高速铁路路基压实质量检测方法标准的研究.docx
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高速铁路路基压实质量检测方法标准的研究
高速铁路路基压实质量检测方法、标准的研究
王光辉
摘要在高速铁路设计中，路堤填筑压实不仅要考虑列车静荷载的影响，其高速行驶中产生的动荷载冲击力已经不容忽视。
本文通过采用地基系数K30、动态变形模量Evd、孔隙率n三种不同检验方法对试验段碎石土路堤填筑压实质量进行检验，利用数理统计方法分析研究，以期提出高速铁路路基检测合理标准、方法。
关键词检测地基系数孔隙率
1.前言
为适应经济和社会的飞速发展，高速铁路正在筹建和建设中。
根据高速铁路建设的需要，对路基本体填筑施工和质量检测也提出了新的要求。
路堤压实是保证路堤填筑质量的关键，使得路基的压实面临着很多新问题，必须对其施工工艺及质量检测标准做进一步的研究和探索。
通过采用地基系数K30、动态变形模量EVD、孔隙率n三种不同检验方法对试验段碎石土路堤填筑压实质量进行检验，利用数理统计方法分析研究，以期提出高速铁路路基检测合理标准、方法，对指导下步京沪高速铁路的施工都具有重要的工程意义。
2.碎石土室内检验
室内物理、力学指标检验的主要项目有：
最大干密度、最优含水量、平均颗粒密度、破碎率、有机质、击实前后筛分试验、CBR试验，其中CBR试验依据GB50123，其它试验依据铁路标准。
共进行14组的碎石土室内试验，各项试验结果及分析如下。
2.1击实前后筛分试验
通过击实前后筛分试验，主要是模拟填料经现场碾压前后的颗粒变化的情况，预测碎石土经碾压后的级配状况。
击实前后级配曲线图见图1、图2，级配状况见表1。
从级配曲线和不均匀系数、曲率系数可以看出：
（1）经击实后，颗粒总体向级配良好方向发展，少部分（如8、9、11、12）由于0.25～5mm颗粒较少，级配反而变差。
（2）填料击实前不均匀系数Cu在11.2～221.4之间、曲率系数Cc在1.29～32.0之间；击实后不均匀系数Cu在106.7～3600之间、曲率系数Cc在0.08～5.0之间，加之粗颗粒含量差异较大，击实前大于5mm颗粒含量P5在55.4～85.4％之间，击实后在36.0～69.0％之间，反映出填料颗粒级配的相对不均匀。
击实前后级配状况表表1
序号
1
2
3
4
5
6
7
Cu
击实前
72
105.7
50
38
112
183.3
146.2
击实后
129.4
106.7
150
337.5
172.2
159.6
180
Cc
击实前
2.7
4.94
3.56
5.92
10.3
5.5
10.5
击实后
1.07
1.35
0.73
1.34
3.3
2.3
5
序号
8
9
10
11
12
13
14
Cu
击实前
13.85
221.4
11.2
77.78
80
347
333.3
击实后
2500
3600
971.4
1333
164
Cc
击实前
4.94
2.76
2.4
1.29
3.43
32
9.3
击实后
0.08
0.32
0.17
0.47
5
（3）填料细颗粒含量相差较大，粒径d＜0.074mm部分击实前在0.5～16%之间，击实后在在1.1～34.2%之间。
法国道路压实规范将d＜0.08mm颗粒含量大于5％的粗粒土定名为非自由排水粗粒土，美国陆军工程师兵团、垦务局将d＜0.075mm颗粒含量大于5～12％的粗粒土定名为非自由排水粗粒土，在我国水利部门称之为黏性粗粒土。
由此可以将现场使用的填料按细颗粒含量分为黏性粗粒土和无黏性粗粒土两类。
2.2最大干密度及最佳含水量
最大干密度及最佳含水量汇总见表2。
最大干密度及最佳含水量汇总表表2
序号
1
2
3
4
5
6
7
最大干密度（g/cm3）
2.19
2.13
2.17
2.15
2.13
2.09
2.12
最佳含水量（%）
7.4
7.8
7.3
7.9
8.1
8.4
8.1
序号
8
9
10
11
12
13
14
最大干密度（g/cm3）
2.04
2.07
2.15
2.04
2.07
2.11
1.97
最佳含水量（%）
8.8
8.2
6.8
8.1
6.8
7.5
9.4
根据现场及料源调查所取数据，湖州土主要分两种土：
