用于粗粒土构筑的铁路路基的地基系数K

摘要

本发明公开了一种用于粗粒土构筑的铁路路基的地基系数K

说明书

技术领域

本发明涉及一种土工试验方法，尤其涉及一种铁路路基压实质量检测的地 基系数K₃₀试验方法。

背景技术

合理高效地进行路基压实质量检测对保证路基填筑质量、提高施工效率具 有重要意义。我国自1985年修建大同-秦皇岛重载铁路中开始引入地基系数K₃₀试验方法，并在随后的铁路工程路基填筑压实检测中得到广泛应用。目前，K₃₀指标已经成为铁路路基的主要技术指标之一，并已正式列入《铁路路基工程质 量检验评定标准》(TB10414-2003)、《铁路路基设计规范》(TB10001-2005)和 《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621-2009)。我国在该试验方法引进之初， 并没有出台相应的试验规程，铁基函[1988]164号文件中首次对“K₃₀承载板试 验装置的使用及保养”进行了规定和说明，随后该规定一直沿用近16年。为 了统一该试验方法在多年的实际应用过程中出现的相关问题，在参照日本《公 路的平板载荷试验方法》(JISA1215-1995年修订版)的基础上制定了地基系数 K₃₀试验方法，并首次正式纳入《铁路土工试验规程》(TB10102-2004)，经修订 后在《铁路土工试验规程》(TB10102-2010)中继续收录。

《铁路土工试验规程》(TB10102-2010)规定的地基系数K₃₀试验方法，其 作法是：测试场地面平整、安置地基系数测试仪后，对测试面上直径为30cm 的承载板预加0.04MPa的荷载，30s后卸除荷载，将此时测表读数的下沉量作 为后续第一级加载试验的起始读数。然后以0.04MPa为荷载进行第一级加载试 验，再以0.04MPa为荷载增量进行逐级加载试验，每级加载时，观测荷载施加 完成后承载板每间隔1分钟的下沉增量，当1分钟的下沉增量不大于该级荷载 的下沉量的1％时，完成该级加载试验，记录该级荷载的下沉量并作为下一级加 载试验的初始读数，然后进行下一级加载试验。当下沉总量达到1.25mm且加 载级数不少于5级时，终止试验。根据试验结果，绘制荷载强度与相应下沉总 量的关系曲线，进而确定出下沉量为1.25mm所对应的荷载强度σ_s，由公式 K₃₀＝σ_s/s计算得到K₃₀值，其中s＝1.25×10^-3m，σ_s的单位为MPa，地基系数K₃₀值 的单位为MPa/m。地基系数K₃₀能够较好反映路基结构抵抗变形的能力，也即 能够较好反映路基的压实质量。

现行《铁路土工试验规程》(TB10102-2010)规范在逐级加载试验过程中 以1min内的下沉增量不大于该级荷载下沉量的1％作为施加下一级荷载的控制 标准(即1％变形稳定控制标准)，其目的在于使得每级荷载作用下的下沉量尽 量接近于最终的沉降量，即在该级荷载作用下99％的变形已经完成后再施加下 一级荷载，这种相对严格的变形稳定控制标准对于真实准确反映土体结构抵抗 变形能力，从理论上讲是合理的，但作为需在筑路现场进行的路基压实质量检 测的试验方法，存在以下不合理之处：1)需在每级荷载施加完成后每间隔1min 记录下沉增量，并计算下沉增量与该级加载试验下称量的百分比是否满足了1％ 变形稳定控制标准，使得试验过程操作复杂；2)根据《高速铁路设计规范(试 行)》(TB10621-2009)对基床表层K₃₀值不小于190MPa/m和基床底层的K₃₀值不 小于150MPa/m(碎石类及粗砾类)或130MPa/m(砂类土及细砾土)的要求，以及 试验下沉量为1.25mm的限制和每级荷载0.04MPa的荷载增量，换算得到每级 荷载作用下的平均下沉量约为0.2～0.3mm；对于用级配碎石添加3％～5％水泥 填筑的过渡段基床结构，现场检测的K₃₀值甚至高达300～400MPa/m，每级荷载 作用下的平均沉降变形在0.1～0.15mm之间。两种情况下对应的1％的变形增量 约为0.001mm～0.003mm，超过了百分表0.01mm的测试精度，若使用千分表理 论上能够达到该测试精度要求，但由于千分表的使用环境苛刻，不适用于现场 施工环境使用，因而极难判定是否满足了1％变形稳定控制要求，导致现场很难 严格执行该条要求。3)实验室条件下，严格按照现行规范要求进行的K₃₀试验 表明：当K₃₀值分别为214MPa/m和380MPa/m时，仅每级荷载作用下达到1％变 形稳定标准的荷载保持时间总和就分别为53.2min和130min，所需的试验时间 较长，试验效率低，施工中，需等待检测试验完成且检测指标合格后方能进行 后续的路基填筑，停工等待时间长，严重影响工程进度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于粗粒土构筑的铁路路基的地基系数K₃₀试验方 法，该方法操作简单，易于实施，所需试验时间短，试验效率高，且其试验误 差小，能够保证路基压实质量的正确判定。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种用于粗粒土构筑的铁路 路基的地基系数K₃₀试验方法，包括的步骤有：场地测试面平整、地基系数测 试仪安置、加载试验中的预加载和逐级加载；其特征在于，所述的加载试验中 的逐级加载的具体作法是：以每级荷载的增量为0.04MPa逐级加载，第一级荷 载施加完成后的荷载保持时间为2分钟，从第二级荷载开始，每级荷载加载完 成后的荷载保持时间的分钟数与加载级数相等，且在每级加载的荷载保持时间 满足要求时记录该级加载的下沉量，直至达到地基系数K₃₀试验的试验终止条 件时，结束试验。

