路基土工试验教程.doc

1 路基、路基病害与路基检测 本章介绍了新建铁路、公路路基设计规范对基床、路堤、地基等的规定技术标准和技术要求，以及既有线的技术规则和要求，总结了既有线路基病害与危害的类型和特征，论述了路基检测的目的和意义，说明了路基检测的内容、方法和技术。 11 新建铁路、公路路基 路基是铁路轨道和公路路面的基础，是铁路和公路系统的重要组成部分，随着速度提高，车辆的安全、舒适和平稳性要求更高，保证新线路基在填筑时的质量愈显重要。 经过多年试验和实践，中国铁路根据运输模式、新建铁路和改造铁路在经济性和舒适性方面平衡而提出了不同的技术要求，制订了适用于不同类型和等级的新建铁路的路基设计压实指标和检测方法，对道床、基床和路堤的填料、厚度、压实标准都有相应的规定。 世界各国对土体压实质量执行的标准不同，因此检测方法也各异。各国现行路基压实标准有10种以上，均是以各个国家或部门根据自己多年经验累积而得的。这些压实指标是互相关联的，可归纳为两大类，即测试土的物理指标和测试土的力学指标。力学指标是反映土的强度和变形的综合指标,如地基系数、二次变形模量Ev2等，物理指标是为满足力学性能的辅助指标，如压实系数K、孔隙率n，因此，两种指标应按需要配合使用，目的是确保路基的强度和稳定。 目前中国铁路路基工程中对不同等级的线路和填土主要使用6种不同压实质量检测指标，即压实系数K、孔隙率”、相对密度Dr、地基系数K30。、动态变形模量Evd和二次变形模量Er2。随着铁路路基工程建设的发展，借鉴国内外先进的检测技术和经验，中国的路基技术标准会进一步发展和完善。 111 新建时速160km客货共线铁路 2005年4月25日发布实施的铁路路基设计规范，适用于铁路网中客货列车共线运行、旅客列车设计行车速度等于或小于160kmh、货物列车设计行车速度等于或小于120kmL的I、U级铁路路基的设计。该规范对基床和路堤填料及其压实标准提出了具体要求，对路基的工后沉降也提出了要求。 1基 床 路基基床总厚度为25 m，基床表层厚度为o6m，基床底层厚度为19m。基床填料及其压实标准分述如下。 (1)基床表层 I级铁路应选用A组填料(砂类土除外，填料分组参见铁路路基设计规范，以下同)，当缺乏A组填料时，可采用级配碎石或级配砂砾石。级铁路应优先选用A组填料，其次为B组填料。对不符合要求的填料，应采取土质改良或加固措施。填料的颗粒粒径不得大于 第1页150 mm。 基床表层的压实控制指标和标准见表11和表l2。 (2)基床底层 I级铁路应选用A、B组填料，否则应采取土质改良或加固措施。级铁路可选用A、B、C组填料。当采用C组填料时，在年平均降水量大于500mm地区，其塑性指数不得大于12，液限不得大于32，否则应采取土质改良或加固措施。填料的颗粒粒径不应大于200mm，或摊铺厚度的23。 基床底层的压实控制指标和标准见表11。 2路 堤 路堤基床以下部位填料，宜选用A、B、C组填料。当采用D组填料时，应采取加固或土质改良；严禁使用E组填料。 路堤基床以下部位填料的压实标准见表13。 3地 基 软土及其他类型松软地基上的路基应进行工后沉降分析。路基的工后沉降量应满足I级铁路不应大于200n1，路桥过渡段不应大于10cm，沉降速率均不应大于5cm/年；级铁路不应大于30cm。第2页2 地基系数K30检测 路基压实质量控制的目的是对路基的承载能力和沉降变形进行控制，保持线路稳定与平顺，保证列车能安全、舒适、高速运行，而控制和检测压实质量的标准、方法和设备，则是保证压实质量的途径和措施。 平板载荷试验被广泛地应用于铁路、公路、机场和其他工业与民用建筑工程的地基检测中。作为一种强度及变形指标，地基系数能够直观地表征路基刚度和承载能力。 中国自大秦重载铁路修建开始，引入地基系数K，值作为路基填料压实质量的检测控制指标，在铁路路基施工方面得到推广应用。K30平板载荷试验是一种检测路基压实质量有效的施工现场试验方法。目前，地基系数K。已成为现行新建铁路控制基床和路堤填料压实质量的主要指标之一。 本章内容主要包括K30的概念与发展、试验的适用条件和要求、试验仪器和试验方法，试验结果计算和试验仪器校验方法。 