（岩土工程专业论文）路堤填料掺砂改良后性质与结构研究.pdf

摘要 摘要 本文以渝湛高速公路( 粤境段) 穿越不良十处置技术研究项目为依托，以k 0 + 0 0 0 - - , k 3 3 + 1 0 0 区间的高液限粉土为研究对象。主要从宏观尺度以及细观尺度两个方面对路堤填料进 行分析研究，宏观尺度下针对高液限粉_ 十的物理力学性质进行试验分析，以及考虑在掺砂改 良下土体的物理性质变化情况；细观尺度下，借助c t 扫描技术，并利用数字图像概念对其 细观结构进行多个角度的研究，其主要研究工作如下： l 、通过基本物理力学性质试验分析k 0 + 0 0 0 k 3 3 + 1 0 0 区间沿线的高液限粉土的基本路 用特性。基本路用物理力学指标是分析高液限粉士的路川性质，合理选择施工方案和程序以 及控制施工质量的必要依据。研究对象土层编号为5 2 层土，为花岗岩风化后保留在原地的 全风化花岗岩。通过全风化花岗岩基本路用性质试验，对其路用性质进行了认识，为工程改 性试验奠定了试验基础。 2 、由于本文研究士体细观结构时只考虑其物理变化特性，所以通过高液限粉十掺砂改 性试验研究，总结和认识了砂与素土的相互作用的机理。掺砂改良后，粗粒组颗粒含量增加， 使粗颗粒在土中产生骨架作用，土颗粒的空间结构重新排列，削弱细颗粒对土性质的影响， 使高液限粉土转变为粗粒土，同时改良了土的颗粒级配；另外，c b r 值有较大程度的提高， 能满足路基填筑要求；在最佳含水量情况下，掺砂土经过压实后，抗剪强度得剑提高，增加 了土的强度。 3 、细观尺度下，介绍了c t 扫描的基本原理，并通过医学中的c t 扫描技术，进行土样 的c 1 扫描试验，得到了土样各个层位断面细观结构图。比较了素土与掺砂土其细观结构上 的差异，借助反映土体密度情况的c ，r 数分析了在不同压实作用下，土体细观结构的变化规 律。 4 、借助于数字图像的概念以及数字图像处理技术研究土体细观结构，分析了不同土样 扫描图像灰度直方图的差异，由于灰度值与c 1 数存在着函数关系，提取c t 图像各个像素点 的灰度值，反映了土体内部结构的不均匀性。通过图像分割将图像分成孔隙与_ 十体两个部分， 计算得到土体在压实作用下孔隙分布的规律。 关键词：路堤填料；细观结构；数字图像：灰度；孔隙率；图像分割 a b s t r a c t h i 曲l i q u i dl i m i ts i l t ys o i li sr e s e a r c h e di nt h ez h a n j i a n go ng u a n g d o n gp r o v i n c eb a s e do i i p r o j e c to fa b n o r m a ls o i lt r e a t i n gi ny u z h a nh i g h w a yo ng u a n g d o n gp r o v i n c e t h ee s s a ym a i n l y a n a l y s e se m b a n k m e n tf i l l i n gf r o mm a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i cs c a l e b a s e do ne x p e r i m e n t a t i o n a n a l y s e sh i g hl i q u i dl i m i ts i l t ys o i lp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tm a c r o s c o p i c ，a n d c o n s i d e rt h e p h y s i c a lp r o p e r t i e so fs o i lm i x i n gs a n d s ；a tm i c r o s c o p i cs c a l e ，r e s e a r c h i n g m i c r o s c o p i cs 仃u c t u r ef r o ms e v e r a la n g l e sb yc ts c a n n i n gt e c h n i q u ea n dd i g i t a li m a g ec o n c e p t , t h em a i nr e s e a r c hi sa sb e l o w ： 1 t h eh i g hl i q u i dl i m i ts i l t ys o i l sr o a de n g i n e e r i n gp r o p e r t yi ss t u d i e db yp h y s i c a lm e c h a n i c p r o p e r t yt e s t i t i s s i g n i f i c a n tf o rs e l e c t i o ns c h e m eo fc