铁路路基检测概述

铁路路基检测概述

摘要本文阐述了路基检测技术的发展状况，总结了铁路路基检测的内容、要求和作用，根据检测对象对路基检测方法和技术作了分类，分别论述了铁路新线路基和既有线路基的检测指标与检测方法，并归纳了常见铁路路基病害及成因，总结出一套操作性较强的快速、准确、简便、有效的无损检测方法，可准确地揭示出路基现状及病害，并可对检测区段路基稳定性作出评价，以合理有效地利用路基检测方法，提高检测效率和水平。

关键词铁路路基病害检测技术

Abstract This article describes the development of roadbed detection technology，summarizes the contents of the railway embankment testing，requirements and effects，according to the detected object，detection methods and techniques of roadbed were classified . Respectively，it discussed the new railway line and existing railway line with detection methods and detection index，and summarizes the common diseases and causes，summed up a strong operational fast，accurate，simple，and effective non-destructive testing methods，which can accurately reveal the roadbed status and disease，and evaluate the stability of the roadbed in the detection zone，to rationally and effectively use roadbed detection methods to improve the efficiency and level detection .

Key words railway embankment diseases detection technology

1.引言

我国幅员辽阔，不少地区都存在膨胀土、红粘土、软岩风化残积土等各种工程性质不良的土，而铁路又不得不经过这些地区，加之以往由于技术水平、经济条件以及施工机械设备方面的原因，我国的铁路路基设计技术标准较低，施工质量把关不严，从而导致各种铁路路基病害成为一种分布广、治理难、多发性强的病害，最常见的路基病害主要包括:翻浆冒泥、道碴陷槽、道碴囊、路基下沉、挤出变形、边坡坊方、冻害和特殊路基病害等。研究和实践表明，如果路基工程搞不好，即使轨道结构非常先进，也不能发挥其应有的作用。随着列车向快速、重载方向发展，列车动荷载大幅度提高，路基内应力水平、分布状态和作用方式显著改变，原有动态平衡破坏，进一步产生病害，严重影响着列车的安全运行。研究快速、可靠、全面的路基检测技术和方法成为迫切需要解决的问题。作为铁路建设与管理中的关键性和基础性技术，路基检测对提高路基工程质量、降低工程造价、加快工程进度、推动工程施工技术进步等都起到至关重要的作用。我国铁路线路长而分布广，线路基状态的检测和评估，是制定路基维修计划、指导日常维修作业和路基改造的重要依据为此，研究快速、准确、先进的检测方法及设备，同时建立科学的符合国情的路基检测与评价体系，对铁路的安全运营和维修作业具有重要的工程实际意义。

本文论述了常用的路基检测技术和方法，目的是合理有效地利用这些方法，提高路基检测效率和水平，推动新技术的应用。

2.铁路路基状态检测方法的发展

20世纪30年代开始，美国提出了以压实度指标(压实系数K、相对密度Dr、或孔隙率n)作为路基压实质量的控制标准，这些指标至今仍作为世界各国路基设计及施工控制中路基填料的压实质量的控制标准。尽管以压实度作为路基压实质量控制指标具有指导现场施工、现场检测简便等优点，但对于高速铁路或其它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就存在着一定的局限性。到了20世纪七八十年代，许多国家开始采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:美国的加州承载比标准，日本的地基系数尺K30标准，德国、法国等国家的静态变形模量E v2标准等。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。

随着人们对路基工程的认识不断加深，对铁路路基检测水平的要求也随之提高，传统的检测技术己不能满足我国快速发展的铁路工程实践需要，因此我国先后引入了德国、法国、日本等国家先进的新型路□质量检测和评估方法如K30

平板载荷试验、E v2平板载荷试验、Evd动平板载荷试验等。同时发布、修订了新的《铁路路基设计规范》、《时速160km新建铁路线桥險站设计暂行规定》、《新建时速200km客货共线铁路设计暂行规定》、《京沪高速铁路设计暂行规定》等适用不同等级新建铁路的规范、规定，成为指导新线建设和强制执行的规范性指导文件。

近年来，地质雷达、利面波、密度电阻率法等先进的检测技术引入路基的检测和评估，显示出独特功能、特点和良好的适用性，产生了巨大的社会效益和经济效益，引起广泛兴趣和关注。