21 概念与发展 21 1 地基系数K3，的概念 地基系数K“是表示土体表面在平面压力作用下产生的可压缩性的大小。它是用直径为300mm的刚性承载板进行静压平板载荷试验，取第一次加载测得的应力位移(q-s)曲线上s为125mm时所对应的荷载Qs，按K30Qs125计算得出，单位是MPam。 试验采用的承载板面积不尽相同，通常采用直径750mm或762miil的圆形载荷板。使用的载荷板直径不同，测得的地基系数也不同，一般以载荷板直径加注说明。例如，载荷板直径分别为300111HI，600mm，750mm的地基系数分别以K30，K60,K75表示。因此，Ka30是地基系数的一种。日本为了试验的省力和操作亡的方便，使用300mm直径荷载板，并取K30作为标准值，使用其他直径载荷板测定的地基系数，可按相关公式换算为标准K30值。 212 K30平板载荷试验的发展 从20世纪30年代开始，美国提出压实度指标，即压实系数K、相对密度D，或孔隙率n，至今仍然作为世界各国路基设计及施工控制的土的压实质量标准。虽然压实度为参数的路基压实质量标准具有击实试验指导现场施工、现场检测简便等优点，但是，对于高速铁路或其他对强度指标要求严格的情况，仅靠压实度参数来反映填土的压实质量是有其局限性的。 为了保证路基填土的强度指标，20世纪7080年代，许多国家开始用强度及变形指标作为路基填土质量控制参数，即所谓的抗力检测法。其中包括美国的CBR(加州承载比值)标准，德国、法国、奥地利和瑞士等国家的静态变形模量Ev2标准，日本的地基系数K3。标准等。第26页可见，采用强度及变形参数作为控制指标是路基质量标准的一大进步。 中国铁路系统自1985年大秦线施工引入Ks。平板载荷试验以来，在铁路建设中已经逐步推广应用。从K30在中国铁路系统应用的情况来看，无论是仪器设备、试验方法，还是设计标准均已趋于成熟。地基系数K3。已成为新线铁路控制基床和路堤填料压实质量的主要指标之一，并已正式列入铁路路基工程质量检验评定标准(TBl04142003)和铁路路基设计规范(TBlOOOl一2005)。K30平板载荷试验作为一种强度及变形指标，能够直观地表征路基刚度和承载能力。中国参照日本公路的平板载荷试验方法(JISAl2151995年修订版)和德国的平板载荷试验(DINl81341993年修订版)，并吸收近年来的科研成果和施工经验，同时针对实际应用中存在的问题，制订了K30平板载荷试验方法，该方法首次正式纳入铁路工程土工试验规程(TBl01022004)。 22 K30平板载荷试验的适用条件和要求 对乎板载荷试验测试值大小的影响因素很多。包括填料的性质、级配，压实系数、含水率、碾压工艺、最大干密度、最佳含水量、试验操作方法及测试面子整度等。为了规范试验过程，提出了平板载荷试验的适用条件和要求。 221 测试对象的颗粒级配 K30平板载荷试验适用于粒径不大于载荷板直径14的各类土和土石混合填料。 由于K30的荷载板直径只有300mm。因此对所填路基土的颗粒粒径和级配有一定的限值，否则颗粒粒径过大，级配不均匀，K30的测试结果就会带来较大的误差，难以真实反映路基的压实情况。根据秦沈客运专线的经验，适用于均匀地基土(如粗、细粒土)的地基系数K30检测，对于拌和较均匀的级配碎石也是符合测试要求的，而对于颗粒不均匀的碎石土，其K30检测就难以得出准确可靠的测试结果。 222 有效测试深度 K30平板载荷试验的测试有效深度范围为400500nlm。 由于K30平板载荷试验结果所反映的是压板下大约15倍压板直径深度范围内地基土性状，因此要想真实全面地反映更深土层的情况，尚需结合其他的检测手段进行综合评定。 223 含水量变化的影响 对于水分挥发快的均粒砂，表面结硬壳、软化，或因其他原因表层扰动的土，平板载荷试验应置于扰动带以下进行。 影响K30测试结果的因素很多，但含水量变化是造成K30测试结果偶然误差的主要因素，也就是说K30测试结果具有时效性。一般来说，控制在最佳含水量附近施工，路基压实系数较高，路基质量好，基床表面刚度较大，K30测试结果较高。但是由于受季节及天气气温变化的影响，其水分的蒸发程度不同，含水量差别较大，因而含水量为一变量。