鐵路路基壓實質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)的相關(guān)性及影響因素

左君 高翔 馬殷軍 張世恩 徐鋒 鄒國峰

1.中建鐵路投資建設(shè)集團有限公司，北京 102601；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州工程建設(shè)指揮部，蘭州 730051

隨著我國鐵路的快速發(fā)展建設(shè)，連續(xù)壓實控制技術(shù)在路基工程中得到越來越多的運用，壓實質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)成為連續(xù)壓實控制技術(shù)在實際應(yīng)用中保持性能穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵［1］。Mooney等［2］試驗發(fā)現(xiàn)壓實質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)在粗粒土和細粒土中隨壓實工藝變化的規(guī)律正好相反，并指出不同振動壓實工藝對壓實計值（Compaction Meter Value，CMV）等連續(xù)檢測指標(biāo)的影響；范娟等［3］試驗揭示了不同壓實參數(shù)對C M V的影響程度；吳龍梁等［4］基于土石壩研究了激振力和行進速度對C M V、壓實控制值（Compaction Control Value，CCV）、土體剛度系數(shù)Ks、振動壓實值（Vibration Compaction Value，VCV）等連續(xù)檢測指標(biāo)測值偏差的影響規(guī)律，并通過分析指出激振力對各連續(xù)檢測指標(biāo)相關(guān)性的影響；張海歐等［5］針對不同類型土石混合填料，試驗分析了松鋪厚度、碾壓遍數(shù)、壓實機械等對VC V和動態(tài)變形模量Evd相關(guān)性的影響；劉東海等［6-7］針對堆石料研究了實時監(jiān)測指標(biāo)與不同碾壓參數(shù)之間的相關(guān)性和適應(yīng)性。然而，目前大多數(shù)研究針對單一連續(xù)檢測指標(biāo)或其與單一非連續(xù)指標(biāo)的比較，且由于各類指標(biāo)檢測方法和檢測原理差異較大，導(dǎo)致研究成果有一定局限性。此外，對于連續(xù)檢測指標(biāo)穩(wěn)定性與可靠性的研究，缺少振動壓實參數(shù)對其變異性和相關(guān)性影響的分析，從而限制了連續(xù)壓實控制技術(shù)在實際工程中的推廣應(yīng)用。

本文通過開展現(xiàn)場連續(xù)壓實試驗，研究工程中主要振動壓實工藝參數(shù)對C M V穩(wěn)定性和可靠性的影響；通過變異系數(shù)分析研究壓實工藝對CM V穩(wěn)定性的影響規(guī)律；通過CMV與不同非連續(xù)檢測指標(biāo)相關(guān)性分析，研究壓實工藝對C M V可靠性的影響，從而為路基連續(xù)壓實控制技術(shù)提供參考。

1 路基壓實質(zhì)量檢測方法

1.1 非連續(xù)壓實質(zhì)量檢測

國內(nèi)外常用的壓實質(zhì)量非連續(xù)檢測方法包括壓實度檢測、動態(tài)平板荷載試驗檢測、土體剛度檢測等，分別可以獲得填筑土層的壓實度K、動態(tài)變形模量Evd和土體剛度Geo。非連續(xù)檢測技術(shù)能較為準(zhǔn)確地反映路基壓實質(zhì)量，但存在代表性不足、缺乏過程控制和整體控制、受外界因素影響大等問題。

1.2 連續(xù)壓實質(zhì)量檢測

連續(xù)檢測技術(shù)能夠克服非連續(xù)檢測技術(shù)的缺點，進行全程動態(tài)檢測與控制。連續(xù)壓實質(zhì)量檢測是指在壓實過程中基于振動傳感器實時地對路基壓實質(zhì)量情況進行檢測［8-9］。圖1為連續(xù)壓實質(zhì)量檢測系統(tǒng)。通過對振動傳感器獲得的信號進行分析處理，從而評價路基填料壓實狀態(tài)，并以C M V表示，即

圖1 連續(xù)壓實檢測系統(tǒng)

式中：k為校準(zhǔn)系數(shù)，一般取300；A1為一次諧波加速度振幅，mm；A0為基頻加速度振幅，mm。

2 壓實試驗

為分析C M V在粗粒土填料路基壓實中的穩(wěn)定性與可靠性，及CM V與非連續(xù)檢測指標(biāo)Evd、Geo、K的相關(guān)關(guān)系，選取蘭張三四線K232+500—K232+620段進行試驗研究。

2.1 試驗填料

路基分層填筑，取其中一層進行試驗，填筑厚度40 cm，填料類型為間斷級配中圓礫土，屬A組填料，見表1。

表1 填料物性指標(biāo)