3.路基检测指标与检测方法

3.1新线路基检测指标与检测方法

在新建铁路的填筑压实检测过程中，通常是对路基填料进行压实度和力学指标进行控制。世界各国对路基压实质量控制标准不同，检测方法也各异，且多是各个国家或部门根据多年经验积累而成的。研究表明，单一控制指标难以全面反映路基填料的压实质量与力学性质，如粘性土在压实系数满足规范要求时，若含水量偏高，它的强度往往达不到规范要求。所以在路基填料的压实检测中应采用全面的控制指标和检测方法对压实质量进行控制。根据不同等级铁路的设计规范和相关标准，目前我国新线路基压实质量控制指标主要包括压实度K、孔隙率n、地基系数K30、二次变形模量E v2、动态变形模E vd等。

1)压实度K检测

传统的压实度检测主要是通过测定土的天然密度和含水率，并对现场土样进行室内击实试验，从而计算出土体的最大干密度和压实度K，以揭示路基填筑的密实程度，评判路基的填筑质量，在主要现场密度测试方法中:灌砂法、气囊法适用于现场测定最大粒径小于20mm的土的密度，灌水法适用于现场测定最大粒径小于60mm的土的密度。现场进行压实度检测时，选点应得当且具有代表性，随机取点，检测频率也要满足规范要求，这样检测结果才能较客观地反映工程质量的实际情况。传统的压实度K检测方法不足在于:①须挖坑、采样、称重等，

操作较复杂，在一定程度上破坏了土层的结构;②检测必须在在碾压结束后方能进行，难于及时发现压实不足的路段，当压实遍数过多时，则浪费了资源，还可能将已经压实的材料振松;③灌水法在实验过程在橡皮袋容易破坏，也不利于在冬天采用该方法检测。20世纪三十年代，瑞典、德国等国家开始研究利用振动轮振动加速度在压实过程中的变化规律，寻求探索检测路基压实质量控制与压实同步的检测方法。

2)孔隙率n检测

现场测定土的天然密度和含水率，并对现场土样进行室内颗粒密度试验，确定土的比重，计算出土体的孔隙率以揭示路基填筑的密实程度，评判路基的填筑质量。对于粗颗粒填料来说，由于最大干密度难于测得和测准，采用孔隙率比采用压实系数能更好地控制施工质量。

3)加州承载比(CBR)试验

CBR (California bearing ratio)试验是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层、垫层或土基材料承载能力的试验方法。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百分数表示CBR 值。CBR值能反应土体抵抗垂直位移和局部荷载压入变形能力，当土体处于极限平衡条件下亦可反应土体的抗剪强度。CBR值反应了路基填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。CBR试验最大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。

4)地基系数尺K30检测

K30平板载荷试验是采用直径为30cm的承载板测定下沉量为1.25mm地基系数的试验方法，同时可获得荷载---沉降关系数据。它属于平板载荷试验的一种，可以直观的表现路基或地基刚度和承载能力，是现行铁路施工中控制基床和路堤填料压实质量的主要指标之一，同时也被用于公路和机场跑道填土的压实质量的检测。K30平板载荷试验适用于粒径不大于荷载板直径1/4的各类土和土石混合填料以及加固桩体。

5) 二次变形模量E v2检测

通过圆形承载板和加载装置对土层面进行第一次加载和卸载后，再进行第二次加载，用测得的承载板下应力σ和与之相对应的承载板中心沉降量S，来计算变形模量E v2及E v2 / E v1值的试验方法。由于第一次加载和卸载后消除了土体大部分塑性变形，第二次加载更能反映土体的弹性变形能力，采用E v2作为路基的压实质量控制指标或评价加固效果更加科学合理响。变形模量E v2试验适用于粒径不大于承载板直径1/4的各类土和土石混合填料。

6)动态变形模量E vd检测

通过10kg落锤冲击直径为30cm的圆形承载板，施加一定大小和作用时间(冲击持续时间:18±2m s)的动荷载以模拟列车运行时产生的动应力，测得路基在动荷载作用下的变形模量E vd ，揭示路基的动力变形性质(刚度)和压实质量。适用于粒径不大于荷载板直径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400~500rnm。E vd测试仪器携带方便，操作简单直观，检测效率高，最重要的是在列车荷载作用下E vd测试值能较真实地反映路基土体的动力特性，被广泛用于新建铁路和既有线提速中路基质量的控制。

