變形模量Ev2檢測方法

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1、變形模量Ev2檢測方法,李慶民 （鐵道第五勘察設(shè)計院 北京 102600 ） 010-51011627 13611182306 E-mail: 二OO六年三月,1 前言,路基施工質(zhì)量是客運專線建設(shè)需關(guān)注的關(guān)鍵問題之一，而路基填筑質(zhì)量檢測技術(shù)是路基施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，科學、合理的試驗檢測方法是保證路基施工質(zhì)量的重要措施。,,目前客運專線的設(shè)計和施工已經(jīng)開始啟動，鐵道部提出客運專線鋪設(shè)無碴軌道后，對路基工后沉降的要求十分嚴格，如何使路基的工后沉降達到鋪設(shè)無碴軌道的要求是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。,,現(xiàn)行鐵路路基設(shè)計規(guī)范和鐵路路基施工規(guī)范中，對路基壓實質(zhì)量的強度指標檢測采用的是地基系數(shù)K30值。在

2、國外，目前只有日本是用K30作為控制路基填筑的強度指標，歐洲多數(shù)國家,,如德國、法國、奧地利和瑞士等都是采用Ev2和Evd作為控制路基填筑的強度指標。,,日本目前也正在研究Ev2和Evd指標，德國的高速鐵路路基填筑質(zhì)量控制采用了Ev2和Evd雙控指標，收到了很好的效果。 雖然地基系數(shù)K30值也是反映路基土強度及變形關(guān)系的參數(shù)，但試驗的荷載沉降曲線是一次加載得出的，其沉降（變形）包括了填料的彈性變形和塑性變形。,,變形模量Ev2的荷載沉降曲線是在逐級加載后，逐級卸載，再二次加載得出，可認為其沉降（變形）消除了填料的塑性變形，測試結(jié)果離散性小，更能反映路基土的真實強度，比地基系數(shù)K30更科學、更合

3、理。,變形模量Ev2定義及試驗適用范圍,2.1 定義 變形模量Ev2試驗是通過圓形承載板和加載裝置對地面進行第一次加載和卸載后，再進行第二次加載，用測得的承載板下應力和與之相對應的承載板中心沉降量s，來計算變形模量Ev2及Ev2/Ev1值的試驗方法。變形模量Ev2的計量單位為MPa。,,2.2 試驗適用范圍 變形模量Ev2試驗適用于粒徑不大于承載板直徑1/4的各類土和土石混合填料。在鐵路路基填筑施工質(zhì)量檢測中，采用直徑為300mm的承載板。,3 試驗條件及試驗儀器,3.1 試驗條件 試驗場地及環(huán)境條件應符合下列要求： 1）對于水分揮發(fā)快的中粗砂，表面結(jié)硬殼、軟化或因其他原因表層擾動的土，變形模

4、量Ev2試驗應置于其影響以下進行，下挖深度應不大于承載板直徑。,,2）土體的含水率對其強度測定有較大的影響，因此，試驗時土體的含水率變化范圍應是在其使用期間所能保持的范圍。對于粗、細粒均質(zhì)土，宜在壓實后24h內(nèi)開始試驗。,,3）測試面應水平無坑洞。對于粗粒土或混合料填層造成表面凹凸不平，承載板下應鋪一層厚約23mm的干燥中砂或石膏膩子。,4）試驗時測試點必須遠離震源，以保證測試精度。 5）雨天或風力大于6級的天氣不得進行試驗。 3.2 試驗儀器 變形模量Ev2測試儀器應包括承載板、反力裝置、加載裝置、荷載量測裝置及沉降量測裝置。,,目前國內(nèi)使用的Ev2測試儀主要有兩種： 一、國外儀器。 如