实践证明，碾压完毕后，路墓含水量高时，K30测试结果就小；含水量低时，K30测试结果就大。由于击实土处于不饱和状态，含水量对其力学性质的影响很大，这就造成K30测试结果因含水量变化而离散性大、重复性差，为此，现场测试应消除土体含水量变化的影响。 3 二次变形模量Ev2检测 Er2是德国、法国及欧洲其他国家一直沿用的、成熟的路基压实标准。2005年10月，我国客运专线无碴轨道铁路路基设计开始引入Er2作为路基压实质量控制指标。 二次变形模量Ev2的检测，是在施工现场通过圆形承载板和加载装置对土路基进行静态平板载荷试验，一次加载和卸载后，再进行二次加载，用测得的二次加载应力一位移(a-s)曲线来计算Er2值的试验方法。由于土是弹塑性体，在乎板载荷试验中，一次加载后的卸载Q-S曲线上，Q为零时“并不为零，即土体由于塑性的存在发生了不可恢复的残余变形。二次加载时，由于已消除了土体的部分塑性变形，得到的二次加载a-s曲线更能反映土体的弹性变形能力。理论上，如果反复卸载、加载、再卸载、冉加载，循环下去，则土体的塑性逐渐消除，最后得到的rS-S曲线更接近于直线，就可反映出来土体的弹性性能。但通过试验发现，若循环反复进行加一卸载试验需要大量的时间，给施工带来很大的不便，而二次加载曲线与后几次加载曲线的形状差别较小，可以认为二次加载曲线基本上可以反映土体自身的弹性性能。因此，用测得的二次加载曲线来计算土体在力的作用下抵抗变形的能力二次变形模量Er2，并采用Ev2作为路基压实标准是比较科学、合理的。 本章说明了Er2的概念与发展，基本规定，仪器设备，检测步骤，检测结果分析，计算和表示，并给出了应用实例。 31 概念与发展 311 概念 1平板载荷试验 平板载荷试验的白的在于测出应力一位移曲线，并对地面的变形量与承载力的关系进行分析计算，通过应力一位移曲线得出变形模量Ev。 在试验过程中，通过一圆形承载板和加载装置对地面进行反复依次地加载和卸载，将测得的承载板下的标准应力do同与之相应的逐个位移s以应力一位移曲线的形式显示在图表上。 2变形模量Ev 土体的变形模量正，值是通过一次加载或重复加载测得的应力一位移曲线上o3aomax。和0.7Qomax之间的位移割线斜率来确定的。 3二次变形模量Er2 由一次加载曲线求得的变形模量值为一次变形模量，用Ev1表示；由二次加载曲线求得的变形模量值为二次变形模量，用Ev2表示。 312 发展现状 在平板载荷试验应用过程中，常用的加载方式有单循环静载和二次循环静载。单循环静第34页载是按每级80kPa加载，当每级加载完成后，每间隔1rain读取百分表1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。二次循环静载也是按每级80kPa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o5或o25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。采用直径为30cm的荷载板试验计算变形模量时，荷载一直加到沉降值达5mm或承压板正应力达到05MPa为止。 为了更有效地分析土的变形性质和承载能力，德国标准采用了二次循环静载法，其结果采用二次变形模量Ev2表示。Ev2是德国、法国及欧洲其他国家一直沿用的、成熟的路基压实设计标准和检测技术，德国铁路路基规范DS836(Ril836)中规定了Ev2的设计标准值，且二次变形模量Ev2的试验规程执行德国工业标准平板载荷试验标准(DINl8134)(2001年修订版)。 中国在新发布的客运专线无碴轨道铁路设计指南中采用了正。路基压实标准。在参照德国平板载荷试验标准(DINl8134)(2001年修订版)的基础上，结合现场试验情况，铁道部组织编制了中华人民共和国行业标准变形模量Er2检测规程(试行)(铁建设(2005)188号)，并于2005年10月29口发布实施。 32 基本规定 l. 变形模量Er2试验适用于粒径不大于承载板直径l4的各类土和土石混合填料。 2变形模量Er2试验应采用直径300mm承载板。变形模量正。