3.2既有线路基检测指标与检测方法

路基是线路的基础，不但要承受线路上部结构的重量，而且还要承受列车荷载的重复作用。列车在动荷载产生下产生的过大动应力会引起路基翻浆冒泥和永久变形，从而引起轨道线路的不均匀下沉。铁路既有线经过多年运行，路基状况十分复杂，病害复杂多样。因此，既有铁路路基检测对路基状态评估具有十分重要的意义。目前既有线铁路路基检测方法主要包括挖探、轻型动力触探、便携式动力触探、小型贯入试验、静力触探、落锤式弯沉仪检测、核子密度湿度测试、高密度电法探测、车载雷达快速检测以及轨下弹性波精细探测等。

1)挖探

挖探是通过在路基中开挖具有一定深度和长度的沟槽，以查明病害、不良岩土或加固体的基本性状、界限或延伸方向。挖探适合于钻探方法不容易到达或实施，难以准确查明病害或加固体状况、难以保证取样质量时，最适合于路基或边坡的浅层。挖探深度受地下水位限制，一般不宜低于地下水位，即使在地下水位以上也以不超过20m为宜。挖探方法不足之处在于损坏线路、效率较低、结果片面不可靠。且路基病害分布具有随机性，线路一侧的挖探结果并不能完全代表

该断面，且挖探深度往往有限，无法检测到铁路基床深部的病害和状况。

2)静力触探

静力触探是将探头用静力方式压人土层，根据贯入阻力划分和确定地层物理力学指标的一种较为理想的原位测试方法。近年来研制开发了适用于路基的小型轻便触探设备和方法，在路基检测应用中被证明是一种有效的路基检测方法，其测试结果稳定可靠。但其主要缺点是影响行车，并且易受道床和基床板结层的影响。

3)动力触探

动力触探是把装在钻杆上的锥头按规定锤击能量将其打人土中一定深度，以锤击数来区分和确定地层物理力学指标的方法。结合既有线路基特点，一般以锤重10kg、落距50cm的轻型动力触探进行勘探。一般用于确定各类土的容许承载力，查明土层在水平和垂直方向上的均匀程度，确定桩基持力层的位置和预估单桩承载力。对于既有线路基检测，还能测定一定深度基床土的强度，掌握基床土的地基承载力沿深度和线路纵向变化。轻型动力触探一般适用于一般粘性土及素填土，连续贯入深度一般不超过4m。该方法设备简单、测试方便有效、适用性较广，且不影响行车，因此在路基床强度评估路基病害检测等方面用途广泛。但其缺点是分辨率不高，且易受介质不均匀的影响。另外，通过改进的便携式动力触探仪器常被用来探明路基状态与地基承载力、检测路基密实度，是一种局部勘察手段。

4)落锤式弯沉仪(FWD)检测

落锤式弯沉仪的原理是落锤从一定高度自由下落冲击荷载板，通过位于承载板上的力和位移传感器获取数据，加以分析，找出动荷载与动变形之间的关系。路面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。落锤式弯沉仪是目前世界上公认的先进的路面承载力动载评定设备，在60多个国家和地区先后得到应用，特别是在美国和西欧等发达国家，FWD应用十分广泛，取得了非常显著地效果。落锤式弯沉仪也是目前国际上最先进的路面强度无损检测设备之一，其应用已步入规范化、标准化的阶段。在既有铁路路基检测中，路基基床系数K30的测试不容易实现，落锤式动

刚度检测仪被用来测试基床动刚度和评估路基状态。为了不影响正常行车，避免扒开道碴，在大面积普查或有资料可查时，也可在路肩进行测试，然后推测轨道下方基床的相应参数。

5)核子密度湿度测试

核子密度湿度测试是根据γ射线在经物质散射前后强度的变化和测试快中

子的散射能量来确定被测物质的压实度和含水量。核子密度湿度测试用于公路路基、铁路路基等土木工程施工现场的压实度、含水量和空隙率质量控制检测和工程验收以及用于在工程试验区段快速准确获取施工参考数据等。在铁路路基检测应用中，核子密度湿度测试被用来判断路基的压实程度。核子射线法适用于现场测定填料为细粒土、砂类土的压实密度。为避免扒开道砟，需采用深层核子密度湿度仪穿过道床成孔试验，其缺点是对行车有干扰，如果操作不当的话可能会对人的身体有危害，造成环境污染。

