铁路路基压实质量检测指标CMV与Evd的相关性校检①

窦鹏，聂志红，王翔

(中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

路基压实质量是通过试验检测来评价的，试验数据的可靠性很大程度上取决于检测方法是否合理。针对常规检测方法存在的费时、费力和不能体现整个区域的压实质量的不足，目前国内外已提出能快速、实时反映整个区域压实质量的连续压实思想。Thurner等［1－4］进行动力加载板荷载试验，模拟了压路机振动轮与路基填料的动态响应，试验发现第1个谐波的振幅与基频振幅的比值能够反映路基的压实质量，并提出连续压实指标CMV，计算公式如下:

式中:常数C为300;A1为第1次谐波的加速度振幅;A0为基频分量的加速度振幅［5］，单位均为mm。Forssblad［6］进行了CMV值的现场试验研究，发现压路机以恒定的速度行驶，CMV与路基压实度有很好的相关性，并指出CMV值是压路机类型、碾压速度、行驶方向和填土性质的函数，与地基弹性模量具有很好的一致性。

与国外相比，国内连续压实检测研究较少、起步晚。徐光辉等［7］利用路基结构系统抗力的变化信息(CPMS)来评价压实状态，并在我国多条高速公路上进行试验，分析了CPMS与弯沉、回弹模量等指标的关系。目前我国采用的《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程(TB10108—2011)》［8］规定，进行连续压实控制前应结合现行路基相关技术标准进行相关性校验，通过点对点坐标对应，建立常规检测指标与连续压实检测指标间的一元线型回归方程，以此得到目标控制值，该方法没有考虑2种检测方法在水平方向的影响范围对其相关系数大小的影响。本文针对该检验方法存在的不足，以国内外研究成果为基础，结合沪昆高铁客专湖南段试验展开研究，从不同角度拟合分析连续压实检测指标CMV与常规质量控制指标Evd的关系。

1 路基压实质量检测方法

1.1 动态平板载荷试验

动态平板载荷试验原理是采用落锤自由落下冲击路基面和测试沉陷值，模拟列车高速运行时对路基面产生的冲击效应，继而进行动力加载，检测路基在动荷载作用下的动应力和动应变参数，并以此计算反映路基动力特性承载力指标—动态变形模量Evd。常规压实质量检测Evd试验是在每填筑层压实完成后，每100 m路基表面进行6次检测，存在以下问题［9］:(1)代表性差;(2)外界影响因素大;(3)不能考虑路基填料的离散性;(4)缺乏对压实的整体质量和均匀性的控制;(5)缺乏过程检测与重点检测。

1.2 动态连续压实质量检测

连续压实质量检测原理是根据振动轮在压实过程中，填料的压实度不同使振动轮的动力特性发生变化，通过安装在振动轮上的传感器检测振动的波形及振动强度出现的规律来判定填料压实状况。该方法具有以下优点［9］:(1)能在压实过程中实现实时检测;(2)均匀控制压实;(3)减少检测工作量和试验时间;(4)保证压实质量。目前该方法仍不成熟，国内没有统一的CMV参考标准值，现阶段处于摸索之中。

2 试验

2.1 试验填料

为研究动态连续同步压实指标CMV与传统路基压实检测指标Evd的相关性，在沪昆高铁客专湖南段内选取了5个路基段对2种不同的填料进行试验，一种填料是级配良好的粗角砾土，另一种为级配碎石，填料基本性质见表1。

2.2 试验过程

本次连续压实质量检测设备采用美国天宝公司(Trimble)生产的CCS900—CMV采集系统，试验压路机型号为8208K－5，主要技术参数如表2所示。

表1 填料物理指标Table 1 Physical index of granular fillings

表2 压路机技术参数Table 2 Roller technology parameters

随着压路机工作，连续压实系统沿着碾压轨迹，连续采集CMV指标，每20 cm产生1个数值。现行连续压实检测规范［8］规定相关性校验宜先对试验段进行连续振动压实试验，在完成之后应尽快进行相应的常规试验。按照土工试验规程［10］进行动态平板载荷试验，在轻、中、重3种碾压程度下，每2 m进行1次试验，不同碾压程度的检测点应保持在同一位置。对比试验布置如图1所示。为保证采集的数据具有可比性，在压实过程中，同一试验段内路基尽量使下述条件相同:

①下卧层(地基)刚度;②填土种类(最优含水量和最大干密度等);③填筑含水量;④碾压完成后层厚(一般偏差应≤15%);⑤碾压机型号和参数，包括振动频率、振幅和检测行驶速度、方向;⑥连续压实参数测定系统。

试验过程中，每个试验段均取100 m，填料含水率在6% ～7%，接近最优含水率(6.51%)，虚铺层厚度为28～32 cm，采集数据时压路机保持恒速、恒振幅和恒频率行驶，行驶速度约为5 km/h，振幅约为1.2 mm，振动的频率约为30 Hz。

