路基施工新型质量检测技术应用

xx客运专线路基课题研究之一路基施工新型质量检测技术应用1、概述路基试验检测主要分为两类：一类是密实度检验，包括压实系数、相对密度、孔隙率等；第二类是力学指标检测，主要包括K30、动态变形模量Evd、动刚度，承载比试验CBR等等，在xx客运专线中又引入了德国的静态二次变形模量Ev2等。我国高速铁路路基标准的建立借鉴日本的标准比较多，特别是路基压实标准采用的力学指标是地基系数K30。但德国、法国等国家从来不采用K30，而是采用静态二次变形模量Ev2和动态变形模量Evd压实标准。因此，路基上若采用德国的无碴轨道结构形式，路基压实标准也应该相应地采用德国的标准——Ev2和Evd。本文重点介绍动态变形模量Evd、静态二次变形模量Ev2。2动态变形模量Evd检测《铁路工程土工试验规程》（TB10102—2004）规定了其使用，适用于所有铁路路基工程。《京沪高速铁路设计暂行规定（上、下）》（2004-12-30实施），规定其适用于客运专线及高速铁路路基工程。（注：新的《客运专线无碴轨道铁路设计指南》（铁建设函［2005］754号文），也规定了其指标。）xx客运专线路基设计文件规定，时速200Km/h以上有碴轨道和无碴轨道路基级配碎石或级配砂砾石基床表层（含过渡段）的压实标准，变形模量Evd≥55MPa，（注：新的《客运专线无碴轨道铁路设计指南》（铁建设函［2005］754号文）中规定Evd≥50MPa）。过渡段级配碎石路堤基床表层以下部位Evd≥50MPa。200Km有碴轨道没有Evd相关要求。2.1动态变形模量Evd的定义动态变形模量Evd（英文：dynamicmodulusofdeformation）是指土体在一定大小的竖向冲击力Fs和冲击时间ts作用下抵抗变形能力的参数。它由平板压力公式Evd=1.5×r×σ/s计算得出，其中：Evd——动态变形模量（MPa）；r——圆形刚性荷载板的半径（mm）；σ——荷载板下的最大冲击动应力，它是通过在刚性基础上，由最大冲击力Fs=7.07KN且冲击时间ts=18ms时标定得到的，即σ=0.1MPa；s——实测荷载板下沉幅值（mm）；1.5——荷载板形状影响系数。实测结果采用公式Evd=22.5/s计算。德国HMP公司德国HMP公司LFG系列Evd动态变形模量测试仪加载装置①挂（脱）钩装置(带水准泡)②导向杆③落锤④阻尼装置荷载板①传感器②圆形钢板沉陷测定仪(存储、与电脑连接)打印机2.2动态变形模量测试仪基本原理利用落锤从一定高度自由下落在阻尼装置上，产生的瞬间冲击荷载，通过阻尼装置及传力系统传递给直径300mm的承载板，在承载板下面（即测试面）产生的动应力，使承载板发生沉陷s—即承载板振动的振幅，由沉陷测定仪采集记录下来。沉陷值s越大，则被测点的承载力越小；反之，越大。2.3动态变形模量Evd的发展动态变形模量Evd是德国九十年代开始采用的新型路基压实质量标准，从研究开发至今已有近二十年的历史。动态变形模量Evd标准首先应用于道路建设、路面垫层、管道和电缆沟槽、渠道、基础回填等工程。1997年2月德国颁布执行的《德国铁路建设轻型落锤仪使用规定》（NGT39）标志着动态变形模量Evd标准开始在铁路工程中正式采用。动态变形模量Evd标准的最大特点是能够反映列车在高速运行时产生的动应力对路基的真实作用状况。1999年12月20日颁布执行的德国铁路规范DS836.0501中，按路基结构形式、设计速度、填土种类、工程部位的不同，明确规定了各种情况下的动态变形模量Evd的设计标准值，其中，设计速度300km/h的高速铁路路基基床表层的Evd设计标准为50MPa。2.4动态变形模量Evd的在中国的发展和应用2003年1月，中国铁道部昆山试验段“软土地基路桥设计参数试验项目”首次引进2台LFG系列Evd测试仪进行试验研究，为《铁路工程土工试验规程》和《京沪高速铁路设计暂行规定（上、下）》的编写提供了依据。至今已有30多台LFG系列Evd测试仪在中国10多条铁路新线建设和提速改造中发挥着重要作用。2.5动态变形模量Evd的检测动态变形模量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。Evd试验操作过程如下：（1）平整测试面，将荷载板放在预定的测试点,加载装置在荷载板上就位，用测量电缆将沉陷测定仪与荷载板连接，松开搬运锁。（2）对测点进行三次冲击预压。（3）测量程序启动后,将连续进行三次冲击测量。测定仪液晶屏上将自动显示三次测试的沉陷值S1、S2、S3，显示三次平均沉陷值Sm和动态变形模量值Evd储存并打印测试结果。2.6动态变形模量Evd与K30的关系依据《铁路工程土工试验规程》（TB10102-2004）、《铁路路基工程施工质量验收标准》（TB10414-2003，J285-2004）将“Evd动态平板载荷试验”作为“K30平板载荷试验”的快速试验方法，根据Evd与K30的相关关系式，由Evd测试值推算出K30值。