5、德國的PDG-K型和PDG-SD型Ev2測試儀。 二、國內(nèi)儀器 鐵道第五勘察設(shè)計院的JBM-型變形模量Ev2測試儀,變形模量Ev2測試儀構(gòu)成,,PDG-SD型,PDG-K型,國內(nèi)變形模量Ev2測試儀發(fā)展概況,2005年中國鐵道建筑總公司根據(jù)鐵路客運專線建設(shè)的需要，設(shè)立科研項目客運專線路基填筑質(zhì)量變形模量Ev2測試儀器及測試方法研究，該課題由鐵道第五勘察設(shè)計院承擔，課題組主要成員主持編寫了鐵道部標準變形模量Ev2檢測規(guī)程（鐵建設(shè)2005188號）。,,經(jīng)過課題組成員一年的努力，變形模量Ev2測試儀已經(jīng)研制成功，該儀器主要技術(shù)指標已達到了國外同類產(chǎn)品水平。課題組還編制了變形模量Ev2數(shù)據(jù)處理軟

6、件，該軟件能生成符合規(guī)程要求的測試報告。 目前國外Evd及Ev2測試儀的價格相當昂貴，同等技術(shù)水平的國產(chǎn)Evd及Ev2測試儀的價格均在國外同類產(chǎn)品的50%以下。,變形模量Ev2數(shù)據(jù)處理軟件,國內(nèi)目前使用的變形模量Ev2數(shù)據(jù)處理軟件由鐵道第五勘察設(shè)計院客運專線路基填筑質(zhì)量變形模量Ev2測試儀器及測試方法研究課題組開發(fā)，該軟件操作方便，可直接生成符合規(guī)程要求的測試報告，并能生成測試報告的英文版本，滿足參加客運專線建設(shè)的施工單位向外方咨詢?nèi)藛T提供英文資料的需要。,3.2.1 承載板 承載板為圓形鋼板，承載板直徑為3000.2mm，厚度為250.2mm，材質(zhì)應為Q345鋼。承載板上應帶有水準泡。承載板

7、加工表面粗糙度Ra應不大于6.3m。 3.2.2 反力裝置 反力裝置的承載能力應大于最大試驗荷載10kN以上。,3.2.3 加載裝置,加載裝置的液壓千斤頂應通過高壓油軟管與手動液壓泵連接。千斤頂頂端應設(shè)置球鉸，并配有可調(diào)節(jié)絲桿和加長桿件，以便與各種不同高度的反力裝置相適應。高壓油軟管長度應不小于2m，兩端應裝有自動開閉閥門的快速接頭，以防止液壓油漏出。,,手動液壓泵上應裝有可調(diào)節(jié)減壓閥，可準確地對承載板進行分級加、卸載。為使力準確傳遞，千斤頂兩邊應固定，并確保不傾斜。千斤頂活塞的行程應不小于150mm。在試驗過程中，應保證千斤頂高度不超過600mm。,3.2.4 荷載量測裝置 荷載量測表量程應

8、達到最大試驗荷載的1.25倍，最大誤差應不大于1%。荷載量測表顯示值應能保證承載板荷載有效位至少達到0.001MPa。,3.2.5 沉降量測裝置,沉降量測裝置由測橋和測表組成。測橋的測量臂可采用杠桿式（見圖1）或垂直抽拉式（見圖2）。測量臂應有足夠的剛度。,圖1 杠桿式測量臂 1觸點 2承載板 3千斤頂 4加長桿件 5反力裝置 6沉降量測表 7支撐架 8杠桿支點 9測量臂 10支撐座,圖2 垂直抽拉式測量臂 1觸點 2承載板 3千斤頂 4加長桿件 5反力裝置 6沉降量測表 7支撐架 8垂直支架 9支撐座,承載板中心至測橋支撐座的距離必須大于1.25m。杠桿式測量臂杠桿比hP:hM可在1：1至2

9、：1范圍內(nèi)選擇，選定后不得改變。為便于統(tǒng)一，可認為垂直抽拉式測量臂杠桿比為1：1 。沉降量測表最大誤差應不大于0.04mm，分辨率應達到0.01mm，量程應不小于10mm。,,3.2.6 輔助工具 輔助工具應包括：鐵鍬、鋼板尺（長400mm）、毛刷、刮鏟、水準儀、鉛錘、褶尺、干燥中砂、石膏粉、油、遮陽擋風設(shè)施等。,,3.2.7 測試儀器標定應符合下列規(guī)定： 1）傳感器、測表應按國家有關(guān)規(guī)定標定。 2）變形模量Ev2測試儀必須每年標定一次。,4 操作方法,4.1 試驗準備 場地測試面應進行平整，并使用毛刷掃去表面松土。當測試面處于斜坡上時，應將承載板支撐面做成水平面。,,4.2 安置試驗儀器 4

