高速鐵路路基不同虛鋪厚度填料壓實特性試驗研究

蔡德鉤，葉陽升，肖金鳳,李 斯，閆宏業(yè)，魏少偉

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術有限公司，北京 100081；3.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 100855)

路基結構是高速鐵路(以下簡稱高鐵)基礎設施重要的組成部分，其填筑質量直接關系整個線路工程的質量和列車的運行安全。為確保路基具有良好的穩(wěn)定性和堅固性，最主要的措施就是對路基結構的壓實質量進行控制[1-2]。近年來，在京雄高鐵線路的建設過程中，高鐵路基壓實技術逐漸從傳統(tǒng)的壓實質量控制發(fā)展為智能壓實控制，并在京雄高鐵的固安段、霸州段等工點開展了大量工程化工作，取得了顯著的工程業(yè)績。但由于無人駕駛碾壓、計算機智能控制以及衛(wèi)星實時定位等技術的應用[3-6]，無形中增加了智能壓實的成本負擔。因此，在確保路基結構填筑質量的前提下，加快施工進度，提高經(jīng)濟效益，對進一步推廣智能壓實技術具有重要意義。

目前，國內外學者主要通過優(yōu)化路基結構的填筑工藝來減少工程成本。范娟等[7]通過開展現(xiàn)場正交試驗，定量分析了振動壓路機工藝參數(shù)對路基填筑質量的影響程度，提出較為穩(wěn)定的振動壓路機壓實工藝參數(shù)；王永等[8]對不同路基填料進行現(xiàn)場振動壓實試驗，系統(tǒng)地研究了振動壓實模式對路基填筑質量的影響規(guī)律。Savan等[9]提出了智能壓實效益成本分析系統(tǒng)，從公路路基施工、運營以及維護等方面對工程成本進行評估，并發(fā)現(xiàn)提升填料的鋪設厚度可以有效地降低工程成本。對于較大填高的高鐵路基填筑工程，若能確定其最佳壓實參數(shù)，可以有效地縮短工程期限，大幅度降低填筑成本。

基于此，本文依托于京雄高鐵路基填筑工程，通過開展現(xiàn)場壓實試驗，探討路基填料的碾壓厚度及其碾壓遍數(shù)，研究不同厚度填料在壓實過程中的加速度響應規(guī)律，以期優(yōu)化高速鐵路路基填筑工藝。

1 現(xiàn)場試驗

本文以京雄高鐵固安東站路基填筑工程為試驗段，規(guī)劃100 m×10 m(長度×寬度)的試驗區(qū)域，開展不同厚度填料的壓實試驗。試驗段路基底面寬約42 m，頂面寬約30 m，填筑高度為4.62 m，其中基床表層、基床底層、路基本體的填筑高度分別為0.47、1.90、2.25 m。試驗區(qū)域為路基基床底層，采用A、B組粗角礫料進行填筑。在壓實試驗開始前，進行了五組顆粒級配及含水率檢測，測試結果見表1、表2。顆粒級配曲線見圖1。由圖1可見，該組填料級配良好?；谇捌诖罅繅簩嵐ぷ?，確定該填料壓實前厚度約為壓實后厚度的1.15～1.25倍，結合QCR 9602—2015《高速鐵路路基工程施工技術規(guī)程》的要求[10]，計算得到對應的最大虛鋪厚度為40 cm，故本次試驗共設置40、50、60 cm三種虛鋪厚度進行試驗。

