高速铁路路基施工检测技术PPT.pptx

高速铁路路基施工检测高速铁路路基施工检测 l必要性：必要性：l一方面可以评价路基施工过程中或竣工后路基的质量，检验路基是否达到了设计要求，验证路基是否具有足够的强度能够承受列车动荷载的作用，同时又具备保证列车安全、舒适运行的合理刚度；l另一方面，可以了解施工过程的质量情况，控制施工进度，促进施工单位改进施工工艺，加强施工质量管理，保质保量地完成施工任务。发展过程l 检测填土压实质量的仪器和方法随着工业化的发检测填土压实质量的仪器和方法随着工业化的发展在不断地发生着变化，总的趋势是快速、准确地满展在不断地发生着变化，总的趋势是快速、准确地满足施工的需要。足施工的需要。1930年，美国工程师年，美国工程师Proctor通过试验通过试验提出，在相同的压实功能下，同一种土的干密度随土提出，在相同的压实功能下，同一种土的干密度随土中含水量的不同而变化，应用室内击实试验设备和现中含水量的不同而变化，应用室内击实试验设备和现场碾压机械都可获得最佳含水量场碾压机械都可获得最佳含水量Wopt和与之对应的最和与之对应的最大干密度大干密度dmax。Proctor还规定了室内击实试验的仪还规定了室内击实试验的仪器规格和试验操作方法。自此，各国均以此压实理论器规格和试验操作方法。自此，各国均以此压实理论和试验方法指导施工，并以填料压实系数的大小作为和试验方法指导施工，并以填料压实系数的大小作为控制填土压实效果的标准。早期的现场压实质量检查，控制填土压实效果的标准。早期的现场压实质量检查，主要用环刀法、灌砂法和灌水法测定土的密度，用此主要用环刀法、灌砂法和灌水法测定土的密度，用此指标判断压实土的强度和变形特性。指标判断压实土的强度和变形特性。l随着交通运输量的增加，公路垫层石碴随着交通运输量的增加，公路垫层石碴常在较大动荷载作用下被压入下覆的填常在较大动荷载作用下被压入下覆的填土层中，造成公路路面损坏。为此，美土层中，造成公路路面损坏。为此，美国加利福尼亚公路局首先提出了加州承国加利福尼亚公路局首先提出了加州承载比试验（简称为载比试验（简称为CBR试验），来预估试验），来预估压实土抵抗石碴压入的程度，以便选择压实土抵抗石碴压入的程度，以便选择合适的填料类型和确定合理的压实程度。合适的填料类型和确定合理的压实程度。许多国家在机场跑道、铁路路基等土工许多国家在机场跑道、铁路路基等土工结构物的施工中，也广泛采用了结构物的施工中，也广泛采用了CBR试试验方法。验方法。l在使用在使用CBR试验方法过程中，人们逐渐认识试验方法过程中，人们逐渐认识到，由于该方法的贯入头直径只有到，由于该方法的贯入头直径只有5 cm，贯，贯入的深度只有入的深度只有2.5mm，不能较好地反映填料，不能较好地反映填料的压实程度，于是将确定建筑物地基土承载的压实程度，于是将确定建筑物地基土承载力的荷载板试验方法运用到填土压实质量的力的荷载板试验方法运用到填土压实质量的检测中去，用荷载板试验确定的基床系数或检测中去，用荷载板试验确定的基床系数或变形模量的大小作为判断填料压实质量的标变形模量的大小作为判断填料压实质量的标准。用荷载板试验检测填土质量，能反映准。用荷载板试验检测填土质量，能反映4050cm深度范围内土的压实程度。国内外深度范围内土的压实程度。国内外荷载板直径多采用荷载板直径多采用30 cm。l传统的环刀法、灌砂法、灌水法等测定填土密度的传统的环刀法、灌砂法、灌水法等测定填土密度的方法，需待烘干后才能确定土的含水量，从试验到方法，需待烘干后才能确定土的含水量，从试验到得出结果需几小时或更长的时间，这与高效能的机得出结果需几小时或更长的时间，这与高效能的机械施工很不适应，在工期任务急的情况下，无法完械施工很不适应，在工期任务急的情况下，无法完成规范中规定的质量检测试验项目。成规范中规定的质量检测试验项目。l用放射性同位素测定土的密度和含水量。铁道部科用放射性同位素测定土的密度和含水量。铁道部科学研究院于学研究院于1980年首先购置了一套美国坎贝尔太平年首先购置了一套美国坎贝尔太平洋核子（洋核子（CPN）公司生产的（）公司生产的（MC2型）核子湿度密型）核子湿度密度仪。