的计量单位为MPa。 3试验场地及环境条件应符合下列要求： (1)对于水分挥发快的中粗砂，表面结硬壳、软化或因其他原因表层扰动的土，变形模量正。试验血置于其影响以下进行，下挖深度应不大于承载板直径。 (2)对于粗、细粒均质土，宜在压实后24h内开始检测。 (3)测试面应水平无坑洞。对于粗粒土或混合料填层造成的表面凹凸不平，承载板下应铺层厚约23mm的干燥中砂或石膏腻子。 (4)试验时测试点应远离震源。 (5)雨天或风力大于6级的天气不得进行试验。 4变形模量Ev2测试仪测量应采用自动采集、数字显示仪器。 5.承载板的沉降量应采用中心单点测量。 33 仪器设备 1变形模量Ev2测试仪器应包括承载板、反力装置、加载装置、荷载量测装置及沉降量测装置。 (1)承载板应符合下列要求： 承载板直径应为(3004-02)mm，厚度应为(254-O2)mm，材质应为Q345钢。承载板上应带有水准泡。 承载板加工表面粗糙度Ra不应大于63um。 (2)反力装置的承载能力应大于最大试验荷载lokN以上。 (3)加载装置应符合下列要求：4 动态变形模量Evd检测 动态变形模量Evd能够反映列车在高速运行时产生的动应力对路基的真实作用状况，是高速铁路路基填筑压实控制的主要指标。 Evd动态平板载荷试验属于动力荷载试验，是一种快速、方便检测路基动荷载特性的承载力指标的新试验方法。中国自秦沈客运专线路基检测中引入了动态变形模量Eva，经过几年的试验研究，在Evd动态平板载荷试验仪器、方法等方面取得了进展，Evd动态平板载荷试验已纳入铁路工程土工试验规程(TBl01022004)，Evd已成为京沪高速铁路设计暂行规定(上、下)(铁建设(2004)157号)、新建时速200250公里客运专线铁路设计暂行规定(上、下)(铁建设E2005)140号)和客运专线无碴轨道铁路设计指南(铁建设函2005)754号)中控制基床表层和过渡段路基压实质量的指标之一。 本章说明了动态变形模量Eva的概念，国内外发展现状，特点与应用前景，仪器设备，检测方法,并给出了应用实例。 41 概述 41. 1 动态变形模量Evd 动态变形模量Evd(dynamicmodulus。fdeformation)是指土体在一定大小的竖向冲击力Fx和冲击时间乙作用下抵抗变形能力的参数。它由平板压力公式(4-1)计算得出。 Evj15rds (41)式中 Eva动态变形模量(MPa)，计算至o1MPa； r圆形刚性荷载板的半径(mm)； q荷载板下的最大动应力，它是通过在刚性基础上，由最大冲击力F，707 kN且冲击时间r，17ms时标定得到的，即，O1MPa； S-实测荷载板下沉幅值(mm)； 15荷载板形状影响系数。 实测结果可采用下列简化公式： 412 召。动态平板载荷试验法 Evd动态平板载荷试验法是采用正。动态变形模量测试仪来监控检测土体压实指标动态变形模量Evj值的试验方法。 413 z，d动态变形模量测试仪及工作原理 Evd动态变形模量测试仪也称轻型落锤仪(德文缩写：LFG)，是用于检测土体压实指标动 第43页态变形模量正。的专用仪器，见图41。该仪器的工作原理是利用落锤从一定高度自由下落在弹簧阻尼装置上，产生的瞬间冲击荷载，通过弹簧阻尼装置及传力系统传递给300 1nill的承载板，在承载板下面(即测试面)产生符合列车高速运行时对路基面所产生的动应力，使承载板发生沉陷；，即阻尼振动的振幅，由沉陷测定仪采集记录下来。沉陷值5越大，则被测点的承载力越小；反之，越大。 414 适用范围 适用于粒径不大干荷载板直径14的各类土、土石混合填料、非胶结路面基层及改良土，测试有效深度范围为400-500 into。 广泛适用于铁路、公路、机场、城市交通、港口、码头及工业与民用建筑的地基施工质量监控测试，也能适用于场地狭小的困难地段的检测，如路桥(涵)过渡段及路肩的检测。 42 发展现状 铁路路基压实质量是保持线路稳定与平顺、保证列车能高速、安全运行的重要条件，而控制和检测压实质量的标准、方法和设备，则是保证压实质量的重要措施。 几十年来，国内外均沿用20世纪30年代美国提出的压实度指标，即压实系数K、相对密度Dnr，或孔隙率n作为路基设计及施工控制的土的压实质量标准。