李 鯤，楊 斌，李肖倫，賴(lài)國(guó)泉，楊有海

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)地路處，陜西 西安 710000;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031;3.蘭新鐵路新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830011;4.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

高速鐵路路基的根本問(wèn)題是路基的穩(wěn)定與變形問(wèn)題，而影響路基穩(wěn)定與變形的主要因素之一是路基填料的壓實(shí)質(zhì)量。路基填筑質(zhì)量的好壞關(guān)系到高速鐵路無(wú)砟軌道建設(shè)的成敗，而路基填筑質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)是控制路基施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。我國(guó)鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量控制早期采用單一的物理指標(biāo):壓實(shí)度或孔隙率。修筑大秦鐵路時(shí)引進(jìn)了日本的壓實(shí)控制力學(xué)指標(biāo)地基系數(shù)K30。在建設(shè)高速鐵路時(shí)，引入了歐洲高速鐵路路基檢測(cè)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn):變形模量Ev2及動(dòng)態(tài)變形模量Evd。隨著京－津城際鐵路、京－滬高速鐵路、武－廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)等的建設(shè)，我國(guó)對(duì)高速鐵路路基壓實(shí)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究［1－10］，但存在的問(wèn)題主要有:(1)孔隙率檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的合理性;(2)Ev2檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及與其他力學(xué)指標(biāo)間的匹配問(wèn)題;(3)檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)過(guò)多，檢測(cè)工作量大，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

本文以蘭新鐵路第二雙線(xiàn)路基試驗(yàn)段工程路基檢測(cè)為依據(jù)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的大量K30，Ev2，Evd和孔隙率n數(shù)據(jù)的分析，找出其相關(guān)性，提出戈壁地區(qū)高速鐵路路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的建議值，為今后新疆戈壁地區(qū)修建高速鐵路的設(shè)計(jì)及施工提供理論依據(jù)及建議。

1 工程概況及壓實(shí)檢測(cè)方案

1.1 工程概況

考慮到新疆戈壁地區(qū)地質(zhì)、地層的不均勻性、不確定性以及填料分布廣泛且差異性大的特點(diǎn)，試驗(yàn)段分別選擇在4段不同地質(zhì)情況、不同地形地貌的代表性地段，具有較強(qiáng)的代表性和典型性。分別為:①DK1265+800～DK1266+000(簡(jiǎn)稱(chēng)“紅旗村”工點(diǎn))，地層屬典型的松軟土地層;②DK1340+000～DK1340+800(簡(jiǎn)稱(chēng)“二堡”工點(diǎn))，地層以松軟土為主，夾有粗粒土透鏡體的交錯(cuò)地層;③DK1514+700～DK1516+550(簡(jiǎn)稱(chēng)“小草湖”工點(diǎn));④DK1797+150～DK1797+750(簡(jiǎn)稱(chēng)“柴窩堡”工點(diǎn))，地層主要為:第四系上更新統(tǒng)卵石土。試驗(yàn)段工程各工點(diǎn)填料的性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 壓實(shí)檢測(cè)方案

路基試驗(yàn)段工程檢測(cè)內(nèi)容主要有3項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn):地基系數(shù)K30、靜態(tài)變形模量Ev2、動(dòng)態(tài)變形模量Evd和一項(xiàng)物理指標(biāo)孔隙率n。每層進(jìn)行4項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)的測(cè)試，每100 m各取6個(gè)區(qū)，其中路基中部2個(gè)區(qū)，距路基中部2.5 m處左右各1區(qū)，距路基邊緣1 m處左右各1區(qū)。路基壓實(shí)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)試驗(yàn)段工程的要求，符合《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》［11］(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《暫規(guī)》)的規(guī)定見(jiàn)表2，表2也列出了鐵道部最新頒布的《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［12］(試行)(TB10020 －2009)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《高規(guī)》)對(duì)路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2 壓實(shí)檢測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)段工程各工點(diǎn)路基填筑采取了靜壓1遍+弱振1～2遍+強(qiáng)振若干遍(直到檢測(cè)合格為止)+靜壓1～2遍的碾壓工藝組合。以下各壓實(shí)檢測(cè)結(jié)果的分析，是在各工點(diǎn)碾壓遍數(shù)6～8遍，壓實(shí)厚度大致相當(dāng)?shù)那闆r下得出的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)段工程各工點(diǎn)取土場(chǎng)填料參數(shù)Table 1 Filler parameters of test section borrow area

表2 路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standard of subgrade quality detecting

