K30平板载荷试验

null平 板 载 荷 试 验平 板 载 荷 试 验 K30平板载荷试验一、前言一、前言 在铁路建设中，路基填方压实质量的检测方法是保证工程 质量和满足工程要求的手段。多年来，在铁路工程施工中一直 是采用密实度法对路基填方压实质量进行、检测和控制， 这是因为土壤密实度很容易通过测定重量和体积来确定。但是 随着高速铁路、高速公路发展对路基质量的高要求以及大量非 细粒土填料的使用，仅用压实度法对路基填方压实质量进行评 价、检测和控制已难以保证工程质量和满足现代化机械施工的 要求。为此，在本次修订的《铁路工程土工试验》中，特 增加了基于抗力检测法的平板载荷试验方法，以下将结合科技 发展成果和施工实践经验对该试验规程的编制目的、编制依椐、 编制基本内容予以说明。 二、压实质量检测方法二、压实质量检测方法1、压实质量检测方法 根据目前国内外对路堤填方压实质量采用的检测方法和手段，大致可 分为三类，即：密度检测法，抗力检测法，试验工程法。 （1）、密度检测法 密度检测法是目前应用最为广泛的一种方法，该法是以Proctor压实理 论为基础，并以现埸实测干容重（ ）与室内击实试验求取的标准干容 重（或最大干容重 ）之比值，即压实度是否达到某一规定之值来 实现。 应用该法进行压实质量的检测与评定，需要解决三个问题，即：标准 干容重的确定、现场干容重的测定、压实度标准的取值。这三个问题对 于均质的细粒土来说可获得比较满意的效果，但对于粗粒土来说（尤其 null 是土石混合的非均质填料）其效果就不是那么如意。为此，各国研究人 员 针对大粒径组粒土影响因素复杂的特点，对密实度法进行了改进，例 如： 在现场干容重的测定上，扩大了试坑的体积（目前最大的试坑体积 已达1.5 ）；在室内标准干容重的测定上，采取增大试验击实筒的直径 和高 度（目前试筒的直径有的已采用D=0.3m）等等。但是，在许多工程 的实际应用中，由于受施工进度等的限制，很难以改进的方法进行检测， 从而使得所求取的标准干容重不能真实反映实际情况。 此外，路堤填方压实目的是在于提高路基土的强度，以增加其稳定性 和抵抗变形的能力，而能直接与稳定相联系的主要是土的强度指标c（内 聚力）， （内摩擦角）；与变形相联系的则是弹性模量E。因此，仅用 单一的密度作为压实质量的指标难以反映出路堤填方的稳定与变形特性。 从上述分析可见，采用密度检测法来评价填方压实质量不仅有其局限 性，而且难以周全地考虑众多的影响因素；同时其检测所需的作业时间也 难以满足现代化机械施工的要求。（2）、抗力检测法（2）、抗力检测法 抗力检测法是根据土体压实过程中所呈现出的力学特性，建立的检测 方法。即：土体（弹塑体）在压实荷载的反复作用下，塑性变形增量逐 渐减少，弹性模量逐渐增加，强度得以提高；当土体的弹性模量最后趋 于某一值，或是塑性变形增量最后趋于零的状态时，则可认为土体已经 压实。抗力检测法正是基于这一原理，采取一定手段，通过测定土体的 弹性模量或塑性变形增量，以评价填方压实质量。应用抗力法检测压实 质量具有以下优点： ①测定的指标直接与变形特性相联系； ②荷载量大，影响范围广，反映了一定范围内压实填方的整体情况； ③不破坏土体结构。 null 目前，以抗力法检测填方压实质量已在各国的工程施工中得到普遍地 广泛应用，而且所采取的手段和方法类型繁多，平板荷载试验仅是其中 一种，该试验可通过采用不同的加载荷装置和不同的测定方法，围绕 应力-应变之间关系，获取用以表征土体压实质量的不同力学指标。例 如：回弹模量、 值 、 值、 值、刚度……等等。 但是究竟哪一 种方法的测试结果能以真实反映填料的整体压实情 况，还尚无定论。 （3）、试验工程法（3）、试验工程法 试验工程法系根据具体工程，通过在现场修筑一碾压试验段，在综合 采用上述检测方法的同时，结合现场使用的固定压实机具，找出施工控 制参数（例如：碾压遍数、铺层填筑厚度、压实功能等），并在实际施 工过程中，运用这些参数来控制压实质量。 近些年来，试验工程法已被许多工程施工单位所所普遍采用，其目的 是用以获取能有效确保填方压实质量的施工工艺；特别是对于某些压实 特性极其复杂的非均质填料（例如：土石混合料），由于目前所采用的 压实质量检测方法尚难以全面反映其实际工程的压实质量，也只能是采 用试验工程法，以保证工程质量。 试验工程法存在的缺点是：由于填料的性质变化，即使是同一种填料 由于其粒级组成不同，在同样的压实功能下进行压实，也会得到不同的 压实效果。 …… 三、关于 平板载荷试验编制说明三、关于 平板载荷试验编制说明1、编制目的 地基系数 值作为路基填料压实质量的检测控制指标，自1985年大 秦线引用后已在全路逐步推广应用，并正式列入TB10414-98《铁路路基 工程质量检验评定标准》和《TB10001-99铁路路基#设计#》。该检测 方法 的优点是所测定的指标能直接与变形特性相联系，可直观地反映出 压实层的强度和变形等力学特性。但是，由于对平板载荷试验除了铁基函 [1988]164号文件中规定的“ 承载板试验装置的使用及保养说明”之外， 至今还没有统一的平板载荷试验规程，因此，在实际应用中，对存在的一 些问题无从统一，从而给质量评定工作造成一些困难。为此，根据铁道部 《关于下达2000年铁路工程建设规范、定额编制计划的通知》（铁建设函 [2000]36号），由铁一院主持编制的《铁路工程土工试验方法》修订工作 大纲中，新增加 平板试验一项，以用于对路基填筑质量进行评价。 2、编制依据2、编制依据 本规程的编制主要是参照日本JISA1215-1995年修订版《公路的平板荷载试验方法》和德国DIN18134《平板荷载试验》-1993年修订板，并吸收近几年的科技发展成果和施工实践经验，同时针对在实际应用上存在问题予以修正，以便其能适合今后施工的需要。3、编制的内容要点3、编制的内容要点 3.1基本用语 K30-平板荷载试验是使用直径为30cm的荷载板通过试验求出地基 反力系数，以标准值K30表示。其试验目的主要用于路基，基床填料层的 压实施工及质量管理。我国自1985年引用以地基反力系数K30值作为路 基填料质量的检测控制指标以来，在铁路系统均以“地基系数”为基本用 语，并已正式列入TB10414-98《铁路路基工程质量检验评定标准》和 《TB10001-99铁路路基设计规范》。因此，为了统一起见，此次编制中 仍沿用“地基系数”作为基本用语。并明确用语定义，即“地基系数”：系指 以某一下沉量除与其相对应的荷载强度所得出的值，以标准值k30 作为 标记。当限于被测土体的粒径尺寸而需要采用直径为60cm、75cm的荷载 板进行试验时，则应加以注明。所测得的地基系数应按下列公式换算成 K30值: =2.2 =2.0 所谓下沉量是指荷载板在路基、基床层面上受荷载引起的中心垂直变 形尺寸。其中包含弹性变形和塑性变形两部分。3.2仪器设备和仪器检验3.2仪器设备和仪器检验3.2.1仪器设备 鉴于目前尚能制定 平板荷载试验设备标准的情况下，为了规范 施工现场使用的平板荷载仪。特参照国外Controls Testing Equipment Ltd 所生产41-T121和41-T121/A平板荷载试验仪(参见图1、图2所示)， 并结合执行国内现有标准阐述了有关仪器设备的组成。其中基本点是： 1．为了不影响检测精度，规定千斤顶与手动油泵应为分体式,采用高 压 软胶管连接，千斤顶顶端应设置球铰，并配有不同长度的加长杆件， 以便与各种不同高度的反力装置相对应。 