（岩土工程专业论文）粉砂土的压实特性与路堤沉降预测方法研究.pdf

硕i j 学位论文 摘要 湖南省境内的衡阳至炎陵高速公路项目衡东路段土体大部分属于强风化花 岗岩产物，该类土主要由砂粒和粉粒组成，粘性成分缺乏，压实性能差；且由于 湖南省地处南方湿热地区，土体天然含水量大，造成其路堤碾压成型困难。目前 国内外对粉土和风积砂的压实方法研究较多，而对粉砂土的压实方法和压实特性 研究较少。因而系统地研究湖南省境内粉砂土的压实特性，制定适宜的粉砂土路 堤压实控制标准，保证路堤的强度、稳定性和耐久性，研究粉砂土在高含水量下 的c b r 强度特性，总结超湿条件下粉砂土碾压适宜的振动压实参数，最大限度 地挖掘其压实度，尽可能地节约土体改良费用，具有较为重要的实际工程意义。 本文通过对衡炎高速公路粉砂土路段典型的土体进行室内的压实性能研究， 以及对某段粉砂土路堤的现场碾压实验研究，总结出现场碾压适宜的振动压实参 数，深化对粉砂土振动压实机理的认识，为粉砂土地区公路设计和施工控制提供 理论依据和技术支持。具体地说，得到了以下有益研究成果： ( 1 ) 研究了粉砂土在潮湿环境下的击实、c b r 特性，提出了潮湿粉砂土的 压实控制标准，扩充了规范中对潮湿细粒土压实控制标准的适用范围。 ( 2 ) 引入均匀设计理论对公路路堤碾压方案进行了设计，较好地解决了多 因素下实验方案的设计问题。 ( 3 ) 总结了潮湿环境下粉砂土适宜的碾压工艺，较好地解决了粉砂土路堤 碾压成型困难的问题。 ( 4 ) 在总结分析已有的压实理论基础上，研究了振动对压实土体的作用效 应；结合粉砂土的工程特性，深化了对粉砂土的压实机理的认识，并对粉砂土路 堤碾压过程进行了分析。 ( 5 ) 在探讨粉砂土路堤沉降机理的基础上，建立了以预测有效度为优化精 度指标的多目标组合模型对粉砂土路堤进行沉降预测，提高了沉降预测的精度。 关键词：粉砂土；击实特性；c b r 特性；均匀设计；压实机理；有效度 粉砂十的乐实特性j 路堤沉降颅测方法研究 a b s t r a c t m o s ts o i lo ft h eh e n g y a n g y a n l i nh i g h w a yi nh e n g d o n go fh u n a n p r o v i n c ea r e p a r to fg r a n i t e so f f s p r i n gu n d e rt h ee f n o r e s c e n c e ，t h i sk i n do fs o i li sc o m p o s e do f s a n dg r a i n sa n ds i l t s ，b u ti ss h o r to f c l a y ， h a st h e p o o rc o m p a c t i o np r o p e r t i e s ； s i m u l t a n e o u s l y ，a sh u n a np r o v i n c ei s i nt h es o u t h sm o i s th e a tr e g i o n s ，t h es o 订 c o n t a i n sm u c hw a t e rw h a tm a k e st h ee m b a n k m e n tt om o u l d i n g a tt h ep r e s e n tt i m e ， t h e r ea r em a n yr e s e a r c h e sa b o u tc o m p a c t i o nm e t h o d so fs i l ta n dw i n db l o w ns a n di n a n da b r o a d ，b u tb es h o r t a g eo ft h es i l t ys o i l s ot h o s ea r ei m p o r t a n tt os e e kf o rt h e c o m p a c t i o np r o p e r t i e so fs i l t ys o i l i nt h eh u n a np r 0 v i n c e ，t od r a wu pt h es u i t e d c o m p a c t i o ns t a n d a r do fs i l t ys o i le m b a n k m e n tf o ri n t e n s i t y ，r i g i d i t ys t a b i l i t ya n d w e a ro ft h ee m b a n k m e n t ，t or e s e a r c hc b rp r o p e f t i e so fs i l t ys o i lw h a ti sf u l lo f w a t e ra n dt os u m m a r i z ei t ss u i t a b l ev i b r a t i n gc o m p a c t i o np a r a m e