2.1 地基系數(shù)K30結(jié)果分析

由圖1分析可得:試驗(yàn)段工程各工點(diǎn)中，“柴窩堡”K30值分布較離散，其他各點(diǎn)K30基本符合正態(tài)分布?！奔t旗村”工點(diǎn)K30約75%分布在110～150 MPa/m之間;“二堡”工點(diǎn)K30約78%分布在110～190 MPa/m之間;“小草湖”工點(diǎn)K30約71%分布在150～250 MPa/m之間;“柴窩堡”工點(diǎn)K30約70%分布在110～250 MPa/m之間。

圖1 試驗(yàn)段工程各工點(diǎn)K30檢測(cè)結(jié)果分布Fig.1 K30test results distribution of test section

2.2 靜態(tài)變形模量Ev2、Ev2/Ev1結(jié)果分析

由圖2分析可得:各試驗(yàn)段工點(diǎn)Ev2值分布變化較大，“紅旗村”工點(diǎn)Ev2約81%分布在60～100 MPa之間;“二堡”工點(diǎn)約79%分布在100～140 MPa之間;“小草湖”工點(diǎn)約83%分布在100～180 MPa之間;“柴窩堡”工點(diǎn)約88%分布在100～180 MPa之間，部分較離散。通過(guò)比較分析，Ev2隨填料中粗顆粒含量的增大而增大，當(dāng)填料中粗顆粒含量大于40%時(shí)，Ev2100%符合規(guī)范要求。

圖2 試驗(yàn)段工程各工點(diǎn)Ev2檢測(cè)結(jié)果分布Fig.2 Ev2test results distribution of test section

由圖3分析可得:各試驗(yàn)段工點(diǎn)Ev2/Ev1基本呈正態(tài)分布，“紅旗村”工點(diǎn)約70%分布在2～2.6之間，小于2的約占23%;“二堡”工點(diǎn)約76%分布在2～2.6之間;“小草湖”工點(diǎn)約83%分布在2～2.6之間;“柴窩堡”工點(diǎn)約75%分布在2～2.6之間。

圖3 試驗(yàn)段工程各工點(diǎn)Ev2/Ev1檢測(cè)結(jié)果分布Fig.3 Ev2/Ev1test results distribution of test section

2.3 動(dòng)態(tài)變形模量Evd結(jié)果分析

由圖4分析表明:“紅旗村”工點(diǎn)Evd約77%分布在40～80 MPa之間;“二堡”工點(diǎn)約86%分布在40～80 MPa之間;“小草湖”工點(diǎn)約90%分布在40～80 MPa之間;“柴窩堡”工點(diǎn)約40%分布在60～100 MPa之間，Evd大于100 MPa的約占47%。

圖4 試驗(yàn)段工程各工點(diǎn)Evd檢測(cè)結(jié)果分布Fig.4 Evdtest results distribution of test section

2.4 孔隙率n結(jié)果分析

由圖5分析表明:“紅旗村”工點(diǎn)孔隙率n約87%分布在15% ～25%之間;“二堡”工點(diǎn)約96%分布在15% ～31%之間;“小草湖”工點(diǎn)約98%分布在15% ～31%之間;“柴窩堡”工點(diǎn)約98%分布在15%～31%之間。

圖5 試驗(yàn)段工程各工點(diǎn)孔隙率n檢測(cè)結(jié)果分布Fig.5 n test results distribution of test section

3 壓實(shí)檢測(cè)指標(biāo)相關(guān)性分析

3.1 力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

3.1.1 動(dòng)態(tài)變形模量Evd與地基系數(shù)K30

采用“紅旗村”工點(diǎn)、“二堡”工點(diǎn)、“小草湖”工點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析了不同填料間Evd與K30的相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖6。

圖6 各工點(diǎn)Evd與K30相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relationship between Evdand K30

由圖6分析表明:動(dòng)態(tài)變形模量Evd與地基系數(shù)K30存在一定的線(xiàn)性相關(guān)性，但相關(guān)性較差。由于填料的種類(lèi)、級(jí)配等的不同，各工點(diǎn)Evd與K30相關(guān)關(guān)系存在一定的差異。

通過(guò)對(duì)各工點(diǎn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)Evd與K30符合以下函數(shù)擬合公式:

令M=Evd/(1－sqrt(K30/Evd)，采用式(1)對(duì)各工點(diǎn)Evd與K30進(jìn)行線(xiàn)性擬合，見(jiàn)圖7。圖7表明:經(jīng)過(guò)調(diào)整之后，各工點(diǎn)Evd與K30相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.9以上，具有顯著的線(xiàn)性相關(guān)性?！凹t旗村”工點(diǎn)、“二堡”工點(diǎn)、“小草湖”工點(diǎn)Evd與K30之間的關(guān)系分別見(jiàn)式(2)～(4)。

圖7 各工點(diǎn)Evd與K30調(diào)整后相關(guān)關(guān)系Fig.7 Adjusted relationship between Evdand K30

