高速铁路的路基检测方法Evd与K的对比
路基动态变形模量Evd与地基系数K30的相关性研究——以湘桂高速铁路扩改工程为例
路基动态变形模量E vd与地基系数K30的相关性研究——以湘桂高速铁路扩改工程为例秦立朝1，徐国元2（1. 湖南高速铁路职业技术学院，湖南衡阳 421001；2. 华南理工大学，广东广州 510641）摘 要：依据湘桂高速铁路扩改工程实况，对路基动态变形模量E vd与地基系数K30的相关性进行研究。
分别对基床底层和基床表层的E vd和K30进行一元线性回归分析，得到二者相关系数R分别为0.96和0.92，表明二者具有良好的相关性。
利用一元线性回归分析结果进行反算，得到的K30与TB 10621-2014《高速铁路设计规范》给出的标准相近。
综合考虑检测的便捷性和施工的高效性，可以将E vd作为路基压实质量控制的主要力学指标，而K30可通过E vd估算得到。
关键词： 高速铁路；路基工程；动态变形模量；地基系数；相关性；一元线性回归中图分类号：U416.1 文献标识码：A文章编号：2095-8412 (2019) 02-001-04工业技术创新 URL: http: // DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2019.02.001引言我国高速铁路所特有的运行速度快、舒适度高、正点率高、安全可靠等特点，对其技术标准提出了更高的要求。
然而，路基病害的不断产生，对高速铁路正常运营造成了潜在威胁。
高速铁路施工工期较短，使得路基固结时间不够、压实不到位，成为导致高速铁路路基病害的主要原因，而路基变形的控制能够防止病害，应成为高速铁路路基填筑的主要考虑因素。
此外，路基刚度的均匀性、列车运行条件及自然条件下的稳定性，也是高速铁路路基填筑与普通铁路不同的两个方面[1]。
1 路基填筑标准研究现状长期以来，我国铁路路基填筑设计和施工的质量控制标准主要是压实系数、相对密度及孔隙率等压实度参数。
这些指标虽然具有检测方便、结果直观等优点，但仅能间接反映填筑土层的力学性能。
为了保证路基填土的强度及变形指标满足要求，20世纪70年代以后，许多国家和地区开始采用强度及变形指标，如地基系数K30、加州承载比（CBR）等，作为路基填筑的质量控制标准。
K30EvEvd
各自的测试原理 • 动态变形模量Evd 操作时，除了平整场地和垫铺干砂外，要预先施加三次 冲击荷载，然后作三次落锤冲击试验，求平均值。尽管预先 施加三次冲击荷载，但由于反弹很难保证载荷板同地面的结 合象静载那样良好，测试的沉降在很大程度上是界面的影响， 测试值其实也不是真正意义上的动态变形模量，出现了动态 的变形模量远小于静态变形模量的结果，德国的试验显示 Ev2/Evd的比率为1.0～4，其意义实际上是一个用于质量控制 和检验的与试验方法有极大关系的参数。
各自的测试原理
• 动态变形模量Evd
各自的测试原理
• 动态变形模量Evd
各自的测试原理 • 动态变形模量Evd 试验记录落锤冲击时板的沉降。在假定冲击力恒定和泊 松比μ为0.21的情况下，由弹性半空间体上圆形局部荷载的公 式计算模量：
EVd 0.79(1 2 )r / s 1.5r / s 22.5 / s
各自的测试原理
• 变形模量Ev1和Ev2
各自的测试原理 • 变形模量Ev1和Ev2 变形模量计算的理论基础是弹性半空间体上圆形局部荷 载的公式： E0 0.79(1 2 )r / s 取μ为0.21，并采用增量形式：
EV 1.5r / s
计算0.3到0.7的割线。为了有效地利用测试记录的数据，减小 误差也采用对试验数据作二次回归： s a0 a1 a2 2 利用下式计算：
各自的测试原理
• 地基系数K30
各自的测试原理
• 地基系数K30
各自的测试原理 • 地基系数K30 试验的基本步骤为： 1.平整场地，除去松土； 2.安置平板载荷仪； 3.加载。 加载为分级加载。按《铁路工程土工试验规程》 TB10102—2004，加载为先预加0.01MPa荷载30s，待稳定后 卸除荷载，然后以0.04MPa的增量，逐级加载。每增加一级 荷载，当1min的沉降量不大于该级荷载沉降量的1%时，增加 下一级荷载。当总沉降量超过规定的基准值(1.25mm)，或者 荷载强度超过估计的现场实际最大接触压力，或者达到地基 的屈服点，试验即可终止。而以前，在K30试验中，加载一般 采用0.035MPa为一级，且预压荷载也为0.035MPa。
