（岩土工程专业论文）红色碎屑岩无粘性土石混合料路用性能及参数预测.pdf

摘要 红色碎屑岩无粘性土石混合料 路用性能及参数预测 岩土工程专业 硕士研究生刘建锋指导老师徐进i 4 教授 由于土石混合料具有压实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、 沉陷变形小、承载力高等工程特性，因此在工程建设中得到了广泛应用。但以 往对土石混合料的研究方法多采用击实法，主要研究土石混合料的压实密度， 或采用大型三轴试验给出其强度参数和变形参数，很少有人针对所研究土石混 合料提出实际工程中易获得的指标与其强度参数、变形参数和沉降变形间的相 关关系。 本文研究土样取自渝黔高速公路路堤填料，为暗紫红色无粘性土石混合料， 并按不同密度、不同砾石含量( p s ) 及不同最大粒径等实际工程中易获得的， 并且对工程的强度特性和变形特性影响较大的因素作为研究的控制因素，对该 类土石混合料进行了系统、深入的研究，取得了许多重要成果。主要研究内容 包括： l 、详细阐述了国内外对土石混合料的研究现状； 2 、按试样配比相同，每个试样所加围压不同，得到土石混合料的强度参数 和变形参数及应力一应变关系： 3 、采用一个试样多级加荷的方法，进行不同密度、不同最大粒径和不同砾 石含量( 如) 等的多组大型三轴试验，得到不同密度和不同级配下的强度参数 及应力应变关系； 4 、根据以上成果，建立土石混合料强度指标指标与密度、级配的相关关系， 并进行有限元数值模拟，研究这些因素对路堤稳定性和变形的影响； 5 、以上述关系为基础，对土石混合料进行路用性能分级： 6 、建立基于密度指标和级配指标的土石混合料路用性能参数的初级预测模 型及精确预测模型： 摘要 7 、对初级预测模型及精确预测模型进行检验。 通过研究得出以下结论：土石混合料的强度随密度的增大而 增大，变形随密度增大而减小。土石混合料的强度取决于粗、细 粒料的共同作用，随p 5 含量的增加，土石料的咬合力减小而内摩擦 角增大；综合考虑路堤的变形，将p 5 值为6 5 7 0 时定为最佳p ；。 当最大粒径大于5 0 m m 后，抗剪强度迅速下降，并且路堤变形加 剧，尽管理论上最大粒径以小于5 0 m m 为最佳，但在实际工程中不 可能将粒径太于5 0 r a m 的颗粒剔除，故在实际簏工时应特别慎重， 尤其要对压实度进行控制。本文最终建立了基于上述三个工程实 际中易于获得指标的参数预测模型，初级预测模型使用范围较广， 但预测精度较低，在5 7 以上；精确预测模型使用范围较小，但预 测精度较高，在9 3 2 以上。 关键词：无粘性土石混合料三轴试验力学参数数值模拟 参数预测 擒要 t h ee n g i n e e r i n g p r o p e r t i e sa sr o a dp a c k i n go fi n e o h e s i v e e a r t ha n dr o c km i x t u r eo fr e dc l a s t i er o c ka n dt h e i r p a r a m e t e rp r e d i c t i o n m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d a n t ：l i uj i a n f e n g t u t o r ：p r o f x u j i n t h ee a r t ha n dr o c km i x t u r ea r ew i d e l yu s e di nt h ep r o j c o tc o n s t r u c t i o n ，b e c a u s e o f t h e i rg o o dc o m p a c t i n ge f f e c t ，s t r o n gp e r v i o u s n e s s ，l a r g ec o m p r e s s i o nd e n s i t y , h i g h s h e a rs t r e n g t h ，l o ws e t t l e m e n td e f o r m a t i o n ，h i g hb e a r i n gp o w e re t c i nt h ep a s t ，t h e c o m p a c t i o nm e t h o dw a sa d o p t e dt os t u d yt h ec o m p a c t i o nd e n s i t y , o rl a r g et r i a x i a l t e s tw a su s e dt os t u d yt h es t r e n g t hp a r a m e t e r sa n dd e f o r m m i o np a r a m e t e r s h o w e v e r , a sf o rt h ee a r t ha n dr o c km i x t u r ei nt h ep a s ts t u d y , t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h ei n c a p l a y s i c a li n d e xa n ds t r e n g t hp a r a m e t e r s ，d e f o r m a t i o np a r a m e t e r sa n ds e t t l e m e n t d e f o r m a t i o n sw e r ef e ws t u d i e da n du s e di nt h ea c t u a lp r o j e c t s t h ee a r t ha n dr o c km i x t u r es a m p l e ss t u d i e di nt h i sp a p e r , w h i c ha r eg o tf r o m c e r t a i nr o a de a r t h - b a n kf i l l i n gd e m e n to fy u - q i a nh i g h w a y , b e h a v ew i t hd a r k a u b e r g i n ea n di n c o h e s i v e t h ec o n t r o l l i n gh c m r ss e l e c t e di n t h i sp a p e rs t u d i e s i n c l u d et h ed i f f e r e n t d e n s i t y , d i f f e r e n tg r a v e l ( p 5 ) a n dd i f f e r e n tm a x i m a lg r a i ns i z e ， b e c a u s et h e ya r eg a i n e de a s i l ya n dh a v el a r g ee f f e c to nt h es t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o n p r o p e r t i e so f t h ep r o j e c t a n dm a n yi m p o r t a n tr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e dt h r o u g ht h e s y s t e m a t i ca n dd e e pr e s e a r c h t h ec o n t e n t sa r ed i s c u s s e da sf o l l o w s ： 1 e l a b o r a t i n gt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n so nt h ee a r t ha n dr o c km i x t u r e ； 2 g e t t i n gs h e a rs t r e n g t hi n d e xa n ds t r e s s s t r a i nr e l a t i o no ft h ee a r i ha n dr o c k m i x t u r et h r o u g ht h el a r g et r i a x i a lt e s tw i t ht h es a m em i xp r o p o r t i o na n dd i f f e r e n t c o n f m i n gp r e s s u r e ； 3 a d o p t i n gm u l t i s t a g el o a d i n gp a t t e mi no n e t e s ts a m p l e ，c a r r y i n go u tm u l t i p l e l a r g e s c a l et r i a x i a lt e s t sw i t hd i f f e r e n td e n s i t y , d i f f e r e n tc o n t e n to fg r a i ns i z ea n d d i f f e r e n tm a x i m a lp a r t i c l ed i a m e t e r , a n dg e t t i n gt h es t r e n g t hi n d e xa n ds t r e s s s t r a i n r e l a t i o no f t h ee a r t ha n dr o c km i x t u r e ； i i i 摘要 4 b u i l d i n gt h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h es t r e n g t hi n d e xo ft h ee a r t ha n dr o c k 、i t h d e n s i t ya n