guān)性良好，滿足要求。根據(jù)TB 10001—2016基床以下部分路堤粗角礫K30控制值為110 MPa/m，計算得到[VCV]=43。

圖1 A,B組填料的VCV-K30相關(guān)性曲線

2.2 連續(xù)壓實檢測數(shù)據(jù)分析

按照試驗方案進行了全部試驗，A組填料和B組填料在4個試驗道的連續(xù)壓實檢測曲線見圖2。由圖2(a)、圖2(b)可知：剛開始振動壓路機采用弱振進行碾壓，隨著弱振碾壓遍數(shù)增加，VCV增長幅值逐漸減小，而且第3遍后的連續(xù)壓實檢測曲線VCV已經(jīng)十分接近，說明該種填料在該壓路機弱振模式下已經(jīng)很難再進一步壓實；當(dāng)振動模式由弱振調(diào)整為強振后，每1遍壓實后VCV有顯著增長；隨著強振碾壓遍數(shù)增加，每條道的連續(xù)壓實平均值達到了40以上，均勻性也較好，表明路基已經(jīng)完全壓實。由圖2(c)、圖2(d)可知：振動壓路機剛開始使用弱振進行碾壓，變化規(guī)律與A組料相同，第3遍后連續(xù)壓實檢測曲線的VCV已經(jīng)十分接近，需要調(diào)整檔位進一步壓實。當(dāng)振動模式由弱振調(diào)整為強振后，每1遍壓實后VCV增幅較大；隨著強振碾壓遍數(shù)增加，每條道的連續(xù)壓實平均值達到了43以上，均勻性也較好，表明路基已經(jīng)完全壓實。

圖2 A組、B組填料連續(xù)壓實檢測曲線

2.3 VCV變化率分析

由連續(xù)壓實檢測曲線可知，在弱振模式下碾壓3遍后連續(xù)壓實檢測曲線的VCV十分接近。為了分析弱振模式下每1遍碾壓后VCV的變化規(guī)律，將A組填料[VCV]=40，B組填料[VCV]=43作為基數(shù)，計算每條試驗道的所有檢測點每1遍弱振碾壓后的VCV變化率；同時統(tǒng)計每條試驗道所有檢測點每1遍碾壓后VCV變化率小于某固定VCV變化率所占百分比，故可作出填料VCV變化率分布曲線。

根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，弱振碾壓設(shè)計遍數(shù)通常為4～6遍，而在本次試驗中弱振碾壓3遍后，連續(xù)壓實檢測曲線增幅明顯較小，這與現(xiàn)場實際施工經(jīng)驗是相符合的。在振動壓實前期，合理的弱振碾壓遍數(shù)是為了獲得較好的壓實效果。因此，為了保證前4遍弱振碾壓不受判斷準則影響，根據(jù)Q/CR 9210—2015中壓實均勻度要求，需滿足小于某固定VCV變化率的檢測點數(shù)所占百分比P≥95%。A組、B組填料VCV變化率分布曲線見圖3?？芍?可將VCV變化率≤8% 作為最優(yōu)振動模式的判斷準則。在壓實過程中根據(jù)最優(yōu)振動模式判斷準則可以適時切換振動模式，優(yōu)化弱振碾壓遍數(shù)，節(jié)省壓實的時間和燃料的消耗。

圖3 A組、B組填料VCV變化率分布曲線

3 結(jié)論

1)細角礫A組填料和粗角礫B組填料的相關(guān)系數(shù)平均值分別為0.938和0.875，相關(guān)性良好。

2)對于細角礫A組填料和粗角礫B組填料，剛開始壓路機采用弱振進行碾壓，隨著弱振碾壓遍數(shù)增加，VCV增長幅值逐漸減小，而且第3遍后的連續(xù)壓實檢測曲線的VCV已經(jīng)十分接近，說明該種填料在該壓路機弱振模式下已經(jīng)很難再進一步壓實；而轉(zhuǎn)換為強振模式，壓實后VCV有較大增長。

3)本文選取填料的[VCV]作為基數(shù)計算VCV變化率，通過分析弱振模式下每1遍碾壓后VCV變化率的發(fā)展規(guī)律，提出可將VCV變化率≤8%作為最優(yōu)振動模式的判斷準則。

[1]任軍鋒，陳浙江.振動壓實系統(tǒng)動力學(xué)模型及其解析[J].建筑機械，2005，25(7):70-73.

[2]梁向前,王園,孫進忠,等.碎石土振動壓實特性試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005,24(增1):4965-4969.

[3]馬松林，王龍，謝永利.土石混合料室內(nèi)振動壓實研究[J].中國公路學(xué)報，2007,20(5)：19-23.

[4]劉麗萍，折學(xué)森.土石混合料壓實特性試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006,25(1)：206-209.

[5]張玉宏.水泥混凝土路面碎石化綜合技術(shù)研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[6]張家玲，徐光輝，蔡英.連續(xù)壓實路基質(zhì)量檢驗與控制研究[J].巖土力學(xué)，2015，36(4)：1141-1146.

[7]徐光輝,高輝,王哲人.路基壓實質(zhì)量連續(xù)動態(tài)監(jiān)控技術(shù)[J].中國公路學(xué)報，2007,20(3)：18-22.

[8]李冰，焦生杰.振動壓路機與振動壓實技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2001.

[9]中國鐵路總公司.Q/CR 9210—2015 鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實控制技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社，2015.

[10]國家鐵路局.TB 10001—2016 鐵路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2017.