第 36 卷第 4 期岩土力学 Vol.36 No. 4 15 年 4 月 Rock ad Soil Mechaics Apr. 15 DOI:10.16285/j.rsm.15.04.031 连续压实路基质量检验与控制研究 张家玲, 徐光辉, 蔡英 ( 西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031) 摘要 : 针对现行路基压实质量评价指标的不足, 基于连续压实控制技术的基本原理, 通过对压路机振动轮与路基结构相互作用的动力学分析, 把拾振传感器采集到的振动轮加速度信号经过放大 滤波等处理, 并经模数转换后将模拟信号变为数字信号, 把这种经过处理后的振动轮加速度信号作为连续压实测试指标 振动压实值 (VCV), 提出将其作为路基连续压实质量的评价指标, 实时判断路基压实质量 通过对两个试验路段的 VCV 和平板载荷类常规指标地基系数 K 动态变形模量 E vd 变形模量 E V1 和 E V2 的对比分析, 结果表明, 振动压实值与平板载荷类常规指标间存在着线性相关关系, 据此可以根据常规指标的压实标准确定连续压实测试指标的控制标准, 为连续压实路基质量的检验和控制提供了依据 关键词 : 连续压实控制技术 ; 压实质量 ; 振动压实值 ; 常规指标 ; 相关关系 ; 检验控制中图分类号 :TU470 文献标识码 :A 文章编号 :1000-7598 (15) 04-1141-06 A ivestigatio o quality ispectio ad cotrol for cotiuously compactig subgrade ZHANG Jia-lig,XU Guag-hui,CAI Yig (School of Civil Egieerig, Southwest Jiaotog Uiversity, Chegdu, Sichua 610031, Chia) Abstract: The idies curretly used for evaluatig the compactio quality of railway subgrade are ot sufficiet for evaluatio. Based o the fudametal theory of cotiuous compactio cotrol, a kietic aalysis of the iteractio betwee the roller s vibratig wheel ad the subgrade structures is performed, ad the acceleratio sigals of the vibratig wheel, which was collected by collectig vibratio frequecy sesor, are aalyzed by magifyig, filterig ad other treatmet; through aalogue-digital coversio, the aalogue sigals are coverted to digital oes. The treated acceleratio sigal of the vibratig wheel is used as the measurig idex for cotiuous compactio vibratig compactio value (VCV), to evaluate the real-time compactio quality of the subgrade. By comparig ad aalyzig the VCV ad regular idexes of K, E vd, E v1 ad E v2 uder category of plate loadigs, which were obtaied from two testig sectios of high speed railway, it is revealed that, the cotiuous compactio idex has a liear relatioship with the regular idex uder category of plate loadigs. Therefore, the cotrol stadard for vibratig compactio value ca be determied with the compactio stadard of the regular idex, providig a basis for the ispectio ad cotrol of the cotiuous compactio of