6)高密度电法探测

高密度电法是以地下被探测目标体与周围介质之间的电性差异为基础，通过人工建立地下稳定直流电场，依据预先布置的若干道电极采用预定装置排列形式进行扫描观测，研究地下一定空间内大量丰富的空间电阻率变化，以此反映地层的变化，从而查明和研究有关地质问题的一种直流电勘探方法。高密度电法具有成本低、效率高、信息丰富等优点，可探测洞穴、断层、破碎带、路基状态、道砟陷槽、道砟囊、路基釆空区、翻浆冒泥和岩溶等，用途广泛。但影响其精度的因素较多，测试速度也不快，难以建立与地层力学性质的关系，只能用于结构物的探测或粗略确定道砟的污染程度

7)车载雷达快速检测

车载雷达快速检测原理是将雷达天线安装于轨检车、专列或运行列车车尾或车身底部，随着运行列车以一定的时速运行，发射并接收主频频率大于l00MHz 的高频电磁波信号，以发现、追踪轨道以下异常体、不同结构层界面或病害界限。

在铁路路基探测应用方面，铁道科学研究院从2001年起至今，陆续在国内多条铁路线上利用引进的探地雷达系统进行实验研究，研究表明，车载探地雷达系统用于铁路路基病害探测中是最有效的。车载雷达快速检测技术适用于有砟重载铁路路基，亦可应用于普通有砟铁路路基检测。

8)轨下弹性波精细探测

轨下弹性波精细探测是通过地震仪向路基内发射声波，由接受系统测得波速、振幅和频率，根据波在弹性体内中的传播规律，分析、判释被测岩土体性状和确定其有关力学参数的一种物理勘探方法，包括弹性波反射法和路基结构层振动幅频响应特征法。弹性波精细探测适用于重载铁路路基，亦可应用于普通铁路路基检测，属路基无损检测技术。铁路路基探测一般在作业面下10米深度范围，地质雷达难以保障这一勘探深度，传导类电法或感应类电磁法受电性异常介质的工程多解性和体积效应的影响，其分辨能力和解释精度有局限。铁路路基是在特定环境下存在的一种介质结构，由于各结构层波阻抗存在明显差异，因此弹性波勘探可以在这一领域发挥重要作用。依据弹性波波速与介质结构动弹性力学参数之间的相关关系，可以通过弹性波勘探波速的提供来对路基结构和病害给出科学评估。在弹性波类路基勘探方法中，面波勘探一直是路基评估的主要方法，面波法测出的波速可直接反映路基土的抗剪强度，判定碎石土的密实度，评价地基土加固处理的效果，长期以来，在除去道砟的路基建设或路基加固处理前后，通过面波勘探和频散曲线的反演，可以获得介质结构层的面波及横波波速，根据横波波速的大小给出路基结构的动弹性力学评估结论。波速法测试效率高、数据面广、成本低，但分辨率较低、易受频率和测试条件的影响，且测试结果易受含水量和土质变化的影响。

4.铁路路基病害及成因

铁路路基病害主要是由于铁路路基基底处理不当或路基基床填料不良、排水不畅、水的浸入以及列车荷载长期作用造成的，常见铁路路基病害一般是指路基基床本体破坏，使得路基承载力下降，危机行车安全。常见铁路路基病害主要有翻浆冒泥、路基下沉、路基挤出、路基冻害。

1)翻浆冒泥

翻浆冒泥主要是由于基床脏污，排水不畅等因素造成基床受脏污污染地段软化成泥浆从基床表层冒出，从而使得路基承载力下降，危及行车。

2)路基下沉

路基下沉主要是由于基床填筑料密度不够、强度低，以及压实度不足或外在因素导致路基承载力不足所引起路基沉降。

3)路基挤出。

路基挤出主要是由于基床强度不足而导致基床本体产生剪切破坏，使得基床向外蹦出或着隆起导致路基完整性破坏。

4)路基冻害。

路基冻害主要是由于路基填筑料透水性较差，当路基基床含水率较高且温度较低，使得土体发生不均匀冻胀，从而使得基床破坏，路基承载力降低。当冻胀土融化时又引起路基不均匀沉降。冻害多发生在严寒地带，且路基基床含水率较高的地段。

