左君 高翔 馬殷軍 張世恩 徐鋒 鄒國峰
1.中建鐵路投資建設(shè)集團有限公司,北京 102601;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410075;3.中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州工程建設(shè)指揮部,蘭州 730051
隨著我國鐵路的快速發(fā)展建設(shè),連續(xù)壓實控制技術(shù)在路基工程中得到越來越多的運用,壓實質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)成為連續(xù)壓實控制技術(shù)在實際應(yīng)用中保持性能穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵[1]。Mooney等[2]試驗發(fā)現(xiàn)壓實質(zhì)量連續(xù)檢測指標(biāo)在粗粒土和細粒土中隨壓實工藝變化的規(guī)律正好相反,并指出不同振動壓實工藝對壓實計值(Compaction Meter Value,CMV)等連續(xù)檢測指標(biāo)的影響;范娟等[3]試驗揭示了不同壓實參數(shù)對C M V的影響程度;吳龍梁等[4]基于土石壩研究了激振力和行進速度對C M V、壓實控制值(Compaction Control Value,CCV)、土體剛度系數(shù)Ks、振動壓實值(Vibration Compaction Value,VCV)等連續(xù)檢測指標(biāo)測值偏差的影響規(guī)律,并通過分析指出激振力對各連續(xù)檢測指標(biāo)相關(guān)性的影響;張海歐等[5]針對不同類型土石混合填料,試驗分析了松鋪厚度、碾壓遍數(shù)、壓實機械等對VC V和動態(tài)變形模量Evd相關(guān)性的影響;劉東海等[6-7]針對堆石料研究了實時監(jiān)測指標(biāo)與不同碾壓參數(shù)之間的相關(guān)性和適應(yīng)性。然而,目前大多數(shù)研究針對單一連續(xù)檢測指標(biāo)或其與單一非連續(xù)指標(biāo)的比較,且由于各類指標(biāo)檢測方法和檢測原理差異較大,導(dǎo)致研究成果有一定局限性。此外,對于連續(xù)檢測指標(biāo)穩(wěn)定性與可靠性的研究,缺少振動壓實參數(shù)對其變異性和相關(guān)性影響的分析,從而限制了連續(xù)壓實控制技術(shù)在實際工程中的推廣應(yīng)用。
本文通過開展現(xiàn)場連續(xù)壓實試驗,研究工程中主要振動壓實工藝參數(shù)對C M V穩(wěn)定性和可靠性的影響;通過變異系數(shù)分析研究壓實工藝對CM V穩(wěn)定性的影響規(guī)律;通過CMV與不同非連續(xù)檢測指標(biāo)相關(guān)性分析,研究壓實工藝對C M V可靠性的影響,從而為路基連續(xù)壓實控制技術(shù)提供參考。
國內(nèi)外常用的壓實質(zhì)量非連續(xù)檢測方法包括壓實度檢測、動態(tài)平板荷載試驗檢測、土體剛度檢測等,分別可以獲得填筑土層的壓實度K、動態(tài)變形模量Evd和土體剛度Geo。非連續(xù)檢測技術(shù)能較為準(zhǔn)確地反映路基壓實質(zhì)量,但存在代表性不足、缺乏過程控制和整體控制、受外界因素影響大等問題。
連續(xù)檢測技術(shù)能夠克服非連續(xù)檢測技術(shù)的缺點,進行全程動態(tài)檢測與控制。連續(xù)壓實質(zhì)量檢測是指在壓實過程中基于振動傳感器實時地對路基壓實質(zhì)量情況進行檢測[8-9]。圖1為連續(xù)壓實質(zhì)量檢測系統(tǒng)。通過對振動傳感器獲得的信號進行分析處理,從而評價路基填料壓實狀態(tài),并以C M V表示,即
圖1 連續(xù)壓實檢測系統(tǒng)
式中:k為校準(zhǔn)系數(shù),一般取300;A1為一次諧波加速度振幅,mm;A0為基頻加速度振幅,mm。
為分析C M V在粗粒土填料路基壓實中的穩(wěn)定性與可靠性,及CM V與非連續(xù)檢測指標(biāo)Evd、Geo、K的相關(guān)關(guān)系,選取蘭張三四線K232+500—K232+620段進行試驗研究。
路基分層填筑,取其中一層進行試驗,填筑厚度40 cm,填料類型為間斷級配中圓礫土,屬A組填料,見表1。
表1 填料物性指標(biāo)
試驗采用XG622MH型壓路機,RollNav TC63型智能壓實檢測系統(tǒng)。選取試驗場地120 m(長)×32 m(寬),劃分為9個試驗帶。為避免輪跡搭接對不同碾壓遍數(shù)下壓實效果的影響,試驗帶之間間隔1 m。
