安再展 蔡德鉤 葉陽升 朱宏偉 鄭新國 李斯
1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所, 北京 100081; 3.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司, 北京 100081; 4.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司, 北京 100844
鐵路路基承擔(dān)著軌道重力及列車動態(tài)荷載作用。路基壓實(shí)質(zhì)量不合格可能導(dǎo)致不均勻沉降、翻漿冒泥等病害發(fā)生,危害列車行車安全。目前高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量采用物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)雙指標(biāo)控制,其中物理指標(biāo)主要包括壓實(shí)度(K)、孔隙率等,力學(xué)指標(biāo)主要包括動態(tài)變形模量(Evd)、地基系數(shù)(K30)、變形模量(Ev2)等。傳統(tǒng)檢測方法存在兩方面缺點(diǎn):①傳統(tǒng)檢測屬于點(diǎn)抽樣檢測,檢測面積遠(yuǎn)小于碾壓面積,抽樣檢測結(jié)果無法代表整個(gè)碾壓面的壓實(shí)質(zhì)量;②傳統(tǒng)檢測在碾壓結(jié)束后進(jìn)行,檢測耗時(shí)較長,時(shí)間上存在滯后性,無法實(shí)時(shí)掌握路基壓實(shí)狀態(tài)。
為克服傳統(tǒng)路基壓實(shí)質(zhì)量檢測方法的不足,一些學(xué)者基于振動壓路機(jī)在土體不同壓實(shí)狀態(tài)下的動力特性,提出了路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測技術(shù)[1-3]。Thurner等[4]最早發(fā)現(xiàn)振動輪加速度畸變程度與被壓土體壓實(shí)程度有關(guān),提出了基于加速度頻域分析的壓實(shí)計(jì)值(Compaction Meter Value,CMV)指標(biāo),并在土石方填筑工程中廣泛應(yīng)用[4-7],后續(xù)有學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出總諧波失真量(Total Harmonic Distortion,THD)[8]、壓實(shí)控制值(Compaction Control Value,CCV)[9]等加速度頻域類指標(biāo)。一些學(xué)者從振動壓路機(jī)-土動力相互作用出發(fā),提出了力學(xué)類指標(biāo)。Monney等[10-11]基于振動壓路機(jī)-土二自由度模型,提出土體剛度(ks);徐光輝等[12-13]基于動力學(xué)分析,提出反映路基抗力的振動壓實(shí)值(Vibration Compaction Value,VCV)。
各國根據(jù)本地區(qū)填筑工程特點(diǎn),對壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)的相關(guān)性、壓實(shí)程度、壓實(shí)均勻性和壓實(shí)穩(wěn)定性予以規(guī)定[14]。確定壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測控制值是進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測的核心,德國采用線性回歸方程建立連續(xù)檢測指標(biāo)與常規(guī)檢測指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系,根據(jù)常規(guī)檢測合格值確定連續(xù)檢測指標(biāo)控制值。這種方法最為簡便,但無法完全保障壓實(shí)質(zhì)量。奧地利同樣基于線性回歸方程,提出了最大控制值、最小控制值、平均控制值和80%最小控制值,規(guī)定了各種情況下連續(xù)檢測指標(biāo)應(yīng)符合的要求,但實(shí)際操作較為復(fù)雜。美國明尼蘇達(dá)州規(guī)定連續(xù)檢測值不再發(fā)生明顯變化時(shí)的對應(yīng)值為控制值。國內(nèi)外對壓實(shí)程度、穩(wěn)定性和均勻性的具體規(guī)定見表1。
表1 國內(nèi)外連續(xù)壓實(shí)檢測控制標(biāo)準(zhǔn)