subgrade. Keywords: cotiuous compactio cotrol techology; compactio quality; vibratig compactio value; regular idexes; correlatio relatioship; ispectio ad cotrol 1 引言 随着高速铁路客运专线的快速发展, 铁路建设对路基的填筑质量要求也越来越高 为了给列车提供一个安全 平稳的运行环境, 要求路基结构具有更高的强度 刚度 稳定性和均匀性, 而保证路基达到这些性能的技术措施主要是对路基结构的压实质量进行控制 从我国目前相关的技术标准来看, 控制路基压实质量指标主要有 : 地基系数 K 动 态变形模量 E vd 变形模量 E V1 E V2, 这些指标一般通过常规点检测方式获取, 但费时 费力, 影响施工进度 ; 并且试验结果也只能反映路基面的局部质量特征, 无法反映整个路基面的特征 ; 当填料为粗粒料时, 控制难度更大 为了能快速获取整个路基面的压实质量信息, 需要采用连续压实控制技术 为此, 课题组利用自主研发的能进行连续测试的压实检测设备进行现场试验, 通过选取合适的连续测试指标, 建立了连续测试指标与常规点试验指标间 收稿日期 :13-12-03 基金项目 : 国家自然科学基金项目资助 : 高速铁路路基连续压实控制指标与控制机理研究 (No. 511785) 第一作者简介 : 张家玲, 女,1972 年生, 博士, 讲师, 主要从事道路与铁道工程方面的研究工作 E-mail: zjl825@163.com
1142 岩土力学 15 年 的相关关系, 为路基连续压实质量控制与检验提供 了技术支撑 由于连续压实控制能掌握路基面上每一点的压 实信息, 并依据实测的压实信息对路基进一步碾压 进行控制, 这对高速铁路路基实施连续压实控制, 提高路基特别是粗粒料路基压实质量会有促进作 用, 并产生较大的经济效益 2 连续压实控制技术的基本原理 连续压实控制技术最早产生于 世纪 70 年 代 [1], 通过在振动压路机的振动轮上装载传感器, 在路基碾压过程中连续测试振动轮的响应信号, 对 测试信号经过实时处理后, 可以将碾压信息直观地 在屏幕上显示出来, 以此指导路基施工, 并作为评 价路基压实质量的依据, 其工作原理如图 1 所示 [1] 采用连续压实技术对路基压实质量进行控制, 其优 点是 : (1) 采用定量指标进行粗粒料的压实控制, 替 代经验法, 减少人为因素的影响, 可以实现路基压 实质量的连续实时控制, 有利于机械化施工作业 (2) 连续压实技术可以实现对路基面上的每一 点进行控制, 达到控制压实均匀性的目的 (3) 可以根据连续压实质量分布图指导常规试 验点位的选取, 针对性较强 采用振动压路机作为试验工具进行连续的动力 测试并进行压实质量控制, 其关键之一就是控制指 标的选取 目前国外从事连续压实控制技术研究的 主要有瑞典的 GEODYNAMIK 德国的 BOMAG 和 瑞士的 AMMANN 公司等 [2-3] 他们测试的基本原 理大致相同, 连续测量的都是压路机振动轮的动态 响应信号, 但随着各自后续处理方式的不同, 形成 了几种评定指标, 如瑞典的谐波比 CMV 指标, 瑞 士的刚度系数 K B, 德国的动态模量 E vib 等 [4], 不管 是哪种指标, 在实际应用时都需要先建立连续压实 指标与常规点试验指标间的关系 本项目在充分研 究国外现有指标体系的基础上, 提出了适合我国国 情的抗力指标体系 图 1 连续压实控制技术基本原理示意图 Fig.1 Schematic diagram for the basic theory of cotiuous compactio cotrollig method 3 连续压实检验评定指标 研究表明, 目前常规检验中的地基系数 动态 模量和变形模量等指标都是路基抵抗变形能力的某 种度量, 从本质上讲都是从路基结构抗力的概念演 变而来的, 因此, 可以采用路基结构抗力作为评定 和控制压实质量的指标 3.1 路基变形与抗力关系 以压路机作为测试工具, 将压路机与被压材料 之间进行分离考虑, 以振动轮作为研究对象, 路基 结构对压路机的作用以抗力代替, 按单自由度建立 振动轮的动力学模型 ( 见图 2) 则振动轮的动力学 方程为 F( x) Mx Psit (1) 式中 : F( x ) 为路基结构抗力 ; M 为振动轮的振动 质量 ; x 为系统位移 ; P 为振动压路机的激振力, 2 2 2 可按式 P me 4π mef 计算, 其中 :m 为偏心 质量,e 为偏心距, 为振动角频率,f 为振动频率 ; t 为时间 F(x) P sit 图 2 振动压实动力分析模型 Fig.2 Kietics aalyzig model for vibratio 