图1 试验检测点整体布置示意图Fig.1 Overall layout diagram of test point

3 数据分析

由于连续压实与动态平板载荷2种检测方法的试验原理及试验过程各有差异，且规范［8］采用的拟合方式只从连续压实与常规检测指标的坐标对应出发，没有考虑整个路基的整体均匀性，以及指标所代表的有效面积，因此规范［8］中的点对点坐标对应拟合方式缺乏针对性及全面性。为了更准确地找到连续压实指标CMV与常规检测指标Evd之间的关系，本文从多角度出发，更具针对性和全面性地进行拟合分析。分析均采用一元线性回归模型，公式如下:

其中:X为连续压实指标值;Y为常规指标值;A和B分别为直线的斜率和截距。

3.1 拟合方式

3.1.1 坐标对应

从坐标对应角度考虑，第1种方式是采用规范［8］中的点对点拟合方式，如图2(a)。在相同试验条件和坐标下，利用试验采集的CMV和Evd数据来拟合分析2种检测方法间的关系。数据采集方法为:在动态平板载荷试验后，用GPS测出各Evd试验点的地理位置坐标，根据其坐标找出相应的连续压实指标CMV。该方法通过同一坐标获得试验数据，加强了指标的对应程度，简单明确。

3.1.2 有效面积对应

1个CMV值反映的是2 m×20 cm矩形平面内的路基压实效果，1个Evd值反映的是直径为30 cm圆形平面内的压实效果。在同等有效面积内，1个CMV值所反映的压实效果大致需要8个对应Evd的平均值来反映。

从有效面积对应角度考虑，第2种拟合方式采用点对平均值，如图2(b)。在相同试验条件和有效面积下，利用试验所采集的CMV和Evd数据来拟合分析2种检测方法间的关系。数据采集方法为:在1个CMV值的有效面积内，进行8次动态平板载荷检测试验，试验点布置为2排、每排4个，然后用GPS测出该8个Evd试验点的重心坐标，根据其坐标找出对应的CMV值。

由于动态荷载板直径为30 cm，其检测结果受填料粒径的影响较大，当荷载板位于大颗粒上方时，测试结果更多反映的是颗粒本身，而不是路基的整体压实效果，Evd试验结果离散性很大。与点对点方式相比，该方式减弱了Evd的局部性和离散性，增加了拟合结果的可靠。

3.1.3 整体对应

从整体角度考虑，第3种拟合方式采用平均值对平均值，如图2(c)。在1条碾压轮迹(长度为100 m)上，可获得50个Evd值和500个CMV值，同一碾压层轮迹较多，导致Evd和CMV的试验数据很多。同点对点或点对平均拟合方式相比，CMV平均值对Evd平均值拟合方式能充分利用试验所采集的数据。

该方式考虑的是整个碾压层，与实际情况较贴近，能更好地反映路基压实质量。数据采集方法为:在相同碾压程度下，利用采集的数据得出Evd的平均值和CMV的平均值，然后对其进行拟合分析。同前2种方式相比，该方式充分运用了CMV反映整体性的特点，减小了Evd和CMV的尺寸差异，并充分利用前两者未用到的试验数据，减少了拟合结果的离散性，增加了可靠性。

图2 拟合方式示意图Fig.2 Layout diagram of the fitting methods

3.2 拟合结果

按照上述3种拟合方式，对 DK370+278～DK370+698试验段各填筑层轻、中和重3种碾压程度的数据进行整理分析，图3为部分拟合结果。

对各个试验段的拟合结果进行汇总统计，如表3所示。

表3 CMV值与检测指标Evd的相关性统计表Table 3 Correlation statistics of the CMV and Evd

结果表明:Evd和CMV具有良好的相关关系，点对点方式的相关度在0.70以上;点对平均方式的相关度在0.80以上;平均对平均方式的相关度在0.90以上。由表3中相关性关系，通过粗角砾土和级配碎石填料的Evd规范值可得到CMV的控制值，建议分别取33和40。规范［8］中采用的坐标对应点对点拟合方式没有另2种方法相关度高，建议对规范［8］进行补充修正。

图3 3种线性拟合方式例图Fig.3 Example diagrams of three fitting methods

4 结论

(1)2种填料的Evd和CMV均具有良好的正相关线性关系，相关度系数均在0.7以上，CMV检测方法具有可行性，建议路基压实时采用CMV为主、传统Evd为辅的检测方法。

(2)点对点拟合相关度较低且波动性大，点对平均值和平均值对平均值的拟合相关度较高且稳定，故分析Evd和CMV的对应关系时，采用后两者拟合方式，效果较好，建议对《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程(TB10108—2011)》规范从坐标对应角度采用的点对点拟合方式进行补充修正。

(3)由2种填料确定的相关性回归公式和Evd规范值得到的CMV参考控制值可供参考。

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