t e r sa n dr o l l e r c o m p a c t i o nt e c h n i c so fs i l t ys o i lw h a ti sf u u0 fw a t e ri nh u n a np r o v i n c e ，t ot r yt o e x e r ta l li t sc o m p a c t n e s sf o rs a v i n gs o i l sm e n d i n gc o s t t h i sp a p e rs e a r c h e st h ec o m p a c t i o np r o p e r t i e s0 ft h es i l t ys o i l ，a n ds u m m a r i z e s t h es u i t a b l e v i b r a t i n gc o m p a c t i o np a r a m e t e r s a n d r e c o g n i z e s t h ec o m p a c t i o n m e c h a n i s mo fe m b a n k m e n td e e p l yt 0s u p p o r tt h et h e o r yb a s i sa n dt e c h n i q u eb a c k i n g f o rt h er o a dd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nc o n t r o li nt h es i l t ys o i l r e g i o n c o n c r e t e l y ，t h i s p a p e rh a sf o l l o w i n gs e a r c hp r o f i t s ： ( 1 ) t h ep a p e rs e a r c h e st h ec o m p a c t i o np r o p e r t i e sa n dt h ec b rp r o p e r t i e so f s i l t ys o i lf u l l0 fw a t e r ，p r o p o s e st h ec o m p a c t i o nc o n t r o lo ft h em o i s ts i l t ys o i la n d e x p a n d st h ep r a t i c a ls c o p e0 ft h em o i s tf i n e g r a i n e ds o i i sc o m p a c t i o nc o n t r o li nt h e s t a n d a r d ( 2 ) t h ep a p e rl e a d st h eu n i f o r md e s i g nt oa r r a n g ec o m p a c t i o np l a no ft h e e m b a n k m e n tc o m p a c t i o n ，a n ds o l v e st h ed e s i g np r o b l e mo fs e v e r a lf a c t o r st e s t ( 3 ) t h ep a p e rd f a w su pt h es u i t a b l ec o m p a c t i o nt e c h n i c so fs i l t ys o i lf u l lo f w a t e r ，a n ds o l v e st h ec o m p a c t i o nd i f f i c u l t yo ft h es i l t ys o i le m b a n k m e n t ( 4 ) t h ep a p e rs e a r c h e st h ei n n u e n c eo fv i b r a t i n gt ot h es o i lo nt h eb a s i so f s u m m a r i z i n g t h ef o u n d e d c o m p a c t i o nt h e o r i e s ， a n d r e c o g n i z e s t h e v i b r a t i n g c o m p a c t i o np r o p e r t i e sd e e p l yc o m b i n i n gw i t ht h es i l t ys o i l sp r o p e f t i e s ( 5 ) t h ep a p e rb u i l d su pt h ec o m b i n a t i o nm o d e l sw i t ht h es e v e r a lt a r g e t sm o d e l o ft h ea c c u r a c yn o r mo ft h ef o r e c a s t