路基的压实过程为弹塑性变形过程, 因此, 式 (1) 为弹塑性动力学方程, 直接求解困难 但理论 分析和实际观测表明, 当压路机振动参数 M P f 一定时, F( x ) 与振动轮的加速度 x 间成线性关 系 [5], 因此, 可以选取经过适当信号处理后的振动 轮加速度作为路基结构抗力指标 振动压实值 (vibratory compactio value,vcv) 图 3 为连续 压实测试系统, 振动轮加速度信号由拾振传感器采 集后, 输入调理模块中进行信号放大 滤波等处理, 经模数转换后变为数字信号进行存储 处理与管理, 并将分析结果通过液晶显示在屏幕上 因此, 对于 振动参数一定的压路机而言, 只需通过实测振动轮 的加速度响应信号就可以评价被压材料的压实状态 了 实际应用时, 对振动参数一定的压路机, 需要 通过现场标定试验, 建立连续压实评定指标与常规 指标间的相关关系, 并根据常规指标控制标准确定 连续压实指标的控制标准, 以此作为路基连续压实
第 4 期张家玲等 : 连续压实路基质量检验与控制研究 1143 质量控制的依据 [6] 激振力振动轮传感器信号调理采集记录分析系统 路基 图 3 连续压实测试系统 Fig.3 Cotiuous compactio test system 3.2 现场连续压实指标与常规指标测试方案 目前铁路路基压实质量常规点试验控制指标为 K E vd E v1 和 E v2 [7], 为了能够采用先进的连续压 实技术对路基质量进行控制和检验, 需将连续压实 指标与常规指标建立联系, 以验证各类指标的一致 性, 为连续压实指标的使用奠定基础, 同时也可通 过连续压实指标来确定最薄弱控制点 本次试验段选在某高速铁路 DK564+035~ 816 m 范围内, 分两段进行,A 段里程为 DK564+ 035~185 m,b 段里程为 DK564+7~816 m,a B 段宽度均为 28 m, 层厚为 cm, 按 15 个轮迹进 行振动压实,A 段进行现场碾压,B 段已碾压完毕, 主要作为对比试验用 两路段填料基本相同 ( 砂性 土 ), 为 B 类土, 层位为基床以下 振动压路机的主 要技术参数为 : 工作质量为 t; 振动轮质量为 10 t; 振动轮宽度为 2 1 mm; 工作频率为 28~32 Hz; 激 振力为 2~355 kn; 振幅为 0.8~1.6 mm; 试验项 目为连续振动压实试验和平板载荷类常规试验 K E vd E v1 E v2 采用连续压实技术, 路基每一层的 每一碾压轮迹的连续测试指标值都可以在施工碾压 过程中实时获取, 图 4 为路基在碾压过程中某一碾 压轮迹的连续测试指标值 为了使常规试验数据更 具有代表性并便于进行相关性分析, 常规试验点位 置按连续测试结果 V CV 值的高 中 低出现的位置 进行选择 考虑试验的时间效应, 确定常规试验点 共 2 个, 其中 :K 为 60 个 E vd 为 1 个,E v1 和 E v2 为 个 量测系统 60 80 100 1 1 图 4 常规试验点的选取 Fig.4 Selectio of covetioal testig poits 4 试验结果分析 4.1 连续压实指标与常规指标相关分析 连续压实指标 VCV 与常规指标 K E vd E v1 E v2 间的相关关系一般认为是直线关系, 即 y a bx (2) 式中 :x 为连续压实指标 VCV;y 为常规指标 K E vd E v1 或 E v2 ; 为测试数据组数 ;a b 为回归系 数, 可按下式确定 [8] a y bx x y yi xy i1 b 2 2 xi x i1 (3) 连续压实指标 V CV 与常规指标 K E vd E v1 E v2 间是否存在线性相关关系, 还需进行相关性检 验, 相关系数 R 可按式 (4) 计算 当相关系数满 足相关规定要求时, 即可认为连续测试指标与常规 指标存在线性相关关系 R i1 x y i i xy 2 2 2 2 xi x yi y i1 i1 4.1.1 V CV 与 K 的相关关系 (4) 根据两试验路段的 K 与对应的 V CV 的试验数 据, 分别进行线性相关性分析, 如图 5 所示 相关 系数分别为 :R A =0.65,R B =0.75, 表明,V CV 与 K 之间存在线性关系 从图还可以看出,A 段数据的 离散性大于 B 段数据, 其原因是 A 段为现填现压的 路段, 碾压完毕后陆续做常规试验, 路基土的状态 是不断变化的, 这可能是导致数据离散性大的原因 而 B 段则是在已经碾压好的路段 ( 大于 7 d) 上先 进行一次振动压实连续测试, 然后再进行常规试验, 路基状态基本稳定, 故数据离散性较小 4.1.2 V CV 与 E vd 的相关关系 在试验路段 A 的碾压过程中进行了 E vd 的跟踪 