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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(xué)、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(yán)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(biāo)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(biāo)，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(biāo)。,,日本目前也正在研究Ev2和Evd指標(biāo)，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(biāo)，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(xué)、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(yīng)力和與之相對應(yīng)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(yīng)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(yīng)置于其影響以下進行，下挖深度應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fēng)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(yīng)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(dān)，課題組主要成員主持編寫了鐵道部標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(dāng)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(yīng)為Q345鋼。承載板上應(yīng)帶有水準(zhǔn)泡。承載板

7、加工表面粗糙度Ra應(yīng)不大于6.3m。 3.2.2 反力裝置 反力裝置的承載能力應(yīng)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(yīng)通過高壓油軟管與手動液壓泵連接。千斤頂頂端應(yīng)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(yīng)。高壓油軟管長度應(yīng)不小于2m，兩端應(yīng)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(yīng)裝有可調(diào)節(jié)減壓閥，可準(zhǔn)確地對承載板進行分級加、卸載。為使力準(zhǔn)確傳遞，千斤頂兩邊應(yīng)固定，并確保不傾斜。千斤頂活塞的行程應(yīng)不小于150mm。在試驗過程中，應(yīng)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(yīng)

8、達到最大試驗荷載的1.25倍，最大誤差應(yīng)不大于1%。荷載量測表顯示值應(yīng)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(yīng)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(yīng)不大于0.04mm，分辨率應(yīng)達到0.01mm，量程應(yīng)不小于10mm。,,3.2.6 輔助工具 輔助工具應(yīng)包括：鐵鍬、鋼板尺（長400mm）、毛刷、刮鏟、水準(zhǔn)儀、鉛錘、褶尺、干燥中砂、石膏粉、油、遮陽擋風(fēng)設(shè)施等。,,3.2.7 測試儀器標(biāo)定應(yīng)符合下列規(guī)定： 1）傳感器、測表應(yīng)按國家有關(guān)規(guī)定標(biāo)定。 2）變形模量Ev2測試儀必須每年標(biāo)定一次。,4 操作方法,4.1 試驗準(zhǔn)備 場地測試面應(yīng)進行平整，并使用毛刷掃去表面松土。當(dāng)測試面處于斜坡上時，應(yīng)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(zhǔn)泡或水準(zhǔn)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(yù)

11、加載 為穩(wěn)固承載板，預(yù)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(yīng)的應(yīng)力后，再進行卸載。,,承載板卸載應(yīng)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(yīng)保持恒定。,,試驗中如果施加了比預(yù)定荷載

12、大的荷載，則應(yīng)保持該荷載，將其記錄在試驗記錄表中，并加以注明。 當(dāng)試驗過程中出現(xiàn)承載板嚴(yán)重傾斜，以至水準(zhǔn)泡上的氣泡不能與圓圈標(biāo)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(yīng)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(yīng)力和相應(yīng)的荷載板中心的沉降量s，按以下計算方法，通過相應(yīng)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(yīng)力

13、和相應(yīng)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(yīng)力和所對應(yīng)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(yīng)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(yīng)符合表1的要求。,,,5.3 應(yīng)力沉降量曲線 根據(jù)試驗結(jié)果繪制應(yīng)力沉降量曲線 （見圖3），應(yīng)力沉降量曲線上應(yīng)用箭 頭標(biāo)明受力方向。,圖3 應(yīng)力沉降量曲線,,,5.4.1應(yīng)力沉降量曲線方程： 第一次加載和第二次加載所得到的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力和相應(yīng)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(dāng)?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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)力，導(dǎo)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(yīng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)，認為就符合要求，而實際上，有時測試面看上去較平，但當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(yù)定荷載大的荷載，或卸載時釋放了比預(yù)定荷載小的荷載；在這種情況下，應(yīng)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(yīng)的沉降量計算。不應(yīng)為了與預(yù)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(biāo)，而且還應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)取值，應(yīng)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(biāo)。,,（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(xué)指標(biāo)，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(yán)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(biāo)，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(biāo)。,,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(biāo)，還是變形模量Ev2、地基系數(shù)K30等力學(xué)指標(biāo)，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(xué)、合理的試驗檢測方法和監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)外，還要有科學(xué)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(yīng)力沉降量曲線如圖4。 圖4 應(yīng)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(biāo)，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(biāo)比地基系數(shù)K30更科學(xué)、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(biāo)。,基床表層級配碎石壓實標(biāo)準(zhǔn),,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(biāo)準(zhǔn)中對Ev2值的要求是參考國外標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。,,謝謝！,