現(xiàn)場試驗設(shè)計見表2。試驗1通過正交試驗研究不同激振力和碾壓速度對C M V穩(wěn)定性的影響,以及激振力對CMV可靠性的影響。試驗2在不同碾壓速度下進行相關(guān)性校驗,研究碾壓速度對C M V可靠性的影響。試驗3對不同碾壓遍數(shù)下進行相關(guān)性校驗,研究碾壓遍數(shù)對壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)的影響,并給出壓實質(zhì)量連續(xù)檢測的建議。
表2 現(xiàn)場試驗設(shè)計
除C M V全程檢測外,其他壓實質(zhì)量檢測試驗均為非連續(xù)檢測,每條試驗帶上,隔10 m測一行Evd和Geo數(shù)據(jù);從有效面積對應(yīng)考慮,一行測6個Evd和Geo數(shù)據(jù),取平均值來反映該點處CMV對應(yīng)的壓實效果,每帶測8行數(shù)據(jù);每隔20 m測一組K數(shù)據(jù),測點位置與Evd和Geo測點位置重合,每帶測4行數(shù)據(jù),試驗帶及檢測點布置如圖2所示。試驗中碾壓方向均為正向碾壓。
圖2 試驗帶及檢測點設(shè)置示意
將每條試驗帶的C M V均值作為該試驗帶連續(xù)壓實質(zhì)量檢測參數(shù)代表值,并計算不同壓實工藝下C M V的變異系數(shù),計算結(jié)果見表3和圖3??芍簤郝窓C振動壓實過程中,激振力和碾壓速度不同,CM V的穩(wěn)定性也有所不同;變異系數(shù)越小,檢測結(jié)果波動越小,CMV越穩(wěn)定。碾壓速度相同時,弱振工藝下CMV的變異系數(shù)小于強振,表明弱振工藝下CM V更穩(wěn)定;激振力相同時,快速碾壓的變異系數(shù)小于慢速碾壓,表明快速碾壓時CMV更穩(wěn)定。當(dāng)激振力為270 kN、速度為5 km∕h時,CM V變異系數(shù)最小,表明快速弱振工藝下CMV最穩(wěn)定。
圖3 不同激振力和碾壓速度下C M V測值變化曲線
表3 不同壓實工藝下C MV均值與變異系數(shù)
為進一步探究激振力和碾壓速度對CM V穩(wěn)定性的影響規(guī)律,對不同壓實工藝引起的C M V變異系數(shù)偏差進行統(tǒng)計,結(jié)果見表4。
表4 CMV變異系數(shù)偏差
由表4可知,碾壓速度不同引起的CMV變異系數(shù)偏差為1.46%~2.11%,激振力不同引起的C M V變異系數(shù)偏差為6.74%~7.39%。由碾壓速度引起的C M V穩(wěn)定性偏差相對較小,激振力引起的C M V穩(wěn)定性偏差相對較大。因此,實際工程中應(yīng)用連續(xù)壓實控制技術(shù)時應(yīng)當(dāng)盡量保持激振力穩(wěn)定。
為進一步研究激振力對CMV可靠性的影響,通過試驗2對不同激振力下CMV與非連續(xù)壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)Evd、Geo、K進行相關(guān)性校驗,如圖4所示(圖中下標(biāo)a為強振,激振力390 kN,虛線;下標(biāo)b為弱振,激振力270 kN,實線)。可知,強振和弱振時,CMV與各非連續(xù)壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)大于0.7,具有強相關(guān)性,且滿足壓實質(zhì)量連續(xù)檢測規(guī)范要求;同時,弱振時C M V與非連續(xù)檢測指標(biāo)(Geo除外)的相關(guān)系數(shù)均大于強振時。采用強振進行壓實時,振動輪會產(chǎn)生較多跳振,而跳振時振動輪與土體處于脫離狀態(tài),不再滿足輪-土耦合接觸關(guān)系,從而導(dǎo)致強振下得到的CMV離散性較大,這也與3.1節(jié)中強振工藝下C M V變異系數(shù)大的結(jié)果相符合。由此可知,激振力對CMV相關(guān)性校驗的影響顯著,且在弱振下CMV相關(guān)性校驗結(jié)果更好。
圖4 不同激振力下CMV與非連續(xù)壓實指標(biāo)相關(guān)性校驗結(jié)果
為了分析碾壓速度對CMV可靠性的影響,通過試驗3獲得不同碾壓速度下CM V與非連續(xù)檢測指標(biāo)檢測結(jié)果,對采集數(shù)據(jù)進行線性回歸分析,得到不同碾壓速度下C M V與非連續(xù)檢測指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)見表5。
表5 不同速度下CM V與非連續(xù)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)
由表5可知,在弱振工藝下,快速碾壓和慢速碾壓時CM V與Evd、K之間的相關(guān)系數(shù)大于0.7,具有強相關(guān)性,滿足規(guī)范要求;CMV與Geo的相關(guān)系數(shù)部分在0.5~0.7,具有弱相關(guān)性,不滿足規(guī)范要求。快速碾壓與慢速碾壓得到的C M V與各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)之間則較為接近,影響不顯著。
