基于連續檢測的高速鐵路路基壓實質量控制方法

安再展 蔡德鉤 葉陽升 朱宏偉 鄭新國 李斯

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統全國重點實驗室， 北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所， 北京 100081； 3.北京鐵科特種工程技術有限公司， 北京 100081； 4.中國國家鐵路集團有限公司， 北京 100844

鐵路路基承擔著軌道重力及列車動態荷載作用。路基壓實質量不合格可能導致不均勻沉降、翻漿冒泥等病害發生，危害列車行車安全。目前高速鐵路路基壓實質量采用物理指標與力學指標雙指標控制，其中物理指標主要包括壓實度（K）、孔隙率等，力學指標主要包括動態變形模量（Evd）、地基系數（K30）、變形模量（Ev2）等。傳統檢測方法存在兩方面缺點：①傳統檢測屬于點抽樣檢測，檢測面積遠小于碾壓面積，抽樣檢測結果無法代表整個碾壓面的壓實質量；②傳統檢測在碾壓結束后進行，檢測耗時較長，時間上存在滯后性，無法實時掌握路基壓實狀態。

為克服傳統路基壓實質量檢測方法的不足，一些學者基于振動壓路機在土體不同壓實狀態下的動力特性，提出了路基壓實質量連續檢測技術［1-3］。Thurner等［4］最早發現振動輪加速度畸變程度與被壓土體壓實程度有關，提出了基于加速度頻域分析的壓實計值（Compaction Meter Value，CMV）指標，并在土石方填筑工程中廣泛應用［4-7］，后續有學者在此基礎上提出總諧波失真量（Total Harmonic Distortion，THD）［8］、壓實控制值（Compaction Control Value，CCV）［9］等加速度頻域類指標。一些學者從振動壓路機-土動力相互作用出發，提出了力學類指標。Monney等［10-11］基于振動壓路機-土二自由度模型，提出土體剛度（ks）；徐光輝等［12-13］基于動力學分析，提出反映路基抗力的振動壓實值（Vibration Compaction Value，VCV）。

各國根據本地區填筑工程特點，對壓實質量連續檢測指標的相關性、壓實程度、壓實均勻性和壓實穩定性予以規定［14］。確定壓實質量連續檢測控制值是進行壓實質量連續檢測的核心，德國采用線性回歸方程建立連續檢測指標與常規檢測指標的相關關系，根據常規檢測合格值確定連續檢測指標控制值。這種方法最為簡便，但無法完全保障壓實質量。奧地利同樣基于線性回歸方程，提出了最大控制值、最小控制值、平均控制值和80%最小控制值，規定了各種情況下連續檢測指標應符合的要求，但實際操作較為復雜。美國明尼蘇達州規定連續檢測值不再發生明顯變化時的對應值為控制值。國內外對壓實程度、穩定性和均勻性的具體規定見表1。

表1 國內外連續壓實檢測控制標準

中國高速鐵路路基采用A、B組粗粒土填料，壓實質量要求極高。大量試驗表明，粗粒土填料壓實過程中振動輪加速度成分復雜，會出現高次及半次諧波［15］，現有的連續檢測指標精度無法滿足高速鐵路路基壓實質量控制要求，同時壓實質量連續控制標準偏低。針對中國高速鐵路路基填料，葉陽升等［16-17］提出基于振動能量的壓實質量連續檢測指標——能量壓實值（Compaction Energy Value，CEV），并通過現場試驗驗證了CEV與常規檢測指標具有較強相關性。本文開展路基碾壓足尺模型試驗，采用CEV作為高速鐵路路基壓實質量連續檢測指標，通過壓實穩定性、壓實均勻性和壓實程度三方面分析，提出基于CEV的高速鐵路路基壓實質量控制方法。

1 路基碾壓足尺模型試驗

試驗地點位于黃驊市北京交通大學軌道試驗基地。試驗填料為A、B組粗角礫料，最大粒徑不超過60 mm，最大干密度為2.41 g/cm3，平均含水率6.2%，填料級配見圖1。

圖1 試驗填料級配

根據前期試驗結果，壓路機有效影響深度約為1 m。為避免場地原地面對試驗結果的影響，首先分層填筑厚度為1 m下墊層，然后在下墊層上進行碾壓試驗。試驗中每層填料松鋪厚度為40 cm，碾壓車速為2.5 km/h。