o n s t r u c t i o na n dq u a l i t yc o n t r o lb y u n d e r s t a n d i n gt h eh i g hl i q u i dl i m i ts i l 够s o i l sr o a de n g i n e e r i n gp r o p e r t y t h er e s e a r c ho b j e c ti s5 - 2 s o i ls t r a t ai sg r a n i t e s w e a t h e r i n gp r o d u c lb ya c k o w l e d g i n gg r a n i t e sc h a r a c t e r , f o r m a t i o n m e c h a n i s ma n db a s i cp h y r s i e a lm e c h a n i cp r o p e r t yt e s t s p e c i f i cc h a r a c t e ro fc o m p l e t e l y d e c o m p o s e dg r a n i t e sr o a de n g i n e e r i n gp r o p e r t yi sa n a l y z e da ts p a no fk 0 + 0 0 0 - k 3 3 + 1 0 0 t h i s p r o c e s se s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nf o rm o d i f i c a t i o nr e s e a r c ho fc o m p l e t e l yd e c o m p o s e dg r a n i t e 2 w h e nd o i n gr e s e a r c ho fs o i lm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h ee s s a yo n l yc o n s i d e r sp h y s i c a lc h a n g e ， s ob yt h eh i g hl i q u i dl i m i t s i l t ys o i lm i xs a n dm o d i f y i n gt e s t , r e c o g n i z i n gt h er e c i p r o c i t y m e c h a n i s mb e t w e e ns a n dw i t hs o i l a f t e rm i xs a n dm o d i f y i n g , a d d i n gc o a r s ep a r t i c l ec o n t e n ta n d p r o d u c i n gf r a m e w o r k , s o i lp a r t i c l es p a t i a l s 仃1 j c t u r eg e tr e a l i g n m e n t , w e a k e n i n gf i n ep a r t i c l e a f f e c t i n g , c h a n g eh i 曲l i q u i dl i m i ts i l t ys o i l t oc o a r s eg r a i n e ds o i l ，m e a n w h i l e ，m o d i f y i n g p a r t i c l e s i z e - d i s t r i b u t i o no fs o i l m i x i n gs a n dm o d i f y i n gi m p r o v ec b rv a l u eo fs o i l i no r d e rt o s a t i s f yr o a d b e df i l l i n gr e q u i r e m e n t w i t ho p t i m a l l yw a t e rc o n t e n t , t h es h e a rs t r e n g t ho ft h es o i l m i x t u r ew i t hs a n dw o u l db ea d v a n c e d 3 a tm i c r o s c o p i cs c a l e ，i n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fc ts c a n n i n gt e c h n i q u e ，b yc t s c a n n i n ge x p e r i m e n t a t i o n ，g e t t i n gd i f f e r e n t s e c t i