铁路路基压实质量连续检测指标的相关性及影响因素

左君 高翔 马殷军 张世恩 徐锋 邹国峰

1.中建铁路投资建设集团有限公司，北京 102601；2.中南大学土木工程学院，长沙 410075；3.中国铁路兰州局集团有限公司兰州工程建设指挥部，兰州 730051

随着我国铁路的快速发展建设，连续压实控制技术在路基工程中得到越来越多的运用，压实质量连续检测指标成为连续压实控制技术在实际应用中保持性能稳定可靠的关键［1］。Mooney等［2］试验发现压实质量连续检测指标在粗粒土和细粒土中随压实工艺变化的规律正好相反，并指出不同振动压实工艺对压实计值（Compaction Meter Value，CMV）等连续检测指标的影响；范娟等［3］试验揭示了不同压实参数对C M V的影响程度；吴龙梁等［4］基于土石坝研究了激振力和行进速度对C M V、压实控制值（Compaction Control Value，CCV）、土体刚度系数Ks、振动压实值（Vibration Compaction Value，VCV）等连续检测指标测值偏差的影响规律，并通过分析指出激振力对各连续检测指标相关性的影响；张海欧等［5］针对不同类型土石混合填料，试验分析了松铺厚度、碾压遍数、压实机械等对VC V和动态变形模量Evd相关性的影响；刘东海等［6-7］针对堆石料研究了实时监测指标与不同碾压参数之间的相关性和适应性。然而，目前大多数研究针对单一连续检测指标或其与单一非连续指标的比较，且由于各类指标检测方法和检测原理差异较大，导致研究成果有一定局限性。此外，对于连续检测指标稳定性与可靠性的研究，缺少振动压实参数对其变异性和相关性影响的分析，从而限制了连续压实控制技术在实际工程中的推广应用。

本文通过开展现场连续压实试验，研究工程中主要振动压实工艺参数对C M V稳定性和可靠性的影响；通过变异系数分析研究压实工艺对CM V稳定性的影响规律；通过CMV与不同非连续检测指标相关性分析，研究压实工艺对C M V可靠性的影响，从而为路基连续压实控制技术提供参考。

1 路基压实质量检测方法

1.1 非连续压实质量检测

国内外常用的压实质量非连续检测方法包括压实度检测、动态平板荷载试验检测、土体刚度检测等，分别可以获得填筑土层的压实度K、动态变形模量Evd和土体刚度Geo。非连续检测技术能较为准确地反映路基压实质量，但存在代表性不足、缺乏过程控制和整体控制、受外界因素影响大等问题。

1.2 连续压实质量检测

连续检测技术能够克服非连续检测技术的缺点，进行全程动态检测与控制。连续压实质量检测是指在压实过程中基于振动传感器实时地对路基压实质量情况进行检测［8-9］。图1为连续压实质量检测系统。通过对振动传感器获得的信号进行分析处理，从而评价路基填料压实状态，并以C M V表示，即

图1 连续压实检测系统

式中：k为校准系数，一般取300；A1为一次谐波加速度振幅，mm；A0为基频加速度振幅，mm。

2 压实试验

为分析C M V在粗粒土填料路基压实中的稳定性与可靠性，及CM V与非连续检测指标Evd、Geo、K的相关关系，选取兰张三四线K232+500—K232+620段进行试验研究。

2.1 试验填料

路基分层填筑，取其中一层进行试验，填筑厚度40 cm，填料类型为间断级配中圆砾土，属A组填料，见表1。

表1 填料物性指标

2.2 试验过程

试验采用XG622MH型压路机，RollNav TC63型智能压实检测系统。选取试验场地120 m（长）×32 m（宽），划分为9个试验带。为避免轮迹搭接对不同碾压遍数下压实效果的影响，试验带之间间隔1 m。

现场试验设计见表2。试验1通过正交试验研究不同激振力和碾压速度对C M V稳定性的影响，以及激振力对CMV可靠性的影响。试验2在不同碾压速度下进行相关性校验，研究碾压速度对C M V可靠性的影响。试验3对不同碾压遍数下进行相关性校验，研究碾压遍数对压实质量检测指标的影响，并给出压实质量连续检测的建议。

表2 现场试验设计

除C M V全程检测外，其他压实质量检测试验均为非连续检测，每条试验带上，隔10 m测一行Evd和Geo数据；从有效面积对应考虑，一行测6个Evd和Geo数据，取平均值来反映该点处CMV对应的压实效果，每带测8行数据；每隔20 m测一组K数据，测点位置与Evd和Geo测点位置重合，每带测4行数据，试验带及检测点布置如图2所示。试验中碾压方向均为正向碾压。

图2 试验带及检测点设置示意

3 数据分析

3.1 激振力和碾压速度对C MV稳定性的影响

将每条试验带的C M V均值作为该试验带连续压实质量检测参数代表值，并计算不同压实工艺下C M V的变异系数，计算结果见表3和图3。可知：压路机振动压实过程中，激振力和碾压速度不同，CM V的稳定性也有所不同；变异系数越小，检测结果波动越小，CMV越稳定。碾压速度相同时，弱振工艺下CMV的变异系数小于强振，表明弱振工艺下CM V更稳定；激振力相同时，快速碾压的变异系数小于慢速碾压，表明快速碾压时CMV更稳定。当激振力为270 kN、速度为5 km∕h时，CM V变异系数最小，表明快速弱振工艺下CMV最稳定。