采用26 t三一SSR260C-8型單鋼輪振動壓路機，其中前輪分配質量為17 t，振動輪寬度為2.17 m。壓路機有強振（振幅為2.05 mm，振動頻率為27 Hz）和弱振（振幅為1.03 mm，振動頻率為31 Hz）兩種振動模式。加速度傳感器安裝在壓路機振動輪上，見圖2，量程為±16g，采樣頻率為5 000 Hz，碾壓過程中實時采集振動輪豎向加速度信號，每行駛0.5 m輸出一個壓實質量連續檢測值。每遍碾壓后檢測路基壓實質量常規指標Evd、K和K30。由于壓實質量連續檢測結果反映的是2.17 m × 0.50 m矩形區域內填料平均壓實狀態，因此每0.5 m沿振動輪寬度方向均勻布置3個常規指標檢測點，取其平均值與相應的連續檢測結果進行相關性分析。常規檢測測點布置如圖3所示。

圖2 振動壓路機與加速度傳感器

圖3 常規壓實質量指標測點布置

2 基于CEV的高速鐵路路基壓實質量連續檢測方法適用性

2.1 壓實質量檢測指標與碾壓遍數的關系

為分析碾壓過程中路基壓實質量變化情況，對路基進行連續8遍碾壓，每一遍碾壓過程中實時采集振動輪加速度，碾壓后分別檢測Evd、K30、K與沉降。各常規檢測指標平均值與碾壓遍數的關系見圖4?？芍?，各常規檢測指標均隨著碾壓遍數增大而增大且在壓實初期增長速率較大，隨著碾壓遍數增大各指標增大速率逐漸減小，最終趨于穩定。

圖4 常規檢測指標隨碾壓遍數變化情況

對采集到的振動加速度信號進行希爾伯特-黃變換，即得到加速度邊際譜［18］。邊際譜反映了振動能量在頻率軸上的分布［16］。第1、3、5、8遍碾壓的加速度邊際譜見圖5?？芍?，各碾壓遍數下能量峰值均出現在31 Hz，與振動輪振動頻率一致。壓實初期振動能量較為集中，基頻對應能量幅值約為0.53g·s，攜帶能量的頻帶約為25～38 Hz；隨著碾壓遍數增多，基波對應能量幅值逐漸減小，到第8遍碾壓時約為0.30g·s，攜帶能量的頻帶增至19 ～ 40 Hz。邊際譜逐漸從“細高”變“寬矮”，基頻振動能量分散至其他頻率，說明加速度非線性程度增強。

圖5 不同碾壓遍數加速度邊際譜

對頻率0 ～ 100 Hz內的邊際譜幅值相加得到振動輪總振動能量，即振動能量值（CEV）。試驗條帶平均CEV與碾壓遍數關系見圖6?？芍?，CEV隨著碾壓遍數增大而增大，并逐漸趨于穩定，這是由于隨著填料密度和剛度增大，填料與振動輪的相互作用增強，填料反饋給振動輪的能量增大，導致振動輪的振動能量增大。

圖6 連續檢測指標CEV隨碾壓遍數變化情況

綜上，壓實質量連續檢測指標（CEV）隨填料壓實逐漸增大并趨于穩定，變化規律與常規檢測指標相似，可以反映路基壓實狀態。

2.2 CEV與常規檢測指標相關性分析

路基壓實質量連續檢測通過建立CEV與常規檢測指標的相關性關系評價路基壓實質量。根據TB 10751—2018《高速鐵路路基工程施工質量驗收標準》要求，中國高速鐵路路基壓實質量采用Evd、K30和K進行控制。試驗共得到42組Evd和K30數據，46組K數據，根據常規檢測位置計算對應的CEV，采用一元線性回歸方程建立CEV與Evd、K30和K的相關性關系，相關系數（r）計算式為

式中：Xi為連續檢測指標；Yi為常規檢測指標為指標平均值；n為檢測點數據數量。

CEV與各常規檢測指標相關性見圖7?？芍?，CEV與Evd、K30和K的相關系數（r）分別為0.769、0.696、0.788，均具有強相關性，滿足Q/CR 9210—2015《鐵路路基填筑工程連續壓實控制技術規程》中r＞ 0.49的要求，因此CEV指標可用于中國高速鐵路路基壓實質量連續檢測。

圖7 壓實質量連續檢測指標與常規檢測指標相關關系

3 基于CEV的高速鐵路路基壓實質量連續控制方法

3.1 高速鐵路路基壓實程度控制

壓實程度控制是高速鐵路路基壓實質量連續控制的核心，其中壓實質量連續檢測控制值的合理設定是進行壓實程度控制的基礎。如2.2節所述，壓實質量連續檢測通過建立連續檢測指標（Measured Value，MV）與路基常規檢測指標x（Evd、K30或K）的關系，從而根據MV判斷路基壓實質量是否合格。壓實質量連續檢測控制值計算方法見圖8，目前常用方法為采用線性擬合建立MV與x的相關關系[式(2)]，然后根據常規檢測指標合格值x=[x]與線性回歸方程的交點，計算連續檢測控制值[MV]1，即