i n ge f f e c t i v em e a s u r et of o r e c a s tt h es e t t l e m e n t m 硕f j 学位论文 o ft h es i l t ys o 订e m b a n k m e n tt oe n h a n c et h ef o r c a s t i n gp r e c i s i o no nt h eb a s i so f s e a r c h i n gt h es e t t l e m e n tf o r e c a s t i n go ft h es i l t ys o i le m b a n k m e n t k e yw o r d s ：s i l t ys o i l ；c o m p a c t i o np r o p e r t i e s ；c b rp r o p e r t y ；u n i f o r md e s i g n ； c o m p a c t i o nm a c h n i c s ；e f f e c t i v em e a s u r e 湖南大学 学位诊文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：础妇7p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖 南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密幺 ( 请在以上相应方框内打“”) 、 私 磅轧乙 日期： 瑚年r 月2 ，日 日期： 沙彳年岁月v 日 硕 j 学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 近些年来，随着我国经济建设的高速发展，道路建设也正处于大规模发展的 黄金时期。交通量和轴载迅速增长，对行车速度和舒适性的要求也不断提高。然 而，在对我国公路建设成就感到欣慰的同时，却也不能不对一些公路建设的质量 ( 主要是路堤路面的质量) 感到遗憾。其中的原因固然很多，既有管理方面的原 因( 如施工合同标价低，施工工期短，突击抢工，不按照设计要求和施工规范对 路堤路面进行认真压实) ，也有技术方面的原因( 规范本身不够合理、完善) ，造 成路面局部沉陷或过早破坏，恶化了路面的行驶性能，由此造成巨大的经济损失 ( 公路路面的建筑费用往往占总投资的3 0 5 0 。在我国，新建高速公路路面 的投资一般占到总投资的2 0 一2 5 【1 1 ) 。 在国外，一些9 0 年代末期修建的路堤也出现了失稳问题f 2 1 ，或者产生过量 的沉降；有的道路在开放交通不久就出现了路面粗糙和凹凸不平，导致修复的成 本很高。造成这种局面的原因是多方面的：一是路堤填筑施工期间，现场监理与 施工技术人员对适合填土的经验鉴别技能或所依据的鉴别方法本身存在不足：二 是当前的施工验收规范某些方面存在不足。路堤的机械压实已有很长的历史，并 且积累了丰富的工程实践经验，但依然有许多因路堤压实问题而引起路面的病 害、破坏或沉陷。 长期以来，国内外对粉砂土的物理力学性能以及工程性质缺乏科学地、系统 地认识。系统地探索湖南省境内粉砂土的压实特性、正确的压实方法以及机械参 数配制，以及通过制定适宜的粉砂土路堤压实控制标准，保证路堤的强度、刚度、 稳定性和耐久性，已成为当务之急。结合湖南省所处区域环境特征，研究粉砂土 在高含水量下的c b r 强度特性，总结潮湿条件下粉砂土适宜的碾压工艺具有重 大的实际工程意义。 因此，本文通过对衡炎高速公路粉砂土路段典型的土体进行室内击实、c b r 特性研究，以及现场路堤的碾压工艺实验研究，总结出适宜现场碾压工艺，深化 对粉砂土的振动压实机理的认识，从而为粉砂土地区公路设计和施工控制提供理 论依据和技术支持。 1 1 1 研究对象 土广泛地分布于地壳表面，其性质随形成过程和自然环境的不同而有所差 异。就其成因来说，它是由岩石经过物理风化、化学风化及生物风化作用后的产 粉砂十的压实特r 丰与路堤沉降预测方法研究 物，是由各种大小不同的土粒按各种比例组成的集合体。土粒之间的孔隙由液体 和气体充满，因此天然土是由固相、液相和气相三相物质组成，三相之间的相互 比例不同，土的工程性质也有所不同，因此，在进行工程建设时，必须结合土的 实际性质进行设计和施工，否则会影响工程的经济合理性和使用的安全性。 r j e l 巨粒士ii 粗粒七il 细粒土il 特殊土 漂 石 土 晕li 攀i i 摹| l 鍪i i 荃li翠ii 耋i l 鐾 红 粘 土 图1 1 土的工程分类图 为了有效地研究和合理地利用土料，势必要对土有一个行之有效的分类。统 一合理的土质分类不仅为广大工程人员选择土料、利用土料或评价土性提供方便 可靠的依据，而且便于彼此间交流土工经验，因此成为从事岩土工程的最基本要 求。按我国公路土工试验规程t j t 0 5 1 9 3 1 3 l 中关于土体分类进行整理，如图 1 1 所示，我国公路用土可划分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土。 