Evd动态平板载荷试验剖析
形模量Evd与地基系数K30值的相关性对比试验。 根据对比试验实测数据分析，动态变形模量Evd 值与K30值之间有较好的相关关系。路基土体越
均质，相关性就越强，反之就弱。
细粒土：K30=3.45Evd＋0.1
粗粒土：K30=3.33Evd＋6.1
碎石土：K30=3.10Evd＋14.3
级配碎石：K30=3.49Evd＋14.4
单位： K30——MPa/m
Evd ——MPa
七、国内动态变形模量测试仪发展情况 1999年铁道部结合秦沈客运专线建设，将“秦沈
客运专线路基关键技术研究—施工质量监控测试 仪器的研制（动态变形模量测试仪的研制）”列 为铁道部科技研究开发计划项目，该课题由铁道 建筑研究设计院承担（铁道第五勘察设计院）其 主要目标是：研制出设备轻便、检测速度快、测 试精度高及性能可靠的用于路基施工质量监控的 检测设备。
与动力触探法检测路基的承载力相比，它们的相似之 处是：它们都是采用一定质量的落锤，以一定高度自 由下落冲击路基面；但两者的检测原理和检测方法完 全不同。动力触探设备简单，操作方便，检测速度快， 但影响测试结果的因素较多，如：探杆侧壁摩擦阻力 的影响、地下水的影响、探杆的连结刚度等，是一种 较为粗略的定性方法。
所以可以说，路基的施工质量关系到整个工程 的质量、进度和行车安全，科学、合理的试验 检测方法则是保证路基施工质量的重要措施。
在路基工程施工中，土体压实是一个最基本的 问题，但仅仅用压实度指标来检测和判断压实 质量有其局限性。相同压实度的土体其力学性 能可能会有较大的差异。
因此，在检测压实度的基础上，还应将强度及 变形指标作为反映路基承载力的标准，即抗力 检测法是国内外路基施工质量检测技术的发展 方向。
铁路路基检测技术
名词解释
1） 不均匀系数： Cu=d60/d10 和曲率系数Cc一样用于填料颗粒级配分析。
（Cc=d30²/d10*d60） 级配良好（Cu≥5 且Cc=1~3）， 不良（Cu<5且Cc≠1~3） d10、d30、d60分别为颗粒级配曲线上相应于总质量10%、30%、60%含
⑴场拌法：采用专用的破碎、拌和机械工厂化生产。主要优点是 拌和均匀，质量易控，但成本高、效率低。主要工艺流程：填料 摊铺、晾晒---含水量检测---填料入仓---机械破碎---粒径检测---添 加剂含量检测---添加剂+破碎料机械拌和----均匀性检测---出场--摊铺、平整、碾压。
⑵路拌法：采用路拌机械在路堤施工现场拌和。方法简便，成本 低,一般限用于含水量变化对压实效果影响较小的土类。但受气候 影响大，污染较大，改良土的质量不易稳定。主要工艺流程：填 料摊铺、晾晒---添加剂含量检测---拌和---含水量、均匀性检测--平整、碾压。
2.改良土的分类
2.1改良方法分类
填料改良：是指在原土中添加某种材料，使之与土发生一定的物 理化学反应，以改变原土的物理力学性质。填料改良已在国内外 高速铁路、公路土方工程中广泛应用，各国均制订自己的“技术 准则”或“工法”。
⑴物理改良：通过在原土中添加某种粒径的土（石）料，改善其 级配（Cc，Cu）特性，提高物理力学性能及压实性。
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 据检测经验，K30适用于均匀地基土（如粗、细粒土）的地基系数 检测，对于拌合较均匀的级配碎石也是符合测试要求的，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。
Evd和K30的关系换算
一、Evd动态变形模量测试仪的功能1、采用Evd动态变形模量测试仪进行动态平板载荷试验，主要用于铁路、公路、机场、城市交通、港口及工业与民用建筑的地基承载力检测。
可用于监测土、非胶结路面基层及改良土的压实质量。
它适用于最大粒径小于63mm的土类以及土石混合料。
