英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377與中國標(biāo)準(zhǔn)在鐵路路基壓實(shí)試驗(yàn)中的異同

蘇 昕，李祝文,2,3，劉朝暉，王永紅，吳清強(qiáng)

(1.中國交建馬來西亞東海岸鐵路項(xiàng)目總經(jīng)理部，吉隆坡 50480；2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430040；3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040)

中國標(biāo)準(zhǔn)種類繁多、范圍廣，不同行業(yè)對(duì)同一試驗(yàn)的要求也不盡相同，如土工試驗(yàn)在中國國家標(biāo)準(zhǔn)和鐵路標(biāo)準(zhǔn)中都有詳細(xì)規(guī)定，并且更新速度快，能適應(yīng)各行業(yè)新模式、新方法、新材料及新設(shè)備的引進(jìn)創(chuàng)新[1]。相對(duì)于中國標(biāo)準(zhǔn)來說，由于采用英國標(biāo)準(zhǔn)的英聯(lián)邦國家眾多，英國標(biāo)準(zhǔn)使用時(shí)間長，很多屬于英聯(lián)邦國家的發(fā)展中國家，由于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化等因素依然延續(xù)英國標(biāo)準(zhǔn)的儀器設(shè)備、試驗(yàn)操作流程及相關(guān)參數(shù)控制指標(biāo)。雖然中國標(biāo)準(zhǔn)的參考、推廣和使用是一個(gè)大的趨勢(shì)，但這個(gè)過程仍將持續(xù)一段時(shí)間[2，3]。為便于國際工程試驗(yàn)檢測人員對(duì)傳統(tǒng)的英國標(biāo)準(zhǔn)和不斷更新完善的中國標(biāo)準(zhǔn)之間有個(gè)對(duì)比認(rèn)識(shí)，該文對(duì)評(píng)價(jià)現(xiàn)場鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量的壓實(shí)度試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)及EVD動(dòng)態(tài)變形試驗(yàn)進(jìn)行了簡單介紹，從儀器要求、操作流程、數(shù)據(jù)處理3個(gè)方面對(duì)比分析了英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377[4]與中國標(biāo)準(zhǔn)[5]的差異。

1 壓實(shí)度試驗(yàn)

壓實(shí)度K是評(píng)價(jià)路基壓實(shí)程度最常用的方法，壓實(shí)度計(jì)算必須檢測地基或路基壓實(shí)材料的干密度和最大干密度。現(xiàn)場干密度測定試驗(yàn)也稱作原位試驗(yàn)，主要通過現(xiàn)場所測濕密度和土的含水率換算所得，灌砂筒法是最常用的方法。最大干密度主要采用室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)測得，通過測定不同含水率下的土的干密度，確定最佳含水率對(duì)應(yīng)的最大干密度。

1.1 儀器設(shè)備

中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)采用容量瓶和漏斗替代灌砂筒，對(duì)灌砂筒或容量瓶的選擇基本都是綜合考慮填料最大粒徑和填筑層厚來進(jìn)行選擇，英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377是直接采用灌砂筒進(jìn)行測量，通過測試層厚度來選擇灌砂筒。

現(xiàn)場測試過程中，試坑尺寸主要由灌砂儀器決定，不同標(biāo)準(zhǔn)中試坑尺寸與相應(yīng)的最大粒徑如表1所示，由表可知試坑尺寸要求從大到小依次為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—2019、鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB 10102—2010、英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377。英國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試坑尺寸要求最小，現(xiàn)場測試時(shí)間較短。路基壓實(shí)度試驗(yàn)中，試坑內(nèi)沙子替換的體積直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的誤差大小，粒徑越大，在試坑側(cè)壁上凸出來的石子所占的面積也越大，如果試坑的面積也增大了，就可以有效地減小誤差。與英國標(biāo)準(zhǔn)相比，中國標(biāo)準(zhǔn)有效地減小了因填料粒徑大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，同時(shí)結(jié)合填料粒徑確定試坑大小，也較為貼近現(xiàn)場施工中采用填料粒徑綜合確定填筑層厚度的工況。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)中試坑尺寸與相應(yīng)的最大粒徑 /mm

1.2 操作流程及數(shù)據(jù)處理

英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377大小灌砂筒法主要分為材料選擇、灌砂筒漏斗中砂的質(zhì)量和體積密度的判定、現(xiàn)場干密度測定3個(gè)操作流程。鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB 10102—2010操作流程與英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377基本相同，在材料的選擇方面沒有特定的說明，僅要求不能用于填石路基壓實(shí)度的測定。 現(xiàn)場干密度測量過程中英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377要求使用刮刀將試驗(yàn)土面裁剪成一個(gè)水平面，鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB 10102—2010要求鏟平測試地面，雖然操作方法不同，但目的都是人為制造一個(gè)水平的測試面，相比較而言，開挖一個(gè)水平面在試驗(yàn)精度方面更好控制。鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB 10102—2010與英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377對(duì)濕密度和干密度的計(jì)算基本相同，只是密度單位不同，中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)用g/cm3，而英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377的密度單位是mg/m3。