10、.2.1安置承載板及千斤頂 將承載板放置于測試點上，使承載板與地面完全接觸，必要時可鋪設(shè)一薄層干燥砂（23mm）或石膏膩子，同時利用承載板上水準泡或水準儀來調(diào)整承載板水平。 將反力裝置承載部位安置于承載板上方，并加以制動。,,承載板外側(cè)邊緣與反力裝置支撐點之間的距離不得小于0.75m。將千斤頂放在承載板的中心位置，使千斤頂保持垂直。用加長桿和調(diào)節(jié)絲桿使千斤頂頂端球鉸座與反力裝置承載部位緊貼。,,4.2.2安置測橋 將沉降量測裝置的觸點自由地放入承載板上測量孔的中心位置，沉降量測表必須與測試面垂直。測橋支撐座與反力裝置支撐點的距離不得小于1.25m。試驗過程中測橋和反力裝置不得晃動。,4.3 預

11、加載 為穩(wěn)固承載板，預先加0.01MPa荷載約30s，待穩(wěn)定后卸除荷載，將沉降量測表讀數(shù)調(diào)零。 4.4 加載與卸載 變形模量Ev2試驗第一次加載必須至少分6級，并以大致相等的荷載增量（0.08MPa）逐級加載，達到最大荷載為0.5MPa或沉降量達到5mm時所對應的應力后，再進行卸載。,,承載板卸載應按最大荷載的50%、25%和0三級進行。卸載后，按照第一次加載的操作步驟，并保持與第一次加載時各級相同的荷載進行第二次加載，直到第一次所加最大荷載的倒數(shù)第二級。每級加載或卸載過程必須在1min內(nèi)完成。加載或卸載時，每級荷載的保持時間為2min，在該過程中荷載應保持恒定。,,試驗中如果施加了比預定荷載

12、大的荷載，則應保持該荷載，將其記錄在試驗記錄表中，并加以注明。 當試驗過程中出現(xiàn)承載板嚴重傾斜，以至水準泡上的氣泡不能與圓圈標志重合或承載板過度下沉及量測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常等情況時，應查明原因，另選點進行試驗，并在試驗記錄表中注明。,5 資料整理與計算,變形模量EV2測試儀包括數(shù)據(jù)自動采集計算和數(shù)據(jù)人工記錄兩種類型。數(shù)據(jù)自動采集計算型的變形模量EV2測試儀，可根據(jù)每級荷載的測試數(shù)據(jù)自動計算并打印荷載沉降曲線和變形模量值。,,數(shù)據(jù)人工記錄型的變形模量EV2測試儀，可根據(jù)每一級荷載的應力和相應的荷載板中心的沉降量s，按以下計算方法，通過相應軟件或可編程計算器計算試驗結(jié)果，即根據(jù)試驗測試的每一級荷載的應力

13、和相應的荷載板中心的沉降量s，確定荷載與沉降量關(guān)系式、計算變形模量值和繪制荷載沉降曲線。,5.1 承載板中心沉降量計算,將每一級荷載的應力和所對應的沉降量測表讀數(shù)sM填寫到記錄表格中。承載板中心沉降量s應按下式計算： （1）,,,式中 s 承載板中心沉降量（mm）； sM沉降量測表讀數(shù)（mm）； hP/hM杠桿比。,5.2 試驗記錄格式,試驗記錄格式應符合表1的要求。,,,5.3 應力沉降量曲線 根據(jù)試驗結(jié)果繪制應力沉降量曲線 （見圖3），應力沉降量曲線上應用箭 頭標明受力方向。,圖3 應力沉降量曲線,,,5.4.1應力沉降量曲線方程： 第一次加載和第二次加載所得到的應力