先后在天然地基土坑里对吹填黏性土及铁路度仪。先后在天然地基土坑里对吹填黏性土及铁路路基填土进行了对比试验。试验结果表明，该仪器路基填土进行了对比试验。试验结果表明，该仪器使用简便，测定迅速，所得结果与常规土工试验结使用简便，测定迅速，所得结果与常规土工试验结果比较接近，适合于配合填土施工。果比较接近，适合于配合填土施工。静态检测静态检测 l压实系数压实系数K l环刀法环刀法l用于不含砾石颗粒的细粒土和无机结合料改良土。用于不含砾石颗粒的细粒土和无机结合料改良土。l灌水法灌水法l用于粒径不大于用于粒径不大于60mm的粗粒料。的粗粒料。l灌砂法和气囊法（波义尔定律）灌砂法和气囊法（波义尔定律）l用于粒径不大于用于粒径不大于20mm的粗粒料。的粗粒料。l核子湿度密度仪核子湿度密度仪l用于细粒土和砂类土。用于细粒土和砂类土。l环刀法环刀法破坏性量测方法破坏性量测方法 l 环刀法是测量现场密度的传统方法。国内环刀法是测量现场密度的传统方法。国内习惯采用的环刀容积通常为习惯采用的环刀容积通常为200cm3，环刀高，环刀高度通常约度通常约5cm。用环刀法测得的密度是环刀内。用环刀法测得的密度是环刀内土样所在深度范围内的平均密度。它不能代土样所在深度范围内的平均密度。它不能代表整个碾压层的平均密度。由于碾压土层的表整个碾压层的平均密度。由于碾压土层的密度一般是从上到下减小的，若环刀取在碾密度一般是从上到下减小的，若环刀取在碾压层的上部，则得到的数值往往偏大；若环压层的上部，则得到的数值往往偏大；若环刀取在碾压层的底部，则所得的数值将明显刀取在碾压层的底部，则所得的数值将明显偏小。偏小。l就检测路基土压实质量而言，我们需要就检测路基土压实质量而言，我们需要的是整个碾压层的平均压实度，而不是的是整个碾压层的平均压实度，而不是碾压层中某一部分的压实度。因此，在碾压层中某一部分的压实度。因此，在用环刀法测定土的密度时，应使所得密用环刀法测定土的密度时，应使所得密度能代表整个碾压层的平均密度。然而，度能代表整个碾压层的平均密度。然而，这在实际检测中是比较困难的，只有使这在实际检测中是比较困难的，只有使环刀所取的土恰好是碾压层中间的土，环刀所取的土恰好是碾压层中间的土，环刀法所得的结果才可能与灌砂法的结环刀法所得的结果才可能与灌砂法的结果大致相同。果大致相同。l灌砂法灌砂法l 灌砂法属于对压实土面的破坏性量测方灌砂法属于对压实土面的破坏性量测方法，是利用均匀颗粒的砂去置换试洞的体法，是利用均匀颗粒的砂去置换试洞的体积。该方法用于砂、砾及碎石类土路基的积。该方法用于砂、砾及碎石类土路基的检测，也是当前最通用的方法，很多工程检测，也是当前最通用的方法，很多工程都把灌砂法列为现场测定密度的主要方法。都把灌砂法列为现场测定密度的主要方法。缺点是：需要携带较多量的砂，而且称量缺点是：需要携带较多量的砂，而且称量次数较多，因此它的测试速度较慢。次数较多，因此它的测试速度较慢。l试验中注意的问题试验中注意的问题l 灌砂法是施工过程中最常用的试验方法之灌砂法是施工过程中最常用的试验方法之一。此方法表面上看起来较为简单，但实际一。此方法表面上看起来较为简单，但实际操作时常常不好掌握，并会引起较大误差为操作时常常不好掌握，并会引起较大误差为使试验做得准确，应注意以下几个环节：使试验做得准确，应注意以下几个环节：l 1.量砂要规则。量砂如果重复使用，一定量砂要规则。量砂如果重复使用，一定要注意晾干，处理一致，否则影响量砂的松要注意晾干，处理一致，否则影响量砂的松方密度。方密度。l 2.每换一次量砂，都必须测定松方密度，每换一次量砂，都必须测定松方密度，漏斗中砂的数量也应该每次重做。因此，量漏斗中砂的数量也应该每次重做。因此，量砂宜事先准备较多数量。切勿到试验时临时砂宜事先准备较多数量。切勿到试验时临时找砂，又不作试验，仅使用以前的数据。找砂，又不作试验，仅使用以前的数据。l3.地表面处理要平整，只要表面凸出一点地表面处理要平整，只要表面凸出一点(1mm)，使整个表面高出一薄层，其体积，使整个表面高出一薄层，其体积也算到试坑中去了，会影响试验结果。