圖8 壓實質量連續檢測控制值計算方法

式中：[x]為路基壓實質量常規檢測指標合格值；[MV]1為連續檢測控制值。

采用CEV預測常規檢測指標的90%置信水平預測區間見圖9?？芍?，當MV≥ ［MV］1時，有一些測點的常規檢測實際值x仍小于合格值［x］，不滿足質量要求。這是由于采用式（2）計算得到的x是總體均值的估計值，沒有考慮個別值的不確定性［19］，因此會導致部分碾壓面壓實質量不合格，對路基安全造成隱患。

圖9 采用CEV預測常規檢測指標的90%置信水平預測區間

為保障路基壓實質量，本文提出一種考慮預測區間的壓實質量連續檢測控制值確定方法。利用建立的回歸方程，對于自變量的某一給定值，求出因變量的一個個別值的估計區間，這一區間稱為預測區間。對于某一連續檢測指標MV，常規檢測指標x的預測區間上下限為

式中：tα/2(n-2)為t檢測臨界值；α為顯著性水平，取0.10；n為樣本數量；Sx為估計標準誤差為MV的平均值。

如圖9所示，路基壓實質量連續檢測控制值取x=[x]與預測區間下限交點的橫坐標[MV]2，其含義為：當連續檢測指標達到[MV]2時，常規檢測指標有95%概率大于[x]。將[x]代入式（4）得到式（5），即可求解[MV]2。

路基壓實質量需同時滿足Evd、K30和K控制要求，因此分別計算Evd、K30和K對應的CEV控制值，并取其中的最大值作為采用的CEV控制值。采用CEV預測Evd、K30和K的90%置信水平預測區間參見圖9。分別根據式（3）、式（5）計算CEV控制值，計算結果見表2，采用線性回歸方程確定的CEV控制值為28.60，采用預測區間下限確定的CEV控制值為31.37。

表2 CEV控制值計算結果

為驗證壓實質量連續檢測控制值的合理性，在某7 m長試驗條帶進行連續12遍碾壓。每遍碾壓過程中采集振動輪加速度信號，計算連續檢測指標（CEV），條帶包含16個檢測單元，判斷方式1以CEV大于等于28.60作為合格標準，判斷方式2以CEV大于等于31.37作為合格標準。兩種判斷方式下，試驗條帶CEV合格率隨碾壓遍數增大的變化情況見圖10?？芍呵?遍碾壓兩種判斷方式CEV合格率均為0，對于判斷方式1，第4遍碾壓后出現CEV合格的檢測單元，在第4—7遍碾壓CEV合格率迅速上升，第7遍碾壓后達到100%，之后合格率保持在100%不發生變化；對于判斷方式2，CEV合格率明顯小于判斷方式1，第7遍碾壓才出現CEV合格的檢測單元，第8—10遍碾壓CEV合格率上升，在第10遍達到最大的93.75%，繼續碾壓則CEV合格率下降，12遍碾壓后合格率減小為75%，說明第11、12遍碾壓發生了過壓，而采用判斷方式1得到的CEV合格率結果無法說明過壓現象。

圖10 兩種控制值計算方法下CEV合格率

碾壓第12遍后，在碾壓面上隨機抽樣檢測42組Evd，12組K30，12組K，計算各常規檢測指標合格率，結果見表3?？芍旱?2遍碾壓后Evd、K30和K的合格率分別為85.71%、66.67%和83.33%；判斷方式1的CEV合格率為100%，說明采用線性回歸方程確定CEV控制值會過高估計路基壓實質量，對路基壓實質量控制不利；判斷方式2的CEV合格率為75%，與常規檢測結果更接近，說明采用90%置信水平預測區間下限確定CEV控制值滿足路基壓實質量控制要求。

表3 試驗條帶12遍碾壓后各指標合格率

高速鐵路路基壓實質量要求嚴格，Q/CR 9210—2015中規定，壓實程度合格率設定為95%，因此本文取壓實程度合格率為95%。

3.2 高速鐵路路基壓實穩定性控制

壓實穩定性主要是從控制填筑體物理力學性能穩定性程度方面考慮的，是采用壓實質量連續檢測技術對路基壓實質量進行評價的指標之一。為分析碾壓過程中壓實質量連續檢測指標的穩定性情況，對試驗條帶進行連續12遍碾壓。條帶平均CEV增長率隨碾壓遍數的變化情況見圖11?？芍?，壓實初期CEV增長率較大，達到近6%，隨著碾壓遍數的增大，填料物理力學性質逐漸趨于穩定，CEV增長率呈減小趨勢，第8、9、10遍碾壓的CEV增長率均小于2%。第11、12遍碾壓時，CEV增長率為負值，說明此時發生了過壓現象，路基壓實質量下降。