本文研究的实验路段土体是由花岗岩经过强风化作用后的产物，主要由砂粒 和粉粒组成，由于路段内各区域土体风化程度不同，导致各粒组的含量不同，此 土体大部分是粉砂土( 属于砂类土) ，同时也包括部分含砂粉土( 属于粉质土) ， 考虑到现场取土实际情况以及两者工程性质存在相似之处，故而共同作为研究对 象。 1 1 2 压实的物理过程 土体压实就是通过对土体施加外力，使土体颗粒重新排列和相互靠近，小颗 粒进入大颗粒的孔隙中，增加单位体积内固体颗粒的数量，减小孔隙率( 或空气 率) ，提高土体的密实度，从而提高土体的抗剪强度，减小其压缩性。在某些情 况下( 如土坝、垃圾填埋场的隔渗垫层) ，还需要降低其渗透性。尽管压实是所 有填土工程中十分重要的工作内容，但在实际工程中却往往被随意对待。 用某种工具或机械对路堤土体进行压实时，在压实机具的短时荷载或振动荷 载作用下，将产生不同的物理过程。用于填筑路堤时，土体通常包括两部分，一 部分是有单个土颗粒粘聚在一起形成的大小土团或土块；另一部分是单个土颗 粒。在粘性大的土中，往往主要是大小不一的土块。单个土颗粒也是有大有小。 因此，在通常情况下对这种路堤土进行碾压时，产生的物理现象有： 2 硕f ：学位论文 ( 1 ) 使大小土块重新排列和相互靠近； ( 2 ) 使单个土颗粒重新排列和相互靠近； ( 3 ) 使土块内部的土颗粒重新排列和相互靠近； ( 4 ) 使小颗粒进入大颗粒的孔隙中。 路基结构层土体通常主要是由各种不同粒径的单个颗粒组成的。在碾压过程 中，主要发生的现象是颗粒重新排列、相互靠近和小颗粒进入大颗粒的孔隙中。 1 1 3 压实的基本方法 压实就是通过专门的机械或设备给被压土体施以作用力，强迫被压土体内部 颗粒产生移动，重新排列得更加密实的过程。不同机械或设备，由于其工作原理 不同，会产生不同的作用力。作用力的性质不同，会引起被压土体变形的巨大差 异。为了追求好的压实效果和高的压实效率，人们一直在孜孜不倦地探讨新的压 实方法和压实技术。到目前为止，现代压实技术所采用的压实方法可以归纳为以 下四种： ( 1 ) 静力压实：将重物置于被压土体的表面，利用重物的重力，对被压土 体施加垂直压力作用，使被压土体内部产生相应的法向应力和剪切应力，当剪切 应力超过土体的抗剪强度时，土体的颗粒之间就会发生相对滑移，重新排列而变 得更加密实。由于受重物尺寸的限制，静力的大小是非常有限的。因而，有限的 静力只能引起被压土体较小的变形，获得较低的压实度。 ( 2 ) 搓揉压实：在搓揉压实中，搓是利用对被压土体表层施以水平方向的 反复交变的作用力，使被压土体表层颗粒产生相对滑动，重新排列而变得致密； 揉是一种压入作用，它依靠对被压土体局部施加很大的垂直压力，使压头直接剪 切侧面土体，破坏压头下方局部土体与被作用土体整体之间的联系，使之受到很 大压缩而变得密实。总的来说，这种搓揉作用力的作用深度较浅，仅在表层某一 范围内传递，但其可获得较高的表面压实度和表面平整度。 ( 3 ) 振动压实：利用专门的设备可对被压土体施加一系列的激振作用，以 激起被压土体颗粒之间的相对运动，在垂直压力的作用下，使它们重新排列而变 得更为密实。振动作用能大幅度地减少被压土体内部颗粒问的摩擦，而对减少内 聚力的作用则相对较小，因而适用于无粘性或粘聚力较小的土体。振动能量以压 力波的形式传向被压土体深部，同样可激起下部土体颗粒的振动，因而它比同样 自重的静作用压路机能达到更好的压实效果和压实深度。由于振动压实的机理是 在于激起被压土体颗粒的相对运动，而并不是依靠振动来压实被压土体，因而它 的振幅通常只有o 3 2 m m ，而频率则接近被压土体的自振频率，这样可以使被 压土体的颗粒处于共振的状态下，从而获得最佳的压实效果。振动压实不仅作用 深度较大，而且能获得较大的压实度。 3 粉砂十的压实特性i 路堤沉降预测方法研究 ( 4 ) 夯实和冲击压实：夯实和冲击在原理上都是利用动能转化为冲击能来 压实土体，只是在冲程和频率上有所不同。夯实的冲程约为5 3 0 m m ，频率约为 8 2 0 h z ；冲击的冲程可高达数米，而频率则极低，为单个的脉冲。冲击击实的 特征是巨大冲击力，它可在土体中产生很大剪切应力和法向应力，从而有效地克 服粘性土体的内聚力，压缩土体并排出土中的空气和水分。冲击能量所形成的冲 击波可传至很深的深度，因而在压实深度上有很大的优势。此外，由于冲击作用 的时间很短，往往在被压土体还来不及发生“流动”之前，冲击已经结束，因而 可减少由土体“流动 而导致的不稳定，可有效地用于较大含水量的粘土和干砂 的压实。由于冲击压力波能传至更深的层面，所以，冲击压实能获得较大的压实 度。 1 2 研究背景及现状 1 2 1 国内外研究状况 1 2 1 1 国外研究状况 河南省交通科学技术研究所的孙淑勤等在中、日公路土质路堤压实控制方 法比较1 4 】一文中，阐述了日本的土质路堤的压实控制方法：根据土的级配 ( o 0 7 4 m m 筛通过量) 划分控制标准，对0 0 7 4 m m 筛通过量在2 0 以上的土用 空气率k 控制，对0 0 7 4 m m 筛通过量不足2 0 的土用密度比d 。