結(jié)合3.2節(jié)可知,在振動碾壓過程中,C M V與Evd和K相關(guān)性強,與Geo相關(guān)性較弱。分析可知,各壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)的測試影響范圍和力學(xué)原理不同導(dǎo)致了CM V與各指標(biāo)之間相關(guān)性的差異,各檢測指標(biāo)影響范圍如圖5所示。C M V檢測影響范圍即振動輪接觸作用范圍,與Evd和K檢測范圍基本相同,與Geo檢測范圍則有所不同,從而導(dǎo)致了壓實質(zhì)量檢測結(jié)果的不同和相關(guān)性的差異。
圖5 不同壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)影響范圍示意
由此可知,碾壓速度對C M V相關(guān)性校驗影響不顯著,但檢測影響范圍對C M V相關(guān)性校驗影響顯著。
為探究碾壓遍數(shù)對C M V相關(guān)性校驗和壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)數(shù)值的影響,通過開展試驗3對不同碾壓遍數(shù)下C M V與非連續(xù)檢測指標(biāo)進行相關(guān)性分析,結(jié)果見表6。
表6 不同碾壓遍數(shù)下CM V與非連續(xù)檢測指標(biāo)相關(guān)系數(shù)
由表6可知,在不同碾壓遍數(shù)下,C M V與各非連續(xù)檢測指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)均大于0.7,具有強相關(guān)性且滿足規(guī)范要求。此外,第2遍(強振)時各相關(guān)系數(shù)基本小于其他遍數(shù)(弱振),而各檢測指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)與碾壓遍數(shù)之間并無明顯關(guān)系。結(jié)合3.2節(jié)和3.3節(jié)可知,上述規(guī)律與激振力和碾壓速度對相關(guān)性校驗的影響規(guī)律一致,與碾壓遍數(shù)無關(guān),因此碾壓遍數(shù)對C M V與非連續(xù)檢測指標(biāo)相關(guān)性校驗無顯著影響。
為進一步探究碾壓遍數(shù)對壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)數(shù)值的影響,統(tǒng)計不同碾壓遍數(shù)下壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)均值變化情況,見表7??芍篊MV、Evd和K隨碾壓遍數(shù)的增加而增大,與吳龍梁等[4]的結(jié)論相一致,Geo則隨碾壓遍數(shù)的增加呈波動增大。
表7 不同碾壓遍數(shù)下壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)的均值
對碾壓遍數(shù)與各檢測指標(biāo)均值進行相關(guān)性分析,得到相關(guān)系數(shù)見表8??芍篊MV、Evd和K與碾壓遍數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.7,具有較好的相關(guān)性;Geo與碾壓遍數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)在0.5~0.7,相關(guān)性較弱。此外,相比工程驗收時的K檢測,Evd檢測更加方便高效。因此在實際工程中,建議路基壓實時采用C M V連續(xù)檢測為主、傳統(tǒng)Evd檢測為輔的檢測方法,并在連續(xù)壓實控制中盡量保持激振力穩(wěn)定。
表8 碾壓遍數(shù)與壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)
1)相同條件下,C M V變異系數(shù)的大小關(guān)系為:弱振<強振,快速碾壓<慢速碾壓。此外,由碾壓速度不同引起的C M V變異系數(shù)偏差為1.46%~2.11%,由激振力不同引起的C M V變異系數(shù)偏差為6.74%~7.39%。激振力對C M V穩(wěn)定性影響更顯著。
2)激振力對CMV相關(guān)性校驗影響顯著;碾壓速度和碾壓遍數(shù)對C M V相關(guān)性校驗影響較小,而檢測影響范圍對CM V相關(guān)性校驗影響顯著。
3)針對中圓礫土填料,在不同壓實工藝下,C M V與Evd、K均有良好的線性相關(guān)關(guān)系。鑒于CM V和Evd檢測的便利性,進行路基壓實連續(xù)檢測時宜采用C M V連續(xù)檢測為主、傳統(tǒng)Evd檢測為輔的方法,并在連續(xù)壓實控制中盡量保持激振力穩(wěn)定。