鑒于京雄高鐵路基壓實工程所采用的振動壓路機為中國鐵道科學研究院集團有限公司監(jiān)制、三一重工生產的SSR260C-6型單鋼輪壓路機，故本次試驗同樣采用該型號振動壓路機進行試驗，保證試驗與現(xiàn)場施工的一致性。振動壓路機的壓實工藝參數(shù)如下：振動壓路機的工作質量為26.7 t，工作寬度為2 000 mm；振動頻率為27/31 Hz，振動幅值為2.05/1.03 mm，可分為弱振、強振兩個工作狀態(tài)。為獲得填料在壓實過程中的動力響應，在填料不同深度處埋設傳感器采集加速度數(shù)據(jù)，見圖2。圖2中，填料虛鋪厚度為40 cm時，加速度傳感器測點1、2、3的埋置深度分別為5、20、35 cm；填料虛鋪厚度為50 cm時，加速度傳感器測點1、2、3、4的埋置深度分別為5、20、35、45 cm；填料虛鋪厚度為60 cm時，加速度傳感器測點1、2、3、4的埋置深度分別為5、20、35、55 cm。加速度傳感器采用東華測試生產的1C303型三向加速度傳感器，量程為±16.0g，靈敏度為0.57 mV/g。數(shù)據(jù)采集設備采用東華測試32通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集設備DH5922D。為確保采集的振動信號與真實振動信號的擬合度，本次試驗的加速度采集頻率為2 000 Hz。當填料鋪平、靜壓，以疊壓的形式開始壓實試驗。

表1 顆粒級配測試結果

表2 含水率測試結果

圖1 顆粒級配曲線

圖2 不同虛鋪厚度填料中的傳感器埋設

2 路基壓實質量檢測

采用動態(tài)平板載荷試驗對填料的壓實質量進行檢測，該方法主要是通過采集落錘自由落下沖擊地面時填料的動應力和動應變參數(shù)，計算路基的動態(tài)變形模量Evd[11]。將計算得到的Evd與TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》規(guī)定值[12](碎石類及粗粒土動態(tài)變形模量Evd大于40 MPa)進行對比，以此判斷路基的壓實質量是否滿足要求。在每遍壓實完成后，選取填料較為均勻的區(qū)域進行Evd檢測，并根據(jù)檢測結果決定壓實遍數(shù)。虛鋪填料厚度為40、50、60 cm時，動態(tài)變形模量Evd檢測結果見圖3。

圖3 動態(tài)變形模量Evd檢測結果

由圖3可見，隨著壓實遍數(shù)的增加，不同厚度填料的Evd均大致呈現(xiàn)出“先增大后穩(wěn)定”的趨勢。當填料虛鋪厚度為40 cm時，以弱振工況開始疊壓。第一遍壓實完成后，填料各檢測點的Evd值分布于30～35 MPa，繼續(xù)增加壓實遍數(shù)，填料的Evd值不斷增大，并在第四遍壓實完成后，填料部分檢測點的Evd值已超過規(guī)范值，也存在個別未達到要求的檢測點。在第五遍壓實后，所有檢測點Evd均大于40 MPa，該段路基已達到壓實要求，說明填料虛鋪厚度為40 cm時，填料的碾壓遍數(shù)至少為5遍。繼續(xù)增加弱振遍數(shù)，Evd的增長較小，穩(wěn)定在45～55 MPa；當增加填料虛鋪厚度至50 cm時，同樣采用弱振工況進行碾壓。與虛鋪厚度40 cm不同，在4遍壓實完成后僅有一個檢測點達到規(guī)范要求，5遍壓實完成后填料的Evd值顯著提高，并在6遍壓實完成后填料絕大多數(shù)區(qū)域已滿足壓實要求。隨后的碾壓完成，各檢測點Evd值逐漸穩(wěn)定在45 MPa左右；當填料虛鋪厚度為60 cm時，對填料進行8遍弱振碾壓，填料的Evd均值由28 MPa增加至35 MPa左右，碾壓段填料無法達到壓實要求。

改變振動壓路機的工作模式，以強振工況繼續(xù)對填料進行碾壓，填料的Evd值短暫逐漸增大，少數(shù)檢測點滿足壓實要求。但在第三次強振碾壓后填料的Evd值顯著減小，發(fā)生上述現(xiàn)象的主要原因可能是由于強振碾壓造成填料表層局部區(qū)域發(fā)生“過壓破壞”，導致其承載力降低。填料表層的局部破壞現(xiàn)象見圖4。

