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连续压实技术在高铁路基中的应用研究

  • 发布日期:2017-04-12
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第 1 章   绪论 
 
1.1   问题提出的背景 
为了可靠的控制高铁路基的整体压实质量,确定一种快速、可靠、方便、无损路基的连续压实技术,做到施工过程中边压实边进行质量检测,每层碾压结束后不再出现由于压实度不达标而导致的二次碾压现象[1]。这项技术在我国铁路建设中仍没有推广普及应用,因此结合生产实际,通过细致的大量的现场试验进行连续压实技术的可行性研究。路基压实质量受试验检测数据准确性的影响,而检测数据的准确性在很大程度上取决于检测仪器和方法。 传统压实质量检测方法是点样式的随机概率方法,以碾压层面上随机抽取的点位置压实指标不能以偏概全地代表整个碾压面的路基压实质量,且检测速度慢耽误施工进度,需要的人力较多,地基系数检测还需占用压路机充当加载反力装置,加剧试验与施工之间的矛盾。或者由于施工现场的人为因素、不可抗力因素等多变性使检测结果偏离正常范围,导致返工重新检测的现象。为了使连续压实技术战胜传统检测技术在铁路建设中普及,本论文结合新建石家庄至济南高速铁路站场路基试验段,进行连续压实检测指标和常规压实检测指标试验,用两者组成的二维数据组分析连续压实参数[VCV]与常规指标的相关性,证明连续压实技术的可行性,对传统检测技术进行革命性的替代。 
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1.2   高铁路基的特点和作用 
高速铁路的设计速度在 250km/h 以上、技术标准较高,尤其在接近车站前的到发线和道岔咽喉区,线路数目由双线增加至四线、六线甚至更多,路基宽度逐渐加宽至正线桥面宽度的 5~6 倍,因此比普通高速铁路路基的要求更加严格,其最大特点是控制压实的均匀性、路基的不均匀沉降和动力及静力的稳定性。  (1)压实的均匀性   为了满足旅客乘坐的舒适度和列车行车的安全性,要求路基在填筑过程中严格控制压实度的均匀性。如果出现局部区域过压而使路基刚度变大,弹性变形过小,列车高速运行中振动幅度就会明显,影响乘车舒适度。因此路基刚度沿线路纵向和横向应保持均匀,刚柔过度不易变化过大,否则路基刚度的不平顺会造成轨道动态不平顺,加剧轮轨耦合动力的强烈振动。 (2)控制路基变形   高速列车在运行时,把轮轨动力以及列车自重通过钢轨传递给轨枕,钢轨和轨枕组成的轨排可简化成无限长弹性梁,再把力传递到轨枕下路基。路基是铁路线路工程中最薄弱、最不稳定的环节之一,路基发生不均匀沉降变形后会造成轨道的几何形状发生变化,即造成轨道高低、水平、方向和轨距不平顺。严重时会在轨枕下方出现三角坑,致使列车脱轨,影响行车安全性。因此,路基工程设计的重点是控制变形。 (3)动力及静力的稳定性   在列车高速运行时,路基除了要承受轨道结构和附属构筑物的静载外,还要承受列车轮轨动力系统的长期激扰,若要列车不发生失稳,必须要求路基具有足够的稳定性。同时,由于站场路基宽度较大,运行的列车对数较多,进入到发线前虽然速度逐渐降低准备进站停车,但土体和列车自重更大,更要保证在静力条件下路基的稳定性[2]。 现代高速铁路线路规划中,桥梁占去了大部分距离,但是在站场处线路数目增加,用路基代替桥梁减少了施工难度,并且使多股道线路共同处于同一平面内,有利于布置道岔咽喉区。若站场处使用桥梁,桥面宽度会增加为正线的五到六倍,增加了设计和施工环节的困难,而且整个工程的总造价也增加很多。列车高速运行经过路桥过渡段时产生的冲击力很容易使桥头与路基出现沉降差,产生所谓的跳头现象,所以要对现代高速铁路路基质量提出更高的要求。 
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第 2 章   路基压实指标检测方法 
 