虽然压实度为参数的路基压实质量标准具有击实试验指导现场施工、现场检测简便等优点，但是，对于高速铁路或其他对强度指标要求严格的情况，仅靠压实度参数来反映填土的压实质量是有其局限性的。 为了保证路基填土的强度指标，20世纪70一80年代，许多国家开始用强度及变形指标作为路基填土质量控制参数，即所谓的“抗力检测法”，其中包括美国的CBR(加州承载比值)标准，德国、法国、奥地利和瑞士等国家的静态变形模量Ev2标准，日本的地基系数K”标准等。中国自大秦重载铁路修建时开始引用日本的K3，标准，并且在新建干线铁路和准高速铁路上得以应用。可见，采用强度及变形参数作为控制指标是路基质量标准的一大进步。 然而，无论是静态变形模量Ev2，还是地基系数K30，两者都是采用300mm的静态平板载荷试验仪，通过在压实填土表面做静压试验测得的，二者反映的都是静态应力作用下土体抵抗变形的能力。众所周知，铁路路基承受的是列车运行时产生的动荷载，特别是高速列车的出现，动荷载产生的冲击力对路基的影响更为明显，而K30和Ev2值都不能完全反映列车在高速运行条件下所产生的动应力对路基的真实作用状况。 为了解决上述问题，20世纪90年代德国开始采用新型路基压实质量标准动态变形模量Evd标准。该标准的最大特点是能够反映列车在高速运行时产生的动应力对路基的真实作用状况。动态变形模量Eva从研究开发至今已有20多年的历史(图小2)，在欧洲普遍采用的是具有代表性的德国HMP公司开发的LFG系列正。动态变形模量测试仪，也称轻型落锤仪(LFG)。动态变形模量Evd标准在德国首先应用于道路建设、路面垫层、管道和电缆沟槽、5承载比(CBR)试验 CBR(CaliforniaBeatingRatio)又称加州承载比，由美国加利福尼亚州公路局首先提出。CBR用于评定路基土和路面材料强度，在美国和日本被广泛应用于路基和路面设计。随着中国高速公路和铁路建设的发展，CBR试验被纳入公路22试验规程，CBR指标被列入公路路基设计规范、公路路基施工技术规范，作为路基填料选择的依据。铁路路基施工也采用CBR作为评价填料强度的辅助指标。CBR试验的优点是能测出填料浸水后的强度，这一指标对铁路浸水路基非常重要。 CBR用于评定基层、垫层或土基材料的相对承载力，是一项反映土体抗垂直位移和抵抗局部荷载压人变形能力的指标，当接近极限平衡条件时，兼可反映土体抗剪强度的相对量度。CBR值反映了路基填筑材料的水稳性和整体强度的大小，不仅可与无侧限抗压强度试验作为无机结合材料的试验补充，还解决了砂和砂砾类建筑材料因颗粒间没有粘聚力，无法利用无侧限抗压强度试验的问题。 根据试验的不同目的和对象及试验的场所和方法、试样的状态等，承载比试验分为室内CBR和现场CBR试验，现场CBR试验又分为现场CBR试验和落球仪快速测定现场CBR试验。 51 室内CBR试验 511 试验原理 所谓CBR值，就是试料贯入量达到25mm或511111时的单位压力与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度(7MPa或105MPa)的比值，用百分数表示。试验中，材料的承载能力越高，对其压入一定贯入深度所需施加的荷载越大。 试验时，按路基施工时的最佳含水量及压实度要求在试桶内制备试件，加载前饱水4昼夜，其目的是预测路基土或基层填料在使用期间经历气象变化和长年运行过程中的含水量变化以及在最恶劣情况下来推算CBR值，浸泡96h的试样饱和度一般可达75一95。 在浸水过程中及贯入试验时，在试件顶面施加荷载板，使试样在受到一定约束力的条件下进行试验，其目的是模拟路面结构施加于试样表面的上部压力，各国统一采用施加50N荷载的标准方法。 室内CBR试验适用于在规定的试桶内制件后，对各种土和路面基层、底基层材料所进行的试验，试样的最大粒径宜控制在25Him以内，最大不得超过3xmm。 一般以击实简内径的l4一l3作为粒径成分的最大尺寸界限，即对150mm内径的击实筒，容许最大粒径为381lniil。为保匪试验材料CBR值的准确，试验时应尽量避免CBR试筒中的大颗粒，因为修正的材料强度特性会明显不同于原始材料，另外含有大颗粒材料的试验结果较细颗粒的材料试验结果稳定性差。