控制。其他国 家的学者对粉性土本身的压实性能研究的甚少，大都集中在压实方法探讨上。美 国的a n o n 论述了强夯法在蒙大拿洲际公路上的使用情况。该公路的路堤为松散 干燥的冲积砂和粉土，厚为2 0 至2 5 英尺。在压实过程中，采用重1 5 t ，直径6 英尺，下落高度为6 0 英尺的落锤。研究认为，该压实方法对处理有较深沉积的 砂和粉土的路堤是一种经济有效的方法。这种方法与传统的压实方案相比，估计 可节约6 0 万美元f 5 1 。同样的方法可以用在古老的坝体基础的加固上。美国怀俄 明州的j a c k s o n 湖坝，由美国开拓局的先驱者于1 9 1 6 年建造。它是美国最具自 然风光、景色优美的旧坝之一，在保证坝的安全和改建工程过程中，几乎没有新 的方法和技术，而深强夯法可以用来加固坝体的基础。大坝由6 5 英尺高，2 2 7 英尺的砼溢洪道和土坝堤组成。一个坝堤仅有1 5 0 英尺长，4 0 英尺高，较高的 北坝堤为4 5 0 0 英尺长，该坝堤为水力冲填坝，由饱和的、松散的、无粘性土体 筑成。基础是由固结性差，细粒径的粉土和砂土组成。有研究认为【6 1 ，通过垂直 的和水平振动的深压实可以加固无粘性土体和加密细砂。d u m a s 介绍了饱和粉 土和粉砂土采用强夯法施工的工程实例。文中描述了该方法用于改善土基的施工 要点【7 1 。h u a “研究了细粒土完整的压实曲线和它的特性，并拟合了曲线从干到 湿状态的变化情况，并可预测给定土质在不同压实功下的压实曲线簇【8 1 。 4 硕 j 学位论文 1 2 1 2 国内研究状况 在我国，水力成因的粉砂土广泛分布于冲积平原、河流三角洲、沿海平原地 区。在湖南省的衡阳至炎陵高速公路项目某合同段，位于衡阳市衡东县境内，起 于衡东县栗木乡黄金村k 8 + 2 0 0 ，终于吴集镇高坪村k 1 7 + 0 0 0 ，路线全长8 8 k m 。 经调查，本合同段路堤土体约7 5 属于强风化花岗岩产物，该类土主要由砂粒 和粉粒组成，粘性成分缺乏，土体颗粒均匀，级配不良；当采用这类土体作为路 堤土体时，其粘性相对较小，粉粒和砂粒间的空隙由于没有细小粘粒填充，难以 形成紧密的填充和嵌挤结构，同时由于湖南省地处南方湿热地区，土体天然含水 量大，从而对其路堤的碾压成型造成困难。 国内对的研究主要集中在对粉土和风积砂上。河北省电力勘测设计院的马有 何对饱和粉土的物理力学特征进行了研究，指出粉土系介于粘性土和砂土之间的 一类土。它与粘性土以塑性指数厶= 1 0 为界，与砂土以粒径o 7 5 m m 、百分含量 5 0 为邻，工程性质较为复杂。其粒组成份中，0 0 5 m m 0 0 7 4 m m 与0 0 0 5 。0 0 5 m m 的粒组占绝大多数。这类土既不同于粘性土，又有别于砂土。水与土颗粒之间的 作用明显异于粘性土和砂土，主要表现“粉粒”的特征。随着颗粒的组成的不同， 其工程性质有转折性变化【9 1 。河南省商开高速公路建设有限公司的叶东升等对商 开高速公路粉性土路堤填筑技术进行了研究，指出粉性土是一种较难压实的土， 实验证明恰当地使用振动压路机，合理地控制含水量可以使其达到规定的压实度 【1 们。长安大学的申爱琴等以邯郸一临清公路工程中的路堤关键技术问题为研究 目标，对含砂低液限粉土的物理、力学性能及振动压实规律进行了全面系统的科 学实验及理论分析，探索了粉性土填筑路堤的压实机理及影响因素，提出一套行 之有效的粉性土路堤压实施工工艺。他们认为在粉土路堤地段修筑公路并通过振 动解决路堤压实问题是可行的，关键是要采用适当的压实设备，保证路堤具有足 够的强度及稳定性；粉土压实机理不同于传统压实理论，采用振动压实，选择适 当参数，则可消除土、气体屏障，达到密实状态；粉土填筑路堤时应分层填筑， 动、静结合压实，采用先动后静、先强振后弱振、先低速后高速的振动压实方法 【1 1 1 。原山东工业大学的商庆森等对黄河冲积粉土的路用性能进行了研究，用正 交实验法研究了二灰稳定黄河冲( 淤) 积粉土的压实性能、配比关系、强度生成 和增长特点、抗冻性及强度增强问题，并探讨了强度形成和强度增强的机理。为 黄泛平原区的道路结构层的配比设计和施工提供参考【12 1 。长安大学的陈忠达、 张登良基于塔克拉玛干沙漠地区筑路的实践，分析了风积土路堤( 沙基) 的击实 特性及压实动态性能，探索了沙基的压实机理。他们认为：风积沙压实过程与粘 性土、砂性土有明显不同，在低含水量( = 1 ) 时，可获得较大的密实度，这 是干密度的理论基础；沙基压实特别强调碾压工艺，振动压实可获得很好的压实 5 粉砂十的压实特性与路堤沉降预测方法研究 效果，是沙基干密度最理想的方法【1 3 l 。铁道部第十六工程局一处的耿福志针对 神延线风沙路堤实际，介绍了风沙路堤的施工方法、施工工艺和路堤防护措施， 特别对风沙路堤的压实方法进行了说明。他认为细砂对振动最敏感，故优先选择 振动压实机械。在风沙地区施工特别应注意碾压工艺，遵循先静后动，先轻后重， 先快后慢，先两边后中间的原则进行【l 引。 对于粉砂土的研究主要集中其路基压实方法上。刘军【1 5 】指出碾压含水量在 1 8 2 2 的效果最佳；超碾压会破坏已形成的结构，使密实度降低。