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2．5 m，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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150 mm。

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。

2．1．2 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)。 2．2 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。 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)。