第52页512 主要仪器设备 室内CBR试验仪见图5l。 1圆孔筛：孔径38mm、25mitt、20nun和5mill筛各一个。 2试筒：内径152ram、高170mm的金属圆筒；套环，高50mm；筒内垫块，直径151mm、高50mm；夯击底板，同击实仪。试筒的型式和主要尺寸如图52所示。 3夯锤和导管：夯锤的底面直径50mm，总质量4.5kg。夯锤在导管内的总行程为450mm，夯锤的形式和尺寸与重型击实试验法所用的相同。 4贯人杆：端面直径50mm、长约100mm的金属杆。 5路面材料强度仪或其他荷载装置：重力小于50kN，能调节贯人速度至l mmrain，可采用测力计式，如图53所示。6 落锤式弯沉仪检测 道路和铁路道床表面在荷载作用下的弯沉值可以反映路面的结构承载能力，是反映路面和道床强度最主要的力学指标，也是应用最广泛的路面结构状况评价指标之一，其检测技术的发展十分迅速。落锤式弯沉仪(Falling Weight Deflectmeter，简称FWD)是目前世界上公队的先进的路面承载能力动载评定设备，在60多个国家和地区先后得到应用，特别是在美国和西欧等发达国家，FWD应用十分广泛，取得了非常显著的效果。落锤式弯沉仪也是目前国际上最先进的路面强度无损检测没备之一，其应用已步入规范化、标准化的阶段。美国联邦公路局经过分析对比，确认FWD是较好的路面承载能力评定设备，并选定FWD为路面强度评定的重要设备。壳牌石油公司已正式将FWD列入壳牌路面设计手册。 中国从20世纪80年代中后期起引进FWD，结合其开发和应用，进行了大量的理论和试验研究工作，并已取得了一些重要成果。路基路面现场测试规程(J丁J 05995)已将FWD列为弯沉检测设备。由于弯沉值能够体现路面强度现时的实际状况，因此除被用来评价道路的使用状况，同时还是新建和改建道路的重要设计指标，例如在我国设计规范中所使用的容许弯沉和设计弯沉。 落锤式路基动刚度检测，由于在铁路既有线上基床系数K的测试不容易实现，可以采用落锤式动刚度检测仪测试基床动刚度，并可换算相应的K：。值，以此评价路基基床质量。该方法需要扒开部分道碴进行操作，影响行车，普查或有资料可查时，也可在路肩测试，然后推测轨道下方的相应参数。 61 发展概况 弯沉(Deflection)是表征路基路面整体强度的重要参数，虽然世界各国测试弯沉的设备和方法有所不同，但对弯沉基本概念的理解是相同的。弯沉定义一般是指路基或路面表面在规定标准车的荷载作用下轮隙位置产生的总垂直变形值(总弯沉)或垂直回弹变形值(回弹弯沉)，单位为o01mm。针对落锤式弯沉仪而言，弯沉是指与落锤重量对应的当量荷载使路表面产生的瞬时变形值。 弯沉测试技术是随着机械、电子、计算机和激光等高科技技术的发展而进步的，其发展阶段大致体现为3种测试方式：初级人工测试、机械自动化测试和高速激光测试。弯沉测试的目的是要测出路面在荷载作用下的垂直位移量，最初是利用横梁、百分表等简单工具，通过杠杆原理进行人工测量，这就是我们所熟知的贝克曼梁测试仪。这种仪器构造及操作简单，成本低廉，容易掌握和普及，但存在的问题是测试数据准确性受人为及其他因素影响较大，测试效率低，当测试路段距离较长，采样点数量比较大时，难以满足要求。 为了降低人的劳动强度，提高测试效率，增加采样数据的准确程度，英、法等国在计算机和电子技术发展的基础上，于20世纪70年代研制出了自动弯沉仪。自动弯沉仪以位移传感器 第64页自动测试弯沉信号，通过设置程序控制测量机构自动运作，减轻了操作人员的劳动强度。 静态弯沉在结构没计和性能评价上存在着局限性，随着对高等级公路路基路面结构和材料的不断研究，为得到更符合实际结构和材料技术特性的动态弯沉，又开发出落锤式弯沉仪(FWD)。其动态弯沉测试信号通过位移传感器采集，数据准确性较高。基于承载板实验原理所测得的动态弯沉及弯沉盆数据推算回弹模量是目前正待研究的课题，一些设计单位已经将FWD的动态弯沉数据应用于实际设计过程中。 落锤式弯沉仪产生于20世纪70年代初，与传统的贝克曼梁(Benkelman Beam，简称BB)测量弯沉相比，具有使用方便、快速、安全、节省人力、模拟实际情况施加动态荷载，且适于长距离、连续测定的特点。