变形模量Ev2检测方法

变形模量Ev2检测方法李庆民（铁道第五勘察设计院北京102600）010-5101162713611182306E-mail:[e-mail]二OO六年三月1前言路基施工质量是客运专线建设需关注的关键问题之一，而路基填筑质量检测技术是路基施工质量控制的关键环节，科学、合理的试验检测方法是保证路基施工质量的重要措施。目前客运专线的设计和施工已经开始启动，铁道部提出客运专线铺设无碴轨道后，对路基工后沉降的要求十分严格，如何使路基的工后沉降达到铺设无碴轨道的要求是急需解决的关键技术问题。现行《铁路路基设计规范》和《铁路路基施工规范》中，对路基压实质量的强度指标检测采用的是地基系数K30值。在国外，目前只有日本是用K30作为控制路基填筑的强度指标，欧洲多数国家如德国、法国、奥地利和瑞士等都是采用Ev2和Evd作为控制路基填筑的强度指标。日本目前也正在研究Ev2和Evd指标，德国的高速铁路路基填筑质量控制采用了Ev2和Evd双控指标，收到了很好的效果。虽然地基系数K30值也是反映路基土强度及变形关系的参数，但试验的荷载——沉降曲线是一次加载得出的，其沉降（变形）包括了填料的弹性变形和塑性变形。变形模量Ev2的荷载——沉降曲线是在逐级加载后，逐级卸载，再二次加载得出，可认为其沉降（变形）消除了填料的塑性变形，测试结果离散性小，更能反映路基土的真实强度，比地基系数K30更科学、更合理。2变形模量Ev2定义及试验适用范围2.1定义变形模量Ev2试验是通过圆形承载板和加载装置对地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Ev2及Ev2/Ev1值的试验方法。变形模量Ev2的计量单位为MPa。2.2试验适用范围变形模量Ev2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。在铁路路基填筑施工质量检测中，采用直径为300mm的承载板。3试验条件及试验仪器3.1试验条件试验场地及环境条件应符合下列要求：1）对于水分挥发快的中粗砂，表面结硬壳、软化或因其他原因表层扰动的土，变形模量Ev2试验应置于其影响以下进行，下挖深度应不大于承载板直径。2）土体的含水率对其强度测定有较大的影响，因此，试验时土体的含水率变化范围应是在其使用期间所能保持的范围。对于粗、细粒均质土，宜在压实后2～4h内开始试验。3）测试面应水平无坑洞。对于粗粒土或混合料填层造成表面凹凸不平，承载板下应铺一层厚约2～3mm的干燥中砂或石膏腻子。4）试验时测试点必须远离震源，以保证测试精度。5）雨天或风力大于6级的天气不得进行试验。3.2试验仪器变形模量Ev2测试仪器应包括承载板、反力装置、加载装置、荷载量测装置及沉降量测装置。目前国内使用的Ev2测试仪主要有两种：一、国外仪器。如德国的PDG-K型和PDG-SD型Ev2测试仪。二、国内仪器铁道第五勘察设计院的JBM-Ⅰ型变形模量Ev2测试仪变形模量Ev2测试仪构成PDG-SD型PDG-K型国内变形模量Ev2测试仪发展概况2005年中国铁道建筑总公司根据铁路客运专线建设的需要，设立科研项目《客运专线路基填筑质量变形模量Ev2测试仪器及测试方法研究》，该课题由铁道第五勘察设计院承担，课题组主要成员主持编写了铁道部标准《变形模量Ev2检测规程》（铁建设[2005]188号）。经过课题组成员一年的努力，变形模量Ev2测试仪已经研制成功，该仪器主要技术指标已达到了国外同类产品水平。课题组还编制了变形模量Ev2数据处理软件，该软件能生成符合规程要求的测试报告。目前国外Evd及Ev2测试仪的价格相当昂贵，同等技术水平的国产Evd及Ev2测试仪的价格均在国外同类产品的50%以下。