鐵路路基壓實指標(biāo)K30、Ev2、Evd對比分析

戴 玉 賴國泉

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

我國鐵路路基壓實質(zhì)量檢測早期采用單一的物理檢測指標(biāo)控制。隨著鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的提高,對路基強度提出了更高的要求,僅靠采用物理檢測指標(biāo)的壓實度控制參數(shù)控制壓實質(zhì)量就有其局限性。我國鐵路在1985年修建大秦鐵路時引進(jìn)了日本的力學(xué)控制指標(biāo)地基系數(shù)K30。隨著20多年來在我國鐵路建設(shè)中的應(yīng)用,從儀器設(shè)備、試驗方法、試驗標(biāo)準(zhǔn)均已相當(dāng)成熟。目前,地基系數(shù)K30已納入《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102—2004)[1]。隨著我國大面積高速鐵路的建設(shè),我國引入了歐洲高速鐵路路基檢測指標(biāo)變形模量Ev2。經(jīng)過大量的高速鐵路建設(shè)實踐,目前變形模量Ev2已納入了鐵道部最新頒布的《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB10020—2009)[2]。眾所周知,鐵路路基承受的是列車運行時產(chǎn)生的動荷載,特別是高速鐵路,動荷載對路基產(chǎn)生的沖擊力更大,而無論是地基系數(shù)K30還是二次變形模量Ev2都不能完全真實反映列車動荷載對路基的真實作用情況。

為解決上述問題,德國鐵路科研人員研發(fā)了動態(tài)變形模量Evd測試儀器及測試標(biāo)準(zhǔn)。我國在1999年修建秦沈客運專線時,引進(jìn)了動態(tài)變形模量Evd技術(shù)。經(jīng)過幾年的研究與大量工程實踐,目前動態(tài)變形模量Evd技術(shù)已納入《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102—2004)[1]。

本文通過對路基壓實檢測力學(xué)指標(biāo)K30、Ev2、Evd之間檢測原理的對比分析,探討了三種壓實指標(biāo)之間的聯(lián)系與區(qū)別,提出了現(xiàn)場壓實檢測時的合理建議。

1 各檢測指標(biāo)檢測原理分析

1.1 地基系數(shù)K30

地基系數(shù)K30[1,3]表示土體表面在平面壓力作用下可壓縮性大小,是一個地基剛度系數(shù)的概念。K30平板載荷試驗見圖1,它是將直徑為300 mm的剛性圓盤置于測試路基土層表面,對其分級施加垂直荷載Pi,與此同時觀測荷載板的沉降量Si。當(dāng)荷載板的總沉降量S達(dá)到0.125 cm時,通過式(1)可以計算出地基系數(shù)K30值。

K30=P0.125/S0.125

(1)

式中：K30為地基系數(shù)/(MPa/m)；P0.125為荷載板沉降量0.125 cm時對應(yīng)的靜荷載/MPa;S0.125為荷載板沉降0.125 cm時的沉降量/m。

圖1 K30平板載荷試驗

由文獻(xiàn)[4]可知，土體變形模量的計算公式為

E0=ωP0B(1-μ2/s0)

(2)

式中：ω為與荷載板的剛度和形狀有關(guān)的系數(shù),圓形板取0.79；E0為土的變形模量/MPa；s0為對應(yīng)于荷載P0時的載荷板下沉量/m；B為荷載板直徑/m；μ為土的泊松比；P0為荷載板均布壓力/MPa。

由文獻(xiàn)[4]可知，土的變形模量E0可由土的壓縮模量Es換算得到,二者關(guān)系見式(3)

(3)

對于K30試驗,S0取0.001 25 m,b=0.3 m,聯(lián)立(1)和(2)可得式(4)

(4)

由式(4)可知,K30檢測值與土的物理壓縮模量Es和土的泊松比μ有很大的關(guān)系。參考文獻(xiàn)[5],碎石土泊松比一般在0.15～0.25,砂土一般在0.25～0.30。取中間值0.2、0.28，將其代入式(4)可得式(5)

K30≈(4.4～4.58)E0

(5)

由式(5)可知,K30檢測指標(biāo)與土的變形模量成正比,實質(zhì)上代表了路基壓實層的靜態(tài)變形模量,是路基承載力的體現(xiàn)。

1.2 靜態(tài)變形模量Ev2

靜態(tài)變形模量Ev2[1,6,7]試驗也屬于平板載荷試驗,在試驗設(shè)備上與K30試驗有相似的方面,都是通過直徑為300 mm的圓形載荷板進(jìn)行試驗,但二者在定義、試驗方法及計算方法均不相同。Ev2平板載荷試驗見圖2。

圖2 Ev2平板載荷試驗

靜態(tài)變形模量Ev2試驗采取二次循環(huán)加載,第一次加載至少分為6級,并以每級大致相等的荷載增量(80 kPa)逐級加載,達(dá)到最大荷載為0.5 MPa或沉降量達(dá)到5 mm時所對應(yīng)的應(yīng)力后,進(jìn)行卸載。卸載應(yīng)按最大荷載的50%、25%和0三次進(jìn)行。第二次加載按照第一次加載的順序,直至加載到0.45 MPa。這樣就得到了第一次加載、卸載及第二次加載的應(yīng)力—位移(σ-s)曲線,見圖3。

圖3 Ev2應(yīng)力—沉降量曲線

Ev2是由第二次加載的應(yīng)力—位移(σ-s)曲線上的0.3σ1max和0.7σ1max之間割線的斜率確定的,變形模量按式(6)計算

(6)