本发明的粗粒土是指《铁路路基设计规范》(TB10001-2005)中界定的除 砂类土以外的粗粒土，且其相关指标满足“A组、B组填料”要求的路基填料 以及符合《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621-2009)中的“级配碎石”要 求的路基填料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、逐级加载试验时，无需在每一级加载完成后每隔1分钟记录下沉增量， 并计算是否满足了1％变形稳定控制要求，仅需在每级加载试验时观察荷载施加 完成后的荷载保持时间是否满足要求，并在满足要求时记录该级荷载的沉降量 即可。大大减小试验中的记录与计算，操作简单，易于实施。

二、无需计算每分钟是否满足了1％变形稳定控制要求，从而对沉降测试表 的精度不要求达到0.001mm，使用普通百分表即可满足试验要求，适于施工现 场使用。

三、所需试验时间短，试验效率高。实际的试验验证证明，本发明所需荷 载保持总时间仅为现有规范的50％左右。减小了施工中的停工等待时间，加快 了工程进度。

四、实际的试验验证证明，本发明的试验方法得到的K₃₀值相对现有规范 方法得到的K₃₀值偏大约5％左右，该系统误差低于现有规范方法在施工现场的 随机误差。因此，本发明方法能够保证路基压实质量的正确判定。并且本发明 方法还可通过与现有方法进行系列成对试验，分析得出相应的校正系数或校正 曲线，以消除该系统误差，进而进一步保证路基压实质量的正确判断。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

附图说明

图1为采用本发明方法与现有规范方法对粗粒土构筑的路基模型一(压实 系数0.95)进行试验得到的荷载强度-下沉量曲线。

图2为采用本发明方法与现有规范方法对粗粒土构筑的路基模型一(压实 系数0.95)进行试验时，荷载保持时间与加载试验级数的关系曲线。

图3为采用本发明方法与现有规范方法对粗粒土构筑的路基模型二(压实 系数1.0)进行试验得到的荷载强度-下沉量曲线。

图4为采用本发明方法与现有规范方法对粗粒土构筑的路基模型二(压实 系数1.0)进行试验时，荷载保持时间与加载试验级数的关系曲线。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式是，一种用于粗粒土构筑的铁路路基的地基系 数K₃₀试验方法，包括的步骤有：场地测试面平整、地基系数测试仪安置、加 载试验中的预加载和逐级加载。预加载时荷载为0.04MPa，加载试验中的逐级 加载的具体作法是：以每级荷载的增量为0.04MPa逐级加载，第一级荷载 (0.04MPa)施加完成后的荷载保持时间为2分钟，从第二级荷载(总荷载 0.08MPa)开始，每级荷载加载完成后的荷载保持时间的分钟数与加载级数相 等，且在每级加载的荷载保持时间满足要求时记录该级加载的下沉量，直至达 到地基系数K₃₀试验的试验终止条件(下沉总量达到1.25mm且加载级数不少于 5级)时，结束试验。