2．强调了对荷载板下沉量的测量，应使用3只测表在距荷载板中心点 相等距离的三点上测定荷载板平面法线方向的位移。以便于求出其中心 点的沉降值。这是 因为早期引进的日本平板荷载试验装置上只配置两只 百分表，而实际上却忽略了其使用说明,按照日本JISA1215-1995条文说 明中“4.4（3）”：用于测定下沉量的位移计，应沿荷载板的周边等分设置 2-4个，如果使用2个位移计，则应以荷载板下沉不出现偏歪为前提”。 （参见JISA1215条文说明）null 3．规定了可用测力计直接测定加载荷载，早期日本使用的平板荷载 试验装置，是将测力计（压力环）设置在千斤顶顶端，位于球铰座与油 缸活塞杆之间。用以直接测定加载载荷，其目的是可以减少由于测定油 压受油缸内摩擦阻力影响所产生的系统误差。最近国内研制的数据采集 系统，亦将测力计（压力传感器）设置于荷载板的千斤顶底座上，用于 直接测定荷载板承受的荷载。 4. 为了保证测桥有足够的刚度，规定在4m时，其截面系数不得小于 8 。null 1 荷载板 2千斤顶 3加长杆 4调节丝杆 5球铰座 6 手动液压泵 7 油压表 8 测桥 9 百分表 10仪表支架 11测桥支撑座 图1 平板荷载仪组成示意图 null 图2测桥布置图3.2.2仪器的检验3.2.2仪器的检验 K30平板载荷试验仪在使用中应定期进行校验,以消除由于仪器自身 系统液压阻力变化所引起的测量误差。通过校验测定出实际加载值或实 际荷载板正应力值与系统压力表读数值之间的相关关系，建立其回归方 程，并经整理绘制成图表，以作为K30平板载荷试验的计算基础。仪器 校验的技术条件和校验方法可参见附录E” K30 平板载荷试验仪校验方 法”。3.3、试验条件3.3、试验条件 试验条件和要求是此次编制的重点。从广深准高速铁路，秦沈客运专 线施工现场对K30值的测试情况，普遍反映存在的问题是：同一测试地点 不同时间测 出的 K30 值离散性很大，重复性差，缺乏可比性。从而给质 量检测评定工作造成很大困难。因此，为了能根据地基系数 K30 测定值客 观地评价被测层的压实状态，根据铁建技字（99）第12号《 K30 测试精 度影响因数研究 》课题中得出的初步结论,做以下规定： （参见《 K30 测试精度影响因数研究课题报告》） （1）、平板荷载板试验对不同填料粒径大小的使用范围，限定于被测土体的粒径尺寸不得大于荷载板直径的1/4。 （2）、被测土体表面状态的影响主要表现在：测试面倾斜度过大、 凹凸不平、表面松散或表面结硬壳或软化。为此，在条文中规定了对被 测面的要求及为了保证荷载板与测试面的良好密贴接触可采用的处理方null法。同时按照德国DIN18134（1993年）规定，对于水分挥发快的均粒 砂，表面结硬壳，软化，或其它原因表层扰动的土。要求必须下挖后测 试，下挖深度限定在荷载板直径D的范围内。 （3）、对于被测土体含水率的影响，虽然日本JIS A 1215-1995和德 国DIN18134（1993）标准中均强调了这一点，但却未有明确的规定。例 如日本标准说明中只强调应避免在路基、基床过湿或乾燥的情况下进行 试验。（参见JIS A 1215条文说明）为了探索K30 值与含水率之间关系， 铁十七局秦沈客运专线检测中心曾在室内进行模拟试验，证明 K30 值与含 水率之间存在着类似于密实度与含水率之间的关系。 K30 最大值时的含水 率要低于密实度的最佳含水率，而且随着含水率的增加 K30 值将急剧下 降（参见“路基填筑压实度、地基系数与含水率关系探索”一文）。