dg r a d a t i o nb a s e do nt h ea b o v er e s u l t s c a r r y i n go u tt h ef e m n u m e r i c a lm o d e l i n g ，a n ds t u d y i n gt h ee f f e c to ft h e s ef a c t o r so nt h ee a r t hb a n k s t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o n ； 5 c l a s s i f y i n gt h em a dp r o p e r t yo ft h ee a r t ha n dr o c km i x t u r eb a s e do nt h e a b o v ec o r r e l a t i o n s ； 6 b u i l d i n gt h ep r i m a r yf o r e c a s tm o d e l sa n dp r e c i s em o d e l so ft h ee a r t ha n d r o c km i x t u r e ，b a s e do nd e n s i t ya n dg r a d a t i o ni n d e x ； 7 c h e c k i n ga n da p p r o v i n gt h ep r i m a r yf o r e c a s tm o d e l sa n dp r e c i s ef o r e c a s t m o d e l s t h r o u g ht h ea b o v es t u d y , t h i sp a p e rc o m e st ot h em a i nc o n c l u s i o n st h a t ：t h e s t r e n g t hp r o p e r t i e so fe a r t ha n dr o c km i x t u r ed e p e n do nt h ei n t e r a c t i o no fc o a r s es i z e a n df i n es i z ea n dh a v et h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c st h a ts t r e n g t hi n d e xo ft h ee a r t ha n d r o c km i x t u r ei n c r e a s ea n d 也ed e f o r m a t i o nd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fd e n s i t y t h em e s h e df o r c ed e c r e a s ea n di n t e r n a lf r i c t i o na n g l ei n c r e a s e 诵t ht h ei n c r e a s eo f c o a r s es i z e c o n t e n t ( p s ) ，a n dt a k i n g i n t oa c c o u n tt h ee a r t h b a n ks e t t l e m e n t d e f o r m a t i o n , t h ec o a r s es i z ec o n t e n tf r o m6 5 t o7 0 i sc l a s s i f i e da st h eb e s t c o n t e n t w h e nt h em a x i m a lg r a i ns i z ei so v e r5 0 t u r n ，t h es h e a rs t r e n g t hd e c r e a s e r a p i d l y , a n dt h ee a r t h - b a n ks e t t l e m e n tv a l u ei n c r e a s e ；t h e o r e t i c a l l y , i t i sb e s tt h a t t h eg r a i ns i z ei sl o w5 0 r a m ，h o w e v e rt h ep a r to fe a r t ha n dr o c km i x t u r et h a tt h eg r a i n s i z eo v e r5 0m i l l i m e t e r si sn o tp o s s i b l et ob ed i s c a r d e di na c t t m lp r o j c o t s ow e s h o u l db em o r ed i s c r e e t ，c o n t r o l l i n ge s p e c i a l l yt