5.铁路路基病害无损检测技术

5.1无损检测技术方案

过去探测路基的基本方法大体还是以钻探、坑探等为主，钻、坑探仅能反映孔及其周围局部地下地质情况，不能较准确地掌握整个路基断面的地质结构。综合前面所述检测方法，可将无损检测的总体技术方案定为: 采用以地质雷达、瑞雷波法为主，辅以微分电阻率测深等综合物探测试，结合现场调查和取样土工试验，与传统轻型动力触探、K30荷载试验等规范数值进行相关和验证，从而得出采用地质雷达、瑞雷波法等直接检测路基强度的方法，并同时检测道砟层厚度和基床病害的情况。

5.2检测方法

5.2.1 地质雷达法

1）地质雷达检测路基的方法

铁路路基道砟层、孤立的不良地质体、路基病害、基床土等，它们之间的物性差异很大，道砟层的介电常数在4~ 8之间，孤立的不良地质体和路基病害的介电常数大于10、基床土的介电常数在8~ 10之间，因此具备了地质雷达探测既有铁路路基的地球物理前提。

由于不同介质具有不同的物理特性，因而，对电磁波具有不同的波阻抗，其传播路径、电磁场强度以及波形特征将随所通过介质的电性和几何形态而变化; 因此，从雷达反射波走时、幅度及波形资料可以推断道砟层的厚度、基床表面的变形和基床病害的状况。

2）对道砟陷槽等路基病害判别的原则

由于几乎所有的陷槽等路基病害都是含水量较大，在陷槽部位的雷达图像的顶部会出现一条近似水平的反射面，而在下部仍有很强的反射波。通过对同相轴连续的追踪，找出振幅稍强的反射波来确定道砟与基床表层粘土的分界面，可确定道砟陷槽位置、翻浆冒泥规模及延展范围，判定其严重程度。

5.2.2 瑞雷波法及其他

横波与岩石物理性质的相关程度比纵波更具优越性。在既有路基中, 由于横波拾取困难, 利用瑞雷波与横波具有密切相关性, 施测瞬态瑞雷波勘察代替横波。瑞雷波速的大小直接反应了土层强度的高低。

对于路基检测，最关心的是基床中心的情况。通过对比试验可知，在路肩上进行瑞雷波测试工作所取得的资料深度0.5m以下，可代表道心的情况; 而

0~0.5 m 深度范围内，进行瑞雷波速的直达波速度测试，以取得基床表层 0~ 0.

5 m 深度范围填料的瑞雷波速。利用瑞雷波速与轻型动力触探的关系式，可对路基强度和承载力作出评价。

轻型动力触探法，微分电阻率测深，核子密度湿度试验，地基系数K30试验在前述中已经提到，这里不再一一赘述。

6.关于路基检测方法选用的一些看法

以上所述路基检测方法均可满足适用性要求，但各有优缺点。为此，铁路路基检测方案应尽量做到检测手段多，检测内容全面。只有多种检测方法相互验证、相互补充，才能给出全面准确的检测结果。对于不同的检测目的、线路状况和病害类型，应该选择不同的检测方法进行综合检测。同时，检测方案应综合考虑结果的可靠性、成本和便捷性等。另外，路基状态的检测应遵循原位和区段测试相结合、动态和静态测试相结合，以便能对路基的状况做出综合评价，为路基是否需要加固或采取什么样的加固措施来达到路基的要求提供依据。

7.结束语

路基检测是铁路和公路工程检测技术新学科的重要部分，是一门快速发展的分支学科。路基检测技术的发展，对保证工程质量和我国检测技术的发展都具有重要意义。路基检测技术和方法的检测标准还在逐步推出的过程中，有些方法尚只有规范中简单的条文要求，而无规范的检测标准，应进一步及时总结实践经验，吸收国内外研究成果和工程经验，使其向标准化、范化方向发展。

参考文献

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