中國高速鐵路路基采用A、B組粗粒土填料,壓實(shí)質(zhì)量要求極高。大量試驗(yàn)表明,粗粒土填料壓實(shí)過程中振動輪加速度成分復(fù)雜,會出現(xiàn)高次及半次諧波[15],現(xiàn)有的連續(xù)檢測指標(biāo)精度無法滿足高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量控制要求,同時(shí)壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)控制標(biāo)準(zhǔn)偏低。針對中國高速鐵路路基填料,葉陽升等[16-17]提出基于振動能量的壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)——能量壓實(shí)值(Compaction Energy Value,CEV),并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了CEV與常規(guī)檢測指標(biāo)具有較強(qiáng)相關(guān)性。本文開展路基碾壓足尺模型試驗(yàn),采用CEV作為高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo),通過壓實(shí)穩(wěn)定性、壓實(shí)均勻性和壓實(shí)程度三方面分析,提出基于CEV的高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量控制方法。
試驗(yàn)地點(diǎn)位于黃驊市北京交通大學(xué)軌道試驗(yàn)基地。試驗(yàn)填料為A、B組粗角礫料,最大粒徑不超過60 mm,最大干密度為2.41 g/cm3,平均含水率6.2%,填料級配見圖1。
圖1 試驗(yàn)填料級配
根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果,壓路機(jī)有效影響深度約為1 m。為避免場地原地面對試驗(yàn)結(jié)果的影響,首先分層填筑厚度為1 m下墊層,然后在下墊層上進(jìn)行碾壓試驗(yàn)。試驗(yàn)中每層填料松鋪厚度為40 cm,碾壓車速為2.5 km/h。
采用26 t三一SSR260C-8型單鋼輪振動壓路機(jī),其中前輪分配質(zhì)量為17 t,振動輪寬度為2.17 m。壓路機(jī)有強(qiáng)振(振幅為2.05 mm,振動頻率為27 Hz)和弱振(振幅為1.03 mm,振動頻率為31 Hz)兩種振動模式。加速度傳感器安裝在壓路機(jī)振動輪上,見圖2,量程為±16g,采樣頻率為5 000 Hz,碾壓過程中實(shí)時(shí)采集振動輪豎向加速度信號,每行駛0.5 m輸出一個(gè)壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測值。每遍碾壓后檢測路基壓實(shí)質(zhì)量常規(guī)指標(biāo)Evd、K和K30。由于壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測結(jié)果反映的是2.17 m × 0.50 m矩形區(qū)域內(nèi)填料平均壓實(shí)狀態(tài),因此每0.5 m沿振動輪寬度方向均勻布置3個(gè)常規(guī)指標(biāo)檢測點(diǎn),取其平均值與相應(yīng)的連續(xù)檢測結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析。常規(guī)檢測測點(diǎn)布置如圖3所示。
圖2 振動壓路機(jī)與加速度傳感器
圖3 常規(guī)壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)測點(diǎn)布置
為分析碾壓過程中路基壓實(shí)質(zhì)量變化情況,對路基進(jìn)行連續(xù)8遍碾壓,每一遍碾壓過程中實(shí)時(shí)采集振動輪加速度,碾壓后分別檢測Evd、K30、K與沉降。各常規(guī)檢測指標(biāo)平均值與碾壓遍數(shù)的關(guān)系見圖4。可知,各常規(guī)檢測指標(biāo)均隨著碾壓遍數(shù)增大而增大且在壓實(shí)初期增長速率較大,隨著碾壓遍數(shù)增大各指標(biāo)增大速率逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定。
圖4 常規(guī)檢測指標(biāo)隨碾壓遍數(shù)變化情況
對采集到的振動加速度信號進(jìn)行希爾伯特-黃變換,即得到加速度邊際譜[18]。邊際譜反映了振動能量在頻率軸上的分布[16]。第1、3、5、8遍碾壓的加速度邊際譜見圖5??芍?,各碾壓遍數(shù)下能量峰值均出現(xiàn)在31 Hz,與振動輪振動頻率一致。壓實(shí)初期振動能量較為集中,基頻對應(yīng)能量幅值約為0.53g·s,攜帶能量的頻帶約為25~38 Hz;隨著碾壓遍數(shù)增多,基波對應(yīng)能量幅值逐漸減小,到第8遍碾壓時(shí)約為0.30g·s,攜帶能量的頻帶增至19 ~ 40 Hz。邊際譜逐漸從“細(xì)高”變“寬矮”,基頻振動能量分散至其他頻率,說明加速度非線性程度增強(qiáng)。
圖5 不同碾壓遍數(shù)加速度邊際譜
對頻率0 ~ 100 Hz內(nèi)的邊際譜幅值相加得到振動輪總振動能量,即振動能量值(CEV)。試驗(yàn)條帶平均CEV與碾壓遍數(shù)關(guān)系見圖6??芍珻EV隨著碾壓遍數(shù)增大而增大,并逐漸趨于穩(wěn)定,這是由于隨著填料密度和剛度增大,填料與振動輪的相互作用增強(qiáng),填料反饋給振動輪的能量增大,導(dǎo)致振動輪的振動能量增大。
