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連續壓實技術在高鐵路基中的應用研究

  • 發布日期:2017-04-12
  • 責任編輯:lgg
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第 1 章   緒論 
 
1.1   問題提出的背景 
為了可靠的控制高鐵路基的整體壓實質量,確定一種快速、可靠、方便、無損路基的連續壓實技術,做到施工過程中邊壓實邊進行質量檢測,每層碾壓結束后不再出現由于壓實度不達標而導致的二次碾壓現象[1]。這項技術在我國鐵路建設中仍沒有推廣普及應用,因此結合生產實際,通過細致的大量的現場試驗進行連續壓實技術的可行性研究。路基壓實質量受試驗檢測數據準確性的影響,而檢測數據的準確性在很大程度上取決于檢測儀器和方法。 傳統壓實質量檢測方法是點樣式的隨機概率方法,以碾壓層面上隨機抽取的點位置壓實指標不能以偏概全地代表整個碾壓面的路基壓實質量,且檢測速度慢耽誤施工進度,需要的人力較多,地基系數檢測還需占用壓路機充當加載反力裝置,加劇試驗與施工之間的矛盾。或者由于施工現場的人為因素、不可抗力因素等多變性使檢測結果偏離正常范圍,導致返工重新檢測的現象。為了使連續壓實技術戰勝傳統檢測技術在鐵路建設中普及,本論文結合新建石家莊至濟南高速鐵路站場路基試驗段,進行連續壓實檢測指標和常規壓實檢測指標試驗,用兩者組成的二維數據組分析連續壓實參數[VCV]與常規指標的相關性,證明連續壓實技術的可行性,對傳統檢測技術進行革命性的替代。 
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1.2   高鐵路基的特點和作用 
高速鐵路的設計速度在 250km/h 以上、技術標準較高,尤其在接近車站前的到發線和道岔咽喉區,線路數目由雙線增加至四線、六線甚至更多,路基寬度逐漸加寬至正線橋面寬度的 5~6 倍,因此比普通高速鐵路路基的要求更加嚴格,其最大特點是控制壓實的均勻性、路基的不均勻沉降和動力及靜力的穩定性。  (1)壓實的均勻性   為了滿足旅客乘坐的舒適度和列車行車的安全性,要求路基在填筑過程中嚴格控制壓實度的均勻性。如果出現局部區域過壓而使路基剛度變大,彈性變形過小,列車高速運行中振動幅度就會明顯,影響乘車舒適度。因此路基剛度沿線路縱向和橫向應保持均勻,剛柔過度不易變化過大,否則路基剛度的不平順會造成軌道動態不平順,加劇輪軌耦合動力的強烈振動。 (2)控制路基變形   高速列車在運行時,把輪軌動力以及列車自重通過鋼軌傳遞給軌枕,鋼軌和軌枕組成的軌排可簡化成無限長彈性梁,再把力傳遞到軌枕下路基。路基是鐵路線路工程中最薄弱、最不穩定的環節之一,路基發生不均勻沉降變形后會造成軌道的幾何形狀發生變化,即造成軌道高低、水平、方向和軌距不平順。嚴重時會在軌枕下方出現三角坑,致使列車脫軌,影響行車安全性。因此,路基工程設計的重點是控制變形。 (3)動力及靜力的穩定性   在列車高速運行時,路基除了要承受軌道結構和附屬構筑物的靜載外,還要承受列車輪軌動力系統的長期激擾,若要列車不發生失穩,必須要求路基具有足夠的穩定性。同時,由于站場路基寬度較大,運行的列車對數較多,進入到發線前雖然速度逐漸降低準備進站停車,但土體和列車自重更大,更要保證在靜力條件下路基的穩定性[2]。 現代高速鐵路線路規劃中,橋梁占去了大部分距離,但是在站場處線路數目增加,用路基代替橋梁減少了施工難度,并且使多股道線路共同處于同一平面內,有利于布置道岔咽喉區。若站場處使用橋梁,橋面寬度會增加為正線的五到六倍,增加了設計和施工環節的困難,而且整個工程的總造價也增加很多。列車高速運行經過路橋過渡段時產生的沖擊力很容易使橋頭與路基出現沉降差,產生所謂的跳頭現象,所以要對現代高速鐵路路基質量提出更高的要求。 
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第 2 章   路基壓實指標檢測方法 
 