图3 不同激振力和碾压速度下C M V测值变化曲线

表3 不同压实工艺下C MV均值与变异系数

为进一步探究激振力和碾压速度对CM V稳定性的影响规律，对不同压实工艺引起的C M V变异系数偏差进行统计，结果见表4。

表4 CMV变异系数偏差

由表4可知，碾压速度不同引起的CMV变异系数偏差为1.46%～2.11%，激振力不同引起的C M V变异系数偏差为6.74%～7.39%。由碾压速度引起的C M V稳定性偏差相对较小，激振力引起的C M V稳定性偏差相对较大。因此，实际工程中应用连续压实控制技术时应当尽量保持激振力稳定。

3.2 激振力对相关性校验影响

为进一步研究激振力对CMV可靠性的影响，通过试验2对不同激振力下CMV与非连续压实质量检测指标Evd、Geo、K进行相关性校验，如图4所示（图中下标a为强振，激振力390 kN，虚线；下标b为弱振，激振力270 kN，实线）。可知，强振和弱振时，CMV与各非连续压实质量检测指标之间的相关系数大于0.7，具有强相关性，且满足压实质量连续检测规范要求；同时，弱振时C M V与非连续检测指标（Geo除外）的相关系数均大于强振时。采用强振进行压实时，振动轮会产生较多跳振，而跳振时振动轮与土体处于脱离状态，不再满足轮-土耦合接触关系，从而导致强振下得到的CMV离散性较大，这也与3.1节中强振工艺下C M V变异系数大的结果相符合。由此可知，激振力对CMV相关性校验的影响显著，且在弱振下CMV相关性校验结果更好。

图4 不同激振力下CMV与非连续压实指标相关性校验结果

3.3 碾压速度对相关性校验影响

为了分析碾压速度对CMV可靠性的影响，通过试验3获得不同碾压速度下CM V与非连续检测指标检测结果，对采集数据进行线性回归分析，得到不同碾压速度下C M V与非连续检测指标的相关系数见表5。

表5 不同速度下CM V与非连续指标相关系数

由表5可知，在弱振工艺下，快速碾压和慢速碾压时CM V与Evd、K之间的相关系数大于0.7，具有强相关性，满足规范要求；CMV与Geo的相关系数部分在0.5～0.7，具有弱相关性，不满足规范要求。快速碾压与慢速碾压得到的C M V与各指标相关系数之间则较为接近，影响不显著。

结合3.2节可知，在振动碾压过程中，C M V与Evd和K相关性强，与Geo相关性较弱。分析可知，各压实质量检测指标的测试影响范围和力学原理不同导致了CM V与各指标之间相关性的差异，各检测指标影响范围如图5所示。C M V检测影响范围即振动轮接触作用范围，与Evd和K检测范围基本相同，与Geo检测范围则有所不同，从而导致了压实质量检测结果的不同和相关性的差异。

图5 不同压实质量检测指标影响范围示意

由此可知，碾压速度对C M V相关性校验影响不显著，但检测影响范围对C M V相关性校验影响显著。

3.4 碾压遍数影响

为探究碾压遍数对C M V相关性校验和压实质量检测指标数值的影响，通过开展试验3对不同碾压遍数下C M V与非连续检测指标进行相关性分析，结果见表6。

表6 不同碾压遍数下CM V与非连续检测指标相关系数

由表6可知，在不同碾压遍数下，C M V与各非连续检测指标间相关系数均大于0.7，具有强相关性且满足规范要求。此外，第2遍（强振）时各相关系数基本小于其他遍数（弱振），而各检测指标间相关系数与碾压遍数之间并无明显关系。结合3.2节和3.3节可知，上述规律与激振力和碾压速度对相关性校验的影响规律一致，与碾压遍数无关，因此碾压遍数对C M V与非连续检测指标相关性校验无显著影响。

为进一步探究碾压遍数对压实质量检测指标数值的影响，统计不同碾压遍数下压实质量检测指标均值变化情况，见表7。可知：CMV、Evd和K随碾压遍数的增加而增大，与吴龙梁等［4］的结论相一致，Geo则随碾压遍数的增加呈波动增大。

表7 不同碾压遍数下压实质量检测指标的均值

对碾压遍数与各检测指标均值进行相关性分析，得到相关系数见表8。可知：CMV、Evd和K与碾压遍数的相关系数均大于0.7，具有较好的相关性；Geo与碾压遍数之间的相关系数在0.5～0.7，相关性较弱。此外，相比工程验收时的K检测，Evd检测更加方便高效。因此在实际工程中，建议路基压实时采用C M V连续检测为主、传统Evd检测为辅的检测方法，并在连续压实控制中尽量保持激振力稳定。

表8 碾压遍数与压实质量检测指标的相关系数

4 结论

1）相同条件下，C M V变异系数的大小关系为：弱振＜强振，快速碾压＜慢速碾压。此外，由碾压速度不同引起的C M V变异系数偏差为1.46%～2.11%，由激振力不同引起的C M V变异系数偏差为6.74%～7.39%。激振力对C M V稳定性影响更显著。

2）激振力对CMV相关性校验影响显著；碾压速度和碾压遍数对C M V相关性校验影响较小，而检测影响范围对CM V相关性校验影响显著。

3）针对中圆砾土填料，在不同压实工艺下，C M V与Evd、K均有良好的线性相关关系。鉴于CM V和Evd检测的便利性，进行路基压实连续检测时宜采用C M V连续检测为主、传统Evd检测为辅的方法，并在连续压实控制中尽量保持激振力稳定。