一种为碎石土（1、2、3、4、5、6、7、10、13），最佳含水量在6.5%～8.5%之间，干密度在2.09～2.19g/cm3之间，其击实前后的筛分曲线比较接近，其填料等级都属于为A、B类填料；另一种为角砾土（8、9、11、12、14），最佳含水量在8.0%～9.5%之间，干密度在1.97～2.07g/cm3之间，其击实前后的筛分曲线比较接近，其填料等级都属于为A、B类填料。
两种土的平均颗粒密度为2.65g/cm3。
现场取细颗粒土进行液塑限试验，其液限WL在29～35%之间，塑限指数在13.5～15.6之间，属于粉粘土。
2.3湖州碎石土的稳定性能试验
碎石土路基的稳定与否，与碎石土中粗颗粒的强度和抗风化能力息息相关，可通过测定破碎率及崩解率来评定填料的稳定性。
表3为各组土的破碎率及崩解率试验结果汇总表。
破碎率及崩解率试验结果汇总表表3
序号
1
2
3
4
5
6
7
破碎率（%）
21.3
28.4
19.8
21.2
22.9
20.7
22.9
崩解率（%）
0.31
0.39
0.23
0.27
0.29
0.36
0.48
序号
8
9
10
11
12
13
14
破碎率（%）
26.8
25.5
19.5
22.9
22.0
17.7
/
崩解率（%）
0.53
0.47
0.17
0.22
0.13
0.6
/
2.3.1破碎率（坚固性）试验
破碎率是指碎石土中一定级配粗颗粒在200kN外力作用下粗颗粒破碎成细颗粒的情况，以通过2.5mm筛下质量百分率计。
破碎率小，其颗粒抵抗破碎的能力强，岩块的强度就高；反之，其颗粒抵抗破碎的能力弱，岩块的强度低。
从表3中实测破碎率来看，各组土中粗颗粒的抗压碎能力较强，岩块强度较高，可推定其具有非软岩性质。
2.3.2崩解率试验
模拟自然界中温度变化情况，测定碎石土中粗颗粒在温度快速变化过程中的稳定性能，以质量损失率计。
可推测其相应的抗风化能力。
从表中实测崩解率来看，均小于1％，说明其粗颗粒的矿物成分稳定，抗风化能力强。
从上述各组土的破碎率及崩解率试验结果可以得出：
填料的粗颗粒部分具有较高的强度、矿物成分稳定、抗风化能力强，是性能稳定的填料。
2.4湖州碎石土的承载比试验
模拟材料在使用过程中处于最不利状态，一般情况下，可按饱水四昼夜作为设计状态，按击实试验求得试料得最佳含水量后，再按此最佳含水量制备所需试件。
湖州碎石土的承载比试验结果分别为：
80%、40%、65%。
试验结果较好，（在高速公路的设计中一般规定CBR值大于8%就可用于路基的填筑）
2.5填料的工程特性
通过对土场不同部位的取样试验，以及过程抽检结果表明：
湖州土属碎石土～角砾土范畴，击实前细颗粒的质量百分率在0.5～16％之间，属A、B类填料；击实后细颗粒的质量百分率在1.1～34.2％之间,其中有两组属C类填料，其细颗粒的质量百分率超过30%，其它均属A、B类填料，且级配较击实前优。
细颗粒的质量百分率超过30%填料，严格限制填筑部位，仅用于基床以下部分。
按细粒土组成可命名为黏性粗粒土和无黏性粗粒土。
填料中粗颗粒的破碎率和崩解率较低，填料的稳定性能好。
碎石土的承载比CBR试验结果均满足公路填料要求。
3.现场路堤压实质量的检验及分析
3.1路堤压实质量检验概述
按现行规范要求，碎石土路堤压实质量检验主要参数为孔隙率n、地基系数K30，孔隙率n主要采用核子密度仪、灌水法检测，地基系数K30检验采用平板荷载法检测。
根据本次试验段要求，引入动态变形模量EVD检验参数，其方法为小型平板动态变形模量仪法。
压实质量检验结果
3.1.1基床底层路堤压实检验结果总结如下：
（1）孔隙率n在分布在9％～27.5％之间，具体概率分布见图3（样本数为299个）。
（2）地基系数k30均满足≥150MPa的要求。
（3）动态变形模量EVD实测数据在43～106之间，具体概率分布见图4（样本数为300个）。
3.1.2基床以下部分路堤压实检验结果总结如下：
（1）孔隙率n分布在15.0％～30.0％之间，具体概率分布见图5（样本数为186个）。
（2）地基系数k30均满足≥130MPa的要求。
（3）动态变形模量EVD实测数据在33～106之间，具体概率分布见图6（样本数为140个）。
3.2不同检验方法所得指标的相关关系
3.2.1孔隙率检测方法对比
本次孔隙率检测采用核子仪法和灌水法比对，共比对173点，舍去异常点10个，对163个样本进行统计回归分析，样本采用率为94.2%，结果如下：