nullnull图示 :98 % Compaction100 % Compactionnull 鉴于目前对其关系尚未量化，因此，在条文中规定对于粗细粒均质 土，宜在填料层压实后两小时内进行试验，主要是为了防止填层碾压完 成后，表层含水率的变化，而影响测试结果。对于级配砾石（碎石）填 料，特别是砾石级配料，施工现场为了易于压实，而将其含水率调高， 而且在碾压过程中，由于表层始终是松散状态，因此规定需待凉干后进 行测试。这种做法是符合要求的。但至于需要凉干到什么程度才能测出 该层的真实值，则需要通过测定其含水率加以确定，还有待研究。根据 国外资料介绍，土体的含水率对其强度测定有极大的影响，因此，测定 时土体的含水率变化范围应是其在使用期间所能保持的范围。 （4）、此次对K30平板载荷试验有效深度明确规定为400~500mm， 根据国内外资料表明，试验载荷所涉及深度约为荷载板直径的1.5～2倍， 因此，在实际试验过程中应加以注意。 null3.4、试验过程 1 、对于试验终止的确定，日本JISA-1215-1995 规定试验下沉量应达 到15mm为止，德国DIN18134-1993规定当使用直径762mm荷载板试验 ，下沉量应达到13mm或荷载强度达到0.2Mpa为止。我国铁路函1988- 164文，亦规定试验下沉量应达到15mm为止。但实际上，地基系数是直 接按不同领域规定的下沉量基准值（1.25mm）进行计算。而且，正常情 况试验的下沉量也不可能出现所规定的值，因此，此次规定“试验可以进 行至下沉量超出其领域内规定的基准值为止”。这在实用上不会有任何问 题。下表是日本对不同领域惯用的下沉量基准值： 2、为了便于从仪表上读取数，按照德国DIN18134 规定予加荷载强 度为0.01Mpa和每级荷载强度增量为0.04Mpa.3.5、试验数据整理3.5、试验数据整理（1）、试验结果和整理，只列出表21.2.5及图21.2.4示例，其中表 21.2.5中荷载强度σ与油压表p压的关系应根据仪器校验标定得出。即 σ=bp压+ a 地基系数计算所使用下沉量基准值为1.25mm （2）、随机 误差的校正，主要是针对由于土体表面状态的影响所出现 的偶然误差进行修正。并列举两种修正方法，其中作图法修正，需要有 一定的实践经验才能分析判断，因此，为了便于施工现场使用。最好是 通过使用K30ADJUST修正程序进行修正。 （3）、所有的单位均统一以SI单位标记。四、压实质量检测方法的发展四、压实质量检测方法的发展 路基压实质量的控制，多年来，国内外一直普遍采用以Proctor压实理论 为基础的密度检测法进行检测，这是因为该法比较容易通过测定重量和体 积得出，并且具有明确的物理意义。但就对路基压实基本要求的稳定与变 形来说，仅用单一的密度指标难以反映出路基填方压实后的稳定与变形特 性，而且对评价非均质土石填方压实质量也有其局限性。因此为了能真实 地反映土体整体压实情况，保证压实填方具有较小的变形和足够抵抗变形 的能力，以满足路基的使用要求。近些年来，对路基填方压实质量，基本 上逐步放弃了采用密度检测法，而是转为采用以变形控制为依椐的抗力检 测法 ，例如：压实计法、贯入仪法（DCP）、动力弯沉法（FWD）、平 板载荷试验法……等等，并在实际工程应用中取得良好效果。我国铁路自 二十世纪八十年代末也引进了K30平板载荷试验法，并以地基系数K30值 作为评价路基压实质量的指标。但是由于目前采用的抗力检测方法普遍存 在： （1）、由于受土体形态因素和加载因素的影响，所测出的各种指标 还不足以真实、全面地表征土体特性； null （2）、有限点的测试数据难以评价整个铺设层的压实质量； （3）、测试手段上费时、费力，在一定程度上干扰和延误机械化施 工。 