石家庄铁道大学土木工程学院 河北石家庄 050043
摘要：针对目前铁路路基的土压力监测的现状，主要研究的是在不同荷载作用下土压力的变化量以及在相同荷载作用下土压力盒放置条件不同的对比实验。此次实验的主要目的是将土压力盒放置在研发的支撑杆件上与直接放置在土体里所测得的两者土压力进行对比，验证将土压力盒放置在支撑杆件上所测土压力更接近真实值。通过实验研究表明：同样荷载的情况下，将土压力盒放置在支撑杆件上测得的真实值要比对比值的土压力大，在每增加一次荷载时，真实值与对比值的土压力变化量是非常接近的。由此可以看出，支撑杆件的使用能更好地监测现场土压力。
关键词：路基；土压力；荷载；支撑杆件
引言：
长期以来，我国新建铁路没有把路基当成土工结构来对待，而普遍称为土石方。在“重桥隧，轻路基，重土石方数量，轻质量”的倾向下，路基翻浆冒泥、边坡坍塌、下沉、滑坡等一系列病害经常发生，路基动态监测技术的优化与改进，对掌握高速铁路路基病害演化过程，抑制路基病害的发生与发展，提高我国高速铁路路基质量有着十分重要的工程实际意义。1高速铁路路基土压力监测的研究意义
1国内高速铁路路基土压力监测现状
我国关于铁路路基土压力的研究相对于其他方面的研究是比较分散的，而且对于高速铁路和寒区高速铁路路基就更加薄弱了，高速铁路路基土压力监测优化改进迫在眉睫。目前路基土压力监测，多采用将土压力盒直接埋入土体中所测位置的方法，该方法未考虑土压力盒下的土层沉降，导致上覆土所产生的土压力测试不准确；针对挖方工程中的土压力变化，多采用将土压力盒直接埋置在桩侧的方法，该方法虽解决了土压力盒下部固定端的问题，但桩身位移的变化仍会导致测试数据的偏差。因此，研究不同条件下高速铁路路基土压力以及土压力盒的放置位置和放置刚度的不同对土压力监测的影响显得尤为重要。通过实验，进行高速铁路路基土压力参数的现场监测方法及验证性研究，从而探索目前土压力监测所采用的技术是否可行，并提出有效的改进措施。
2本实验研究内容
对铁路路基土压力参数的现场监测方法进行验证性研究，通过对比实验，研究目前土压力所采用的监测技术是否可行，并提出有效的改进措施。同时，将自主研发的支撑杆件应用到实验中，来探索使用支撑杆件是否会使土压力的监测数据更加精确。但是，其中的影响因素也有很多，如路基填料的种类、粒径级配、压实度、荷载、含水率、土压力盒放置位置以及所处位置的刚度等等，不同的影响因素会导致不同的结果，而本实验主要研究以下内容：(1)探究铁路路基土压力参数监测的实验方案； (2)实验用土基本物理性质研究，主要是颗粒级配的实验； (3)不同种类的土、荷载、以及不同深度测量的土压力的变化规律；(4)研发的支撑杆件的使用对实验数据的影响。通过实验，总结本次研究的不足之处，提出有待解决的问题，为进一步探究指出方向。
3土压力参数的现场监测方法实验研究
3.1实验材料与实验设备的准备
3.1.1实验材料
根据目前工程现状，本实验研究所选用的土质为粉土、砂土、冻土。为了贴合工程现场，粉土和砂土均来自石家庄地铁1号线，将土体进行筛分及相关物理性质检验后用于本实验；冻土是按照工程实际，配定土壤的含水率来模拟，并且进行简单的物理性质检验后用于本实验。
3.1.2土样制备
本实验对于土体的要求并不是很严格，所以只需要将室外取回的土体进行筛分，对于块状土要放在橡皮板上利用木碾将其碾散，对于含水量过大的土让其风干到易于碾散为止。土样的制备符合下列条件：(1)取的土样具有代表性，在不同的部位取样，土质差异性越大越具有代表性；(2)取样后要先混合均匀，然后再进行实验；(3)对于每次实验的用土都要先进行含水率的测定。
3.1.3实验设备
本实验仪器主要有试样筒、烘干箱、高低温交变实验箱、土压力盒、砝码、PVC底板、铁架支撑杆件。支撑杆件用于放置土压力盒；试样桶直径330mm，高度为300mm，是由铁制造而成，主要是为了保证在实验过程中土体的稳定；烘干箱用来烘干土，以便土的重复利用；高低温交变实验箱用于对土进行冻融循环；土压力盒用于测量软土和填土之间埋设点的土体压力变化值；砝码作为逐级加载的仪器；PVC底板直径270mm，厚度30mm，其作用是固定铁架支撑杆件，防止铁架支撑杆件在实验中发生倾斜和移动。
3.2实验方案及实验设计
实验通过逐级加载的方式来观察实验数据的变化，采用每间隔30min进行一次加载，具体加载如下：