回归方程为：
n核＝0.0154+0.9934×n灌水
相关系数为：
r＝0.9911
由此可以看出两种方法检验结果相互吻合，相关性好。
具体回归曲线见图7。
3.2.3地基系数k30与动态变形模量EVD之间的关系
本次比对在基床底层进行，共检验抽样299点，舍去异常点后，对272个样本进行统计和回归分析，样本采用率为91.0%，结果如下：
回归方程为：
k30＝59.933+2.011×EVD
相关系数为：
r＝0.8663
由此得到地基系数k30与动态变形模量EVD之间的对应关系有一定的规律，但受填料种类、级配、含水量等多个因素影响，不宜简单的进行回归分析；可以对相对均匀的填料（如细粒土等）进行比对。
本次比对的回归曲线见图8。
3.2.4孔隙率n与地基系数k30、动态变形模量EVD关系
本次比对在整个路堤进行，孔隙率n与地基系数k30共检验抽样453点，孔隙率n与动态变形模量EVD共检验抽样439点，其分布如图9、图10。
孔隙率n一般在17～25％之间，其占88.3%，地基系数k30主要分在150～250MPa/m间，k30≥150MPa/m占94.5%；动态变形模量EVD主要分在45～85MPa间，其占87.2%，EVD≥45MPa占97.9%，孔隙率n与地基系数k30、动态变形模量EVD无明显的相关关系，是受与填料的颗粒和级配、含水量变化影响到实测结果之间的相关关系。
3.3不同压实测试方法的工效及适用性
3.3.1核子仪法、灌水法检测孔隙率n
核子仪法检测一个断面（3个点）孔隙率n，从准备工作起计时，一般1人需时间10～15min；灌水法现场2人则需时间2h左右，而且含水量测定还需回试验室进行，加之前面已经提到两种方法之间的相关性好，误差小，因此核子仪法远远优于灌水法。
3.3.2地基系数k30检测
地基系数的检测要足够的反力，也就是需工程机械（主要是汽车）配合，因此，在空间狭小的过渡段、测试元器件附近等部位就难以进行检测，这是其不足之处。
一般分体式（简易k30）地基系数测试仪检测1点需35～45min，2～3人配合，一体化数控地基系数检测车检测1点需20min左右，需2人配合，时间差异的主要原因是前者需人工记录、计算并判定每级荷载稳定与否，需时长，而后者通过计算机程序控制，需时间短。
但前者仪器购置费远远低于后者。
3.3.3动态变形模量EVD检测
动态变形模量EVD检测1点需2人配合，耗时为3～5min。
其优点是适合空间狭小的过渡段、测试元器件附近等部位作业，不足点是设备需从国外进口，国内尚无维修站、合法计量标定的单位，仪器的存储量太小，一次只能存储50个测点，一旦超过，之前的检测数据将被后检测的数据自动替换。
通过大量的检测数据表明，路堤压实标准中孔隙率一项要求相对较宽松，其中基床以下部分路堤孔隙率n≥28％占总数的4.84%；基床底层孔隙率n≥24％占总数的5.35%。
基床以下部分动态变形模量Evd＜40MPa占总数的3.57％（除第一层）；基床底层动态变形模量Evd＜45MPa占总数的0.33％，Evd＜50MPa占总数的3.33％。
4.结语
通过对大量昆山试验段碎石土路堤质量检测数据分析，建议高速铁路路堤质量检验标准及方法如下：
4.1作为高速铁路填料，其质量较以往铁路路基工程的填料要求更高，除常规的填料检验外，建议对其稳定性能（破碎率、崩解率和水稳性）及强度（承载比CBR）进行检验，综合判定填料性能。
4.2建议碎石土路堤压实标准如下表
部位
碎石土压实标准
孔隙率n（%）
地基系数k30（MPa/m）
动态变形模量EVD（MPa）
基床以下部位
≤28
≥130
≥40
基床底层
≤24
≥150
≥45
4.3建议路堤质量检验方法采用
孔隙率n采用核子仪法。
4.4建议检验频次：
4.4.1基床以下部分：
孔隙率检测逐层检，2断面（左、中、右各1点）/100m；
地基系数检测逐层检（除第一层外）2点/100m；
动态变形模量EVD逐层检（除第一层外），2断面（左、中、右各1点）/100m。
4.4.2基床底层
孔隙率检测逐层检，2断面（左、中、右各1点）/100m；
地基系数检测逐层检，4点/100m；
动态变形模量EVD逐层检，基床底层3断面（左、中、右各1点）/100m。
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