2.1   压实系数 K
目前通常采用重型击实试验、固体体积法、试验路法确定室内最大干密度,高铁路基中最常用的是重型击实试验,压实系数的计算跟重型击实试验获得的最大干密度有很密切的关系。小型击实筒对粒径的要求是将路基填料经过 20mm 方孔筛,去除粒径大于 20mm 的填料,再进行击实试验;我国以及其他一些国家采用大型击实筒时,将路基填料经过 38mm 方孔筛,去除粒径大于 38mm 的填料,再进行击实试验。为了不影响试验结果,允许填料中残留小于 5%的异常尺寸颗粒。 
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2.2   孔隙率 n 
 由推导公式(2-3)可知,当土粒比重保持不变的情况下,土体孔隙率随土体干密度的增大而逐渐减小,二者呈反比例关系。把孔隙率当作压实质量的评价指标之一,是因为随着干密度无限接近土粒比重,孔隙率趋近于零,则土体处于完全密实状态,压实系数达到最大的状态。EV1、EV2也是采用直径 30cm 的平板载荷试验获得的结果,国外在高铁路基压实质量控制中广泛采用该试验方法。在平板载荷试验过程中,EV1是采用单循环加载方式的试验结果,EV2是采用二次循环加载方式的试验结果。单循环静载试验的加载等级为 35KPa,加载一级后停留一分钟记录百分表的读数,直到沉降变形趋于稳定,即两次百分表读数的差值小于 0.1mm 时,再加载下一级,按照这种加载方式直到最大荷载停止加载。二次循环静载试验的加载等级也是 35KPa,逐级加载到最大荷载时,待沉降变形稳定后,按最大荷载的 0.5 倍逐级卸载,稳定后记录路基试验点的残余变形,然后按照第一次的加载循环方式进行二次加载。
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第 3 章   连续压实检测压实质量理论 ............ 13 
3.1   CPMS 工作原理 ...... 13 
3.2   连续压实数据离群点的处理 ...... 16 
3.2.1   离群点产生的原因 ..... 17 
3.2.2   常用离群值计算法 ..... 18 
3.2.3   局部平均距离法 ......... 18 
3.2.4   邻域估计法 ....... 20 
3.3   检测范围差异 .......... 21 
3.4   连续压实控制路基不均匀沉降 ............ 21 
3.5   本章小结 ........ 23 
第 4 章   连续压实指标与传统指标相关性校验研究 ........ 24 
4.1   路基水泥土的均匀性研究 .......... 24
4.2   影响压实质量的因素研究 .......... 28
4.3   相关性校验现场试验方案 .......... 30 
4.4   连续压实指标[VCV]的可用性 .... 31
4.5   相关性校验研究 ...... 32
4.6   本章小结 ........ 39 
第 5 章   连续压实的工程应用研究 ...... 40 
5.1   工程应用条件 .......... 40 
5.2   检测压实度的应用 ............ 41 
5.3   检测压实度的验证研究 .... 43 
5.4   控制压实均匀性的应用 .... 43 
5.5   CPMS 控制压实均匀性的验证研究 .... 46
5.6   本章小结 ........ 55 
 