刘海波【1 6 】 则认为碾压前含水量应控制在1 7 2 1 左右。何长征【17 1 、时永林【18 1 、宋顺德f 1 9 1 提出了类似的施工工艺：采用振动压路机进行碾压时，按先慢后快、先静压后振 压、先两侧后中间的程序进行；张立辉等人【2 0 l 提出应先静压2 遍，再振压3 4 遍。何长征与时永林认为压路机碾压速度应控制在4 o k m h 以内，若速度太快， 表层土体将难以压实。刘国杰1 2 1 】则对采用冲击式压路机压实粉砂土质路基和路 堤进行了研究：碾压1 3 1 5 遍时，地基表面下5 0 c m 和1 0 0 c m 处土体的平均压实 度可分别提高5 4 和3 3 ，地表的累计沉降量可达1 5 7 m m ，至1 5 遍时，路堤 出现明显扩张，且路床下4 0 8 0 c m 范围内土体的压实度反而下降。 综上所述，国内外学者根据粉性土及风积砂的特点，提出了适宜的压实方法， 而对粉砂土研究主要集中在粉砂土的碾压工艺上，而对其压实特性、压实机理的 较少。因而系统地探索湖南省境内粉砂土的压实特性、合理的压实施工工艺，深 入地探讨其振动压实机理，以及为现场提供更为方便快速的沉降监测方法都有其 必要性。本文对上述问题进行了研究。 1 2 2 压实理论的发展 振动压实的基本原理是：振动使被压实土体内产生振动冲击。被压实土体的 颗粒在振动冲击的作用下，由静止的初始状态过渡到运动状态，被压实土体之间 的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。同时由于土体中水分的 离析作用，使土体颗粒的外围包裹着一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，为颗 粒的运动提供了非常有利的条件。被压实土体的颗粒之间在欠密实状态下存在许 多大小不等的孔隙，在振动冲击的作用下，其颗粒间的相对位置发生变化出现了 相互填充现象，即较大颗粒形成的间隙由较小颗粒来填充，较小颗粒的间隙由水 分来填充，被压实土体中空气的含量也在振动冲击过程中减少了。土体颗粒间孔。 隙的减小，意味着密实度的增加；被压实土体之间间隙减小使其颗粒间接触面积 增大，导致被压实土体内摩擦阻力增大，意味着其承载能力的提高。无论是水平 振动还是垂直振动，压实土体在振动作用下减小孔隙率，使其变得更加密实的原 理是一致的。 上述关于振动压实的理论是内部摩擦减小学说的振动压实理论，其论点可以 6 硕 j 学位论文 概括为：由于振动作用，使铺层土体的内部摩擦急剧减小，剪切强度降低，抗压 阻力变得很小，因而在重力作用下易于压实。实验表明，由于振动作用，粗砂的 抗剪强度减小到原来的几十分之一；粘性土体在振动加速度很大时，内摩擦显著 减小；沥青混合料的内摩擦大约减少到1 5 以下。除上述理论外，还有共振学说 和反复载荷学说两种振动压实理论。 共振学说的主要论点是：当激振频率与被压实土体的固有频率一致时，振动 压实最为有效。实践证明，共振效果是显著的，说明了这一理论的正确性。然而 由于土体的固有频率是变化的，要求激振器的频率作相应的变化是困难的，但利 用共振现象来进行压实是比较容易的。为了解释这些现象，应当测定土体粒子的 振幅和加速度，并进行分析。 反复载荷学说认为：土体是由于振动所产生的周期性压缩运动的作用，而达 到振动压实的效果。在低频范围内它具有一定的现实性。而在高频范围内( 共振 频率达到1 0 0 0 h z 以上) 并无充足的理论根据。实验表明，在高频范围内，振动 作用的效果远远超过反复载荷作用的效果。 2 0 世纪8 0 年代出现了一种新的压实方法和技术振荡压实。这一概念首 先是由瑞典的h t h u r n e r 博士提出来的，其基本原理是：与振动压路机垂直振动 的原理不同，振荡压实是利用土力学中交变剪应变的原理，使地基土体的颗粒重 新排列而变得更加密实，从而达到压实之目的。振荡压实实际上是一种振动与揉 搓相结合的方法，其振动能量是沿着水平方向在某一层面内传播的，因而在深度 方面的压实影响不如振动压实，但是在表面层某一深度范围内的压实效果将明显 优于振动压实。 2 0 世纪9 0 年代，冲击压实技术在工程中广泛应用，其原理是：非圆滚轮在 牵引力的作用下向前滚动，当滚动角圆弧与地面的接触点与重心处在一条铅垂线 上时，滚轮升至最高位置，在越过次点后，重力相对于接地点产生一使滚轮坠落 的冲击力矩，在这一力矩的冲击作用下滚轮冲击地面，而此时冲击力矩达到最大。 随后碾轮的冲击面向前方搓挤土体而产生某种强力的搓揉作用，并使土体产生很 大的反力，在牵引力和反力所形成的举升力偶的作用下，碾轮以滚动角与地面接 触的瞬时中心为转动轴心向前滚动并抬升碾轮至最高位置。如此往复下去，实现 对土体的压实。 现在又出现了复合振动压实的新概念。即集合静作用压路机、振动压路机、 振荡压路机的优点于一身，将重力、激振力、力偶矩作用结合起来的复合振动。 