h ed e g r e eo f c o m p a c t i o n f i n a l l y , t h ep a r a m e t e rf o r e c a s tm o d e l sa r eb u i l ti nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea b o v et h r e ei n d e x w h i c hc a nb eg o ti nt h ea c t u a lp r o j e c t s t h ep r i m a r yf o r e c a s tm o d e l sw i t ha b o v e5 7 p r e c i s i o n a r eu s e dw i d e r a n dt h e p r e c i s ef o r e c a s t m o d e l sw i t ha b o v e9 3 2 p r e c i s i o na r eu s e dl e s sn r t r o w , k e yw o r d s ：i n c o h e s i v ee a r t ha n dr o c km i x t u r e ，t r i a x i a lt e s t ，m e c h a n i c a lp a r a m e t e r , n u m e r i c a lm o d e l i n g ，p a r a m e t e rf o r e c a s t 四川大学颂士学位论文 1 概述 1 1 论文选题的依据和意义 交通运输是国民经济的基础产业，是社会扩大再生产和商品经济发展的先 决条件，对促进国民经济和社会发展具有重要作用。其中公路是最主要的运输 方式，承担着社会9 0 以上的客运和近8 0 的货运任务，在中距离客、货运输 及高档货物、高时效物品和零担物资运输中起到骨干作用。高速公路的发展， 极大提高了我国公路网的整体水平，优化了交通运输结构，为缓解交通运输对 国民经济的“瓶颈”制约发挥了重要作用，有力地促进了经济发展和社会进步。 改革开放以来，我国公路经历了由少到多，由低级到较高级的发展进程。 特别是近年来，县乡公路建设力度不断加大，建设步伐明显加快，技术等级逐 年改善，对改变“老、少、边、穷”地区的落后面貌起了重大作用。截止2 0 0 4 年末，“两纵两横三个重要路段”全部建成，“五纵七横”国道主干线已经完成 建设任务的8 6 ，我国公路通车总里程达1 8 5 6 万公里，比2 0 0 3 年新增4 6 万 公里。其中高速公路总里程3 4 2 万公里，新增4 4 0 0 公里。 目前，我国的高速公路网建设己完成规划。将形成由中心城市向外放射以 及横贯东西、纵贯南北的大通道，并且实现“东部加密、中部成网、西部连通” 的新局面。公路建设也由发达地区向西部欠发达地区发展，由沿海向内地延伸， 由平原向山区发展。预计到2 0 2 0 年，全国公路总里程将超过2 6 0 万公里。高速 公路里程将达7 万公里以上，基本形成国家高速公路网。乡到行政村的公路基 本达到高级、次高级路面标准。 作为高速公路的路堤，其稳定和变形直接决定着高速公路是否可以安全运 营。从己建成的高速公路及今后的建设项目看，路堤的稳定及变形将仍是今后 需要解决的主要问题，尤其是土石混填路堤的稳定及变形问题。在目前的工程 实践中，由予对士石混合料的性质认识不足，不但影响了施工，导致工程成本 上升，而且影响道路建成后的正常使用。 随着高速公路建设向山区延伸，用作填方路堤填料的土石混合料可以就地 取材，从而极大地减少了工程的建设成本，也减少了由于挖方路堤弃土造成的 生态破坏或环境污染，并有利于最大限度减少占有或毁坏农田和耕地。尽管近 年来对用作填方路堤的土石混合料的性质有了一定的认识，但还是造成了许多 工程质量问题，尤其是高填方土石混填路堤，在建成后的使用过程中出现路堤 红色碎屑岩无牯性土石混合杜路用性能及参数预测 纵向裂缝，究其原因主要就是对填筑料的工程力学特性及变形特性认识不足造 成的。 用作高速公路路堤填料的士石混合料的密度、最大粒径、含水量和砾石含 量( p 5 ) 通常容易获得，而强度指标及变形指标则需通过大量的室内试验及计 算分析才能得到。由于高速公路通常线路较长，因此不可能对修建线路内的每 一段均进行大量的室内试验和计算分析。本文主要针对四川盆地区红色碎屑岩 类无粘性土石混合料，通过室内大型三轴试验和数值模拟研究，建立了该类土 石混合料的强度参数、变形指标及典型路堤断面沉降变形与密度、最大粒径和 砾石含量( p 5 ) 的相互关系的预测模型，对该类土石混合料路堤的修筑具有重 要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 土石混合料具有透水性强、抗剪强度高、压实密度大、沉降变形小、承载 力高等工程特性，因此是一种良好的填筑材料，广泛用于公路、铁路、水利等 工程建设中。土石混合料本身的质量与其地质因素和母岩性质有着密切的内在 联系。土石混合料的力学性质和工程性质，与它的组成和级配有密切的关系。 