2.1   壓實系數 K
目前通常采用重型擊實試驗、固體體積法、試驗路法確定室內最大干密度,高鐵路基中最常用的是重型擊實試驗,壓實系數的計算跟重型擊實試驗獲得的最大干密度有很密切的關系。小型擊實筒對粒徑的要求是將路基填料經過 20mm 方孔篩,去除粒徑大于 20mm 的填料,再進行擊實試驗;我國以及其他一些國家采用大型擊實筒時,將路基填料經過 38mm 方孔篩,去除粒徑大于 38mm 的填料,再進行擊實試驗。為了不影響試驗結果,允許填料中殘留小于 5%的異常尺寸顆粒。 
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2.2   孔隙率 n 
 由推導公式(2-3)可知,當土粒比重保持不變的情況下,土體孔隙率隨土體干密度的增大而逐漸減小,二者呈反比例關系。把孔隙率當作壓實質量的評價指標之一,是因為隨著干密度無限接近土粒比重,孔隙率趨近于零,則土體處于完全密實狀態,壓實系數達到最大的狀態。EV1、EV2也是采用直徑 30cm 的平板載荷試驗獲得的結果,國外在高鐵路基壓實質量控制中廣泛采用該試驗方法。在平板載荷試驗過程中,EV1是采用單循環加載方式的試驗結果,EV2是采用二次循環加載方式的試驗結果。單循環靜載試驗的加載等級為 35KPa,加載一級后停留一分鐘記錄百分表的讀數,直到沉降變形趨于穩定,即兩次百分表讀數的差值小于 0.1mm 時,再加載下一級,按照這種加載方式直到最大荷載停止加載。二次循環靜載試驗的加載等級也是 35KPa,逐級加載到最大荷載時,待沉降變形穩定后,按最大荷載的 0.5 倍逐級卸載,穩定后記錄路基試驗點的殘余變形,然后按照第一次的加載循環方式進行二次加載。
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第 3 章   連續壓實檢測壓實質量理論 ............ 13 
3.1   CPMS 工作原理 ...... 13 
3.2   連續壓實數據離群點的處理 ...... 16 
3.2.1   離群點產生的原因 ..... 17 
3.2.2   常用離群值計算法 ..... 18 
3.2.3   局部平均距離法 ......... 18 
3.2.4   鄰域估計法 ....... 20 
3.3   檢測范圍差異 .......... 21 
3.4   連續壓實控制路基不均勻沉降 ............ 21 
3.5   本章小結 ........ 23 
第 4 章   連續壓實指標與傳統指標相關性校驗研究 ........ 24 
4.1   路基水泥土的均勻性研究 .......... 24
4.2   影響壓實質量的因素研究 .......... 28
4.3   相關性校驗現場試驗方案 .......... 30 
4.4   連續壓實指標[VCV]的可用性 .... 31
4.5   相關性校驗研究 ...... 32
4.6   本章小結 ........ 39 
第 5 章   連續壓實的工程應用研究 ...... 40 
5.1   工程應用條件 .......... 40 
5.2   檢測壓實度的應用 ............ 41 
5.3   檢測壓實度的驗證研究 .... 43 
5.4   控制壓實均勻性的應用 .... 43 
5.5   CPMS 控制壓實均勻性的驗證研究 .... 46
5.6   本章小結 ........ 55 
 