1 2 3 路堤沉降计算理论研究现状 现有的路堤沉降计算方法主要有三大类：第一类为理论公式法，它首先确定 在荷载作用下压缩土层中应力的增量，然后再采用合适的土的应力一应变关系 7 粉砂十的乐实特性勺路堤沉降颅测方法研究 ( 例如用固结实验得到) 估算这些应力增量所引起的沉降量；第二类为数值计算 方法，它是利用计算机作为运算手段，主要以弹性理论为依据，借用有限单元法 离散化特点，计算复杂的几何与边界条件、施工与加荷过程、土的应力一应变关 系的非线性以及应力状态进入塑性阶段等情况，成果的可信性归根结底还取决于 输入指标的正确性与所用模型的代表性；第三类为经验半经验公式法，即通过部 分现场实测资料来推算沉降量与时间的关系，这类方法也有很多种，如曲线拟合 法、线性回归法、灰色模型预测法、神经网络法、时间序列法等，这类方法既有 它的理论基础，又有简单易行的操作方法，如图解法，因采用现场的实测资料， 结果也往往令人满意。上述的方法对软土路堤均有一定的适用性和可靠性，而对 于粉土路堤的适用性往往还需要进一步的研究和探索。 对于理论公式法，又分为一维和多维的情况。自太沙基( t e r z a g h i ) 一维固 结理论问世以来，极大地促进了土力学理论发展，有力地指导了土工结构物的设 计与施工。嗣后，伦杜里克( r e n d u l i c ) 将太沙基的一维固结理论推广到二维、 三维情况，得出t e r z a 曲i r e n d u l i c 扩散方程。对于简单的几何形状和边界条件可 以得到解析解，对于较复杂的边界条件和几何形状可以借助有限差分法求解【2 扪。 比奥( b i o t ) 【2 3 j 根据有效应力原理、土的连续条件和平衡条件提出了比奥固结理 论，其特点是考虑了固结过程中土体平均总应力随时间的变化。但是由于数学求 解方面的困难，比奥固结理论一直不能被广泛应用。有限元技术的发展给固结理 论带来了新的活力。国内外众多学者如桑德霍( s a n d h u ) 1 2 4 1 、克里斯汀( c h r i s t i a n ) 【2 5 1 、沈珠江f 2 6 1 、殷宗泽【2 7 1 、龚晓南f 2 8 1 等分别应用有限元法技术对比奥固结理论 求解问题进行推广，有力地推动了土力学的发展，产生了很好的社会和经济效益。 应该说饱和土的固结理论己比较完善，无论是在机理上还是在各类实际问题 的应用上都不存在不可逾越的障碍，然而应用固结理论计算的一个重要前提是， 土体是完全饱和的弹性土体，但实际上，大多数地基并不是完全的饱和土体，而 是土、气、水三相组成的土体，从而限制了该理论在实际工程中的应用。在非饱 和土固结研究方面，虽然也取得了一些成果【2 9 _ 3 1 1 ，但是目前还没有形成公认的 非饱和土固结理论，非饱和土固结理论在实际中的应用还有一个较长的研究过 程。 在实际中对非饱和地基沉降一般采用半理论半经验的分析计算方法。根据各 种方法对土体应力一应变特征的认识大致可以分为以下几类： ( 1 ) 采用经验系数调整的一维计算方法：这种计算方法简便实用，经验系 数是用很多沉降观测资料统计分析确定的，在理论上虽然不十分严密，但是比较 符合实际。 ( 2 ) 基于压缩曲线的一维计算方法：这种方法仍然是只考虑土的竖向应力 即只考虑土体一维变形。通过室内压缩实验得到土体的压缩应力一孔隙比( e p ) 8 硕i j 学位论文 曲线，并利用该曲线计算地基在各级荷载下的压缩变形。卡萨格兰德( c a s a g r a n d ) 1 3 2 】通过室内固结实验，得到p 1 9 p 曲线，并以此曲线求得土体先期固结压力p 。 其研究成果使得该方法得到迸一步发展，根据先期固结压力与现场土体目前实际 所受的应力将土体分为超固结土、正常固结土和欠固结土，对这三种土采用不同 的沉降计算方法。赵明华【3 3 】通过大量实验数据的分析，提出了压缩曲线的经验 公式，并将其应用于工程计算，具有较好的工程实用价值。 ( 3 ) 从土的应力状态出发，改进沉降计算方法：黄文熙f 3 4 】提出了三向应力 状态下的沉降计算方法，实际上是将一维计算结果乘以大于l 的系数。斯开普顿 和卞仑( s k e m p t o n 、b j e r r u m ) 【3 5 l 认为土体在三向应力作用下的固结过程中，当 附加应力作用后，土体发生侧向膨胀，固结后，侧向有效压力迅速增加，土体回 缩。根据这些看法，对于固结状态不同的土体需要乘以一个系数以纠正一维计算 的结果。兰姆伯( l a m b e ) 1 3 6 】提出的应力路径法，使实验时的应力状态与实际情 况尽可能的吻合。曹喜仁【37 】贝u 针对西南地区公路建设中高填石路堤的施工期沉 降和工后沉降问题，以工程实际和工程界熟悉的方法为前提，考虑了高填石( 高 应力水平) 下地基的非线性性质和实际的应力路径计算路堤沉降。关于土体应力 - 下应变本构模型的研究也十分活跃，诺斯( r o s c o e ) 等【3 8 】提出了土的临界状态 、概念，并建立了著名的剑桥模型( c a m c l a y 模型) ，从理论上阐明了土体的弹塑 性变形特征，开创了土体的实用模型，这标志着土力学一个崭新研究阶段的研始。 邓肯和张( d u n c a n ，c h a n g ) 【3 9 】提出的非线性弹性模型能够反映土体变形的主要 特征一非线性，其参数也相对容易获得，模型概念清晰，甚受工程界的青睐。 