2 0 世纪5 0 年代以来，国外一些缺少或没有细粘土的地区已用土石混合料成 功建成了许多土石坝、石碴坝等，其中美国的新美浓坝，坝高达到1 9 0 m ，加拿 大的迈卡坝，坝高2 4 4 m 。从他们的研究成果和成功实践可以看出，用土石混合 料作为堤坝填料是可行的，并且土石混合料具有加大堤坝体密实度和刚度，减 少堤坝体不均匀沉降，有利于防渗体裂缝及随后冲刷的防止的优点。此外，土 石混合料本身承载力高，排水性能好，可以减少含水量处理的困难，便于施工 控制，更适于重型机械化作业。1 9 8 7 年，a y e r s ，e d 通过三种土石混合料的扭剪 试验，得到土石混合料的类型与摩擦角、粘聚力和密度、含水量的关系，并得 到了每种土石混合料与摩擦角、粘聚力和密度、含水量的方程式。1 9 9 4 年， n a k a o k a , t o k i h a r u 通过土石混合料的压实试验指出，随最大粒径的增加，最大 干密度线性递增，最优含水量线性递减，得到了其相互关系外推方程式，并用 两种情况证明了该方程式是适用的。2 0 0 0 年，s i t h a r a m ，t g 在研究土石混合料 和填石料对粒状材料的性能的影响时指出，保持最小粒径相同时，随更宽级配 的变化摩擦角和体应交增加。 四川大学硕士学位论文 我国对土石混合料的研究开展得比较晚。在公路工程中，公路部门对细粒 土的工程特性的研究相对多一些，对无粘性土石混合料的工程性质的研究相对 较少；而水利部门因土石坝建筑的需求，相对集中于巨粒土。但随着土石混合 料应用范围的扩大，各领域对土石混合料的研究工作都逐渐深入，为了更好地 为工程建设服务，科研设计人员进行了不断的研究。 中南电力设计院的申爱弦通过室内土石混合料试验指出，风化岩块中细粒 土与土石混合料击实试验采用的击实功能相近，但击实后的干密度相差较大， 试验结果证明，在一定范围内随着粗粒含量的增加击实后的最大干密度相应增 加。土石混合料的抗剪强度一般由细粒土的凝聚力、粗颗粒之间的摩擦力与咬 合力、粗颗粒与细颗粒的粘附力三部分组成。试样饱和后，土石混合料的三轴 饱和抗剪强度小于未经饱和试样的三轴抗剪强度。细粒土的饱和与未经饱和试 样的直接剪切试验抗剪强度相差不大。 中国地质大学的陈宝通过对碎石土的工程特性的分析，得到了以下成果： ( 1 ) 土石混合料的抗剪强度和承载力比细粒粘性土和细粒砂性土强，试验 证明土石混合料能满足公路路堤的强度要求。土石混合料的力学性能优于细粒 土，在填筑路堤时可以作为填筑材料： ( 2 ) 影响土体的剪切强度的主要因素与粗细粒料性质有关，表现在细粒料 本身强度、粗粒料本身强度、粗细料间的强度有关。p s 7 0 时，剪切强度主要是粗粒料间的摩擦力和咬合 力；当7 0 p 5 3 0 0 o 时，随粗料增大剪切强度显著增大。土石混合料中粗粒含 量占7 0 左右时作为路堤填筑材料比较理想。 水利部四川水利水电勘测设计研究院的梁军等对堆石土石混合料进行了多 级加荷三轴试验，分析后得出如下结论： ( 1 ) 堆石土石混合料的多级加荷三轴试验在技术上是可行的，且是一种经 济实用、工效显著的方法； ( 2 ) 通过试验研究与分析，将多级加荷试验分为连续加荷( 不固结) 与不 连续加荷( 固结) 两类。前者只适用于o3 1 2 m p a 的低围压三轴试验，其强度 指标的摩擦角由值的误差不超过4 - 5 。，当围压03 1 2 m p a 时，连续加荷方式 就不再适用； ( 3 ) 在固结类的不连续剪切中，必须考虑固结排水引起的应力回弹量。通 红色碎盾岩无粘性七石混台料路用性能及参数预测 过分析堆石料在不等向固结条件下的强度性质，认为多级加荷中不等向固结对 强度指标的影响仅限于c 值，从理论上讲c 值已不仅仅是“凝聚力”，同时，也 明显反映出堆石颗粒结构特征等因素对c 值的贡献。堆石的内摩擦角伞值并不 随固结方式的不同有所改变。 交通部重庆交通科研设计院的陈谦应和邵光晟等共进行了5 0 组的大型击实 试验，研究含石量、粗粒大小对最大干密度的影响程度及其变化规律，其主要 成果如下： ( 1 ) 土石混合料最大干密度随含石量的变化而变化，其规律为：随含石量 的增加而增加直至最大值，其后随含石量的增加而减小，最大值处含石量为 7 0 一8 0 ： ( 2 ) 含石量相同时，粗粒粒径愈大，混合料的最大干密度也越大： ( 3 ) 当混合料在最大干密度时，混合料中细粒土密度随含石量的增加而减 小，且始终小于细粒土单独击实的最大干密度，特别是当含石量大于5 0 时， 细粒土的密度急剧减少： ( 4 ) 混合料最佳含水量随含石量的增加而减少，且与粒径大小无关，当含 石量小于3 0 时，混合料的最佳含水量和细粒土的接近。 哈尔滨工业大学的硕士研究生崔凌秋通过对无粘性土石混合料的工程性质 的研究，得到以下结论：颗粒组成级配特性是决定抗剪强度的主要因素，当粗 粒含量在7 0 左右时，抗剪强度最大；颗粒本身的特性对抗剪强度影响较大， 颗粒越坚硬、大小颗粒相差越大、越不均匀、颗粒形状越成棱角状、填筑密度 越大，抗剪强度越高；含水量对抗剪强度影响较小，可以忽略不计。 