变形模量Ev2数据处理软件国内目前使用的变形模量Ev2数据处理软件由铁道第五勘察设计院《客运专线路基填筑质量变形模量Ev2测试仪器及测试方法研究》课题组开发，该软件操作方便，可直接生成符合规程要求的测试报告，并能生成测试报告的英文版本，满足参加客运专线建设的施工单位向外方咨询人员提供英文资料的需要。3.2.1承载板承载板为圆形钢板，承载板直径为300±0.2mm，厚度为25±0.2mm，材质应为Q345钢。承载板上应带有水准泡。承载板加工表面粗糙度Ra应不大于6.3μm。3.2.2反力装置反力装置的承载能力应大于最大试验荷载10kN以上。3.2.3加载装置加载装置的液压千斤顶应通过高压油软管与手动液压泵连接。千斤顶顶端应设置球铰，并配有可调节丝杆和加长杆件，以便与各种不同高度的反力装置相适应。高压油软管长度应不小于2m，两端应装有自动开闭阀门的快速接头，以防止液压油漏出。手动液压泵上应装有可调节减压阀，可准确地对承载板进行分级加、卸载。为使力准确传递，千斤顶两边应固定，并确保不倾斜。千斤顶活塞的行程应不小于150mm。在试验过程中，应保证千斤顶高度不超过600mm。3.2.4荷载量测装置荷载量测表量程应达到最大试验荷载的1.25倍，最大误差应不大于1%。荷载量测表显示值应能保证承载板荷载有效位至少达到0.001MPa。3.2.5沉降量测装置沉降量测装置由测桥和测表组成。测桥的测量臂可采用杠杆式（见图1）或垂直抽拉式（见图2）。测量臂应有足够的刚度。图1杠杆式测量臂1—触点2—承载板3—千斤顶4—加长杆件5—反力装置6—沉降量测表7—支撑架8—杠杆支点9—测量臂10—支撑座图2垂直抽拉式测量臂1—触点2—承载板3—千斤顶4—加长杆件5—反力装置6—沉降量测表7—支撑架8—垂直支架9—支撑座承载板中心至测桥支撑座的距离必须大于1.25m。杠杆式测量臂杠杆比hP:hM可在1：1至2：1范围内选择，选定后不得改变。为便于统一，可认为垂直抽拉式测量臂杠杆比为1：1。沉降量测表最大误差应不大于0.04mm，分辨率应达到0.01mm，量程应不小于10mm。3.2.6辅助工具辅助工具应包括：铁锹、钢板尺（长400mm）、毛刷、刮铲、水准仪、铅锤、褶尺、干燥中砂、石膏粉、油、遮阳挡风设施等。3.2.7测试仪器标定应符合下列规定：1）传感器、测表应按国家有关规定标定。2）变形模量Ev2测试仪必须每年标定一次。4操作方法4.1试验准备场地测试面应进行平整，并使用毛刷扫去表面松土。当测试面处于斜坡上时，应将承载板支撑面做成水平面。4.2安置试验仪器4.2.1安置承载板及千斤顶将承载板放置于测试点上，使承载板与地面完全接触，必要时可铺设一薄层干燥砂（2～3mm）或石膏腻子，同时利用承载板上水准泡或水准仪来调整承载板水平。将反力装置承载部位安置于承载板上方，并加以制动。承载板外侧边缘与反力装置支撑点之间的距离不得小于0.75m。将千斤顶放在承载板的中心位置，使千斤顶保持垂直。用加长杆和调节丝杆使千斤顶顶端球铰座与反力装置承载部位紧贴。4.2.2安置测桥将沉降量测装置的触点自由地放入承载板上测量孔的中心位置，沉降量测表必须与测试面垂直。测桥支撑座与反力装置支撑点的距离不得小于1.25m。试验过程中测桥和反力装置不得晃动。4.3预加载为稳固承载板，预先加0.01MPa荷载约30s，待稳定后卸除荷载，将沉降量测表读数调零。4.4加载与卸载变形模量Ev2试验第一次加载必须至少分6级，并以大致相等的荷载增量（0.08MPa）逐级加载，达到最大荷载为0.5MPa或沉降量达到5mm时所对应的应力后，再进行卸载。承载板卸载应按最大荷载的50%、25%和0三级进行。卸载后，按照第一次加载的操作步骤，并保持与第一次加载时各级相同的荷载进行第二次加载，直到第一次所加最大荷载的倒数第二级。每级加载或卸载过程必须在1min内完成。