路基土工试验教程.docx

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路基土工试验教程

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。

　　1．1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。

　　1．1．1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160km／h、货物列车设计行车速度等于或小于120km／L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2．5m，基床表层厚度为o．6m，基床底层厚度为1．9m。

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。

Ⅱ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

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150mm。

　　基床表层的压实控制指标和标准见表1—1和表l—2。

（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。

Ⅱ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2／3。

　　基床底层的压实控制指标和标准见表1—1。

　　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1—3。

　　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；Ⅱ级铁路不应大于30cm。

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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。

　　2．1概念与发展

　　2．1．1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1．25mm时所对应的荷载Qs，按K30＝Qs／1．25计算得出，单位是MPa／m。

　　试验采用的承载板面积不尽相同，通常采用直径750mm或762mi'il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。

　　2．1．2K30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70～80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K3。

标准等。

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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》（TBl0414—2003）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》（JISAl215—1995年修订版）和德国的《平板载荷试验}（DINl8134—1993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}（TBl0102—2004）。

　　2．2K30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。

　　2．2．1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1／4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。

　　2．2．2有效测试深度

　　K30平板载荷试验的测试有效深度范围为400—500nlm。

　　由于K30平板载荷试验结果所反映的是压板下大约1．5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。

　　2．2．3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。

　　3．1概念与发展

　　3．1．1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o．3aomax。

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。

　　3．1．2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

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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o．5或o．25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0．5MPa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（Ril．836）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。

　　3．2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l／4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2～4h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2～3mm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。

　　3．3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：

　　①承载板直径应为（3004-0．2）mm，厚度应为（254-O．2）mm，材质应为Q345钢。

承载板上应带有水准泡。

　　②承载板加工表面粗糙度Ra不应大于6．3um。

（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}（TBl0102—2004），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200—250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。

　　4．1概　　述

　　4．1.1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。

　　Evj＝1．5·r·d／s（4—1）

式中Eva——动态变形模量（MPa），计算至o．1MPa；

　　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，＝7．07kN且冲击时间r，＝17ms时标定得到的，即，＝O．1MPa；

　　S--实测荷载板下沉幅值（mm）；

　　1．5——荷载板形状影响系数。

　　实测结果可采用下列简化公式：

　　4．1．2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。

　　4．1．3z，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

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态变形模量正。

的专用仪器，见图4—1。

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∮3001nill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。

　　4．1．4适用范围

　　适用于粒径不大干荷载板直径1／4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—-500into。

　　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。

　　4．2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。

　　5．1室内CBR试验

　　5．1．1试验原理

　　所谓CBR值，就是试料贯入量达到2．5mm或5111[11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10．5MPa）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l／4一l／3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38．1lniil。

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。

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5．1．2主要仪器设备

　　室内CBR试验仪见图5—l。

　　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5—2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lmm／rain，可采用测力计式，如图5—3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（FallingWeightDeflectmeter，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