圖6 連續(xù)檢測指標(biāo)CEV隨碾壓遍數(shù)變化情況
綜上,壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)(CEV)隨填料壓實(shí)逐漸增大并趨于穩(wěn)定,變化規(guī)律與常規(guī)檢測指標(biāo)相似,可以反映路基壓實(shí)狀態(tài)。
路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測通過建立CEV與常規(guī)檢測指標(biāo)的相關(guān)性關(guān)系評價(jià)路基壓實(shí)質(zhì)量。根據(jù)TB 10751—2018《高速鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求,中國高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量采用Evd、K30和K進(jìn)行控制。試驗(yàn)共得到42組Evd和K30數(shù)據(jù),46組K數(shù)據(jù),根據(jù)常規(guī)檢測位置計(jì)算對應(yīng)的CEV,采用一元線性回歸方程建立CEV與Evd、K30和K的相關(guān)性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)(r)計(jì)算式為
式中:Xi為連續(xù)檢測指標(biāo);Yi為常規(guī)檢測指標(biāo)為指標(biāo)平均值;n為檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)數(shù)量。
CEV與各常規(guī)檢測指標(biāo)相關(guān)性見圖7??芍?,CEV與Evd、K30和K的相關(guān)系數(shù)(r)分別為0.769、0.696、0.788,均具有強(qiáng)相關(guān)性,滿足Q/CR 9210—2015《鐵路路基填筑工程連續(xù)壓實(shí)控制技術(shù)規(guī)程》中r> 0.49的要求,因此CEV指標(biāo)可用于中國高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測。
圖7 壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)與常規(guī)檢測指標(biāo)相關(guān)關(guān)系
壓實(shí)程度控制是高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)控制的核心,其中壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測控制值的合理設(shè)定是進(jìn)行壓實(shí)程度控制的基礎(chǔ)。如2.2節(jié)所述,壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測通過建立連續(xù)檢測指標(biāo)(Measured Value,MV)與路基常規(guī)檢測指標(biāo)x(Evd、K30或K)的關(guān)系,從而根據(jù)MV判斷路基壓實(shí)質(zhì)量是否合格。壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測控制值計(jì)算方法見圖8,目前常用方法為采用線性擬合建立MV與x的相關(guān)關(guān)系[式(2)],然后根據(jù)常規(guī)檢測指標(biāo)合格值x=[x]與線性回歸方程的交點(diǎn),計(jì)算連續(xù)檢測控制值[MV]1,即
圖8 壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測控制值計(jì)算方法
式中:[x]為路基壓實(shí)質(zhì)量常規(guī)檢測指標(biāo)合格值;[MV]1為連續(xù)檢測控制值。
采用CEV預(yù)測常規(guī)檢測指標(biāo)的90%置信水平預(yù)測區(qū)間見圖9??芍?dāng)MV≥ [MV]1時(shí),有一些測點(diǎn)的常規(guī)檢測實(shí)際值x仍小于合格值[x],不滿足質(zhì)量要求。這是由于采用式(2)計(jì)算得到的x是總體均值的估計(jì)值,沒有考慮個(gè)別值的不確定性[19],因此會導(dǎo)致部分碾壓面壓實(shí)質(zhì)量不合格,對路基安全造成隱患。
圖9 采用CEV預(yù)測常規(guī)檢測指標(biāo)的90%置信水平預(yù)測區(qū)間
為保障路基壓實(shí)質(zhì)量,本文提出一種考慮預(yù)測區(qū)間的壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測控制值確定方法。利用建立的回歸方程,對于自變量的某一給定值,求出因變量的一個(gè)個(gè)別值的估計(jì)區(qū)間,這一區(qū)間稱為預(yù)測區(qū)間。對于某一連續(xù)檢測指標(biāo)MV,常規(guī)檢測指標(biāo)x的預(yù)測區(qū)間上下限為