FWD是一种脉冲动力弯沉仪，它模拟车辆荷载对路面或道床施加的瞬时冲击作用，得到路面或道床瞬时变形情况，其测量结果比较精确，信息量大。一般可记录三方面数据： 1落锤点最大弯沉； 2以落锤点为中心的弯沉盆曲线； 3弯沉盆各点随时间变化的时程曲线。 FWD作为一种动态检测设备，同路面实际的工作状态和材料的性质是相符的，这对于研究路面的动态特性是有潜力的。路面在动力荷载和静力荷载作用下的反应是不同的，而目前国内的设计方法采用的是静态设计理论，国外不少设计方法已采用动态设计参数。为使国内路基路面的设计参数更能反映路基结构的实际工作状况，与国际接轨，有必要系统地进行材料动态性能的研究和动态参数试验。利用FWD实测弯沉盆来反算路面结构各层的动态模量，是研究、试验的重要手段和途径。 落锤式弯沉仪能够模拟行车荷载作用，检测路面的动态弯沉盆。随着研究工作的不断深入，FWD的测试与应用将逐步标准化、规范化，以取代现行的贝克曼梁式弯沉仪，从而适应道面结构快速、非破损评定的需要。 近年来，弯沉量测及分析技术发展很快，从单一的最大弯沉值发展到对整个弯沉盆的分析，从静态荷载下的弯沉发展到对模拟行车轮载下弯沉的研究。 62 路面结构承载能力测定方法及其评价 在弯沉量测技术的发展过程中，弯沉测定仪器一直是研究的重点，因为它规定着对应的测试水平与分析技术。 不同类型的设备，测试弯沉的技术原理不同，并具有不同的工作方式。按测试技术原理可分为静态弯沉和动态弯沉两大类，按工作测试方式可分为固定采样和行驶采样两类。 621 贝克曼梁弯沉仪 这类设备属于固定采样、静态弯沉类，其使用时间最早，范围最广，技术要求最简单。贝克曼梁是通过简单的杠杆原理进行工作的，以支撑在表架上的百分表读取测试粱后臂端点的位移，进而推算出前臂端点所测出的轮隙处回弹弯沉，测得结果仅为单侧或双侧测点静态弯沉的最大峰值。公路路基路面现场测试规程规定了贝克曼梁测试的技术条件和操作规程。 贝克曼梁测试的主要仪器包括标准车，贝克曼梁(图61)、百分表、表架和温度计等。国7 地质雷达探测 地质雷达(GroundPenetratingRadar，简称GPR，也称探地雷达)是浅层地球物理勘探的一种重要工具，是一种高分辨探测技术。近年来，随着高频微电子技术和计算机数据处理方法水平的不断提高，地质雷达技术得到了长足地进步。目前，地质雷达已广泛应用于许多行业和领域，包括铁道与道路工程、地质工程与岩iT_程勘察、建筑工程、隧道工程、采矿工程、水利水电工程、管线工程、环境工程、考古等。 近年来，国内外的探测实践证明，地质雷达也非常适用于层状结构的路基检测，既可用于新线路基检测，也适用于既有线路基检测。由于其具有无损、快速、精度高等突出优点，在路基检测中用途广泛，工程应用已取得显著的经济和社会效益，进一步应用前景广阔。 本章主要内容包括地质雷达检测路基的技术发展、原理、功能和现场实施，以及电磁波在路墓各层介质中的传播特性，路基各层介质的雷达图像特征。以单道雷达波形为基础，说明路基结构界面的提取方法，研究道碴陷槽、翻浆冒泥病害的雷达图像特征和识别方法，并给出地质雷达检测铁路路基病害的实例和应用方法。 71 地质雷达探测路ti技术的发展 1904年，德国人Htilsmeyer首先用电磁波发现地表金属物体。1926年，Hulsenbeck注意到电磁波会在不同介电常数的媒质界面产生反射这一事实，首先提出了用脉冲技术确定地下目标的位置，其后50年，用脉冲技术探测地下目标得到了迅速发展。20世纪70年代以来，高速脉冲形成技术，取样接收技术及计算机技术的发展应用，使电磁波探测地下目标迅速发展。地质雷达探测路基技术的发展也经历了试验研究和初步实用化的过程。 711 铁路路基 20世纪70年代末，美国地球物理勘探公司(GeophysicalSurveySystems，Inc简称GSS1)为试验其SIR系列产品探测铁路的适用性和效果，首先开始了地质雷达探测铁路的实践。探测结果不但给出沿铁路纵向路基结构剖面，而且识别出道碴下砂层中水流的位置和状态。