2、Evd在铁路中已应用于以下工程：既有线提速改建（胶济线、郑徐线、武九线、浙赣线）新建高速铁路（京沪高速昆山试验段）新建客运专线（秦沈客运专线）新建普速铁路（新长线、宁启线、渝怀线）3、既有线提速改建中Evd可作为K30的快速方法，推算出K30值；4、高速铁路中Evd直接作为基床表层和过渡段的压实指标，与 K30同时作为必检指标。
二、Evd动态变形模量测试仪的优点1、模拟高速列车对路基产生的动应力进行动载测试，能够反映土体的实际受力情况。
其荷载板下的最大动应力σ=0.1 Mpa，与高速铁路设计的土的动应力相符。
2、测试速度快，检测一点只需约2分钟。
在检测数量不变的情况下，可以缩短检测时间，不影响施工进度；在相同的检测时间内，可以增加检测数量，使测试数据更具有代表性；施工中可以随时跟踪检测，发现问题及时处理，真正实现施工过程中的质量监控。
3、操作简便、自动化程度高、大幅度减轻劳动强度。
避免人工读表、记录、绘图、计算产生的误判和误差；全自动数据处理系统，数据液晶显示且现场打印输出波形及结果，确保测试结果的准确、客观。
4、体积小、重量轻、便于携带、安装及拆卸方便。
仪器总重量不超过35kg，最大单件重不超过15kg，不需要额外的加载设备；仪器测试地点转移迅速、方便。
5、适用范围广。
该测试仪器除了可适用的土壤种类范围与K30相同外，还特别适应于施工场地狭窄的困难地段，如路基与桥涵过渡段的检测。
6、特别适合于受动荷载作用的铁路、公路、机场及工业建筑的地基质量监控测试。
7、环保型产品。
无核辐射以及废气等污染，利于环境保护和试验人员的身体健康。
三、 Evd动态变形模量测试仪的应用和发展状况目前，国际上广泛采用的是德国产HMP LFG型动态变形模量测试仪（亦称：轻型落锤仪），该仪器从开发应用至今己有20多年的历史，仪器的性能、质量、功能以及软件已相当完善，居国际领先地位，它已用于我国京沪高速铁路试验段项目中。
采用砂岩填料填筑路基时Evd与K30平板载荷试验的相关性研究
序 号
Ｅ （ Ｍ Ｐａ）
１ ｌ １ ２
ｌ ３
１ ４
１ ４ ７
１ ５
ｌ １ ８
１ ６
１ ４ ３
１ ７
３８ ９ ｌ ０ ２
１ ８
５ ３ ４ １ ７ ３
２ 动态 变形模 量 Ｅ 与 地基 系数 Ｋ ∞ 平 板荷 载试 验数 据 统 计及 分析
２１试 验 数 据 的 统 计
动态 变形 模 量Ｅ 与地 基 系数 Ｋ 试验 同属 于 检测 路 基 的强 度与 变 形 关 系
的平 板荷 载 试验 ， 只是 由于试 验 程 序和 数 据处 理 方 法 不 同 ， 表 述 的土 体 特征 参数 不 同而 已。 本文 通 过对 路基 施 工现 场 的 同一 检测 点 附近 分别 进 行Ｅ 和Ｋ 平 板 载荷 试验 ， 对得 到 的 两组具 有 代表 性 的试 验 数 据进 行 线性 同归 ， 从 而就 得 到 和
囵日圆圈
施工技术与应用
采用砂岩填料填筑路基 时Ｅ 与Ｋ ∞ 平板载荷试验 的相关性研 究
摘要： 通过 对 采用 砂岩 填 料填 筑 的路 基 进行 与 Ｋ 平 板 载荷 试 验 ， 对 得 到 的两 组试 验数 据进 行 分析 对 比、 回９ ３ － ， 从 而得 出结论 及 相 关建 议 。
３ ８ ． ９ ５１ ８ ３ ９ ２
Ｋ３ ０（ Ｉ ＭＰ ａ ／ ｍ） ｌ ５ ４ ９ ７
１ ４ ９
ｌ ５ ２
ｌ ７ ６
ｌ ０ ７
动 态变 形 模 量Ｅ 提 指 土体 在 一定 大 小 的竖 向冲 击力 和 冲 击 时间 作 用 下 抵 抗 变形 能力 的参数 ， 单 位ＭＰ ａ 。动 态 变形 模量 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 料 ， 测试 有效 深 度约 为 承载 板 直径 的 １ ． ５ 倍； 试 验 场 地及 环 境条 件应 符 合下 列 规 定 ： ① 测 试 面宜 水 平 ， 其倾 斜 度 不大 于 ５ 。， ② 测试 面应 平 整无 坑洞 ， ③试 验 时测试 面 应远 离震 源 。 动态 变 形模 量 Ｅ 棚０ 试仪 承 载 板 的直 径 为 ３ ０ ０ ｍ ｍ， 落锤 重 １ ０ ｋ ｇ ， 最 大 冲 击 力７ ． ０ ７ Ｋ Ｎ， 冲击 持续 时 间 １ ８ ｍ ｓ 。现场 试验 时 ， 应 先进 行三 次 预冲击 ， 然后 再 进 行 三 次冲击 试 验 ， 取 三次 试验 的平 均值 作 为试 验结 果 。试 验结 果按 下 式计 算 ：
