高速铁路碎石土路基压实质量检测方法、标准的研究.pdf

2 0 0 3年 1 1 月 3 0日 铁道建设 2 0 0 3 第 4 期 高速铁路碎石土路基压实质量 检测 方法、标 准 的研 究 章国辉覃国俊王光辉(中铁 四局 工程质量检 测 中心)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 K，o、动 态变形模 量 E v o、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。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的新问题，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 K 动态变形模量 E 。、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。根据本试验段设计方案，基床底层及以下填料取 自湖州碎石土取土场。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、C B R试验，其中 C B R试验依据 G B 5 0 1 2 3，其它试验依据铁路标 准。共进行 1 4 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 2 1、图 2 2，级配状况见表 21。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、1 1、1 2)由于 0 2 5 5 m m 颗粒较少，级配反而变差。(2)、填料击实前不均匀系数 c u 在 1 1 2 2 2 1 4 之间、曲率系数 c c 在 1 2 9 3 2 0 之间；击实后不均匀系数 c u 在 1 0 6 7 3 6 0 0 之间、曲率系数 c c 在 0 0 8 5 0 之间，加之粗颗粒含 量差异较大，击实前大于 5 m m颗粒含量 P 5 在 5 5 4 8 5 4 之间，击实后在 3 6 0 6 9 0 之 间，反映出填料颗粒级配的相对不均匀。维普资讯 http:/ 表 21 击实前后级配状况表 序 号 1 2 3 4 5 6 7 击实前 7 2 1 0 5 7 5 0 3 8 1 l 2 1 8 3 3 1 4 6 2 Cu 击 实后 1 2 9 4 1 0 6 7 1 5 0 3 3 7 5 1 7 2。2 1 5 9 6 1 8 0 击实前 2 7 4 9 4 3 5 6 5 9 2 1 0 3 5 5 1 0 5 C c 击 实后 10 7 1 35 O 73 1 3 4 3 3 2 3 5 序号 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 击实前 1 3 8 5 2 2 1 4 1 1 2 7 7 7 8 8 0 3 4 7 3 3 3 3 Cu 击实 后 2 5 0 0 3 6 0 0 9 7 1 4 1 3 3 3 1 6 4 击实前 4 9 4 2 7 6 2 4 1 2 9 3 4 3 3 2 9 3 Cc 击实 后 00 8 0 3 2 01 7 0 4 7 5 (3)、填料细颗粒含量相差较大，粒径 d 0 0 7 4 m m部分击实前在 0 51 6 之间，击实后 在 1 1 3 4 2 之 间。法 国道路压实规范将 d0 0 8 mm颗 粒含量大于 5 的粗粒土定名为非 2 维普资讯 http:/ 自由排水粗粒土，美国陆军工程师兵团、垦务局将 d 0 0 7 5 m m颗粒含量大于 5 1 2 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 2：表 22 最大干密度 及最佳含水量汇总表 序 号 1 2 3 4 5 6 7 最大干密度(g c m )2 1 9 2 1 3 2 1 7 2 1 5 2 1 3 2 0 9 2 1 2 最佳含水量()7 4 7 8 7 3 7 9 8 1 8 4 8 1 序号 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 最大干密度(g c m )2 0 4 2 0 7 2 1 5 2 0 4 2 0 7 2 1 1 1 9 7 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、】0、1 3)，最佳含水量在 6 5 8 5 之间，干密度在 2 0 9 2 1 9 g c m 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、1 1、1 2、1 4)，最佳含 水量在 8 0 9 5 之间，干密度在 1 9 7 2 0 7 g c m 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 6 5 g e m a。现场取细颗粒土 进行液塑限 试验，其 液限 w 在 2 93 5 之间，塑 限指数 在 1 3 51 5 6之 间，属于粉 粘土。(C 类)2 3湖外I 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 23为各组土的破碎率及崩解率试验 结果 汇总表。表 23破碎率 及崩解率试 验结果汇总表 序号 1 2 3 4 5 6 7 破碎 率()2 1 3 2 8 4 1 9 8 2 1 2 2 2 9 2 0 7 2 2 9 崩解率()0 3 1 0 3 9 0 2 3 0 2 7 0 2 9 0 3 6 0 4 8 序号 8 9 1 O 1 1 1 2 】3 1 4 破碎率()2 6 8 2 5 5 1 9 5 2 2 9 2 2 0 1 7 7 崩解率()0 5 3 0 4 7 0 1 7 0 2 2 0 1 3 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 2 0 0 k N外力的作用下粗颗粒破碎成细颗粒的情 况，以通过 2 5 ra m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 2 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，维普资讯 http:/ 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 l 生能稳 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JJ、f、【碎石土的承载比试验结果分别为：8 0、4 0、6 5。