曹喜仁【4 0 】贝0 在邓肯一张模型的基础上提出了能同时考虑剪切变形和压缩变形的 修正的邓肯一张模型来计算路堤沉降。 地基沉降理论是土力学中的重要研究课题，现有的模型也已有上百个之多， 但是总是存在这样或是那样的问题，因此人们还是不断地提出新的方法来改进， 也正象殷宗泽指出的那样：“目前还没有找到大家普遍接受的即实用又较完善的 模型。 【4 1 】 经验半经验公式法，即通过部分现场实测资料来推算沉降量与时间的关系的 方法大致可以归纳为以下两类： ( 1 ) 简单曲线配合法，比如指数曲线法、双曲线配合法等。a s a o k a 法、沉 降速率分析法和剩余沉降对数法基于一定的土体本构模型，从形式上可归于指数 曲线法。这类方法根据最优化拟合的原则拟合参数，得到沉降曲线。但这类方法 函数参数不一定有明确的物理意义，一般也只适用于简单的加载条件。 ( 2 ) 把一些系统分析和控制理论引入土体沉降预测中，如时间序列法、模 糊系统、灰色理论、神经网络等。系统论的分析方法虽然由成熟的算法用于求解， 但模型参数一般也没有实际物理意义。 9 粉砂十的压实特件j 路堤沉降预测方法研究 近年来，许多研究人员基于简单的预测模型，提出组合预测沉降的方法。所 谓组合预测模型，就是将多个单项模型进行适当的组合，综合利用不同模型提供 的信息，从而尽可能提高预测精度。组合预测的核心问题就是如何求出加权系数， 使得组合预测模型更加有效。目前普遍组合预测模型是以误差平方和或离差绝对 值之和达到最小为精度指标的单目标优化模型建立起来的。事实上这样的精度指 标不一定能如实地反映预测方法的有效性：一是不同精度指标序列具有不同量 纲，不能直接对比；二是普遍单目标组合预测模型的精度指标仅仅刻画了预测模 型的局部特征，从而求得的加权系数不一定最优。 1 3 本文研究的主要内容 本文围绕影响路堤压实的几个主要而又较为复杂的因素，结合衡炎高速公路 某路段粉砂土的室内实验和现场碾压实验，对粉砂土土体的路用性能、现场碾压 工艺、振动压实机理以及路堤沉降预测方法等方面进行了研究。具体来说，本文 的研究工作包括了以下内容： ( 1 ) 粉砂土的路用性能研究：通过对衡炎高速公路粉砂土路段三种典型土 体的物理力学性质实验、标准击实实验、不同击实功下的击实和c b r 实验等一 系列实验研究，分析粉砂土的击实、c b r 特性，提出潮湿粉砂土路堤的压实控 制标准建议。 ( 2 ) 粉砂土路堤现场碾压工艺研究：通过定性分析影响碾压效果的各个因 素，为现场碾压实验提供参考依据；总结分析实验设计理论中的正交设计和均匀 设计方法，结合现场的实际情况，确定现场碾压实验设计方案，并引入d p s 数 据处理系统对实验结果进行分析，总结现场适宜的碾压工艺。 ( 3 ) 粉砂土的压实机理研究：研究振动对压实土体的作用效应：结合粉砂 土的工程特性，深化对粉砂土压实机理的认识，在此基础上对粉砂土路堤碾压过 程进行了分析，为粉砂土的现场压实提供理论依据，完善适宜的碾压工艺。 ( 4 ) 粉砂土路堤的沉降预测方法研究：在探讨粉砂土路堤沉降机理的基础 上，针对目前普遍组合预测模型是以误差平方和或离差绝对值之和达到最小为精 度指标的单目标优化模型建立起来的，由于其精度指标不一定能如实地反映预测 方法的有效性，本文尝试建立以预测有效度为优化精度指标的多目标组合模型对 粉砂土路堤进行沉降预测。 1 0 硕t ：学位论文 第2 章粉砂土的路用性能研究 2 1 引言 衡阳至炎陵高速公路项目中主要的粉砂土路段，起于衡东县栗木乡黄金村 k 8 + 2 0 0 ，终于吴集镇高坪村k 1 7 + 0 0 0 ，路线全长8 8 k m 。本地区属于亚热带季 风气候，温暖湿润，雨量丰富，多年平均气温1 7 9 ，多年平均降雨量1 5 6 0 m m ， 春夏之交多暴雨，4 7 月占全年降水量的4 0 ，因而土体天然含水量较高。经调 查，本地区土体约7 5 属于强风化花岗岩产物，该类土主要由砂粒和粉粒组成， 粘性成分缺乏，土体颗粒均匀，级配不良，作为路基土体时，碾压成型困难。为 了系统地研究此土体的现场碾压情况，本文从室内实验入手，研究此类土的基本 物理性质、室内压实特性及c b r 特性，从而为现场碾压提出较为合理的压实控 制标准。 2 2 粉砂土的基本物理性质 2 2 1 粉砂土的颗粒组成 此路段的土体既不同于砂土，又有别于粘土，它主要由砂粒和粉粒组成，而 且由于风化程度不同具有明显的地区差异，根据砂粒和粉粒的含量不同，其主要 包括粉砂土和含砂粉土，其中大部分土体属于粉砂土。 为了对该地区土体进行深入细致的研究，本文选取了三种具有代表性的标段 桩号k 9 + 1 6 0 、k 1 5 + 2 0 0 、k 1 6 + 3 0 0 的土体。 三种代表性土体的颗粒组成，见表2 1 ：其颗粒级配曲线如图2 1 图2 3 所 示。 表2 1 土体颗粒组成( ) 粒径( m m ) 5 2 1 0 5 0 2 5 0 0 7 4 0 0 5 0 0 0 5 0 0 0 2 k 9 + 1 6 01 0 0 o 9 8 3 9 5 6 8 3 47 7 97 0 2 6 8 74 2 63 1 o k 1 5 + 2 0 01 0 0 o8 3 57 3 26 1 55 2 34 2