首先将土压力盒固定在铁架支撑杆件上，连接好土压力盒，并对土压力盒进行检验是否能正常工作。之后，将制备好的土样放入实验桶中，在填土的过程中在铁架支撑杆件的同等高度也需要放置土压力盒。土样填到实验的设计高度后需要静止一段时间，待土压力盒的读数稳定后，逐级进行加载，荷载等级分别为300kPa、600kPa、900kPa、1200kPa。每一级加载后，待土压力盒读数稳定后进行下一级加载，每一级加载都要读取数据并记录。进行冻土实验时，将土样放入高低温交变实验箱中冷冻12小时后进行加载，步骤同普通土一样。
4实验结果分析
实验中，在同一高度设置对比实验，具体情况见表4-1
对比值与真实值差值的百分比如下：
初始的百分比对比值：
第一次加载的百分比值：
第二次加载的百分比值：
第三次加载的百分比值：
第四次加载的百分比值：
通过实验数据分析可知，在每一次加载后，土压力盒直接埋入土体的值与放在支撑杆件上的对比值相比有一定的偏差，偏差值与真实值的比值在20%-30%之间。由于天然粉土层压缩沉降量大，压缩固结稳定较快，所以在实验数据的读取过程中，数据达到稳定的时间相对于其他土体较短。
4.2砂土的土压力实验监测数据分析
砂土是一种渗透性弱，无粘聚力的土体，对砂土距底部10mm处实验数据进行分析见表4-5和图4-4，对距离底部80mm处的实验数据分析见表4-6和图4-5，对距离底部150mm处的实验数据分析见表4-7和图4-6。
对比值与真实值差值的百分比如下：
初始的百分比对比值：
第一次加载的百分比值：
第二次加载的百分比值：
第三次加载的百分比值：
第四次加载的百分比值：
通过实验数据分析可知，在每一次加载后，土压力盒直接埋入土体的值与放在支撑杆件上的对比值相比有一定的偏差，偏差值与真实值的比值在15%-20%之间。
4.3冻土的土压力实验监测数据分析
冻土是一种由固体土颗粒、冰、液态水和气体四种基本成分所组成的多相复合体。在土冻结的过程中，冻土构造的形成是一个十分复杂的过程，与水分的迁移有着密切的关系。对冻土距底部10mm处实验数据进行分析见表4-8和图4-7，对距离底部80mm处的实验数据分析见表4-9和图4-8，对距离底部150mm处的实验数据分析见表4-10和图4-9。
对比值与真实值差值的百分比如下：
初始的百分比对比值
第一次加载的百分比值
第二次加载的百分比值
通过实验数据分析，冻土每一次加载的荷载是普通土的2倍，但其土压力的变化却非常的小，这与冻土本身的性质有直接的关系。其差值的百分比相对于普通土较小，约为6%左右。
5实验结论
在归纳总结了国内外研究铁路路基土压力监测的基础之上，设计了在荷载变化下土压力的变化量的对比实验。在对粉土、砂土以及冻土的物理性质分析后，进行了一系列的对比实验，根据实验数据的结果，得到如下结论：
（1）粉土在每一次加载后，土压力的变化量在7kPa左右，在最终加载完成后距底部10mm处土压力总的变化量为25kPa、距离底部80mm处土压力的变化量为20kPa、距离底部150mm处土压力的变化量为23kPa。每一次加载完成后真实值与对比值的差值在20%-30%之间。由于粉土本身的物理性质，其土压力达到稳定的时间相对于另外土体的时间较短。
（2）砂土在每一次的加载后土压力的变化量在12kPa左右，在最终加载完成后距底部10mm处土压力的变化量为59kPa、距离底部80mm处土压力的变化量为49kPa、距离底部150mm处土压力变化量为46kPa。每一次加载完成后真实值与对比值的差值在15%-20%之间。
（3）冻土由于其特殊性每一次的荷载量是普通土的2倍，其土压力的变化量均在1kPa左右。每一次加载完成后真实值与对比值的差值在6%左右。
（4）监测粉土、砂土、冻土的土压力时，将土压力盒放在支撑杆件上与直接埋入土体所测得的土压力变化值有一定的差别，使用支撑杆件测得的土压力变化值更精确，能更好满足高铁路基施工对路基沉降的严格要求。
此次实验的探究结果与已有的研究结论基本一致，由此可见，此次实验的结论是适用的。实验的支撑杆件是实验中的主要核心，通过支撑杆件的使用可以使土压力的测量值更加精确，为今后高铁路基土压力的精确监测奠定了一定的基础。
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论文作者:王富玉,李思琪
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/20
标签：压力论文; 路基论文; 比值论文; 加载论文; 冻土论文; 荷载论文; 砂土论文; 《基层建设》2017年第31期论文;