14、沉降量曲線，可用下式表達： s = a0 + a1 + a22 （2） 式中承載板下應力（MPa）； s 承載板中心沉降量（mm）；,5.4 變形模量Ev計算,,,,,a0常數(shù)項（mm）； a1一次項系數(shù)（mm/ MPa）； a2二次項系數(shù)（mm/ MPa2）。,5.4.2應力沉降量曲線 方程系數(shù)計算：,根據(jù)測試值確定關(guān)系式(2)，實質(zhì)就是確定式中的系數(shù) 、 及 。系數(shù) 、 及 的確定要符合：該系數(shù)能使曲線對各級測試值的偏差最小，即該關(guān)系式所表示的曲線是最接近所有測試值的曲線，因而也是最合理的一條曲線。,,,,,根據(jù)式（2）： 則有 ： --------------------

15、---,,,,,,式中，1，s1； 2，s2；；n， sn分別每一級荷載的應力和相應的荷載板中心的沉降量測試值。1,2,,n為偏差值。 根據(jù)最小二乘法，要得到在若干測試點之間的位置最適當?shù)那€，必須使各測試值的偏差平方和為最小，即必須使 為最小。因此需使：,,,=最小值 要使Q值最小，必須滿足：,,,,,,即： （3）同理可得出 （4） （5） 由方程（3）、（4）、（5）可求出系數(shù) 、 及 。,,,,,,,,5.4.3變形模量計算：,一次變形模量Ev1和二次變形模量Ev2分別由第一次和第二次加載的荷載 沉降量曲線在

16、0.31max和0.71max之間割線的斜率求得，變形模量：,,,,EV =,,,式中 EV 變形模量（MPa）； r 承載板半徑（mm）； 1max第一次加載最大應力（MPa）。 采用第一次加載測試值計算的變形模量為Ev1；采用第二次加載測試值計算的變形模量為Ev2。,6.試驗中應注意的問題,(1) 含水量對變形模量Ev2和地基系數(shù)K30測試值的影響。對于級配碎石或級配礫石、表面容易板結(jié)的填料，剛碾壓完時，含水量偏高，路基的變形模量Ev2和地基系數(shù)K30值較低；但隨著時間推移，填料中的水分逐漸蒸發(fā)，含水量降低，在低含水量情況下，并當填料中含有,,粉細顆粒物質(zhì)如石粉時，水在填料顆粒間起粘結(jié)作用

17、，而且通過水的吸力和表面張力現(xiàn)象增加了顆粒間的有效應力，導致變形模量Ev2和地基系數(shù)K30測試值提高。而路基壓實后真實的Ev2和K30測試值，應該是路基使用期間所能保持的含水量情況下的測試值。,,（2）當試驗場地面不平整時，有些操作者往往是放置承載板后以轉(zhuǎn)動幾下或以承載板不晃動為標準，認為就符合要求，而實際上，有時測試面看上去較平，但當試驗結(jié)束后提起承載板，通過試驗面上的壓痕會發(fā)現(xiàn)試驗面與承載板接觸面不大，甚至只有少數(shù)幾點支撐，這就會存在應力集中，影響試驗結(jié)果。,,（3）變形模量Ev2試驗的一次加載不能用于計算地基系數(shù)K30值。雖然地基系數(shù)K30試驗是通過平板載荷試驗的一次加載獲得，但地基系數(shù)

18、K30試驗的一次加載與變形模量Ev2試驗的一次加載有兩點不同之處：每級的加載增量不同。變形模量Ev2試驗的加載增量是0.08Mpa, 而地基系數(shù)K30試驗的加載增量是0.04Mpa。,,荷載增量的時間間隔不同。變形模量Ev2試驗要求荷載增量的時間間隔為2分鐘；而地基系數(shù)K30試驗要求：每增加一級荷載，當一分鐘的下沉量不大于該級荷載產(chǎn)生的下沉量的1%時，讀取荷載強度和下沉量讀數(shù)，然后增加下一級荷載。通常情況下, 地基系數(shù)K30試驗時，每級荷載的下沉量穩(wěn)定時間大于2分鐘,所以，如果用變形模量Ev2試驗的一次加載來計算地基系數(shù)K30值，則得出的K30值要大于實際值。,,（4）在做變形模量Ev2試驗時