云南省公路科学技术研究所的武明以安楚试验路的土石混合料为原料，采 用等重量替代法对超粒径进行处理，通过室内大型击实试验，得出结论如下： 击实密度主要与粗粒含量及级配有关，在风化程度相近的情况下，当粗粒含量 小于4 0 时，粗粒在土中未形成骨架，仅以包裹体存在，压实特性类似纯土特 性，但其密度则因粗粒的存在而有不同程度的改善。当粗粒含量大于4 0 而小 于7 0 时，混合料中因粗粒的增多而渐起骨架作用，粗细颗粒共同起作用显示 出混合料的特征，压实密度迅速上升，粗细料相互填充、胶结，相应的密度增 大：当粗粒含量大于7 0 时。因细料不足，无法填充粗料间的全部孔隙。土体 压实干密度则随细料的压实及填充情况由上升缓慢至粗料架空而下降。 聃川大学硕士学位论文 陕西高等级公路管理局的赵久柄等通过对砂砾料土石混合料的研究也得出 了同上相似的结论：当砾石含量由o 增到5 0 时，干容重与砾石含量呈良好的 直线关系；但弹性模量在5 m m 以上，颗粒含量小于4 0 时，近似趋于一条水平 线；当粗颗粒含量大于4 0 时，土石混合料路堤的回弹模量开始呈增长趋势。 西北农林科技大学李振和李鹏通过对无粘性土石混合料直接剪切试验的研 究，分析了密度相同时，土石混合料的粗粒含量对抗剪强度参数的影响和阊一 种粗粒料干密度不同时，抗剪强度指标的变化规律。得出如下结论： ( 1 ) 在密度相同情况下，土石混合料的干密度随着粗粒含量的增加而增大， 当增加到一定程度后，干密度有减小的趋势： ( 2 ) 土石混合料的直接剪切试验的内摩擦角，在密度不变时，随干密度和 粗粒含量的增加而增大；同种土石混合料当干密度相同时，非饱和固结快剪 的内摩擦角比饱和固结快剪的要大，随干密度的逐渐增大，两种状态下的内摩 擦角趋于相同； ( 3 ) 土石混合料间的咬合力随干密度和粗粒含量的增加而增大；同一种土 石混合料千密度相同或粗粒含量相同时，非饱和固结快剪的咬合力比饱和固结 快剪的要大； ( 4 ) 同一种土石混合料干密度不同时，千密度越大其内摩擦角和咬合力也 越大，当于密度增加到一定程度后，内摩擦角和咬合力的增加速率变小。 中交公路规划设计院和浙江大学土木工程系结合某公路路堤填料情况，选 取了1 6 组土石混合料进行原位剪切试验，得到土石混合料的变形特点和相关的 抗剪强度参数。并指出土石混合料的粘聚力变化较大，其大小主要受土样粘粒 含量变化的影响；内摩擦角变化相对较小，其值受土样的含水状态和密实度的 影响较明显。饱和度增加则土的内摩擦角相应降低；密实度增加则土的内摩擦 角相应增大。 到目前为止，国内外对土石混合料的研究大多侧重在对特定工程的土石混 合料给出强度或变形指标。很少有人针对某一类型土石混合料的研究提出该类 土石混合料的强度指标及变形指标与密度、最大粒径和砾石含量( p 5 ) 的相互 关系的预测公式。因此，每进行一次同类土石混合料的工程建设就必须进行 次试验研究，不仅耽误工程建设的时间，而且造成了经济上的浪费。 红色碎肩岩无粘性土石混台料路用性能及参数预测 1 3 研究的内容与目的 本文研究内容为交通部西部交通科技项目“土石混填路基修筑技术”的子 项目“土石混合料路用性能分级及质量评价技术研究”内容的一部分。研究所 用土样取自渝黔高速公路示范工程。 本研究的目的是通过大型三轴试验获得土石混合料不同密度和不同颗粒级 配下的力学参数和变形参数，并建立土石混合料的不同配比与力学参数和变形 参数之间相关关系的数学模型，为路堤等土石方工程的修筑提供稳定和变形分 析的依据，指导实际工程施工，制定相应的工程施工措施。 为深入系统地研究土石混合料的强度参数和变形参数与密度和颗粒级配之 间的关系，本论文进行了系统的室内试验和计算机模拟研究，并应用数学计算 和分析的方法来完成研究内容。室内试验主要选择了不同密度、不同最大粒径 和不同砾石含量( p 5 ) 等作为系列试验的控制因素，这些指标在实际工程施工 中易于测定，并对实际工程填筑料的力学特性和路堤变形特征影响较大。因此， 将室内试验得到的强度及变形参数应用到数值模拟计算中，迸一步得到不同影 响因素对路堤沉降变形和稳定性的影响，并结合室内试验结果得到的强度参数 及变形参数建立预测模型。研究工作的主要内容包括： 1 、按试样配比相同，每个试样所加围压不同，得到土石混合料的强度参数 和变形参数及应力一应变关系； 2 、采用一个试样多级加荷的方法，进行不同密度、不同最大粒径和不同砾 石含量( p 5 ) 等的多组大型三轴试验，得到不同密度和不同级配下的强度参数 和应力应变关系； 3 、根据以上成果，建立起土石混合料强度指标与密度、级配的相关关系， 并进行有限元数值模拟，研究这些因素对路堤稳定性和变形的影响； 4 、以上述关系为基础，对土石混合料进行路用性能分级； 5 、建立基于密度指标和级配指标的土石混合料路用性能参数的初级预测模 型及精确预测模型； 6 、对初级预测模型及精确预测模型进行检验。 四川大学硕上学位论文 1 4 研究技术路线框图 按研究的内容与目的，拟定的研究技术路线如图1 1 。 l 土石混合料物理指标确定j l 密度p s【最大【 | 确定11 确定：i 粒径1 。f 。 