铁路路基压实指标K30、Ev2、Evd对比分析
过几 年的研究 与大量工程 实践 ， 目前动态变形模 量
技术 已纳 入 《 路 工 程 土 工 试 验 规 程 》（ Ｂ００— 铁 Ｔ １１２
２０ ［ ０ ４）
本 文通 过对 路 基 压 实 检 测 力学 指 标
Ｅ Ｅ 、
之间检测原 理的对 比分 析 ， 探讨 了 三种 压实 指标 之 间
的联系与 区别 ， 出了现场压实 检测时 的合 理建议 。 提
１ 各 检 测
地 基系数 Ｋ。ｌ 表 示 土体 表 面 在平 面压 力 作 用 Ｉ ＿３ 下可压缩 性大小 ， 一个地基 刚度 系数 的概念 。 。 是 平 板 载荷试验见 图 １ 它是将 直径为 ３ ０ｍｍ的 刚性圆盘 ， ０ 置 于测试路 基 土层 表 面 ， 其分 级 施 加 垂直 荷 载 Ｐ ， 对
Ｅ 。经过 大 量 的 高 速 铁 路 建 设 实 践 ， 佗 目前 变 形 模 量 Ｅ 已纳入 了铁道 部 最新 颁 布 的《 高速 铁路 设 计 规范 》
（ Ｂ ０ ２ － ２ ０ ） 。众 所 周 知 ， 路 路 基 承 受 的是 Ｔ １０ ０ ０ ９ 铁 列车运行 时产 生 的动荷 载 ， 特别 是高 速铁路 ， 动荷载对 路 基产 生的 冲击力更 大 ， 而无论 是地基 系数 。 还是二 次变 形模量 Ｅ 都不 能完 全真 实 反 映列 车 动荷 载对 路
Ｃｏ ｐ ｒ ｔｖ ａ ｙ ｉ ｎ Ｃｏ ｐ ｃ ｉ ｎ Ｉ ｄ ｘ ａ ０、 ２ ｍ ａ ａ ｉ ｅ Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｍ ａ ｔｏ ｎ ｅ ｓ Ｅｖ ａ ｄ Ｅ、 ｏ ｉ ｙ Ｓ ｂ ｒ ｄ ｎ ， ｆ ｒ Ｒａ ｌ ｄ ｗａ ｕ ｇ ａ ｅ
Ｄａ Ｌ ｉＧｕ ｑ ａ ｉＹｕ ａ ｏ ｕ ｎ
变形 模量 测试 仪器及 测试标 准 。我 国在 １９ ９ ９年 修 建秦 沈客运专 线时 ， 引进 了动态变形 模量 Ｅ 技术 。经
Evd和K30的关系换算
一、Evd动态变形模量测试仪的功能1、采用Evd动态变形模量测试仪进行动态平板载荷试验，主要用于铁路、公路、机场、城市交通、港口及工业与民用建筑的地基承载力检测。
可用于监测土、非胶结路面基层及改良土的压实质量。
它适用于最大粒径小于63m m的土类以及土石混合料。
2、Evd在铁路中已应用于以下工程：既有线提速改建（胶济线、郑徐线、武九线、浙赣线）新建高速铁路（京沪高速昆山试验段）新建客运专线（秦沈客运专线）新建普速铁路（新长线、宁启线、渝怀线）3、既有线提速改建中Evd可作为K30的快速方法，推算出K30值；4、高速铁路中Ev d直接作为基床表层和过渡段的压实指标，与 K30同时作为必检指标。
二、Evd动态变形模量测试仪的优点1、模拟高速列车对路基产生的动应力进行动载测试，能够反映土体的实际受力情况。
其荷载板下的最大动应力σ=0.1 Mpa，与高速铁路设计的土的动应力相符。
2、测试速度快，检测一点只需约2分钟。
在检测数量不变的情况下，可以缩短检测时间，不影响施工进度；在相同的检测时间内，可以增加检测数量，使测试数据更具有代表性；施工中可以随时跟踪检测，发现问题及时处理，真正实现施工过程中的质量监控。
3、操作简便、自动化程度高、大幅度减轻劳动强度。
避免人工读表、记录、绘图、计算产生的误判和误差；全自动数据处理系统，数据液晶显示且现场打印输出波形及结果，确保测试结果的准确、客观。
4、体积小、重量轻、便于携带、安装及拆卸方便。
仪器总重量不超过35kg，最大单件重不超过15kg，不需要额外的加载设备；仪器测试地点转移迅速、方便。
5、适用范围广。
该测试仪器除了可适用的土壤种类范围与K30相同外，还特别适应于施工场地狭窄的困难地段，如路基与桥涵过渡段的检测。
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高速铁路的路基检测方法E v d与K的对比
This model paper was revised by LINDA on December 15, 2012.