19、，容易出現(xiàn)加載時施加了比預定荷載大的荷載，或卸載時釋放了比預定荷載小的荷載；在這種情況下，應保持該荷載，將其記錄在試驗記錄表中，并加以注明；計算時按荷載的實際值和與之相對應的沉降量計算。不應為了與預定荷載相一致，而再去減小或增加荷載。,,（5）采用變形模量Ev2評價路基壓實質(zhì)量時，不僅要要求變形模量Ev2達到規(guī)定指標，而且還應對Ev2/Ev1值有要求；Ev2/Ev1值大，說明一次變形模量Ev1值小，即路基的塑性變形較大，路基壓實不充分。德國交通區(qū)域開挖工程補充合同技術(shù)條款和規(guī)定（ZTVEStB 97）中要求Ev2/Ev12.5。,,對于我國客運專線路基工程的Ev2/Ev1的控制標準取值，應考慮

20、：取值必須滿足客運專線路基的強度和變形要求；現(xiàn)場施工及路基填料是否能達到所要求的指標。,,（6）變形模量Ev2和地基系數(shù)K30都屬于靜態(tài)平板載荷試驗，都是檢測直接反映路基的力學指標，但由于測試時間長、費時費力，測試點數(shù)量不可能太多，,,所以要使很有限的測試數(shù)據(jù)反映路基強度的真實情況，就要求在試驗時必須嚴格按試驗要求操作。另外，由于變形模量Ev2試驗和地基系數(shù)K30試驗有不少相同之處，為減少現(xiàn)場試驗的工作量、提高檢測及施工效率，,,建議在通過大量室內(nèi)外試驗和理論分析的基礎(chǔ)上，得出變形模量Ev2與地基系數(shù)K30相匹配控制指標，以使將來能夠只采用變形模量Ev2和地基系數(shù)K30其中之一，作為路基壓實質(zhì)

21、量靜態(tài)平板載荷試驗檢測指標。,,目前，路基填筑壓實質(zhì)量的監(jiān)控檢測，無論是壓實系數(shù)、孔隙率等物理指標，還是變形模量Ev2、地基系數(shù)K30等力學指標，都是“點式”抽檢的檢測方式，,,即以“點”代“面”來反映路基的壓實效果。為使路基施工的整體質(zhì)量達到設(shè)計要求，除了采用科學、合理的試驗檢測方法和監(jiān)控標準外，還要有科學的施工組織和施工工藝來保證。,7 變形模量Ev2檢測示例,（1）本檢測示例中Ev2測試儀測橋測量臂為杠桿式，杠桿比hP:hM2.0。 變形模量Ev1和Ev2的值是通過表2中的試驗數(shù)據(jù)計算得出。,,,,（2） 根據(jù)試驗結(jié)果繪制應力沉降量曲線如圖4。 圖4 應力沉降量曲線,,,（3）

22、將試驗結(jié)果填入試驗結(jié)果匯總表3。,8結(jié)語,通過公式計算的Ev2值反映了路基的承載力指標，路基壓實質(zhì)量越好，Ev2值越大；反之Ev2值越小。變形模量Ev2指標比地基系數(shù)K30更科學、更合理，目前客運專線路基壓實質(zhì)量的控制已采用了Ev2指標。,基床表層級配碎石壓實標準,,客運專線無碴軌道設(shè)計指南(報批稿),客運專線無碴軌道設(shè)計指南(報批稿),,客運專線無碴軌道設(shè)計指南(報批稿),,,,,,,目前客運專線路基施工質(zhì)量檢測標準中對Ev2值的要求是參考國外標準而定的，所定的值是否符合我國客運專線現(xiàn)有路基填料情況，有待于在實踐中檢驗。德國交通區(qū)域開挖工程補充合同技術(shù)條款和規(guī)定（ZTVEStB 97）中對Ev2/Ev1的值也有具體要求。,,希望各位同行在客運專線建設(shè)中多積累經(jīng)驗，以建立符合我國國情的、完善的用Ev2控制路基填筑壓實質(zhì)量標準。,,謝謝！,