2.2 試驗過程

試驗采用XG622MH型壓路機，RollNav TC63型智能壓實檢測系統(tǒng)。選取試驗場地120 m（長）×32 m（寬），劃分為9個試驗帶。為避免輪跡搭接對不同碾壓遍數(shù)下壓實效果的影響，試驗帶之間間隔1 m。

現(xiàn)場試驗設(shè)計見表2。試驗1通過正交試驗研究不同激振力和碾壓速度對C M V穩(wěn)定性的影響，以及激振力對CMV可靠性的影響。試驗2在不同碾壓速度下進行相關(guān)性校驗，研究碾壓速度對C M V可靠性的影響。試驗3對不同碾壓遍數(shù)下進行相關(guān)性校驗，研究碾壓遍數(shù)對壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)的影響，并給出壓實質(zhì)量連續(xù)檢測的建議。

表2 現(xiàn)場試驗設(shè)計

除C M V全程檢測外，其他壓實質(zhì)量檢測試驗均為非連續(xù)檢測，每條試驗帶上，隔10 m測一行Evd和Geo數(shù)據(jù)；從有效面積對應(yīng)考慮，一行測6個Evd和Geo數(shù)據(jù)，取平均值來反映該點處CMV對應(yīng)的壓實效果，每帶測8行數(shù)據(jù)；每隔20 m測一組K數(shù)據(jù)，測點位置與Evd和Geo測點位置重合，每帶測4行數(shù)據(jù)，試驗帶及檢測點布置如圖2所示。試驗中碾壓方向均為正向碾壓。

圖2 試驗帶及檢測點設(shè)置示意

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 激振力和碾壓速度對C MV穩(wěn)定性的影響

將每條試驗帶的C M V均值作為該試驗帶連續(xù)壓實質(zhì)量檢測參數(shù)代表值，并計算不同壓實工藝下C M V的變異系數(shù)，計算結(jié)果見表3和圖3?？芍簤郝窓C振動壓實過程中，激振力和碾壓速度不同，CM V的穩(wěn)定性也有所不同；變異系數(shù)越小，檢測結(jié)果波動越小，CMV越穩(wěn)定。碾壓速度相同時，弱振工藝下CMV的變異系數(shù)小于強振，表明弱振工藝下CM V更穩(wěn)定；激振力相同時，快速碾壓的變異系數(shù)小于慢速碾壓，表明快速碾壓時CMV更穩(wěn)定。當(dāng)激振力為270 kN、速度為5 km∕h時，CM V變異系數(shù)最小，表明快速弱振工藝下CMV最穩(wěn)定。

圖3 不同激振力和碾壓速度下C M V測值變化曲線

表3 不同壓實工藝下C MV均值與變異系數(shù)

為進一步探究激振力和碾壓速度對CM V穩(wěn)定性的影響規(guī)律，對不同壓實工藝引起的C M V變異系數(shù)偏差進行統(tǒng)計，結(jié)果見表4。

表4 CMV變異系數(shù)偏差

由表4可知，碾壓速度不同引起的CMV變異系數(shù)偏差為1.46%～2.11%，激振力不同引起的C M V變異系數(shù)偏差為6.74%～7.39%。由碾壓速度引起的C M V穩(wěn)定性偏差相對較小，激振力引起的C M V穩(wěn)定性偏差相對較大。因此，實際工程中應(yīng)用連續(xù)壓實控制技術(shù)時應(yīng)當(dāng)盡量保持激振力穩(wěn)定。

3.2 激振力對相關(guān)性校驗影響

為進一步研究激振力對CMV可靠性的影響，通過試驗2對不同激振力下CMV與非連續(xù)壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)Evd、Geo、K進行相關(guān)性校驗，如圖4所示（圖中下標(biāo)a為強振，激振力390 kN，虛線；下標(biāo)b為弱振，激振力270 kN，實線）。可知，強振和弱振時，CMV與各非連續(xù)壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)大于0.7，具有強相關(guān)性，且滿足壓實質(zhì)量連續(xù)檢測規(guī)范要求；同時，弱振時C M V與非連續(xù)檢測指標(biāo)（Geo除外）的相關(guān)系數(shù)均大于強振時。采用強振進行壓實時，振動輪會產(chǎn)生較多跳振，而跳振時振動輪與土體處于脫離狀態(tài)，不再滿足輪-土耦合接觸關(guān)系，從而導(dǎo)致強振下得到的CMV離散性較大，這也與3.1節(jié)中強振工藝下C M V變異系數(shù)大的結(jié)果相符合。由此可知，激振力對CMV相關(guān)性校驗的影響顯著，且在弱振下CMV相關(guān)性校驗結(jié)果更好。