19841985年，该公司为试验其SIR-8型地质雷达的性能，进行了铁路路桥过渡段等复杂结构路基检测，实践证明，探测效果良好，GPR探测铁路有无损、快速、成本低等优点，有发展潜力。作为世界上最早研制生产和目前少数几个生产商用地质雷达的厂家之一，SIR系列产品一直是地质雷达的主导产品，特别在铁路、公路，桥梁交通线检测中占有绝对优势，其最新型SIR20型地质雷达代表新一代地质雷达的发展趋势，扫描速率高达每秒800次。 认识到地质雷达检测铁路具有一系列优点，20世纪90年代末，世界上许多重要的工业化国家开始进行有关试验和研究工作。 1美 国 第75页美国内布拉斯加大学(University。f Nebraska)用车载SIR10B地质雷达试验了100MHz、400MHz和900MHz三种频率天线的探测效果，试验了GPR探测结构状态良好和曾受水流侵蚀、冲刷的路基结构，证明能给出准确的路基结构分层，能给出路基内异常点的位置。 美国CarnegieMellon大学研究了一种评估铁路线路质量的自动化分类方法，对道碴面以下结构状态主要采用地质雷达进行检测，将地质雷达安装在运行速度为lms的轨道平板车上，检测结果将道床分为好、差和不清楚三种情况，综合激光扫描得出的道床表面状况(主要是轨枕状况)，自动对线路状态进行评估。 美国Selig公司采用装备在轨道车上的地质雷达正在进行检测道床状况(包括道碴脏污率和含水量)的试验，还用地质雷达检测出发生下沉的区段。 2英 国 (1)英国爱丁堡大学(University。(Edinburgh)进行厂雷达评估道床状态的模拟试验。首先，用废弃道碴(4m)、混合道碴(29m)和新道碴(38m)分段堆成厚335mm、总长107m的道床，下有砂垫层，上铺标准轨道，然后，人力拖动装备雷达的简易拖车进行检测。为模拟道碴在自然气候条件下的工作状态，将试验模型置于室外。 结果显示，地质雷达不但能识别路基界面，而且能识别道碴损坏和脏污的程度，清晰地区分出混碴、复合道碴和清碴。试验的另一项内容是评价500MHz和900MHz两种频率天线检测道床的适用性，结果发现，500MHz天线的探测效果更理想。试验还表明，当GPR天线与钢轨之间距离大于50nlnl时，不会对检测结果产生不利影响，混凝土轨枕内的钢筋对雷达检测也无影响。其他结论还有，电磁波传播速度降低则表明道碴中含水率的增加，道碴中小于14mm的细颗粒的增加则表明介电常数增加。 (2)PaulGrainger参与了ScottWilsonPavementEngineering有限公司(SWPE)与诺丁汉大学为研究铁路轨道所进行的合作。SWPE最近的研究表明，决定轨道质量的最主要影响因素是轨下结构的变化情况，尤其是道碴的状况和其下卧各层的刚度特性。为准确探测出道床的状况，采用了3种新的检测技术，分别是地质雷达、道床取样和弯沉试验(The FallingWeightDeflectometer，FWD)。地质雷达主要用来确定铁路路基各层不同材料之间的界面，给出道碴的脏污区段的位置和范围及道碴囊的位置和范围，给出路基结构的连续剖面信息。 (3)剑桥大学的一个二人小组在Aperio公司的支持下应用地质雷达对斯文顿至格洛斯特之间的双线铁路进行了检测，主要是对曾经出现问题的区段进行检测，以确定道碴的厚度及滑坡的位置和范围，此外还用地质雷达来确定道碴脏污的区段和路基中含水量增加的区段。 (4)英国IMC地球物理有限公司采用手推式轨行地质雷达检测装置，从1998年到现在已检测了350km的英国铁路，检测速度为1 mileh，检测结果能够提供：道床连续剖面，区别道床良好和需维修或应进一步调查段，道碴脏污率，道碴清筛前后质量指标。 3瑞 士 1997年夏，瑞士联邦材料测试研究实验室受瑞士联邦铁路(SBB)的委托，对3条铁路总共151 km长的线路进行车载式地质雷达检测，检测总的目的是评价地质雷达检测铁路的优点和不足，具体目标是探测道床厚度和确定基床翻冒的区段。 为了验证雷达探测结果和与传统挖探方法进行比较，SBB按常规方法挖了77个点，另外，根据雷达探测结果有选择地挖了41个点。 结果证明，雷达探测结果提供的道床厚度与挖探结果之间的误差在4cm以内。挖探出的19段基床翻冒