3.1.2 靜態(tài)變形模量Ev2與地基系數(shù)K30

由圖8分析表明:靜態(tài)變形模量Ev2與地基系數(shù)K30存在一定的線(xiàn)性相關(guān)性，但相關(guān)性較差。由于填料的種類(lèi)、級(jí)配等的不同，各工點(diǎn)Ev2與K30相關(guān)關(guān)系存在一定的差異。

圖8 各工點(diǎn)Ev2與K30相關(guān)關(guān)系Fig.8 Relationship between Ev2and K30

同樣，Ev2與K30符合式(5)函數(shù)擬合。

令N=Ev2/(1－sqrt(K30/Ev2)，采用式(5)對(duì)各工點(diǎn)Ev2與K30進(jìn)行線(xiàn)性擬合，見(jiàn)圖9。由圖9表明:經(jīng)過(guò)調(diào)整之后，各工點(diǎn)Ev2與K30相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.9以上，具有顯著的線(xiàn)性相關(guān)性?！凹t旗村”工點(diǎn)、“二堡”工點(diǎn)、“小草湖”工點(diǎn)Ev2與K30之間的關(guān)系分別見(jiàn)式(6)～(8)。

圖9 各工點(diǎn)Ev2與K30調(diào)整后相關(guān)關(guān)系Fig.9 Adjusted relationship between Ev2and K30

不考慮填料不同種類(lèi)的因素，將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整后的線(xiàn)性回歸分析，各力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖10。由圖10分析可知，Evd－K30與Ev2－K30之間的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)式(9)和(10)。

將規(guī)范規(guī)定值代入回歸關(guān)系式(9)、式(10)，進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表3。

表3 力學(xué)指標(biāo)間的對(duì)比Table 3 Contrast between the mechanics index

圖10 不考慮填料種類(lèi)調(diào)整后力學(xué)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系Fig.10 Adjusted relationship of mechanics index

由表3分析表明:當(dāng)Evd等于《暫規(guī)》規(guī)定值35 MPa，《高規(guī)》規(guī)定值40 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)K30值分別為125，136 MPa/m，這與規(guī)范K30值大小相差不多。當(dāng)Ev2等于《暫規(guī)》規(guī)定值 45，60 MPa，《高規(guī)》規(guī)定值80 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng) K30值分別為 95，109，127 MPa/m?？梢?jiàn)，對(duì)于基床以下路堤，《暫規(guī)》與《高規(guī)》Ev2取值45 MPa偏小，應(yīng)當(dāng)取值60 MPa。對(duì)于基床底層，《高規(guī)》Ev2取值80 MPa，跟K30值比較匹配。

3.1.3 Ev2/Ev1與靜態(tài)變形模量 Ev2相關(guān)性分析

由圖11分析表明:Ev2/Ev1與Ev2相關(guān)系數(shù)R=0.12，相關(guān)關(guān)系差。由此說(shuō)明 Ev2/Ev1與Ev2表征了不同的物理意義，二者不可互相替代。Ev2/Ev1表征了路基的壓實(shí)程度，相比Ev2，Ev2/Ev1更能反映路基的壓實(shí)質(zhì)量。目前，《高規(guī)》已將Ev2/Ev1納入其中，并且規(guī)定:基床以下路堤:Ev2/Ev1≤2.6;基床底層:Ev2/Ev1≤2.5。由圖3分析可知，試驗(yàn)工點(diǎn)中，“二堡”工點(diǎn)、“小草湖”工點(diǎn)、“柴窩堡”工點(diǎn)中約有50%的Ev2/Ev1大于2.6，但通過(guò) K30檢測(cè)表明，Ev2/Ev1大于2.6的時(shí)候，K30值是合格的。德國(guó)高速鐵路規(guī)范Ril836［13］認(rèn)為，如果1次變形模量EV1超過(guò)驗(yàn)標(biāo)要求Ev2的60%，則Ev2/Ev1可適當(dāng)放寬。根據(jù)德國(guó)的高鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，建議這種情況下Ev2/Ev1可放寬到3.5。對(duì)試驗(yàn)段Ev2和Ev1的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，EV1超過(guò)驗(yàn)標(biāo)要求Ev2的達(dá)到了54%左右。所以新疆戈壁地區(qū)采取 Ev2/Ev1≤2.6，Ev2/Ev1≤2.5 過(guò)嚴(yán)，建議現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，基床以下路堤:Ev2/Ev1≤3.2;基床底層:Ev2/Ev1≤3。

圖11 Ev2/Ev1—Ev2相關(guān)關(guān)系Fig.11 Relationship between Ev2/Ev1and Ev2

3.2 物理指標(biāo)間的相關(guān)性分析

目前我國(guó)鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)，常用的物理指標(biāo)有壓實(shí)度K和孔隙率n，其計(jì)算公式分別見(jiàn)式(11)和式(12)。