2 CBR試驗(yàn)

CBR(California Bearing Ratio)試驗(yàn)是1982年美國加州在進(jìn)行瀝青路面破壞調(diào)查時(shí)為比較材料的強(qiáng)度而提出的，也稱加州承載比試驗(yàn)。CBR試驗(yàn)可分為室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)，兩種方法在適用環(huán)境和儀器設(shè)備方面差距較大，但室內(nèi)CBR試驗(yàn)在工地試驗(yàn)室中最為常見。

2.1 儀器設(shè)備

CBR試驗(yàn)儀器主要由擊實(shí)儀、貫入儀及其他儀器設(shè)備(天平、標(biāo)準(zhǔn)篩、臺(tái)秤、膨脹量測量裝置、底板等)組成，英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1377要求使用的擊實(shí)儀和其他儀器設(shè)備與中國標(biāo)準(zhǔn)相比基本相似，但在試驗(yàn)貫入儀方面差別較大，如圖1(a)和圖1(b)所示。

CBR試驗(yàn)中，中國標(biāo)準(zhǔn)1個(gè)測力計(jì)量表位于測力環(huán)中心，2個(gè)測量貫入深度的百分表位于試樣頂部兩側(cè)，在實(shí)際操作過程中，經(jīng)常遇到反映貫入量的兩個(gè)百分表讀數(shù)相差較大，使取值困難，主要是由于試驗(yàn)儀未水平或貫入桿與試件頂面未完全接觸而引起的，可以通過在試驗(yàn)儀器低的一段墊鐵片或調(diào)整偏球座來解決，雖然操作比較繁雜，但有效減小試驗(yàn)操作過程中偶然誤差。英國標(biāo)準(zhǔn)BS1377則選用一個(gè)百分表位于試樣頂部一側(cè)，直接讀取貫入深度值，操作簡單，但在試驗(yàn)儀調(diào)平過程中沒有依據(jù)證明儀器已經(jīng)水平，而只是通過視覺直接感受，讀數(shù)誤差大。

2.2 操作流程

從適用范圍、試樣成型、浸水試驗(yàn)、貫入試驗(yàn)4個(gè)方面對(duì)中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)(TB 10102—2010)和英國標(biāo)準(zhǔn)(BS1377—4)進(jìn)行對(duì)比，主要差異見表2。

表2 CBR試驗(yàn)操作流程中英標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

在取樣方面，中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)允許使用粒徑20～40 mm的土樣，但20～40 mm粒徑土樣對(duì)貫入試驗(yàn)結(jié)果有影響，在試驗(yàn)過程中應(yīng)和英國標(biāo)準(zhǔn)一樣，最好不超過20 mm，特別是20～40 mm占比很少的情況，可以直接去掉大于20 mm的土樣。但是20～40 mm土樣占比大于10%時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)取樣范圍更廣，而且為了適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境，也要求根據(jù)不同粒徑土樣占比進(jìn)行結(jié)果修正。試樣成型過程中，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)干方式和樣品制備數(shù)量方面均不相同，這主要與CBR值確定有關(guān)。操作過程中，中國標(biāo)準(zhǔn)要求注水后水槽內(nèi)水面應(yīng)保持高出試樣頂面25 mm，而英國標(biāo)準(zhǔn)BS1377則考慮試樣應(yīng)放在水面以下至少10 mm的高度，兩種標(biāo)準(zhǔn)在浸水高度上的差異，實(shí)則是對(duì)模擬實(shí)際現(xiàn)場工況的不同，故在平時(shí)檢測過程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況，如馬來西亞多采用英國標(biāo)準(zhǔn)，但馬來西亞環(huán)境和英國差距極大，許多地方膨脹性的紅黏土較多，雨季和旱季土壤含水率差異很大，且雨季周期長，路基填料泡水深度和時(shí)間可能較大，應(yīng)加大浸水深度，中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)更加貼近馬來西亞現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境。

在貫入試驗(yàn)方面，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在施加壓力和貫入速率方面差異很小，在貫入深度差異較大，但都要求貫入深度大于7.5 mm，由于取值為2.5 mm或5 mm，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的總貫入深度對(duì)CBR取值影響不大，只是在結(jié)果修正時(shí)，中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)選用的數(shù)據(jù)范圍更廣，修正誤差偏小。