其中：r為承載板半徑/mm；σ1max為第一次加載最大應(yīng)力/MPa；a1為一次項系數(shù)/(mm/MPa)；a2為二次項系數(shù)/(mm/MPa)。

將式(2)變換形式

(7)

對于碎石土，取泊松比μ=0.21,有

E0=1.5rK30

(8)

對于式(8)采用增量形式得

Ev1=1.5rΔσ/Δs=0.225K30

(9)

其中r=0.15 m；Δσ為0.7σ1max對應(yīng)的σ1和0.3σ1max對應(yīng)的σ2值的差值；Δs：σ1和σ2對應(yīng)的s1與s2的差值。

由式(9)可知：變形模量Ev1與K30之間具有一定的函數(shù)關(guān)系，二者均反映了土的變形模量。

1.3 動態(tài)變形模量Evd

動態(tài)變形模量Evd[1,8]是指土體在一定大小的沖擊力Fs和沖擊時間ts作用下抵抗變形能力的參數(shù),它是通過在剛性基礎(chǔ)上,由最大沖擊力Fs=7.07 kN且沖擊時間ts=18 ms時標(biāo)定得到的。實測結(jié)果采用式(10)計算。

Evd=22.5/s

(10)

式中s為實測荷載板下沉值/mm。

Evd動態(tài)變形模量測試儀也稱“輕型落錘儀”見圖4。

圖4 輕型落錘儀

眾所周知,鐵路路基承受的是列車運行時產(chǎn)生的動荷載,特別是高速列車的出現(xiàn),動荷載產(chǎn)生的沖擊力對路基影響更為明顯,通過靜態(tài)試驗得到的K30與Ev2尚不能反映列車在高速運行條件下所產(chǎn)生的動應(yīng)力對路基的真實作用情況。為彌補局限于靜態(tài)檢測的K30與Ev2不足,德國于上世紀(jì)90年代提出了新的路基壓實質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)——動態(tài)變形模量標(biāo)準(zhǔn)。

2 討論

我國目前應(yīng)用于鐵路路基壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)中的力學(xué)指標(biāo)主要有K30、Ev2、Evd。還有物理檢測指標(biāo)壓實度K、孔隙率n等。壓實指標(biāo)過多,影響施工進(jìn)度。

K30、Ev2都是力學(xué)檢測指標(biāo),都是在直徑為300 mm的承載板上逐級施加靜力平板載荷,觀測地基在各級荷載作用下的沉降量,根據(jù)荷載—沉降量曲線計算地基的變形模量Ev2或地基系數(shù)K30值。二者之間的不同之處主要在于：①計算原理的不同。②加載方式不同。K30是一次加載,沉降變形包括彈性變形與塑性變形；而Ev2是進(jìn)行第一次加載和卸載后再進(jìn)行第二次加載,用第二次加載曲線來計算變形模量Ev2值,其沉降主要以彈性變形為主。③Ev2檢測儀器復(fù)雜,檢測時間長,一般是K30檢測時間的3～4倍。

有前述分析可知,K30、Ev2均反映了土的變形模量,是路基承載力大小的體現(xiàn),是路基剛度大小參數(shù)。我國在K30檢測方面有了大量的經(jīng)驗,我國的Ev2檢測標(biāo)準(zhǔn)是直接取自歐洲相關(guān)國家的規(guī)范,隨著我國高速鐵路的大量建設(shè)已做了相關(guān)研究,形成了自己的檢測體系,但是是否適應(yīng)高速鐵路建設(shè),尚待研究。我國最新頒布的《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[2](試行)(TB10020—2009)建議二者只取其一。文獻(xiàn)[9]建議以K30檢測指標(biāo)為主,以加快路基施工速度。為彌補局限于靜態(tài)檢測的K30與Ev2不足,德國于上世紀(jì)90年代提出了新的路基壓實質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)——動態(tài)變形模量標(biāo)準(zhǔn)。由于Evd動態(tài)變形模量測試儀較靜態(tài)變形模量Ev2各方面比較起來具有優(yōu)勢,已成為路基檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

3 結(jié)束語

本文對比探討了鐵路路基壓實檢測指標(biāo)之間K30、Ev2、Evd之間的異同,表明K30、Ev2二者是靜力學(xué)指標(biāo),都是路基剛度的體現(xiàn),現(xiàn)場實測時建議以K30為主；Evd測試較靜態(tài)變形模量Ev2各方面比較起來具有優(yōu)勢,已成為路基檢測技術(shù)的發(fā)展方向。由于其輕型方便,現(xiàn)場實測時,可以大量檢測,可作為首選檢測指標(biāo),當(dāng)Evd測試值檢測合格后,再啟用其他檢測方法。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10102—2004 鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社,2004

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10020—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2009

[3]楊新安,李怒放.路基檢測新技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社,2006

[4]陳仲頤,周景星,王洪瑾.土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004

[5]工程地質(zhì)手冊編寫委員會.工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1992

[6]李怒放.客運專線無砟軌道路基壓實標(biāo)準(zhǔn)K30與Ev2的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2006(2):1-3

[7]李慶民,肖金鳳,李樹峰.變形模量Ev2檢測方法及檢測中應(yīng)注意的問題[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2006(3)：32-35

[8]李怒放.Evd路基壓實標(biāo)準(zhǔn)在鐵路規(guī)范中的規(guī)定與特點[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2004(7)

[9]楊有海,賴國泉.戈壁地區(qū)高速鐵路路基填筑試驗研究[J].鐵道學(xué)報,2011,33(3):1-7