第 5 章   连续压实的工程应用研究 
 
5.1   工程应用条件 
主要分两方面的应用,一方面是连续压实控制路基压实度的应用,先用连续压实检测各填筑层的压实度,从压实程度分布图判断路基压实质量,取不合格区域,用传统检测方法检测,验证连续压实检测的准确性。另一方面是连续压实控制路基压实均匀性的应用,从压实状态分布图和压实曲线分布图判断路基压实均匀性,用沉降观测数据对比分析,验证连续压实控制不均匀沉降的可靠性。 在站场路基试验段 DIIK110+251~DIIK110+351 段,从第二层开始运用连续压实进行压实质量控制,由第四章 4.2.1 节可知,每层以静压 1 遍+弱振 2 遍+强振 1遍+静压 2 遍的碾压方式进行碾压可达到压实标准。由于试验段路基填高较大,平均为 8m,每层压实厚度大约为 30cm,填筑层数较多,以该试验段基床以下路堤第 5 层、第 6 层、第 11 层的压实分布图进行分析。 在运用连续压实技术检测基床以下路堤之前,将确定的目标值输入 CPMS 系统,并对其他参数进行设定,包括路基的每层起点里程,每层碾压宽度,碾压层数,碾压厚度,碾压面积,振动压路机的行驶速度,激振力,常规值等。打开 CPMS界面,点击参数设置菜单。第 5 层的路基起始里程为 DIIK110+255,路基宽度 30.27m,碾压层数第 5 层,碾压厚度 30cm,碾压面积 3255m2,路基填料为改良土,振动压路机 26t,振动质量 13000Kg,激振力 290KN,额定频率 27HZ,振幅 1.00mm,行
驶速度 3.82Km/h,常规值 92,目标值 416KN/m。第 6 层的路基起始里程为DIIK110+256,路基宽度 28.35m,碾压层数第 6 层,碾压厚度 30cm,碾压面积 3038m2,路基填料为改良土,振动压路机 26t,振动质量 13000Kg,激振力 290KN,额定频率 27HZ,振幅 1.00mm,行驶速度 3.82Km/h,常规值 92,目标值 416KN/m。第11 层的路基起始里程为 DIIK110+260,路基宽度 27.04m,碾压层数第 11 层,碾压厚度 30cm,碾压面积 2821m2,路基填料为改良土,振动压路机 26t,振动质量13000Kg,激振力 290KN,额定频率 27HZ,振幅 1.00mm,行驶速度 3.82Km/h,常规值 92,目标值 416KN/m。 
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结论 
 
采用连续压实技术对高速铁路路基施工进行过程控制时,连续压实检测指标与传统检测指标相关性检验得到的目标值,是控制路基压实质量的关键节点。紧密结合石济高铁试验段的生产实践,对路基连续压实相关性校检、目标值确定以及路基沉降控制进行了系统的研究,得出以下主要结论: 
(1)浅析了连续压实技术比传统检测方法更能对路基压实质量进行准确的控制,压路机振动轮与路基作用力的值与很多因素有关,通过传感器接受的振动信号转化为直观的分布图来实现碾压层压实质量的控制。为了提高控制的准确性,采用异常值处理法对平面坐标上分布的数据组散点图进行异常检测,提高了相关性校检的精度。 
(2)结合大量的现场试验,找到了适合衡水段路基的最佳施工工艺。在路拌法新工艺方面,采用每格 200Kg 水泥量控制网格尺寸,路拌机拌合速度定为10m/min,能保证改良土中灰剂量的均匀性,降低对路基整体刚度不均匀的影响。同时为了取得较好的压实效果,基床以下路堤的松铺厚度取 36cm 左右,最佳的碾压方式为“静压 1 遍+弱振 2 遍+强振 1 遍+静压 2 遍”,基床底层的松铺厚度取 36cm左右,最佳的碾压方式为“静压 1 遍+弱振 1 遍+强振 2 遍+静压 2 遍”,松铺系数取 1.1~1.2。 
(3)先验证了连续压实技术有继续研究的可行性,然后证明了采用点对平均值的拟合方式比点对点相关系数高。基床以下路堤各层、基床表层级配碎石填料的[VCV]随着常规检测指标的增加呈现出增长趋势,各碾压层  [VCV]与常规值的相关性比较强,根据回归方程确定了目标值,该校验方法在日后相同填料高铁路基中可以直接使用。 
(4)最后进行碾压检测,压实程度分布图直观反映了各层的压实度达到合格标准,再反过来用传统检测方法验证,证明了 CPMS 连续压实检测技术可以用来评价高铁路基的压实度。由近期沉降数据的对比和长远期沉降预测分析,验证了连续压实技术在控制路基不均匀沉降方面效果显著,对减小路基后期病害具有重大意义。 
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