因也算到试坑中去了，会影响试验结果。因此，本方法一般宜先做前期试验，只有在此，本方法一般宜先做前期试验，只有在非常光滑的情况下方可省去此操作步骤。非常光滑的情况下方可省去此操作步骤。l 4.在挖坑时试坑周壁应笔直，避免出现在挖坑时试坑周壁应笔直，避免出现上大下小或上小下大的情形，这样就会使上大下小或上小下大的情形，这样就会使检测密度偏大或偏小。检测密度偏大或偏小。l 5.灌砂时检测厚度应为整个碾压层厚，灌砂时检测厚度应为整个碾压层厚，不能只取上部或者只取下部碾压层的填料。不能只取上部或者只取下部碾压层的填料。l灌水法灌水法l 灌水法属于对压实土面的破坏性量测方灌水法属于对压实土面的破坏性量测方法，是利用水去置换试洞的体积。法，是利用水去置换试洞的体积。l气囊法气囊法l 气囊法属于对压实土面的破坏性量测方气囊法属于对压实土面的破坏性量测方法，是利用气囊式容积测定仪去计算试洞法，是利用气囊式容积测定仪去计算试洞的体积。该方法适用范围同灌砂法。的体积。该方法适用范围同灌砂法。l1水位标线；水位标线；2排气排气阀；阀；3封盖及手柄；封盖及手柄；l4活塞杆；活塞杆；5-水位管；水位管；6导向盘；导向盘；7缸筒；缸筒；l8球囊；球囊；9水溶液；水溶液；10活塞；活塞；11隔栅；隔栅；l12压盘；压盘；13护坑环；护坑环；14踏板；踏板；15气囊；气囊；l16压缩空气；压缩空气；17数数显测尺显测尺lCBR值值l 在既有道路的使用中发现，在交通荷载作用下，在既有道路的使用中发现，在交通荷载作用下，公路垫层石碴有可能被压入下覆的填土层中，从而公路垫层石碴有可能被压入下覆的填土层中，从而使路基面损坏，因此，使路基面损坏，因此，AASHTO首先提出了加州承首先提出了加州承载比试验（载比试验（CBR）。它是将规定尺寸（直径）。它是将规定尺寸（直径5cm）的探头贯入土中，在一定的贯入深度时，以其对应的探头贯入土中，在一定的贯入深度时，以其对应的荷载程度和的荷载程度和CBR基准比较，来确定地基承载能力基准比较，来确定地基承载能力的相对值。对铁路而言，由于现场的相对值。对铁路而言，由于现场CBR试验的探头试验的探头尺寸与道碴的尺寸相近且探头贯入土中的过程与道尺寸与道碴的尺寸相近且探头贯入土中的过程与道碴在列车荷载作用下挤陷入基床表层的现象相似，碴在列车荷载作用下挤陷入基床表层的现象相似，因此，将因此，将CBR试验作为铁路路基施工质量的检测手试验作为铁路路基施工质量的检测手段是比较合理的，所以，日本等国曾使用段是比较合理的，所以，日本等国曾使用CBR值检值检测铁路路基质量。测铁路路基质量。l荷载板试验荷载板试验l基床系数基床系数K30l 基床系数基床系数K30是日本和我国在铁路路基检测中常是日本和我国在铁路路基检测中常用的方法，是采用单循环荷载试验。用单位面积压用的方法，是采用单循环荷载试验。用单位面积压力除以承压板相应的下沉量表示的（力除以承压板相应的下沉量表示的（MPa/m），计），计算时选用的沉降量为算时选用的沉降量为0.125cm。以级配碎石或级配。以级配碎石或级配砂砾石的基床表层为前提的路堤结构，列车荷载产砂砾石的基床表层为前提的路堤结构，列车荷载产生的道床压力，通过基床表层结构大致均匀地分布生的道床压力，通过基床表层结构大致均匀地分布在路堤上部，作用范围比以往采用土质基床表层要在路堤上部，作用范围比以往采用土质基床表层要大，从压力的传递程度及路堤堤身承受压力的情况大，从压力的传递程度及路堤堤身承受压力的情况看，采用直径为看，采用直径为30cm的承压板试验确定路基填土的的承压板试验确定路基填土的承载力密实度与列车荷载实际传递状况相接近，比承载力密实度与列车荷载实际传递状况相接近，比以往的规定要合理。以往的规定要合理。l变形模量变形模量El变形模量是西欧、北美等国已广泛使用的铁路路基压变形模量是西欧、北美等国已广泛使用的铁路路基压实检测方法。在荷载板试验应用过程中，常用的加载实检测方法。