式中:tα/2(n-2)為t檢測臨界值;α為顯著性水平,取0.10;n為樣本數(shù)量;Sx為估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差為MV的平均值。
如圖9所示,路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測控制值取x=[x]與預(yù)測區(qū)間下限交點(diǎn)的橫坐標(biāo)[MV]2,其含義為:當(dāng)連續(xù)檢測指標(biāo)達(dá)到[MV]2時(shí),常規(guī)檢測指標(biāo)有95%概率大于[x]。將[x]代入式(4)得到式(5),即可求解[MV]2。
路基壓實(shí)質(zhì)量需同時(shí)滿足Evd、K30和K控制要求,因此分別計(jì)算Evd、K30和K對應(yīng)的CEV控制值,并取其中的最大值作為采用的CEV控制值。采用CEV預(yù)測Evd、K30和K的90%置信水平預(yù)測區(qū)間參見圖9。分別根據(jù)式(3)、式(5)計(jì)算CEV控制值,計(jì)算結(jié)果見表2,采用線性回歸方程確定的CEV控制值為28.60,采用預(yù)測區(qū)間下限確定的CEV控制值為31.37。
表2 CEV控制值計(jì)算結(jié)果
為驗(yàn)證壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測控制值的合理性,在某7 m長試驗(yàn)條帶進(jìn)行連續(xù)12遍碾壓。每遍碾壓過程中采集振動輪加速度信號,計(jì)算連續(xù)檢測指標(biāo)(CEV),條帶包含16個(gè)檢測單元,判斷方式1以CEV大于等于28.60作為合格標(biāo)準(zhǔn),判斷方式2以CEV大于等于31.37作為合格標(biāo)準(zhǔn)。兩種判斷方式下,試驗(yàn)條帶CEV合格率隨碾壓遍數(shù)增大的變化情況見圖10??芍呵?遍碾壓兩種判斷方式CEV合格率均為0,對于判斷方式1,第4遍碾壓后出現(xiàn)CEV合格的檢測單元,在第4—7遍碾壓CEV合格率迅速上升,第7遍碾壓后達(dá)到100%,之后合格率保持在100%不發(fā)生變化;對于判斷方式2,CEV合格率明顯小于判斷方式1,第7遍碾壓才出現(xiàn)CEV合格的檢測單元,第8—10遍碾壓CEV合格率上升,在第10遍達(dá)到最大的93.75%,繼續(xù)碾壓則CEV合格率下降,12遍碾壓后合格率減小為75%,說明第11、12遍碾壓發(fā)生了過壓,而采用判斷方式1得到的CEV合格率結(jié)果無法說明過壓現(xiàn)象。
圖10 兩種控制值計(jì)算方法下CEV合格率
碾壓第12遍后,在碾壓面上隨機(jī)抽樣檢測42組Evd,12組K30,12組K,計(jì)算各常規(guī)檢測指標(biāo)合格率,結(jié)果見表3??芍旱?2遍碾壓后Evd、K30和K的合格率分別為85.71%、66.67%和83.33%;判斷方式1的CEV合格率為100%,說明采用線性回歸方程確定CEV控制值會過高估計(jì)路基壓實(shí)質(zhì)量,對路基壓實(shí)質(zhì)量控制不利;判斷方式2的CEV合格率為75%,與常規(guī)檢測結(jié)果更接近,說明采用90%置信水平預(yù)測區(qū)間下限確定CEV控制值滿足路基壓實(shí)質(zhì)量控制要求。
表3 試驗(yàn)條帶12遍碾壓后各指標(biāo)合格率
高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量要求嚴(yán)格,Q/CR 9210—2015中規(guī)定,壓實(shí)程度合格率設(shè)定為95%,因此本文取壓實(shí)程度合格率為95%。
壓實(shí)穩(wěn)定性主要是從控制填筑體物理力學(xué)性能穩(wěn)定性程度方面考慮的,是采用壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測技術(shù)對路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)的指標(biāo)之一。為分析碾壓過程中壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)的穩(wěn)定性情況,對試驗(yàn)條帶進(jìn)行連續(xù)12遍碾壓。條帶平均CEV增長率隨碾壓遍數(shù)的變化情況見圖11??芍?,壓實(shí)初期CEV增長率較大,達(dá)到近6%,隨著碾壓遍數(shù)的增大,填料物理力學(xué)性質(zhì)逐漸趨于穩(wěn)定,CEV增長率呈減小趨勢,第8、9、10遍碾壓的CEV增長率均小于2%。第11、12遍碾壓時(shí),CEV增長率為負(fù)值,說明此時(shí)發(fā)生了過壓現(xiàn)象,路基壓實(shí)質(zhì)量下降。
圖11 不同碾壓遍數(shù)下的平均CEV增長率