当前，由于建筑工业突出强调对工程质量和施工费用控制，从而推 动了工程设计的转变；施工作业的规范化标准化；以及工程承包制、监 理制的实施等。目前建筑工业正试图通过发展更精确地设计和更严谨地 施工方法，使其相互之间有直接的关连来满足:在提高施工质量的同时亦 能降低施工费用的需要。这就意味着用于设计的结构刚度和材料模量参 数也必须是用来评价施工质量。这种基本而普遍地转变，也正是各国目 前所关注的焦点。例如：在美国新发展的AASTHTO2002路面设计规范 中不仅规定在设计中使用模量参数，而且极力推荐使用模量参数来评价 施工质量。但是，如果对现行的施工规范和所需测试方法不能加以发展 要实现这一转变是很困难的，不仅测试速度慢、复杂，并且会延误和干 扰施工。 null 由此可见，如何针对各种土体的具体特性，在基于抗力思路上，寻求 新的快速、简便、可量化的检测手段，以实现这种转变，将是今后路基 填方压实质量检测方法的发展趋势。 为了便于了解当前国外在路基填方压实质量检测方法的最新发展，以 下将着重介绍其中最具有代表性的压实计法、土体刚度/模量仪法。 （1）、压实计法 压实计法早在二十世纪七十年代就开始研制（最早系由瑞DYNAPAC 公司进行在研制），该法是把压路机本身作为检测仪器，即通过安装在 滚轮上的压实计测量滚轮与被压实土体的动力关系，以土体的变形或模 量之比作为压实值，并以该压实值的大小作为压实质量的检测指标。压 实计法的出现曾经引起各国施工单位的极大兴趣，早在二十世纪八十年 代，我国的公路、水电、铁路部门就曾引进该种压路机进行试验和研 究。该法的优点是：测试简便快速；施工中能以对填方压实质量实施过 程控制；可以克服以点带面的粗糙性。压实计法的缺点是：由于测定的 压实值受土体形态（粒径分布、含水状态）和压实机具功能的双重影 响，难以直接建立起压实值与土体性能之间的关系，并且可能由于填方 null压实区埸地的不平整还会引起测量值的失真。因此，将该法应用于填方 压实质量检测，还存在一定距离。 （2）、土体刚度/模量仪法 1995年美国在FHWA（Federal Highway Administration联邦公路管 理局）的建议下，将美国国防用于探测非金属地雷的军用探测技术引入建筑行 业，应用于对路基、基层填料层的压实质量进行评价。组织联合开发了一种便 携式土体刚度仪（重量10kg，一人操作），它是基于弹性波技术的一种无核源 快速检测仪器，可以在75秒钟完成土体刚度和模量检测，并通过含水量的检测， 可测算压实土的密实度。这种仪器一经生产得到普遍重视。美国已有20多个州 对这种仪器进行了应用研究，同时也进行了与CBR．FWD．压实度与刚度仪的 对比试验研究，目前土体刚度试验已列为美国ASTM D 6758试验标准。并在美 国各洲已得到广泛使用，不仅可替代CBR和密实度测量，而又可用于确认设计 模型；发展规范，以及用于评价稳定层填料、冷热沥青混合料的铺装和施工过 程控制等等。 null研制目的：GEOGAUGE提供的测量方法将可满足建筑工业长期寻求高质量、低成本的需要，其目标在于提高设计和施工的精度；增加设计与施工之间的有机连接。 最为有效的成功途径：即建立以结构刚度和材料模量作为设计与施工的技术参数指标。虽然这一转变要求目前还没有明显地体现，但其发展的趋势将是必然的。 提高设计和施工的精度主要体现在： 1、以力学（实验）设计取代经验（实验）设计； 2、在规范中以性能取代方法； 3、在施工中以过程控制取代检验。即以最小的效应取 得最佳的压 实效果；从结构的均匀性上取得较长的使用寿命。 增加设计与施工之间的有机连接主要体现在： 1、设计参数用于施工检测； 2、以测定填料层原位刚度或材料模量替代密实度。 