式中:ρd為現(xiàn)場(chǎng)填土實(shí)際干密度(g/cm3);ρdmax為室內(nèi)擊實(shí)最大干密度(g/cm3);ρs為現(xiàn)場(chǎng)填土顆粒密度(g/cm3)。

由圖5分析表明:試驗(yàn)段工程孔隙率n99%小于31%，按照《暫規(guī)》規(guī)定的孔隙率n＜28%和n≤31%標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制，并沒(méi)有起到主控壓實(shí)質(zhì)量的作用，填料的壓實(shí)質(zhì)量是由力學(xué)指標(biāo)的控制實(shí)現(xiàn)。

由式(11)和式(12)可以推導(dǎo)出式(13):

對(duì)于某種填料來(lái)說(shuō)，由室內(nèi)試驗(yàn)確定的最大干密度和顆粒密度是定值，所以由式(13)可以看出:壓實(shí)度K和孔隙率n呈性關(guān)系。將表1中填料的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(13)，得到了壓實(shí)度K和孔隙率n關(guān)系式見(jiàn)表4。

由表4分析可知:當(dāng)壓實(shí)度K≥0.92時(shí)，孔隙率n須小于25% 左右;當(dāng)壓實(shí)度K≥0.95時(shí)，孔隙率n須小于23% 左右。當(dāng)孔隙率n≤28% 時(shí)，壓實(shí)度K只須大于0.87左右;當(dāng)孔隙率n≤31% 時(shí)，壓實(shí)度K只須大于0.83左右，很顯然這是不合理的。可見(jiàn)文獻(xiàn)［11］提出的孔隙率n控制指標(biāo)有待減小。根據(jù)以上分析，建議現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，基床以下路堤孔隙率n≤25%，基床底層孔隙率n≤23%。

德國(guó)高速鐵路將壓實(shí)度Dpr作為路基填筑質(zhì)量的主控指標(biāo)，并且認(rèn)為壓實(shí)度Dpr也可以通過(guò)孔隙率n來(lái)控制，但與相應(yīng)的n應(yīng)針對(duì)具體的填料進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)確定。我國(guó)鐵路傳統(tǒng)上［14］細(xì)粒土采用壓實(shí)度K控制路基的密實(shí)度，對(duì)于粗粒土采用統(tǒng)一孔隙率n控制路基密實(shí)度，目前鐵道部最新頒布的《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》已將孔隙率n指標(biāo)取消，粗粒土也采用壓實(shí)度K控制。通過(guò)以上分析可以看出，采用現(xiàn)行規(guī)范所規(guī)定的孔隙率n值控制路基的壓實(shí)度具有不合理性。

表4 壓實(shí)度K和孔隙率n關(guān)系Table 4 Relationship between K and n

4 壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)建議值

通過(guò)以上對(duì)試驗(yàn)段工程各工點(diǎn)4項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果的分析以及力學(xué)指標(biāo)間、物理指標(biāo)間相關(guān)性的分析，提出了適合新疆戈壁地區(qū)高速鐵路路基檢測(cè)的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。

表5 壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)建議值Table 5 Suggested value of subgrade quality detecting

5 結(jié)論

(1)由于填料的種類(lèi)、級(jí)配等的不同，力學(xué)指標(biāo)Evd與K30，Ev2與K30的直接線(xiàn)性相關(guān)性較差。但Evd與K30，Ev2與K30可以用一個(gè)函數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，它們之間的間接相關(guān)性良好。

(2)通過(guò)對(duì) Ev2與 K30，Ev2/Ev1與 Ev2的相關(guān)性分析表明:Ev2與 K30標(biāo)準(zhǔn)不匹配;相比 Ev2，Ev2/Ev1更能表征路基的密實(shí)度。當(dāng)采用Ev2標(biāo)準(zhǔn)時(shí)建議:基床以下路堤Ev2≥60 MPa且 Ev2/Ev1≤3.2;基床底層Ev2≥80 MPa 且 Ev2/Ev1≤3。

(3)采用現(xiàn)行規(guī)范所規(guī)定的孔隙率n控制路基的壓實(shí)度具有一定的不合理性，與壓實(shí)度K相對(duì)應(yīng)的孔隙率n應(yīng)針對(duì)具體的填料進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)確定。戈壁地區(qū)建議:基床以下路堤孔隙率n≤25%，基床底層孔隙率n≤23%。

(4)建議戈壁地區(qū)高速鐵路路基檢測(cè)，以K30和壓實(shí)系數(shù)K或孔隙率n檢測(cè)指標(biāo)為主控指標(biāo)，以加快路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)速度。

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