對試驗(yàn)條帶16個(gè)檢測單元的CEV增長率進(jìn)行分析,不同碾壓遍數(shù)下CEV增大檢測單元占總檢測單元的比例見圖12??芍谇?遍碾壓中,CEV增大單元占比在80%以上,此時(shí)路基面絕大部分部位的填料處于逐漸被壓實(shí)狀態(tài);第8遍碾壓后CEV增大單元占比快速下降,約為60%,此時(shí)仍有超過一半?yún)^(qū)域繼續(xù)被壓實(shí);第11、12遍碾壓,CEV增大的檢測單元占比約為20%,試驗(yàn)條帶約80%檢測單元出現(xiàn)松散,此時(shí)應(yīng)該停止碾壓。
圖12 不同碾壓遍數(shù)下CEV增大單元占比
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,本文提出以下高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測穩(wěn)定性控制要求:
1)當(dāng)碾壓區(qū)域CEV合格率達(dá)到95%,且平均CEV增長率小于2%時(shí),認(rèn)為路基壓實(shí)質(zhì)量滿足控制要求。
2)當(dāng)連續(xù)2遍碾壓出現(xiàn)平均CEV減?。ɑ蚰雺簠^(qū)域超過50%檢測單元CEV減小)現(xiàn)象時(shí),應(yīng)停止碾壓。
高速鐵路路基采用粗粒土填料,離散性較大,若路基不同部位剛度相差過大可能導(dǎo)致不均勻沉降等病害發(fā)生,因此需要對路基均勻性進(jìn)行控制。第1—12遍碾壓試驗(yàn)條帶上16個(gè)檢測單元的CEV變化情況見圖13??芍?,在壓實(shí)初始階段,試驗(yàn)條帶中部的CEV要大于兩側(cè),隨著碾壓遍數(shù)增大,中部的CEV與兩側(cè)的CEV差別逐漸減小。
圖13 試驗(yàn)條帶各檢測單元CEV變化
采用變異系數(shù)評價(jià)試驗(yàn)條帶CEV離散性,變異系數(shù)(CV)計(jì)算方法為
式中:σ為樣本平均值;μ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。
變異系數(shù)隨碾壓遍數(shù)的變化情況見圖14。可知:第1—10遍碾壓變異系數(shù)呈減小趨勢,從3.4%左右減小到2.3%左右,說明壓實(shí)過程中路基不同位置壓實(shí)狀態(tài)逐漸均勻,但第11、12遍碾壓變異系數(shù)有所增大,說明過壓會導(dǎo)致路基壓實(shí)狀態(tài)不均勻。
圖14 變異系數(shù)變化情況
碾壓面上CEV過小或過大都可能導(dǎo)致質(zhì)量問題:CEV過小可能是填料中細(xì)顆粒過多,導(dǎo)致路基剛度不滿足要求,CEV過大可能是發(fā)生了集料窩現(xiàn)象,大顆粒聚集導(dǎo)致局部剛度過大,兩種現(xiàn)象均對路基壓實(shí)不利。第1—12遍碾壓,試驗(yàn)條帶中的最大和最小CEV與平均CEV的比值見圖15??芍?,最大比值分布在1.02 ~ 1.08,最小比值分布在0.92 ~ 0.96。
圖15 CEV均勻性變化情況
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范要求,本文提出高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測均勻性控制要求:碾壓結(jié)束后,碾壓區(qū)域內(nèi)各檢測單元CEV值應(yīng)在區(qū)域平均CEV的80% ~ 120%范圍內(nèi)。
1)在路基壓實(shí)過程中,隨著碾壓遍數(shù)增加,振動輪振動能量呈先增大后穩(wěn)定的趨勢,能量壓實(shí)值(CEV)變化規(guī)律與常規(guī)檢測指標(biāo)變化規(guī)律一致。
2)CEV與動態(tài)變形模量(Evd)、地基系數(shù)(K30)和壓實(shí)度(K)均具有較強(qiáng)相關(guān)性,表明采用CEV可作為高速鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)。
3)提出采用90%置信水平預(yù)測區(qū)間下限計(jì)算壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)控制值的方法,分別計(jì)算Evd、K30和K對應(yīng)的CEV控制值,取其中最大值作為路基壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測控制值。試驗(yàn)表明,采用該控制方法可有效避免高估路基壓實(shí)狀態(tài),有效保障路基壓實(shí)質(zhì)量。
4)在路基壓實(shí)過程中,CEV隨著碾壓遍數(shù)增大趨于穩(wěn)定。當(dāng)碾壓區(qū)域CEV合格率達(dá)到95%,且平均CEV增長率小于2%時(shí),路基壓實(shí)質(zhì)量滿足控制要求;當(dāng)連續(xù)2遍碾壓出現(xiàn)平均CEV減?。ɑ蚰雺好嫔铣^50%檢測單元CEV減小)現(xiàn)象時(shí),應(yīng)停止碾壓。
5)碾壓結(jié)束后,各檢測單元CEV值應(yīng)在碾壓區(qū)域平均CEV的80% ~ 120%范圍內(nèi)。