圖4 不同激振力下CMV與非連續(xù)壓實指標(biāo)相關(guān)性校驗結(jié)果

3.3 碾壓速度對相關(guān)性校驗影響

為了分析碾壓速度對CMV可靠性的影響，通過試驗3獲得不同碾壓速度下CM V與非連續(xù)檢測指標(biāo)檢測結(jié)果，對采集數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，得到不同碾壓速度下C M V與非連續(xù)檢測指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)見表5。

表5 不同速度下CM V與非連續(xù)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

由表5可知，在弱振工藝下，快速碾壓和慢速碾壓時CM V與Evd、K之間的相關(guān)系數(shù)大于0.7，具有強相關(guān)性，滿足規(guī)范要求；CMV與Geo的相關(guān)系數(shù)部分在0.5～0.7，具有弱相關(guān)性，不滿足規(guī)范要求。快速碾壓與慢速碾壓得到的C M V與各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)之間則較為接近，影響不顯著。

結(jié)合3.2節(jié)可知，在振動碾壓過程中，C M V與Evd和K相關(guān)性強，與Geo相關(guān)性較弱。分析可知，各壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)的測試影響范圍和力學(xué)原理不同導(dǎo)致了CM V與各指標(biāo)之間相關(guān)性的差異，各檢測指標(biāo)影響范圍如圖5所示。C M V檢測影響范圍即振動輪接觸作用范圍，與Evd和K檢測范圍基本相同，與Geo檢測范圍則有所不同，從而導(dǎo)致了壓實質(zhì)量檢測結(jié)果的不同和相關(guān)性的差異。

圖5 不同壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)影響范圍示意

由此可知，碾壓速度對C M V相關(guān)性校驗影響不顯著，但檢測影響范圍對C M V相關(guān)性校驗影響顯著。

3.4 碾壓遍數(shù)影響

為探究碾壓遍數(shù)對C M V相關(guān)性校驗和壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)數(shù)值的影響，通過開展試驗3對不同碾壓遍數(shù)下C M V與非連續(xù)檢測指標(biāo)進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表6。

表6 不同碾壓遍數(shù)下CM V與非連續(xù)檢測指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

由表6可知，在不同碾壓遍數(shù)下，C M V與各非連續(xù)檢測指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)均大于0.7，具有強相關(guān)性且滿足規(guī)范要求。此外，第2遍（強振）時各相關(guān)系數(shù)基本小于其他遍數(shù)（弱振），而各檢測指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)與碾壓遍數(shù)之間并無明顯關(guān)系。結(jié)合3.2節(jié)和3.3節(jié)可知，上述規(guī)律與激振力和碾壓速度對相關(guān)性校驗的影響規(guī)律一致，與碾壓遍數(shù)無關(guān)，因此碾壓遍數(shù)對C M V與非連續(xù)檢測指標(biāo)相關(guān)性校驗無顯著影響。

為進一步探究碾壓遍數(shù)對壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)數(shù)值的影響，統(tǒng)計不同碾壓遍數(shù)下壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)均值變化情況，見表7?？芍篊MV、Evd和K隨碾壓遍數(shù)的增加而增大，與吳龍梁等［4］的結(jié)論相一致，Geo則隨碾壓遍數(shù)的增加呈波動增大。

表7 不同碾壓遍數(shù)下壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)的均值

對碾壓遍數(shù)與各檢測指標(biāo)均值進行相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)見表8?？芍篊MV、Evd和K與碾壓遍數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.7，具有較好的相關(guān)性；Geo與碾壓遍數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)在0.5～0.7，相關(guān)性較弱。此外，相比工程驗收時的K檢測，Evd檢測更加方便高效。因此在實際工程中，建議路基壓實時采用C M V連續(xù)檢測為主、傳統(tǒng)Evd檢測為輔的檢測方法，并在連續(xù)壓實控制中盡量保持激振力穩(wěn)定。

表8 碾壓遍數(shù)與壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

1）相同條件下，C M V變異系數(shù)的大小關(guān)系為：弱振＜強振，快速碾壓＜慢速碾壓。此外，由碾壓速度不同引起的C M V變異系數(shù)偏差為1.46%～2.11%，由激振力不同引起的C M V變異系數(shù)偏差為6.74%～7.39%。激振力對C M V穩(wěn)定性影響更顯著。

2）激振力對CMV相關(guān)性校驗影響顯著；碾壓速度和碾壓遍數(shù)對C M V相關(guān)性校驗影響較小，而檢測影響范圍對CM V相關(guān)性校驗影響顯著。

3）針對中圓礫土填料，在不同壓實工藝下，C M V與Evd、K均有良好的線性相關(guān)關(guān)系。鑒于CM V和Evd檢測的便利性，進行路基壓實連續(xù)檢測時宜采用C M V連續(xù)檢測為主、傳統(tǒng)Evd檢測為輔的方法，并在連續(xù)壓實控制中盡量保持激振力穩(wěn)定。