土体刚度/模量仪的工作原理如下图所示： 土体刚度/模量仪的工作原理如下图所示： 1.,刚性环形底座 2.刚性园套筒 3. 柔性压板 4.电动力震动器 5.上部速度传感器 6.下部速度传感器 7.外壳体 8. 隔振垫 9.电子组件 10.显示操纵盘 11.电源土体刚度/模量测量仪工作原理土体刚度/模量测量仪工作原理 由振动器施加于地面层的力，可通过测定柔性板的横切位移差予以确 定。即： 式中： 由振动器施加于地面层的力 柔性板的刚度 柔性板处的位移 刚性底座处的位移 在工作频率作用下，输入地面层的阻抗主要受其土体刚度控制 即： 式中： 地面层土体刚度 由此，可得出地面层土体刚度，即： null式中： n =测量频率数 刚性底座的速度 柔性板的速度 这种动态处置方法无需使用静止基准点来确定地面层的位移，而且能精 确地测出微小的位移。 此外，该仪器还设定了以下条件： 1、不连续有效测量频率数为25，频率值为100Hz至200Hz（即：高于常用建筑设备的工作频率和低于地面层不受刚度控制的频率）。 2、每次测量时间小于1.5分钟(实测时间为75秒)。 3、测量深度为底座外径的两倍。 4、仪器静重对地面层的作用力为27.8kpa。 5、测量精度为~0.00127mm。null 所谓 刚度（Stiffness） 是指作用在变形弹性体上的力与它引起的位移之比。用于表征结构物的力学、工程性能。通常可定义为“结构物在受载时抵抗变形或弯曲的能力”。.单位： MN/m 或 klbf/in, 所谓杨氏模量（Young’s modulus） 是指材料在弹性极限内应力同应变的比值。对土层填料来说是在压缩中的弹性模量，系指填料 的压缩性能， 通常可描述为“对变形的阻抗”，也可称之为“弹性模量”和“弹性系数。.单位： MPa 或 kpsi， 刚度与杨氏模量和剪切模量之间的关系。可根据Poulos & Davis基于近似弹性半空间模型所推导的公式确定。 即： 式中： 地面结构层刚度， MN/m R = 环形底座的外径， m ν = 泊松比 E = 杨氏模量， MPa G = 剪切模量， MPa 五、结束语 五、结束语 附录1： 平板载荷试验的理论基础附录1： 平板载荷试验的理论基础 1867年，捷克工程师文克勒（E.Winkler)在研究中提出对弹性地基的假 设：地基上任何点的沉降取决于作用在同一点上所受的压力，而与邻近 的压力作用无关。用公式表达，即： σ= s 式中： σ—基底压力（Mpa） s— 沉降量 （m） —比例常数，称为地基反力系数（或地基系数），即引起单位 沉降量所需作用于基底单位面积上的力（Mpa/m）。 n—载荷板直径，常用的有30cm、60cm、75cm几种规格。 null 按照上述假定，土的受压作用可以认为是许多互不相关的弹簧体系受 压作用。文克勒假定适用于地基压缩层为很薄的情况，即地基可压缩层 与受力面积相比成为一个很薄的“垫层”时，采用文克勒假定计算变形才是 符合实际情况的。国际上通常规定使用的承载板直径为76.2cm，日本 为了方便于现场测试，而改用为30cm直径，并建立了不同直径承载板间 的换算公式。 附录2：关于土体模量附录2：关于土体模量 土体模量是最难以评估的一种土体参数，因为它取决于许多因素。因 此，当例举“某一土体模量为10,000kpa”时,就会立即受到质询“该数值所涉 及到的条件”。以下是对土体模量的一些重要影响因素的介绍，文中内容 并非是详尽的学术论述，而是作为领会土体模量这一复杂参数的入门。文 中第一部分是：模量定义；第二部分是：影响模量的因素与土体所处状态 的关系；第三部分是：讨论有关加载过程的因素；第四部分是：现时土体 模量的应用；第五和第六部分是土体模量分别与土体刚度、地基反力系数 的比较。