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。单循环静载是按方式有单循环静载和二次循环静载。单循环静载是按每级每级40kPa加载，当每级加载完成后，每间隔一分钟读加载，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环静载也是按每级40kPa加载，分级加载到最后一级荷加载，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载的沉降稳定后，开始卸载，卸载梯度按最大荷载的0.5或或0.25倍逐级进行，全部荷载卸除后记录其残余变倍逐级进行，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。采用形，之后又开始另一加载循环。采用d=30cm的荷载板的荷载板试验计算变形模量时，荷载一直加到沉降值达试验计算变形模量时，荷载一直加到沉降值达5mm或或承压板正应力达到承压板正应力达到0.5MPa为止。为止。l变形系数变形系数 Ev2l为了更有效地分析土的变形性质和承载能力，西德为了更有效地分析土的变形性质和承载能力，西德标准采用了二次循环静载法，其结果采用变形系数标准采用了二次循环静载法，其结果采用变形系数Ev2表示表示 施工质量的动态检测施工质量的动态检测 l无论是基床系数无论是基床系数K30、变形模量、变形模量E和变形系数和变形系数Ev2都都是通过施加静荷载测得的，尚不能完全反映列车在是通过施加静荷载测得的，尚不能完全反映列车在动荷载作用下对路基的真实作用情况。随着高速铁动荷载作用下对路基的真实作用情况。随着高速铁路的出现，在高速列车动荷载作用下路的出现，在高速列车动荷载作用下,路基表现为动路基表现为动态行为（产生动态变形）。为保证列车的安全与正态行为（产生动态变形）。为保证列车的安全与正常运行，必须对路基的动变形加以控制，同时要全常运行，必须对路基的动变形加以控制，同时要全面反映路基的质量和状态。德国铁路咨询公司地基面反映路基的质量和状态。德国铁路咨询公司地基研究所首先提出了反映路基动态特性的指标研究所首先提出了反映路基动态特性的指标动动态变形模量，并于态变形模量，并于1997年用于高速铁路路基的压实年用于高速铁路路基的压实检测。日本也正在进行其研究，并准备将其纳入铁检测。日本也正在进行其研究，并准备将其纳入铁路规范。路规范。l动态检测原理动态检测原理l在被检测的路基面上放置一块一定直径的承在被检测的路基面上放置一块一定直径的承压板，通过一落锤在一定高度处自由下落，压板，通过一落锤在一定高度处自由下落，落到一缓冲装置后，再经承压板在填土面施落到一缓冲装置后，再经承压板在填土面施加一冲击动荷载，使填土面产生沉陷。通过加一冲击动荷载，使填土面产生沉陷。通过测试冲击动荷载的大小、板及板周围一定范测试冲击动荷载的大小、板及板周围一定范围内填土面的动变形，利用专用的信号采集围内填土面的动变形，利用专用的信号采集及数据处理软件，来求算路基土层的动模量。及数据处理软件，来求算路基土层的动模量。承载板的沉陷值越大，被测点的承载能力越承载板的沉陷值越大，被测点的承载能力越小，动模量也越小，反之，越大。因此，动小，动模量也越小，反之，越大。因此，动模量能反映该处的承载力。模量能反映该处的承载力。承压板落锤缓冲装置传感器路基面1.脱钩装置；2.落锤；3.导向杆4.阻尼装置；5.荷载板；.6.沉陷测定仪l动态平板载荷试验是采用动态平板载荷试验仪（来监控检测土体承载力指标 动态变形模量Evd的试验方法。测得的土体变形是由规定的动态冲击荷载（）产生的。试验时，落锤从设定的高度自由下落在阻尼装置上而产生符合测试条件的冲击荷载，由此引起的土体的变形S(即荷载板的沉陷值)通过沉陷测定仪采集记录下来，再通过平板压力公式计算得出Evd值(MPa)。l 式中：Evd 动态变形模量(MPa)，计算至0.1MPa；荷载板半径(mm)；荷载板下的动应力(MPa)；S 荷载板的沉陷值(mm)；1.5 荷载板形状影响系数。l实际使用时简化成：l Evd=22.5/S