圖4 填料表層的局部破壞現(xiàn)象

對比分析三組試驗可知，在振動壓路機振動碾壓下，填料的密度和剛度逐漸增大，體積和變形逐漸減小。當達到一定壓實遍數(shù)時，填料由松散狀態(tài)轉變?yōu)槊軐崰顟B(tài)，其物理力學參數(shù)不再發(fā)生變化，填料保持在一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)。該穩(wěn)定狀態(tài)與填料厚度有關，虛鋪厚度為40、50、60 cm時Evd均值分別為47、44、35 MPa。在填料進入相對穩(wěn)定的狀態(tài)后，單一的增加壓實遍數(shù)并不會提高其壓實程度，需通過轉換振動壓路機的工作模式，改變激振力及激振頻率，才有可能使填料進入下一階段的穩(wěn)定狀態(tài)?？紤]到虛鋪厚度為40、50 cm的填料在弱振作用下達到的穩(wěn)定狀態(tài)已滿足壓實要求，無需再采用強振工況進行碾壓。而對于虛鋪厚度為60 cm的填料，即使采用不同的壓實工況，也無法達到壓實要求。

3 不同虛鋪厚度填料的壓實特性

為了進一步分析不同虛鋪厚度填料的壓實特性，本文通過采集填料不同深度處的加速度響應數(shù)據(jù)，從時域、頻域、時頻域及能量域等方面展開研究。

3.1 填料的加速度峰值

當填料虛鋪厚度為40、50、60 cm時，不同深處各測點加速度峰值隨壓實遍數(shù)的變化曲線見圖5。由圖5可見，填料加速度峰值的變化規(guī)律與Evd相似。在弱振作用下，由于開始壓實時填料的級配參數(shù)等基本相同，不同虛鋪厚度填料加速度峰值也基本相同。隨著壓實變數(shù)的增加，虛鋪厚度為40、50 cm的填料Evd增長較快，其剛度和阻尼變化較大，各測點的加速度響應逐漸增大。而虛鋪厚度為60 cm的填料受到厚度限制，其Evd值增長較小，各測點加速度峰值變化并不明顯。對比填料不同深度的加速度響應，在5～20 cm深度范圍內差異較大，20～45 cm深度范圍差異較小，特別是虛鋪厚度為60 cm的填料，在強振作用下上層填料的加速度峰值明顯大于弱振作用，而下層填料的加速度峰值差異較小?？梢娫谔盍虾穸冗^大時，強振也只是對上層填料產生作用，對底層填料的壓實效果并不明顯。

圖5 不同厚度填料各測點加速度峰值隨壓實遍數(shù)的變化曲線

為進一步分析填料加速度峰值與Evd值之間的變化關系，以各虛鋪厚度填料5 cm處的加速度峰值為基準，分別建立其與Evd值之間的相關關系，見圖6。由圖6可見，在弱振作用下，填料的加速度峰值與Evd之間大致呈線性分布，不同厚度的相關系數(shù)R均大于0.7，具有嚴格的線性相關關系。

圖6 填料加速度峰值與Evd值的相關關系

3.2 加速度的頻譜特征

對填料各測點的加速度數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)，分析其頻譜特征在壓實過程中隨碾壓遍數(shù)的變化情況，計算結果見圖7。由圖7可知，在弱振作用下，不同厚度填料各測點加速度的基波頻率基本上穩(wěn)定在22 Hz附近，在強振作用下填料的基波頻率減小至19 Hz，且增加壓實遍數(shù)并不會一直增大或減小基波的頻率。