o n sm i c r o s c o p i cs t r u c t u r ei m a g e so fs o i l c o m p a r i n g d i f f e r e n c eb e t w e e np u r es o i la n ds o i lm i x i n gs a n d ，b yc tv a l u er e f l e c t i n gs o i ld e n s i t y a n a l y s e sd i v e r s i f i c a t i o nd i s c i p l i n a r i a no f s o i ls n u c t l i r e 4 b yc o n c e p t i o no fi m a g ep r o c e s s i n ga n di m a g ep r o c e s s i n gp r o c e s s i n gt e c h n i q u er e s e a r c h i n g s o i lm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，a n g l i c i z i n gi m a g eh i s t o g r a md i f f e r e n c ew i t h i nd i f f e r e n ts o i l t h e r ei s f u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n 蓼a yv a l u e sa n dc tv a l v e s ，g e t t i n ge a c hp i x e lp o i n tg r a yv a l v e so f c ts c a n n i n gi m a g e ，w h i c hr e f l e c t s i n t e r n a ls t r u c t u r ei n h o m o g e n e i t yo fs o i l b yi m a g e s e g m e n t a t i o n ，d i v i d i n gi m a g e si n t op o r e sa n ds o i l c a l c u l a t i n gp o r ed i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n a r i a na t c o m p a c t i o na c t i o n k e yw o r d s ：e m b a n k m e n tf i l l i n g ；m i c r o s c o p i cs t r u c t u r e ；i m a g ep r o c e s s i n g ；g r a y ；i m a g e s e g m e n t a t i o n ；p o r o s i t yr a t i o u 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同_ 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：至聋 日期： s ，乡口 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南人学研究生院办理。 研究生签名：毕导师签名：二塑垒日 导师签名：! 竺日期：1 2 ：至：z 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 高速公路的建设和发展是国家经济发展水平的风向标，2 0 0 5 年底，我国高速公路通车 总里程位居世界第二位。到2 0 0 7 底，全国公路通车总里程达3 4 8 万公里，高速公路达4 5 4 万公里。到2 0 1 0 年，全国高速公路通车里程将达到6 5 万公里。同顾国内高速公路的建设， 我国高速公路的路堤填方普遍比较高，平原微丘区的平均路堤高度在3 0 4 2 m ，见表1 1 。 表1 1国内平原区部分省份高速公路路堤平均填十高度 项口名称 平均路堤高度( 1 ) 项h 名称 甲均路堤高度 成绵高速 3 7 开洛高速 3 7 拉林河至长春高速3 2 2 京大高速 3 8 夏祁高速 3 3 长春至四平高速 3 9 7 西宝高速 3 4 长春至营城子高速 4 1 5 河南商开高速3 6 5 佛开高速 4 2 盘海高速 4 5 长春至吉林高速4 3 9 苹松高速 2 7 绥沈高速 4 1 原太高速5 0广佛高速4 4 太原南过境每速 5 8 吐鸟大高速 4 5 对江苏省部分已建成的四车道高速公路在不同路堤高度下每公里土石方数量统计分析 表明：路基高度在1 5 2 5 m ，路堤高度每增加l m ，每公里土石方数量约增加2 2 2 万m 3 ， 当路基高度大于2 5 m 时，路基高度每增加l m ，每公里十石方数量约增加3 3 3 万m 3 ，可见 高速公路建设是一土方鼍很大的土木工程1 1j 。