Evd与K30的相关关系式细粒土:K30=3.45Evd+0.1粗粒土:K30=3.33Evd+6.09碎石土:K30=3.10Evd+14.3级配碎石:K30=3.49Evd+14.4Evd检测方法与K30不同的是，主要反映填土在动荷载作用下所产生的应变~应力的关系，对高速铁路路基检测很有实际意义，而且具有轻便、快捷的特点。现场测试的结果基本上都在40MN/m2以上。Evd测试的离散性较大，因此测试时同一点附近应该做多次平行试验（至少4次），剔除异常值，然后取平均值。3静态二次变形模量Ev2检测xx客运专线路基设计文件规定，时速200Km/h以上无碴轨道路基级配碎石或级配砂砾石基床表层（含过渡段配碎石）的压实标准，静态二次变形模量Ev2≥120MPa，基床底层Ev2≥60MPa，路堤基床以下部位Ev2≥45MPa，（包括基底压实后检测指标也是45MPa，），正梯形过渡段基床基床底层Ev2≥80MPa。时速200Km/h及以上有碴轨道没有Ev2相关的要求。本指标在铁道部规范和试验规程中均没有提到。3.1静态变形模量测试仪基本原理静态二次变形模量Ev2是西欧、北美等国已广泛使用的铁路路基压实检测方法。Ev2静态变形模量测试仪由加载装置、承载板、位移测试装置、应力测试装置、数据采集装置、数据分析装置等组成。在荷载板试验应用过程中，常用的加载方式有单循环静载和二次循环静载。单循环静载是按每级40kPa加载，当每级加载完成后，每间隔一分钟读取百分表一次，直至两次读数符合沉降稳定要求，才能转到下一级荷载，直至试验最大荷载为止。二次循环静载也是按每级40kPa加载，分级加载到最后一级荷载的沉降稳定后，开始卸载，卸载梯度按最大荷载的0.5或0.25倍逐级进行，全部荷载卸除后记录其残余变形，之后又开始另一加载循环。采用d=30cm的荷载板试验计算变形模量时，荷载一直加到沉降值达5mm或承压板正应力达到0.5MPa为止。3.2静态变形模量Ev2的定义土体的变形模量Ev值是通过一次加载或重复加载测得的应力σ0—位移s曲线上0.3×σ0max和0.7×σ0max之间的位移割线斜率来确定的。其中，一次加载曲线上为静态一次变形模量——Ev1二次加载曲线上为静态二次变形模量——Ev2Ev=(1.5×r×△σ)/△s为了更有效地分析土的变形性质和承载能力，德国标准采用了二次循环静载法，其结果采用静态二次变形模量Ev2表示。1、求解系数a0、a1、a2、变形模量是基于一次加载和二次加载应力—位移曲线，通过二次多项式方程计算得到的。s=a0+a1·σ0+a2·σ02σ0——承载板下的平均标准应力，单位：MN/m²；s——承载板的位移，单位：mm；a0——二次多项式中的系数，单位：mm；a1——二次多项式中的系数，单位：mm/(MN/m2)；a2——二次多项式中的系数，单位：mm/(MN2/m4)。式中的系数是把测试值按最小误差二乘法计算得到的。2、计算变形模量Ev1、Ev2变形模量Ev由下式计算：Ev=1.5×r×1/（a1+a2×σ0max）式中：Ev——变形模量，单位：MN/m²；r——承载板半径，单位：mm；σ0max——最大平均标准应力，单位：MN/m²。一次加载的变形模量值用Ev1表示，二次加载的变形模量值用Ev2表示。3.3静态变形模量测试仪的用途Ev2是德国、法国及欧洲一直沿用的、成熟的路基压实设计标准和检测技术，德国铁路路基标准DS836中无碴轨道和有碴轨道均采用Ev2和Evd设计标准。采用Ev2静态变形模量测试仪进行静态平板载荷试验，主要用于铁路、公路、机场、城市交通、港口、工业与民用建筑的地基承载力检测。可用于监测土、非胶结路面基层及改良土的压实质量。它适用于最大粒径小于63mm的土类以及土石混合料。在对加载程序进行设定后，Ev2静态变形模量测试仪也可以进行地基系数K30的检测。3.4静态变形模量测试仪的特点（1）操作简便、自动动化程度高高、数据精精度高。避避免人工读读表、记录录、绘图、计计算产生的的误判和误误差。全自自动数据处处理系统，数数据液晶显显示且现场场打印输出出曲线及结结果，确保保测试结果果的准确、客客观。（2）更有效地分析土土的变形性性质和承载载能力，可可检测Ev1、Ev2值及Ev2//Ev1比值，也也可以检测测地基系数数K30。测试时间可能比比K30长一些。3.5静态变形模模量测试仪仪的发展目前，国际上广广泛采用的的是德国产产HMPPDG型静态变变形模量测测试仪（亦亦称：平板板载荷试验验仪），该该仪器从开开发应用至至今己有20多年的历历史，仪器器的性能、质质量、功能能以及软件件已相当完完善。目前前在国内对对于Ev2静态变形形模量测试试仪的检测测规范、设设计标准、仪仪器设备等等还没有形形成，目前前主要是参参考德国的的相关规范范、标准和和仪器的