测定 (4 6 8 遍 ) 按照线性回归方法进行相关性 分析, 如图 6 所示 图 6(a) 数据较为离散, 原因可 能与 E vd 试验是分批进行试验有关, 一部分为碾压 结束后 1 d 内进行的, 其余则是在所有 K 和 E v2 试 验完成后进行的, 时间相隔 4 d 如果将散点图按 E vd 数据测试时间不同分类后再进行相关性分析, 则 连续测试值与常规指标值间的相关性则较好, 如图 6(b) 所示, 其中 L 1 部分为后期试验点, 数值较高 ; L 2 部分系前期试验, 数值偏低 图 7 为 B 段情况, 尽管数据有一定的离散, 但其相关系数 R =0.76, 说 明 V CV 与 E vd 之间具有较好的相关性
1144 岩土力学 15 年 K /(MPa/m) K /(MPa/m) 135 1 125 1 115 110 105 100 95 36.5 170 160 1 1 1 1 K =6.79V CV-146.13 R =0.65 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 39.5 V CV/(m/s 2 ) (a) A 试验段 V CV-K 关系 K =10.08V CV -264.22 R =0.75 110 37.5 38.0 38.5 39.0 39.5.0.5 41.0 41.5 42.0 V CV/(m/s 2 ) (b) B 试验段 V CV-K 关系 图 5 A 段与 B 段的 V CV -K 关系 Fig.5 Relatioships betwee V CV ad K at sectios A & B Evd /MPa 图 7 B 试验段 V CV -E vd 关系 Fig.7 Relatioship of V CV -E vd at test sectio B 4.1.3 V CV 与 E v1 E v2 的相关关系 两试验段的 E v1 E v2 与对应的 V CV 的试验数 据, 按照线性回归方法进行相关关系的分析, 如图 8 9 所示 图 8 为路段 A 的试验结果, 由于 E v2 试 验持续时间较长, 导致试验时的路基表面状态不尽 相同, 造成数据离散性大, 但可按前期和后期试验 分两组进行分析 图 9 为路段 B 的试验结果, 为碾 压完成的路段, 其相关系数在 0.85~0.90 间, 相关 性很好 45 35 25 15 37.5 E vd =6.91V CV-2.48 R=0.76 38.0 38.5 39.0 39.5.0.5 41.0 Evd /MPa 10 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 39.5 Ev1 /MPa 32 31 29 28 27 26 25 24 23 22 21 37.6 38.0 38.4 38.8 39.2 39.6 (a) 原始散点图 (a) E v1 与 V CV 关系 Evd /MPa 45 35 25 15 10 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 39.5 (b) 散点分类图 Ev2 /MPa 62 60 58 56 54 52 48 46 44 37.6 38.0 38.4 38.8 39.2 39.6 (b) E v2 与 V CV 关系 图 6 A 试验段 V CV -E vd 关系 Fig.6 Relatioships of V CV -E vd at test sectio A 图 8 试验 A 段 V CV -E v1 E v2 关系 Fig.8 Relatioships of V CV -E v1, E v2 at test sectio A
第 4 期张家玲等 : 连续压实路基质量检验与控制研究 1145 Ev1 /MPa Ev2 /MPa 46 44 42 38 36 34 32 38.0 38.5 39.0 39.5.0.5 41.0 80 75 70 65 60 E v1 =4.27V CV-131.80 R =0.90 V CV/(m/s 2 ) (a) B 段 E v1 与 V CV 关系 E v2 =5.85V CV-164.37 R =0.85 55 38.0 38.5 39.0 39.5.0.5 41.0 (b) B 段 E v2 与 V CV 关系 图 9 试验 B 段 V CV -E v1 E v2 关系 Fig.9 Relatioships betwee V CV -E v1 ad E v2 at sectio B 4.1.4 与国外相关系数要求的对比 以上为振动压实与常规试验 K E vd E v1 和 E v2 之间对应关系的验证试验, 为了便于进行相互间 的对比和与国外相关系数要求对比, 将各回归结果 