试验结果较好，(在高速公路的 设计中一般规定 C B R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 1 6 之间，属 A、B 类填料；击实后细颗粒的质量百分率在 1 1 3 4 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 3 0，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 3 0 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 f生 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 C B R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 K，o，孔隙率 n 主要采用核子密度仪、灌水法检测，地基系数 K，o 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 E v o 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基本底 层路堤 压实检 验结果 总结如下：(1)孔隙率 n 分布在 9 2 7 5 之间，具体概率分布如下图(样本数为 2 9 9 个)：基床底层孔踩】l【分布图 4 2 4 ；至；们 ；0 维普资讯 http:/ 个)。(2)地基系数 k 3 0 均满足1 5 0 M P a 的要求。(3)动态变形模量 E 。实测数据在 4 3 1 0 6之间，具体概率分布如下图(样本数为 3 0 0 基床底层动态变 形楱量B，D 分布 圈 95 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 1 5 0 3 0 0 之 间，具体概率分布 如下 图(样本数为 1 8 6个)：基床 以下部分孑 L 曩J 【梭 曩撰分布 田(2 O 2 02 8 2 8 (2)地基系数 k 如均满足 1 3 0 M P a 的要求。(3)动态变形模量 E v D 实测数据在 3 3 1 0 6：f Bq，具体概率分布如下图(样本数为 1 4 0 基床以 F i分璐堤 l捡囊皤 分布圈 5 蚰 5 0 加的：；加m O m 5 0 维普资讯 http:/ 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2 5 比 本 次孔 隙 率检 测 采 用核 子2 3 仪法的灌水法比对，共比对 1 7 3。，点，舍 去异常点 1 0个，对 1 6 3个 样本进行统计回归分析，样本采1 9 用率为 9 4 2 ，结果如 下：回归方程为：“n核=0 01 5 4+0 9 9 3 4N灌水1 5 相关系数为：r=0 9 9 l l 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 曲线见下图：棱孑仪法一 法检囊孑 L 曩|【美l【曲I j I 3 2 2地基系数 k o 与动态变形模量 E v o 之间的关系。本次比对在基床底层进行，共检验抽样 2 9 9 点，舍去异常点后，对 2 7 2 个样本进行统计和 回归分析，样本采用率 为 9 1 0 ，结果如下：回归方程 为：k 3 o：5 9 9 3 3+2 0 l l X E v D 相关系数为：r：0 8 6 6 3 由此得 到地基 系数 k o 与动态变 形模量 E v o 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)进行对 比。本 次对比的 回归 曲线如下 图：地基j|I 地3 o-动 态变 形模量 E T 1)关系 圈 6 3 O O 27 0 24O 日 日 垒2 1 0 0 l 8o l 5 0 l 2 O 4 0 50 6 0 7 0 80 90 1 00 1 1 0 维普资讯 http:/ 3 2 3孔隙率 n与地基系数 k 3 o 动态变形模量 E v。关系 本次比对在整个路堤进行，孔隙率 n与地基系数 k，。共检验抽样 4 5 3 点，孔隙率 n与动态 变形模量 E 共检验抽样 4 3 9点，其 分布图如下：n-K 3 o 关 系 圈 n-B 关 系 圈 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 23 垫!呈 一 一 _ 3 l 一 孔隙率 n 一般在 1 7 2 5 之间，其占 8 8 3 ，地基系数 k，o 主要分在 1 5 0 2 5 0 M P a m间，k 3 0 1 5 0 M P a m占 9 4 5 ；动态变形模量 E v D 主要分在 4 5 8 5 M P a 间，其占 8 7 2 ，E v D 4 5 MP a占9 7 9 ，孔隙率 n与地基系数 k 3 o,动态变形模量 E v D 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 1 0 1 5 m i n；灌水法现场 2 人则需时间 2 h 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 k 3 0 检测 地基系数的检测要有足够的反力，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 k，o)地基系数测试仪检测 1 点需 3 5 4 5 m i n，2 3人配合，一体化数控 地基系数检测车检测 1 点需 2 0 ra i n左右，需 2 人配合，时间差异的主要原因是前者需人工记 7 O O O O O O O O O O O 嬲 加 垮 H m 柏 一 日 垒一 d 廿 I 维普资讯 http:/ 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 E v n 检测 动态变形模量 E v。检测 1 点需 2 人配合，耗时为 3 5 m i n。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 5 0 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 2 8 占总数的 4 8 4 ；基床底层孔隙率 n 2 4 占总数的 5 3 5。基床以 下部分动态变形模量 E 。4 0 M P a占总数的 3 5 7(除第一层)；基床底层动态变形模量 E v o 4 5 MP a占总数 的 0 3 3 ，E v D 5 0 MP a占总数的 3 3 3 。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：(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 C B R)进行检验，综合判定 填 料性能。(2)、建议碎 石土路堤压实标准如下表 碎 石 土 压 实 标 准 部位 孔隙率 n()地基系数 k 3 0(MP a m)动态变形模量 E v o(M P a)基床 以下部 位 2 8 1 3 0 4 0 基床底 层 2 4 1 5 0 4 5 8 (3)、建议路堤质量检验方法采用 孔 隙率 n采用核子仪 法。(4)、建议检验频 次：1)基床 以下部分：孔隙率检测逐层检，2 断面(左、中、右各 1 点)1 0 0 m；地基系数检测逐层检(除第一层外)2 点 1 0 0 m；动态变形模量 E v o 逐层检(除第一层外)，2 断面(左、中、右各 1 点)1 0 0 m。2)基床 底层 孔隙率检测逐层检，2 断面(左、中、右各 1 点)1 0 0 m；地基系数检测逐层检，4点 1 0 0 m；(2 点)动态变形模量 E v o 逐层检，基床底层 3 断面(左、中、右各 1 点)1 0 0 m。维普资讯 http:/