一一 确定 _ 一_ = 一 t 1 奎型三塑堕竺婴墅 i 原样 陌同1f 碌可 不同 最大基本 i 对比l s i 对比j 粒径力学 指标 i 试验l 苎到 对比 测试 厂 试验 强度特性分析 变形特性分析 土石混合料路用性能数值模拟研究 | 单因素相关关系分析 强度指；变形指 路堤沉 标单因j 标单因降变形 素相关 1 索相关单因素 关系分j 关系分相关关 析 【析 系分析 i 土石混合料路用性能分级 f 初级预测模型f 隔丽丽丽 圈卜1 研究技术路线框图 7 红也碎蒋岩尤幸占n t 混台科路用性能技参数预测 2 大型三轴试验 按照本文研究的内容与目的，以样击实曲线为依据进行试样配制。分别 按相同密度、不同密度、不同最大粒径和不同砾石含量( p 5 ) 配置的土样进行 试验，以获得这些因素对土石混合料的力学特性及路堤沉降变形的影响。 2 1 试验条件 大型三轴试验的试验条件主要依据研究内容、研究目的和中华人民共和国 行业标准公路土工试验规程( j t j0 5 1 9 3 ) 、土工试验规程( s l 2 3 7 1 9 9 9 ) 而确定的。 2 1 1 试验土样原始级配及主要物理指标 试验士样取自渝黔高速公路路堤示范工程。土样为暗紫红色，肉眼初步鉴 定为无粘性土石混合料。所含粗粒部分最大直径达1 0 c m 以上，几何形状极不规 则，呈棱角状，母岩岩性为浅紫红色钙泥质胶结细粒砂岩，偶见方解石。 试验土样经风干、筛分，测得其原始级配如表2 1 所列。筛分结果表明土 样中粒径小于o 1 m m 的颗粒含量小于5 ，故定名为无粘性粗粒土。表2 1 中的 颗粒级配便是本文中土的基本力学性质测试时确定试样试验级配的依据。根据 表2 1 绘制的土样原始级配曲线见图2 1 。由此得到反映土的颗粒级配状况的特 征指标，并将它们列于表2 - 2 。 从这些结果中可以看出： ( 1 ) 土样的粒径百分含量累计曲线呈向上凹曲的曲线形式，坡度较缓并较平 滑，粒径分布连续； ( 2 ) 土样的粒径分布特征指标同时满足c 。 5 ，1 c 。3 的条件。因此， 土样属于良好级配土石混合料，其中砾石( 5 m m ) 占8 0 9 0 以上，含泥量( 0 1 m m ) 低于5 ，一般可称为无粘性粗粒土。按公路土工试验规程( j r j0 5 1 9 3 ) 对土石混合料分类的规定，应定为级配良好砾，并记为g w 。 该土石混合料的击实试验蓝线如图2 2 ，由该曲线可得到试验土样的最大干 密度( 2 2 3 7 9 c m 3 ) 和最佳含水量( 8 5 ) 。试验含水量采用了击实曲线的最佳 含水量，试验密度采用最大干密度，实际试验干密度大致为最大干密度的o 9 5 倍。 四川大学硕士学位论文 表2 1土样原始级配表 道径 2 0 0 1 0 0 8 0 6 0 - 4 2 0 2 1 0 55 2( o 5 5 r a m ) 、含泥量( s t m ) 土样的试验不饱 方案3 551 5 m m m i n 和、不固结剪切，测体变、测孔压； 不同最大粒径样的试验，不饱和、不固 方案4 441 5 m m m i n 结剪切，测体变、测孔压。 红色碎屑岩无粘性土石混合料路用性能及参数预测 2 2 2 土样的试验级配及主要物理指标 为了更好地反映土样的级配特征，试样配制中先采用相似级配法确定土样 的相似级配。对于相似级配中的超粒径颗粒，按规程要求采用等质量代换法予 以处理。图2 - 4 中的三条曲线分别为原始级配( 左) 、相似级配( 中) 和试验级 配( 右) 。目前比较重要的工程中，土石混合料试样制备大多采用这种综合的方 法确定试验级配。本文根据不同的试验方案确定了不同的试验级配及配套物理 指标。 、n 、 、 、1 弋 + 原级配 、 、 十试验级配 + 相似级配 心 l 警 、? l l 、 、 r n l 1 1 0 01 0 图2 _ 4 方案1 的试验级配曲线 方案l 试验的试样采用相同的试验级配和物理指标。图2 - 4 中的右边一条 曲线即为其级配曲线：其主要粒度与物理指标如表2 - 4 所列。 方案2 、方案3 和方案4 试验的试样采用了不同的级配( 图2 5 和图2 6 ) 和物理指标( 表2 4 ) 。图2 5 和图2 - 6 中的原级配即土样的原始级配曲线，试验 级配即方案1 的试验级配曲线，不同密度级配即方案2 的试验级配曲线，同密 度变砾石含量( p 5 ) 的三条曲线即方案3 的试验级配睦线，不同最大粒径为方 案4 。相应的级配特征与物理参数参见表2 - 4 。 2 阳 蚰 加 的 0 女v 嘲如求陋 四川大学硕士学位论文 “滁 原级配 r j 一试验级配( p 5 = 7 0 ) 一 女一同密度变p 5 ( p 5 = 3 魄) 1k i 灏 目一同密度变p s ( p 5 = 5 喁) li x ( ， _十同密度变p 5 ( p 5 = 8 0 ) w 双。0 ?足 不同密度级配 。 堪一 挺 土 羹b脚。 、 、 、7 谢爿k 、 1 0 0】0 图2 - 5 方案1 、2 、3 的试验级配曲线 粒径( 胍) o 礤 。 原级配 弋 蟛j j 试验级配 jj t ( d m a x = 6 0 m m ) 一不同最大粒径 j 酣? ( d m a x = 5 0 m m ) 一 一十一不同最大粒径 n ( d m a x = 4 0 n l m ) 懈 - 一不同最大粒径一 ( d m a x = 3 0 m m ) n l 、 l 、 一= ：! b ， j ， r 。 