汇总, 见表 1, 其结果可作为同样条件下压实质量 [9] 控制的标定方程 从表中可以看出, 与国外规范 规定的最小相关系数相比, 均满足要求, 表明, 这 种相关性是可信的, 也从试验的角度验证了振动压 实与常规结果之间存在线性相关关系 4.2 误差原因分析 振动压实试验结果 V CV 与平板载荷试验结果 K E vd E v1 和 E v2 的相关性分析是从统计学的角 度进行的, 尽管相关系数都满足要求, 但相关程度 并不完全相同, 其影响因素可归结为 : (1) 路基结构性状变化 路基状态会随着时间 推移而发生变化, 这就导致不同时间所做的平板载 荷试验结果不相同, 可重复性差 (2) 测试的影响范围 振动压实值 V CV 代表的 是轮宽范围内的平均值 ; 平板载荷试验的有效测试 面积只占振动压实试验面积的 3.5% 左右, 且两种加 载方式的影响深度也不相同 表 1 回归分析一览表 Table 1 Results of regressio aalysis 路段状态 K E vd E v1 E v2 试验路段 A 试验路段 B 现场碾压 先期碾压 K =6.79V CV-146.13 R =0.65 K =10.08V CV-264.22 R =0.75 E vd =12.65V CV-465.32 R =0.76 E vd=6.91v CV-2.48 R =0.76 E v1 =4.27V CV-131.80 R =0.90 国外规范对相关系数 R 要求瑞典 :R 0.60; 德国 :R 0.70 E v2=5.85v CV-164.37 R =0.85 (3) 操作误差 人为的试验操作不当可能造成测试结果产生变异 另外, 平板载荷试验时,K E vd E v1 和 E v2 的试验点位有重叠现象, 这也会导致后面试验结果失真 (4) 数据处理方式 试验数据采用最小二乘法进行线性相关性分析, 国外规范也推荐使用这种方法, 但相关关系是用线性拟合好还是非线性拟合好, 需作进一步地研究 此外, 从散点图中可以看出, 有些点明显存在差异, 如图 5(b), 当去掉两个变异点后, 相关性明显变好 因此, 前期数据的预处理方式对分析精度也会产生一定影响 4.3 连续压实路基质量评定指标根据常规试验指标与振动压实值之间的线性相关关系, 可按式 (5) 根据常规指标的标准值 [K ] [E vd ] 或 [E v2 ] 确定振动压实值的控制值 [V CV ], 以此作为连续压实路基质量的评定指标 [ VCV ] b0 b1[ K ] [ VCV ] b0 b1[ E vd ] (5) [ VCV ] b0 b1[ E v2 ] 根据现场试验建立的振动压实控制值 [V CV ] 与常规指标控制值 [K ] [E vd ] [E v1 ] 或 [E v2 ] 间的相关关系见表 2 表 2 连续压实控制指标表 Table 2 Schedule of cotiuous compactio cotrol idicators 路段状态 K E vd E v1 E v2 试验路段 A 现场碾压 [V CV]=21.52+0.147[K ] [V CV]=36.78+0.079[E vd] 试验路段 B 先期碾压 [V CV]=26.21+0.099[K ] [V CV]=34.80+0.145[E vd] [V CV]=.87+0.234[E v1] [V CV]=28.10+0.171[E v2]
1146 岩土力学 15 年 5 结论 (1) 从路基结构抗力与其塑性变形的关系分析, 路基结构抗力能反映其压实状态的变化, 可作为评定路基压实质量的连续指标 (2) 对于理想线弹性路基结构, 平板载荷试验之间的结构具有理论上的关系, 并且与振动压实试验之间在原理上具有相似性 ; 但对于实际的路基结构, 很难建立理论关系, 只能依靠试验建立统计意义下的经验关系 (3) 通过两个试验段的对比验证试验表明, 在路基性状稳定的情况下, 振动压实值 V CV 与 K E vd E v1 和 E v2 之间具有较好的相关性, 其相关系数满足国外已有连续压实规范的要求 (4) 通过对影响两类试验相关性误差原因的分析发现, 路基碾压完成后的状态对相关关系影响最大, 路基性状不均匀和两类试验之间存在的尺寸效应也会对结果产生影响 参考文献 [1] 福斯布拉德 L. 土石填方的振动压实 [M]. 甘杰贤, 译. 