圖11 不同碾壓遍數下的平均CEV增長率

對試驗條帶16個檢測單元的CEV增長率進行分析，不同碾壓遍數下CEV增大檢測單元占總檢測單元的比例見圖12?？芍?，在前7遍碾壓中，CEV增大單元占比在80%以上，此時路基面絕大部分部位的填料處于逐漸被壓實狀態；第8遍碾壓后CEV增大單元占比快速下降，約為60%，此時仍有超過一半區域繼續被壓實；第11、12遍碾壓，CEV增大的檢測單元占比約為20%，試驗條帶約80%檢測單元出現松散，此時應該停止碾壓。

圖12 不同碾壓遍數下CEV增大單元占比

根據試驗結果，本文提出以下高速鐵路路基壓實質量連續檢測穩定性控制要求：

1）當碾壓區域CEV合格率達到95%，且平均CEV增長率小于2%時，認為路基壓實質量滿足控制要求。

2）當連續2遍碾壓出現平均CEV減?。ɑ蚰雺簠^域超過50%檢測單元CEV減?。┈F象時，應停止碾壓。

3.3 高速鐵路路基壓實均勻性控制

高速鐵路路基采用粗粒土填料，離散性較大，若路基不同部位剛度相差過大可能導致不均勻沉降等病害發生，因此需要對路基均勻性進行控制。第1—12遍碾壓試驗條帶上16個檢測單元的CEV變化情況見圖13?？芍?，在壓實初始階段，試驗條帶中部的CEV要大于兩側，隨著碾壓遍數增大，中部的CEV與兩側的CEV差別逐漸減小。

圖13 試驗條帶各檢測單元CEV變化

采用變異系數評價試驗條帶CEV離散性，變異系數（CV）計算方法為

式中：σ為樣本平均值；μ為樣本標準差。

變異系數隨碾壓遍數的變化情況見圖14?？芍旱?—10遍碾壓變異系數呈減小趨勢，從3.4%左右減小到2.3%左右，說明壓實過程中路基不同位置壓實狀態逐漸均勻，但第11、12遍碾壓變異系數有所增大，說明過壓會導致路基壓實狀態不均勻。

圖14 變異系數變化情況

碾壓面上CEV過小或過大都可能導致質量問題：CEV過小可能是填料中細顆粒過多，導致路基剛度不滿足要求，CEV過大可能是發生了集料窩現象，大顆粒聚集導致局部剛度過大，兩種現象均對路基壓實不利。第1—12遍碾壓，試驗條帶中的最大和最小CEV與平均CEV的比值見圖15?？芍?，最大比值分布在1.02 ～ 1.08，最小比值分布在0.92 ～ 0.96。

圖15 CEV均勻性變化情況

根據試驗結果，結合國內外相關規范要求，本文提出高速鐵路路基壓實質量連續檢測均勻性控制要求：碾壓結束后，碾壓區域內各檢測單元CEV值應在區域平均CEV的80% ～ 120%范圍內。

4 結論

1）在路基壓實過程中，隨著碾壓遍數增加，振動輪振動能量呈先增大后穩定的趨勢，能量壓實值（CEV）變化規律與常規檢測指標變化規律一致。

2）CEV與動態變形模量（Evd）、地基系數（K30）和壓實度（K）均具有較強相關性，表明采用CEV可作為高速鐵路路基壓實質量連續檢測指標。

3）提出采用90%置信水平預測區間下限計算壓實質量連續檢測指標控制值的方法，分別計算Evd、K30和K對應的CEV控制值，取其中最大值作為路基壓實質量連續檢測控制值。試驗表明，采用該控制方法可有效避免高估路基壓實狀態，有效保障路基壓實質量。

4）在路基壓實過程中，CEV隨著碾壓遍數增大趨于穩定。當碾壓區域CEV合格率達到95%，且平均CEV增長率小于2%時，路基壓實質量滿足控制要求；當連續2遍碾壓出現平均CEV減?。ɑ蚰雺好嫔铣^50%檢測單元CEV減?。┈F象時，應停止碾壓。

5）碾壓結束后，各檢測單元CEV值應在碾壓區域平均CEV的80% ～ 120%范圍內。