加载或卸载时，每级荷载的保持时间为2min，在该过程中荷载应保持恒定。试验中如果施加了比预定荷载大的荷载，则应保持该荷载，将其记录在试验记录表中，并加以注明。当试验过程中出现承载板严重倾斜，以至水准泡上的气泡不能与圆圈标志重合或承载板过度下沉及量测数据出现异常等情况时，应查明原因，另选点进行试验，并在试验记录表中注明。5资料整理与计算变形模量EV2测试仪包括数据自动采集计算和数据人工记录两种类型。数据自动采集计算型的变形模量EV2测试仪，可根据每级荷载的测试数据自动计算并打印荷载——沉降曲线和变形模量值。数据人工记录型的变形模量EV2测试仪，可根据每一级荷载的应力б和相应的荷载板中心的沉降量s，按以下计算方法，通过相应软件或可编程计算器计算试验结果，即根据试验测试的每一级荷载的应力б和相应的荷载板中心的沉降量s，确定荷载与沉降量关系式、计算变形模量值和绘制荷载—沉降曲线。5.1承载板中心沉降量计算将每一级荷载的应力σ和所对应的沉降量测表读数sM填写到记录表格中。承载板中心沉降量s应按下式计算：（1）PMM=hssh式中s——承载板中心沉降量（mm）；sM——沉降量测表读数（mm）；hP/hM——杠杆比。5.2试验记录格式试验记录格式应符合表1的要求。5.3应力—沉降量曲线根据试验结果绘制应力—沉降量曲线（见图3），应力—沉降量曲线上应用箭头标明受力方向。图3应力—沉降量曲线应力沉降量S(mm)5.4.1应力—沉降量曲线方程：第一次加载和第二次加载所得到的应力—沉降量曲线，可用下式表达：s=a0+a1·σ+a2·σ2（2）式中σ——承载板下应力（MPa）；s——承载板中心沉降量（mm）；5.4变形模量Ev计算a0——常数项（mm）；a1——一次项系数（mm/MPa）；a2——二次项系数（mm/MPa2）。5.4.2应力—沉降量曲线方程系数计算：根据测试值确定关系式(2)，实质就是确定式中的系数、及。系数、及的确定要符合：该系数能使曲线对各级测试值的偏差最小，即该关系式所表示的曲线是最接近所有测试值的曲线，因而也是最合理的一条曲线。a0a1a2a0a1a2根据式（2）：则有：-----------------------202010..aaas21011211..saaa22012222..saaa2012..nnnnsaaa式中，б1，s1；б2，s2；……；бn，sn分别每一级荷载的应力和相应的荷载板中心的沉降量测试值。ε1,ε2,……,εn为偏差值。根据最小二乘法，要得到在若干测试点之间的位置最适当的曲线，必须使各测试值的偏差平方和为最小，即必须使为最小。因此需使：22221...nQ=最小值要使Q值最小，必须满足：22112012(..)nniiiQiiisaaa00aQ01aQ02aQ即：（3）同理可得出（4）（5）由方程（3）、（4）、（5）可求出系数、及。2012102(..)(1)0niiiiQsaaaa2012111...nnniiiiiinaaas230121111....nnnniiiiiiiiiaaas23420121111....nnnniiiiiiiiiaaasa0a1a25.4.3变形模量计算：一次变形模量Ev1和二次变形模量Ev2分别由第一次和第二次加载的荷载—沉降量曲线在0.3σ1max和0.7σ1max之间割线的斜率求得，变形模量：EV=121max11.5raa1max1max222201max1max1221max011max1.50.70.31.5(0.70.3..0.7.)(..0.3)rEvSrEvaaaaaa式中EV——变形模量（MPa）；r——承载板半径（mm）；σ1max——第一次加载最大应力（MPa）。采用第一次加载测试值计算的变形模量为Ev1；采用第二次加载测试值计算的变形模量为Ev2。6.试验中应注意的