北京 : 人民交通出版社, 1986: 45-103. [2] THURNER H, SANDSTRÖM. Cotiuous compactio cotrol[c]//proceedigs of Europea Work Compactio of Soils ad Graular Materials. Paris, Frace: [s..], 04: 237-246. [3] MOONEY MICHAEL A, ROBERT RINEHART V. I situ soil respose to vibratory loadig ad its relatioship to roller-measured soil stiffess[j]. Joural of Geotechical ad Geoeviroometal Egieerig, 09, (8): 1022-10. [4] KRÖBER W, FLOSS E H R, WALLRATh W. Dyamic soil stiffess as quality criterio for soil compactio[c]// Geotechics for Roads, Rail Tracks, ad Earth Structure. Netherlads: A. A. Balkema, 01: 189-199. [5] 徐光辉, 高辉, 王哲人. 级配碎石振动压实过程的连续动态监控分析 [J]. 岩土工程学报, 05, 27(11): 1270-1273. XU Guag-hui, GAO Hui, WANG Zhe-re. Aalysis of cotiuous dyamic moitorig o vibratig compactio process of graded broke stoe[j]. Chiese Joural of Geotectical Egieerig, 05, 27(11): 1270-1273. [6] 廖先斌, 郭晓勇, 杜宇. 英标和国标标贯设备试验结果相关性分析 [J]. 岩土力学, 13, 34(1): 143-147. LIAO Xia-bi, GUO Xiao-yog, DU Yu. Correlatio aalysis of stadard peetratio test results o British ad Chiese stadard equipmets[j]. Rock ad Soil Mechaics, 13, 34(1): 143-147. [7] 中华人民共和国铁道部. 铁建设 [07]47 号新建时速 0~3 公里客运专线铁路设计暂行规定 ( 上 下 ) [S]. 北京 : 中国铁道出版社, 07. [8] 涂汉生, 何平, 赵联文. 应用统计 [M]. 成都 : 西南交通大学出版社, 1993: 108-137. [9] Germa Roads ad Trasportatio Research Associatio, Earthworks ad Foudatios Workig Group. Germa desigatio: ZTV E-StB 07. Additioal techical terms of cotract ad guidelies for earthworks i road costructio[s]. [S. l.]: [s..], 07. 上接第 1077 页 [16] 马昆林, 谢友均, 龙广成, 等. 水泥基材料在硫酸盐结晶侵蚀下的劣化行为 [J]. 中南大学学报 ( 自然科学版 ), 10, 41(1): 3-9. MA Ku-li, XIE You-ju, LONG Guag-cheg, et al. Deterioratio behaviors of sulfate crystallizatio attack o cemet-based material[j]. Joural of Cetral South Uiversity (Sciece ad Techology), 10, 41(1): 3-9. [17] 尹蓉蓉, 朱合华. 硫酸盐结晶作用后深埋公路隧道安全性能 [J]. 四川建筑科学研究, 11, 37(5): 211-215. YIN Rog-rog, ZHU He-hua. Impact from sulphate crystallizatio to the safety of deep highway tuel[j]. Sichua Buildig Sciece, 11, 37(5): 211-215. [18] 陈晓斌, 唐孟雄, 马昆林. 地下混凝土结构硫酸盐及氯盐侵蚀的耐久性实验 [J]. 中南大学学报 ( 自然科学版 ), 12, 43(7): 2803-2811. CHEN Xiao-bi, TANG Meg-xiog, MA Ku-li. Udergroud cocrete structure exposure to sulfate ad chloride ivadig eviromet[j]. Joural of Cetral South Uiversity (Sciece ad Techology), 12, 43(7): 2803-2811.