2.3 數(shù)據(jù)處理

兩種標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)曲線修正方面相同，均選用貫入量2.5 mm和5.0 mm中較大承載比，只是當(dāng)貫入量2.5 mm承載比小于貫入量5.0 mm承載比，中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)需要再做一次試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核，而英國標(biāo)準(zhǔn)則是直接選用，中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)在CBR取值方面更為嚴(yán)謹(jǐn)。由于兩種標(biāo)準(zhǔn)選用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度單位不一致(見表3)，導(dǎo)致貫入量2.5 mm和5.0 mm換算所得強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值英國標(biāo)準(zhǔn)偏小90 kPa和184 kPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值相差很小，壓實(shí)度相同的土樣采用兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出來的承載比也相差較小。由于采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)配制的土樣壓實(shí)度在95%～100%，而選用的是壓實(shí)度為100%理想狀態(tài)下的土樣來計(jì)算承載比值，同種類型土樣，壓實(shí)度越大，CBR值越大，故采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的CBR值普遍要大于英國標(biāo)準(zhǔn)。但是，在實(shí)際施工過程中，路基壓實(shí)度很少達(dá)到96%以上，因此，在日常試驗(yàn)檢測質(zhì)量管控中，對(duì)于采用中國標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的土體CBR值應(yīng)更為嚴(yán)格。

表3 中國標(biāo)準(zhǔn)與英國標(biāo)準(zhǔn)CBR試驗(yàn)計(jì)算公式

3 動(dòng)態(tài)變形模量試驗(yàn)

英國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)反映路基壓實(shí)情況的壓實(shí)度和CBR均有詳細(xì)的描述，但對(duì)于EVD基本未涉及。中國在2004年開始實(shí)施的《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)EVD工作原理、儀器設(shè)備、操作過程、試驗(yàn)記錄及相關(guān)要求進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但多局限于壓實(shí)質(zhì)量要求高的特殊路段，未普及整個(gè)土工試驗(yàn)檢測過程中，具體如下：1)中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB 10751—2018要求過渡段路堤高度≤3 m時(shí)，EVD ≥40 MPa；過渡段路堤高度>3 m時(shí)，EVD ≥30 MPa；2)中國鐵路客運(yùn)專線技術(shù)管理辦法(試行)(300～350)中要求基床表層EVD ≥55 MPa，但同時(shí)地基系數(shù)k30和孔隙率n也需滿足相關(guān)規(guī)范或設(shè)計(jì)要求；3)中國客專無碴軌道鐵路路基設(shè)計(jì)指南要求基床及以下路基壓實(shí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)EV2和EVD參考德國標(biāo)準(zhǔn)。

EVD試驗(yàn)是一種先進(jìn)的路基質(zhì)量檢測方法，尤其在反應(yīng)列車真實(shí)狀態(tài)方面占有優(yōu)勢(shì)，即列車高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力對(duì)路基土的干擾，與路基壓實(shí)度和CBR試驗(yàn)相比，EVD試驗(yàn)操作簡單、測試速度快、精準(zhǔn)度較高，在室內(nèi)不同壓實(shí)度試驗(yàn)過程中，EVD和壓實(shí)度及CBR值均存在近似線性關(guān)系，說明動(dòng)態(tài)變形模量EVD作為路基壓實(shí)質(zhì)量檢測方法具有一定的理論依據(jù)。在路基占比極高且參考英國標(biāo)準(zhǔn)的國際工程，如果能參考中國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)EVD的相關(guān)要求，注意對(duì)測點(diǎn)進(jìn)行合理清理與布置，分析EVD控制指標(biāo)與路基填料壓實(shí)度和CBR之間的相關(guān)性，推薦路基EVD控制指標(biāo)的建議限值，并推廣到路基施工的全過程質(zhì)量控制中，將極大提升檢測效率，在施工過程中可以同步監(jiān)測路基施工質(zhì)量而不影響施工進(jìn)度。

4 結(jié) 論

a.對(duì)比中英兩國標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)：①鐵路標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)填料粒徑及測試層厚度選擇灌砂儀器容積和試坑尺寸，英國標(biāo)準(zhǔn)則主要通過測試層厚度來選擇，試坑開挖尺寸較小；②兩種標(biāo)準(zhǔn)在CBR試驗(yàn)儀器設(shè)備、樣品數(shù)量和CBR值選取方面差異較大，與樣品數(shù)量有關(guān)；③中國標(biāo)準(zhǔn)提供的CBR指標(biāo)是一種等價(jià)于最優(yōu)含水率的理想狀態(tài)，但英國標(biāo)準(zhǔn)提出的CBR值相對(duì)較小；④英國標(biāo)準(zhǔn)未涉及EVD試驗(yàn)，而中國標(biāo)準(zhǔn)僅在壓實(shí)質(zhì)量要求高的特殊路段進(jìn)行相關(guān)規(guī)定；⑤中國標(biāo)準(zhǔn)考慮更為綜合全面，英國標(biāo)準(zhǔn)部分試驗(yàn)結(jié)果精度較高。

b.EVD試驗(yàn)與路基壓實(shí)度和CBR值之間存在線性相關(guān)關(guān)系，如推薦EVD控制指標(biāo)的建議限值，將在路基占比極高、路基壓實(shí)度檢測效率較低的國際工程中具有較好的實(shí)踐，極大提升檢測效率。