以下是采用本例方法的二个具体试验验证例。

试验验证例一

通过在室内模型槽内填筑模型，进行地基系数K₃₀试验。模型的平面尺寸 为180cm×180cm，高度为90cm，分别是试验用加载板直径(30cm)的6倍和3 倍，以降低边界效应的影响。试验用料为某高速铁路用于填筑基床表层的级配 碎石，通过筛分试验得到其颗粒组成：最大粒径未超过40mm，20～40mm的颗 粒含量为17.8％，大于2mm的颗粒含量为73.5％，小于0.075mm的颗粒含量为 6.8％，不均匀系数为68，曲率系数为4.6。通过击实试验(重型Z3)确定该填 料的最大干密度为2.4g/cm³，最佳含水率5％。

在模型槽内按压实系数0.95控制，分4层采用级配碎石填筑模型，从下 往上的厚度依次为20cm、20cm、25cm、25cm。

试验采用高精度的电涡流位移计(0.001mm)测试每级荷载作用下沉降变 形。

分别按《铁路土工试验规程》(TB10102-2010)中地基系数K₃₀试验方法和 本发明方法对上述路基模型进行试验，得到荷载强度-下沉量关系曲线，如图1 所示。根据图1的荷载强度-下沉量关系曲线计算得到的K₃₀值分别为214MPa/m 和221MPa/m，可见，本发明方法所得的L₃₀值相对现有规范方法的误差仅为 3.27％。

图2为现有规范方法和本发明方法的加载试验中每级荷载的保持时间与 加载试验级数的关系曲线，按规范方法完成试验所需的荷载保持总时间为 53.2min，而本发明方法完成试验所需的荷载保持总时间仅为29min，相对规范 方法减少45.5％。

试验验证例二

模型填料与试验验证例一相同。

在模型槽内按压实系数1.0控制，分4层采用级配碎石填筑模型，从下往 上的厚度依次为20cm、20cm、25cm、25cm。

试验采用高精度的电涡流位移计(0.001mm)测试每级荷载作用下沉降变 形。

分别按《铁路土工试验规程》(TB10102-2010)中地基系数K₃₀试验方法和 本发明方法对上述路基模型进行试验，得到荷载强度-下沉量关系曲线，如图1 所示。根据荷载强度-下沉量关系曲线计算得到的K₃₀值分别为380MPa/m和 221MPa/m，根据本发明方法所得的K₃₀值相对规范方法的误差仅为6.05％。图2 为规范方法和本发明方法的加载试验中每级荷载的保持时间与加载试验级数 的关系曲线，按规范方法完成试验所需的荷载保持总时间为130.6min，而本发 明方法完成试验所需的荷载保持总时间仅为67min，相对规范方法减少48.7％。

在实际施工现场对同一填料同一填筑压实标准按现有规范方法测出24个 试验点的K₃₀值如下表。从下表的统计数据可以看出，该测试工点采用现有规 范方法的随机测试误差在-21.24％～15.32％之间变化，其标准差为11.09％，本 发明方法的系统误差小于现有规范方法的随机测试误差。因而，能够保证路基 压实质量检测的正确判定。

试验点编号 K₃₀值(MPa/m) 与平均值的差值 误差 1 172 -22.25 -11.45％ 2 194 -0.25 -0.13％ 3 153 -41.25 -21.24％ 4 166 -28.25 -14.54％ 5 159 -35.25 -18.15％ 6 224 29.75 15.32％ 7 198 3.75 1.93％ 8 204 9.75 5.02％ 9 214 19.75 10.17％ 10 218 23.75 12.23％ 11 188 -6.25 -3.22％ 12 218 23.75 12.23％ 13 206 11.75 6.05％ 14 165 -29.25 -15.06％ 15 208 13.75 7.08％ 16 211 16.75 8.62％ 17 206 11.75 6.05％ 18 208 13.75 7.08％ 19 206 11.75 6.05％ 20 160 -34.25 -17.63％ 21 169 -25.25 -13.00％ 22 192 -2.25 -1.16％ 23 214 19.75 10.17％ 24 209 14.75 7.59％ 平均值 194 标准差 11.09％