1 0 01 0 图2 - 8 方案4 的试验级配曲线 粒径( m ) o 舌； 伯 蚰 舯 0 葶)|州婶末日 驹 ； 加 m 0 一邑嘲妊文征 红色碎屑岩无粘性土五混合料j | 蔷用性能及参数预测 表2 4 各方案试样试验级配特征与主要物理参数 主要物理指标 粒度分布特征 方案 p d u d m “ 编号 c uc c ( g c m 3 )( )( m e )( ) 方案1 2 1 2 8 56 07 09 1 71 9 7 1 9 6 7 0 方案2 1 8 6 8 54 0 7 0 2 5 2 43 2 4 1 7 67 0 8 01 5 o1 9 9 7 09 1 71 9 7 方案3 1 9 68 56 0 5 0 1 3 2 81 6 8 3 05 9 4o 8 4 5 07 06 31 7 方案4 1 9 6 8 54 0 7 0 6 31 7 3 0 7 0 6 2 1 8 2 3 试验结果及整理计算 2 3 1 方案1 试验结果 表2 - 3 方案l 为常规不固结不排水( u u ) 剪切试验，主要研究土石混合料 在原始级配下的强度参数，四个试样的围压分别为1 0 0k p a 、1 5 0 k p a 、2 0 0k p a 和2 5 0k p a 。表2 5 列出了该组试验的主要试验条件和根据莫尔应力圆强度外包 线( 图2 7 ) 求得的强度参数( 包括有效应力法和总应力法) 。表2 5 中的e 。与“ 为各级围压下得到的初始切线模量与初始泊松比的平均值。由于围压为2 5 0 k p a 的试样结果超常，故在成果整理中舍弃。 大型三轴试验结果表明，方案1 条件下土石混合料的应力应变关系曲线呈 现出典型的非饱和土的曲线关系，具有应变硬化特征。主应力差与轴向应变的 关系参见图2 1 7 。 4 四川大学硕士学位论文 表2 - 5 方案1 试验结果 试验条件总应力法有效应力法 含水量内摩擦角咬合力内摩擦角 e ， 千密度p d剪切速率咬台力c “ o c 妒 ( m p a ) ( g c r a 3 )钿m r a i n )( k p a ) ( ra 、 ( k p a ) ( 9 ) 8 ，52 1 21 54 1 2 53 l2 3 0 84 31 7 20 2 8 o1 0 02 0 0 3 0 0 4 0 95 0 06 0 07 0 08 0 0 o ( k p a ) 羽2 - 7 方案1 试验强度包线 2 3 2 方案2 试验结果 按表2 3 方案2 进行试验。目的是研究不同密度对土石混合料强度和变形 的影响。各个试样分别采用不同的干密度以研究不同密度对力学特性的影响， 每一个试样分四级围压( 1 0 0k p a 、1 5 0k p a 、2 0 0k p a 、2 5 0 k p a ) 。 试验结果如表2 - 6 所列，不同干密度下的莫尔应力圆强度包线见图2 - 8 ，结 果表硝密度对强度参数的影响明显。由表2 - 6 可以看出，随着试样干密度的降 低，强度参数( 包括有效应力法和总应力法) 相应降低。e 。值随之降低，但干 密度对肼的影响并不显著。 红色碎屑岩无粘性土石混合料路用性能厦参数预测 表2 - 6 方案2 ( 不同密度) 试验结果 试验条件有效应力法 总应力法 含水i 吱台力内摩擦 咬合力内摩擦 e ， 干密度p d 剪切速率 。 量u 角口角驴 ( m p a ) ( g c m ) ( m m m i n ) ( )( k p a )( 。)( k p a )( 。) 2 1 2 2 3 0 84 34 1 2 53 l1 7 2 20 2 8 1 9 6 2 0 2 24 l3 5 8 92 81 3 8 40 2 6 8 5 1 5 1 8 61 4 t 9 3 33 1 8 7 2 6 1 1 6 40 。2 3 i 7 61 2 0 3 3 02 3 4 2 2 2 9 2 90 2 2 ( a ) p c = 21 2 ( g c m 3 ) 试样强度包线 ( b ) p d = l9 6 ( g c m 3 ) 试样强度包线 ( c ) p d = 1 8 6 ( g c m 3 ) 试样强度包线 01 0 02 0 0翔4 c 0蜘 6 0 0 o0 e a ) ( d ) p d = 1 7 6 ( g c m 3 ) 试样强度包线 图2 8 方案2 ( 不同干密度) 试验强度包线 6 四川丈学硕士学位论文 2 3 3 方案3 试验结果 按表2 - 3 方案3 进行试验。四个试样采用不同p 5 ，每一个试样分四级( 1 0 0 k p a 、1 5 0 k p a 、2 0 0k p a 、2 5 0 k p a ) 施加围压。四个试样的p 5 值分别为3 0 、 5 0 、7 0 、8 0 。 试验结果如表2 ，7 所列，图2 - 9 为本方案试验的强度包线。试验结果表明不 同粒度( 主要指砾石含量的多少) 对强度参数有明显影响，总体来讲，砾石含 量越高，含泥量越少，内摩擦角相应增大，咬合力降低，e ，值随之增大。但砾 石含量的多少对“影响不大。 表2 - 7 方案3 ( 不同p 5 ) 试验结果 试