圖7 不同厚度填料基頻隨碾壓遍數(shù)變化曲線

圖8 不同厚度填料傅里葉幅值隨碾壓遍數(shù)變化曲線

虛鋪厚度為40、50、60 cm填料傅里葉幅值隨碾壓遍數(shù)變化曲線見圖8。由圖8可見，隨著壓實遍數(shù)的增加，基波與多次諧波的幅值大致呈現(xiàn)出增長的變化趨勢。在虛鋪厚度為40、50 cm的填料中，上層填料測點的基波及各次諧波的幅值大于下層填料，而在厚度為60 cm的填料中，隨著壓實遍數(shù)的增加，上層填料的基波幅值逐漸小于下層填料。當振動壓路機的工作模式由弱振轉變?yōu)閺娬駮r，填料測點的一次諧波幅值突然增大，其幅值大于基波幅值。

3.3 加速度的時頻特征

為進一步分析填料加速度數(shù)據(jù)在時頻域上的動力響應特征，以填料虛鋪50 cm為例，對填料各測點加速度進行Hilbert-Huang變換(HHT)[13]，并采用二維平面等值線圖的形式進行表示，第一遍、第五遍和第八遍壓實后填料測點的Hilbert譜見圖9。

圖9 第一遍、第五遍和第八遍壓實后填料測點的Hilbert譜

由圖9可知，填料在時頻域上的響應特征可被Hilbert-Huang變換較好地描述出來。在第一遍壓實過程中，填料測點的振動能量主要有基波和一次諧波所攜帶，主要集中在5～6 s之間。隨著壓實遍數(shù)的增加，填料進入穩(wěn)定狀態(tài)，各測點所攜帶的能量同樣呈現(xiàn)出“先增大后穩(wěn)定”的趨勢，且時間逐漸增長至2 s左右，但振動能量在頻域上并未發(fā)生明顯改變，說明在填料的壓實過程中，填料密度增大使得振動壓路機有效碾壓時間逐漸增大。對比上層填料和下層填料在壓實過程中的Hilbert譜，可以發(fā)現(xiàn)在振動壓路機的振動碾壓下，填料表層受到的振動能量及其時間明顯大于填料底層。

4 結論

通過現(xiàn)場壓實試驗，探討了填料的不同虛鋪厚度及其壓實遍數(shù)，并分析了壓實過程中填料不同深度處的加速度響應，得到以下結論：

(1)在路基壓實過程中，填料由松散狀態(tài)逐漸轉變?yōu)槊軐崰顟B(tài)，其Evd值大致呈現(xiàn)出“先增大后穩(wěn)定”的趨勢，其中虛鋪厚度40、50、60 cm分別穩(wěn)定在47、44、35 MPa。此外，填料虛鋪厚度為40 cm時，在5遍弱振碾壓后達到規(guī)范要求；虛鋪厚度為50 cm時，則需要6遍弱振碾壓可達到規(guī)范要求；而虛鋪厚度提升至60 cm，始終無法達到路基壓實要求。

(2)填料加速度峰值的變化規(guī)律與Evd相似。在弱振作用下，虛鋪厚度為40、50 cm的填料Evd值增長較快，各測點的加速度響應逐漸增大。而虛鋪厚度為60 cm的填料受到厚度限制，其Evd值增長較小，各測點加速度峰值變化并不明顯。不同厚度填料加速度峰值與Evd值之間近似呈線性分布，具有嚴格的線性相關關系。

(3)采用FFT、HHT等數(shù)字信號分析填料加速度的頻譜特征。在虛鋪厚度為40、50 cm的填料中，上層填料測點加速度的基波及各次諧波的幅值大于下層填料，而在厚度為60 cm的填料中，上層填料的基波幅值逐漸小于下層填料。當振動壓路機的工作模式由弱振轉變?yōu)閺娬駮r，填料測點的一次諧波幅值突然增大，其幅值大于基波幅值。隨著壓實遍數(shù)的增加，各測點所攜帶的能量同樣呈現(xiàn)出“先增大后穩(wěn)定”的趨勢，且時間逐漸增長至2 s左右，但振動能量在頻域上并未發(fā)生明顯改變。