Evd与K30
：地基系数
（1）产生：捷克工程师文克勒在1867年在研究铁路路基上部结构时提出了对弹性地基的假设：地基上任何点的沉降取决于作用在同一点上所受到的压力，而与邻近的压力作用无关。
（2）定义：试验是通过静力加载检测路基土的强度和变形参数（土体表面在平面压力作用下产生的可压缩性的大小）地基系数K30值。
（现场原位测试方法）
（3）公式：p=Kn * S
p——基底应力（单位：MPa）
Kn——地基系数，即引起单位沉降量所需作用于基底单位面积上的力（单位：MPa/m）
S——沉降量（单位：m）
（4）公式解析：根据文克勒的理论，地基表征系数是弹性层状地基的刚度和变形性质的一种参数。
它的值不仅与土的性质有关，也与荷载面积大小，形状，加载方式有关。
当确定后就可以测出各种地基在标准下沉量时的地基系数值。
而K30就是采用直径为300m刚性荷载板（圆形）进行试验时，用单位面积压力处以荷载板相应的下沉量，计算时选用的沉降量*10-3m（下沉量基准值），因此K30=荷载强度/（*10-3）（K30已列入铁路路基规范要求）
（5）注意事项：①K30的检测与填料粒径有关（填料最大粒径小于荷载板1/10范围内时，地基反力系数的测试值才不受此数据的离散。
因此K30的检测应在填土粒径小于3cm 的填料进行）；②为保证受力平衡，荷载板应放置在平整无坑洞的地面上，必要时可以铺一薄层砂，且必须远离震源。
对于表面结硬壳、软化或已被扰动的土体，需要把表层铲去整平③与被测土体的含水量有关。
K30值的含水率要低于压实度的最佳含水率，且伴随着含水率的增加，K30急剧下降，但目前并没有量化。
因此平板荷载试验应在路基压实后2-4h内进行测试，否则必须进行偶然误差修正（消除土体含水量变化的影响）。
④检测范围为4-5m的深度⑤在不确定的情况下，要对不同深度进行检测，地面以下最深至d（承载板直径）⑥雨天或风力大于6级的天气不得进行试验
K30平板荷载测试仪
：动弹性模量
（1）产生缘由：铁路路基承受的是列车运行时产生的动荷载（指随时间而变化的荷载。
这种变化不一定是周期变化，即便是无规则、无规律变化的荷载，只要随时间变化而变化都属于动荷载），特别是高速列车的出现，动荷载产生的冲击力对路基的影响更为明显。
因此提出了新的路基质量控制指标—动弹性模量Evd标准。
（2）定义：路基中某点的动应力与动应变之比，它描述了一定状态下该点抵抗动荷载产生动变形的能力。
（3）检测仪器：使用动态变形模量测试仪。
（手持落锤弯沉仪）。
（4）原理：利用落锤从一定高度自由下落在弹簧阻尼装置上，再经Ф300mm承载板在填土面上产生符合列车高速运行时对路基面所产生的动应力，使填土面产生沉陷。
通过测试冲击荷载的大小，一定填土面范围的动变形来求算路基土层的Evd。
（5）反映：反映路基实际应力情况，可以更真实和更科学地进行填土的施工质量控制，是今后高速铁路路基质量检测的趋势。
（6）适用范围：1.粒径不大于荷载板1/4直径的各类土、土石混合填料、非胶结路面基层及改良土。
动态变形模量测试仪的量程应符合下列要求：沉陷测试范围：
（~+）；Evd测试范围：大于10MPa小于225MPa。
3.广泛用于铁路，公路，机场以及工民建等，或者狭小的困难地段如桥涵过渡段及路肩的检测。
（7）计算：Evd=*r*σ/s=s
Evd—动态变形模量，计算精确到
r—圆形刚性荷载板的半径，取150mm
σ—荷载板上的最大动应力，它是通过在刚性基础上，由最大冲击力且冲击时间ts时标定得到的，为
s—实测荷载板下沉幅值（mm）
—荷载板影响系数
Evd动态模量测试仪
与Evd之间的关系：
土的种类相关系数相关关系
细粒土K30=+
粗粒土K30=+
碎石土K30=+
级配碎石K30=+。