第 5 章   連續壓實的工程應用研究 
 
5.1   工程應用條件 
主要分兩方面的應用,一方面是連續壓實控制路基壓實度的應用,先用連續壓實檢測各填筑層的壓實度,從壓實程度分布圖判斷路基壓實質量,取不合格區域,用傳統檢測方法檢測,驗證連續壓實檢測的準確性。另一方面是連續壓實控制路基壓實均勻性的應用,從壓實狀態分布圖和壓實曲線分布圖判斷路基壓實均勻性,用沉降觀測數據對比分析,驗證連續壓實控制不均勻沉降的可靠性。 在站場路基試驗段 DIIK110+251~DIIK110+351 段,從第二層開始運用連續壓實進行壓實質量控制,由第四章 4.2.1 節可知,每層以靜壓 1 遍+弱振 2 遍+強振 1遍+靜壓 2 遍的碾壓方式進行碾壓可達到壓實標準。由于試驗段路基填高較大,平均為 8m,每層壓實厚度大約為 30cm,填筑層數較多,以該試驗段基床以下路堤第 5 層、第 6 層、第 11 層的壓實分布圖進行分析。 在運用連續壓實技術檢測基床以下路堤之前,將確定的目標值輸入 CPMS 系統,并對其他參數進行設定,包括路基的每層起點里程,每層碾壓寬度,碾壓層數,碾壓厚度,碾壓面積,振動壓路機的行駛速度,激振力,常規值等。打開 CPMS界面,點擊參數設置菜單。第 5 層的路基起始里程為 DIIK110+255,路基寬度 30.27m,碾壓層數第 5 層,碾壓厚度 30cm,碾壓面積 3255m2,路基填料為改良土,振動壓路機 26t,振動質量 13000Kg,激振力 290KN,額定頻率 27HZ,振幅 1.00mm,行
駛速度 3.82Km/h,常規值 92,目標值 416KN/m。第 6 層的路基起始里程為DIIK110+256,路基寬度 28.35m,碾壓層數第 6 層,碾壓厚度 30cm,碾壓面積 3038m2,路基填料為改良土,振動壓路機 26t,振動質量 13000Kg,激振力 290KN,額定頻率 27HZ,振幅 1.00mm,行駛速度 3.82Km/h,常規值 92,目標值 416KN/m。第11 層的路基起始里程為 DIIK110+260,路基寬度 27.04m,碾壓層數第 11 層,碾壓厚度 30cm,碾壓面積 2821m2,路基填料為改良土,振動壓路機 26t,振動質量13000Kg,激振力 290KN,額定頻率 27HZ,振幅 1.00mm,行駛速度 3.82Km/h,常規值 92,目標值 416KN/m。 
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結論 
 
采用連續壓實技術對高速鐵路路基施工進行過程控制時,連續壓實檢測指標與傳統檢測指標相關性檢驗得到的目標值,是控制路基壓實質量的關鍵節點。緊密結合石濟高鐵試驗段的生產實踐,對路基連續壓實相關性校檢、目標值確定以及路基沉降控制進行了系統的研究,得出以下主要結論: 
(1)淺析了連續壓實技術比傳統檢測方法更能對路基壓實質量進行準確的控制,壓路機振動輪與路基作用力的值與很多因素有關,通過傳感器接受的振動信號轉化為直觀的分布圖來實現碾壓層壓實質量的控制。為了提高控制的準確性,采用異常值處理法對平面坐標上分布的數據組散點圖進行異常檢測,提高了相關性校檢的精度。 
(2)結合大量的現場試驗,找到了適合衡水段路基的最佳施工工藝。在路拌法新工藝方面,采用每格 200Kg 水泥量控制網格尺寸,路拌機拌合速度定為10m/min,能保證改良土中灰劑量的均勻性,降低對路基整體剛度不均勻的影響。同時為了取得較好的壓實效果,基床以下路堤的松鋪厚度取 36cm 左右,最佳的碾壓方式為“靜壓 1 遍+弱振 2 遍+強振 1 遍+靜壓 2 遍”,基床底層的松鋪厚度取 36cm左右,最佳的碾壓方式為“靜壓 1 遍+弱振 1 遍+強振 2 遍+靜壓 2 遍”,松鋪系數取 1.1~1.2。 
(3)先驗證了連續壓實技術有繼續研究的可行性,然后證明了采用點對平均值的擬合方式比點對點相關系數高。基床以下路堤各層、基床表層級配碎石填料的[VCV]隨著常規檢測指標的增加呈現出增長趨勢,各碾壓層  [VCV]與常規值的相關性比較強,根據回歸方程確定了目標值,該校驗方法在日后相同填料高鐵路基中可以直接使用。 
(4)最后進行碾壓檢測,壓實程度分布圖直觀反映了各層的壓實度達到合格標準,再反過來用傳統檢測方法驗證,證明了 CPMS 連續壓實檢測技術可以用來評價高鐵路基的壓實度。由近期沉降數據的對比和長遠期沉降預測分析,驗證了連續壓實技術在控制路基不均勻沉降方面效果顯著,對減小路基后期病害具有重大意義。 
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參考文獻(略) 
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