在高速公路路堤填筑过程中，并不是所有从取 土场取来的十能直接填筑高速公路路堤，公路路基设计规范( j t g d 3 0 2 0 0 4 ) 2 1 和 2 m m 2 r a m - - - 0 0 7 4 m m 0 0 7 4 m m 2 6 ，具有液限较高的特点，根据公路 路基施工技术规范不得直接作为路堤填料，需要特殊处理，必须采取满足设计要求的技术措 施，经检查合格后方可使用。才能在公路工程中使用。 2 2 3 胀缩特性 十吸水体积增大而产生膨胀，失去水分的时候体积发生收缩。膨胀产生的基本缘由在于 十粒与水的相互作用。而引起十体积的变化。膨胀性是土的特性之一，常用的指标有膨胀压 力、无荷载膨胀率、有荷膨胀率、自由膨胀率等指标。下面具体来看自由膨胀率和5 0 k p a 膨胀率。收缩常用线收缩率指标为来衡量。 ( 1 ) 自由膨胀率 自由膨胀率：是指膨胀十经过粉碎风干后一定体积的松散十粒，在纯水中没有任何限制 条件下充分吸水产生自由膨胀，试样膨胀稳定后的体积增量与初始体积之比，以百分数表示。 本试验用土样风干后过0 5 毫米筛子进行试验。本试验方法是按 t 0 1 2 4 - 9 3 所规定的 方法进行试验。将试样通过一定的高度自由落在盛土杯内后，然后用刀将土样刮平。将土体 倒入装有3 0 r a l 水和5 m l 5 分析纯氯化钠溶液的量筒中，搅拌均匀，用水冲洗搅拌器和试 管壁，使量筒内的页面约至5 0 m l 刻度。 量筒中十样沉积后每隔2 h ，记录一次试样的体积，当两次读数若值不火于0 2 m l 时即 认为膨胀稳定。用此稳定读数计算自由膨胀率。 按下式计算土样的自由膨胀率： c = 半川。 ( 2 1 ) 式中：1 ，自由膨胀率，计算至1 ： y 土样在量筒中膨胀稳定后的体积，m l ： t ， 70 景土杯容积，m l ，即干土自由堆积体积。 测试结果见表2 5 。从测试的结果来看以及考虑到试验前按试验规范要求过0 5 m m 筛， 并结合颗分试验后绘制的颗分曲线图分析来看大于0 5 r a m 以上的粒径的土样占到了4 0 ， 此外，由丁全风化花岗岩的粘土矿物主要为高岭石，伊利石次之，冈此5 2 层土属了：非膨胀 1 2 第二章宏观尺度下路堤填料性质研究 性土。在工程实际中考虑到大于o 5 m m 的土粒的颗粒的因素，其全部粒径试验的自由膨胀 率更低。因此渝湛高速公路( 粤境段) k 0 + 0 0 0 - k 3 3 + 1 0 0 出现的全风化花岗岩不属于膨胀土。 表2 5 自由膨胀牢记录表 i 土层5 2 层土 l 自由膨胀率( ) 4 3 ( 2 ) 5 0 k p a 膨胀率 膨胀率是十体吸水后的体积增量与初始体积之比，用百分数表示，如果土体在吸水膨胀 时受剑外部约束的限制，阻止其膨胀，此时则在土中产生一种内应力，即为膨胀力或膨胀压 力。影响膨胀率及膨胀压力，主要有以下几个方面的因素： ( a ) 粘- 十的物理性质； ( b ) 环境条件，如含水率、干密度和孔隙比； ( c ) 外荷载。 有荷载膨胀率：原状或压实土样，在有侧向限制，同时有荷载的条件下，吸水后膨胀的 高度增量与初始高度之比，以百分数表示，测定有荷载膨胀率时，试验作用荷载一般在轻荷 载范围。 十的膨胀率是表征膨胀性的一个重要指标。本试验采用制备试件在特定荷载下来测定膨 胀率。试验方法p 2 j 是按 t 0 1 2 6 1 9 9 3 ) ) 所规定的方法。其试验步骤如下： 试验操作：试作放入容器后，放上透水石和盖板，安上百分表，施加5 0 k p a 的荷载， 使仪器各部分接触。百分表短针对准整数，长针对零，记下初读数，在固结完成后，加水。 试件吸水时开始膨胀直到膨胀稳定时，记下百分表读数。 按以下公式计算各荷载的膨胀稳定值： s ：墨生二鱼1 0 0 h t 式中：d p ( k p a ) 荷载下的膨胀率( ) ； u i t 压缩稳定后试样高度( m m ) ： d 1 、膨胀稳定后百分表读数( m m ) ； p “p _ p 荷载下仪器变形量( r a m ) ； p 1 试样加荷前的百分表初读数( 姗) 。 试验概况： 试验设备采用单轴同结仪； 膨胀仪容器，包括环刀、透水石和盖板。 5 - 2 层土5 0 k p a 膨胀率的实验数据如下表，见表2 6 ，图2 3 。 表2 65 - 2 层- l - f , 0 k p a 膨胀率 ( 2 - 2 ) 初始含水率( ) 1 5 91 7 91 9 9 2 1 9 5 0 l 【p a 膨胀卒( ) 5 753 2 1 1 3 东南大学硕_ ：学位论文 1 51 61 71 81 92 02 12 2 含水率( ) 图2 35 0 盱a 膨胀量与初始含水量关系图 由上表可以看出：在初始含水率比较小的情况下，经过浸水后其5 0k p a 膨胀量反而大， 说明初始含水率小的土体比较容易吸附较多的水，膨胀性较大，随着初始含水率的增加， 5 0 k p a 膨胀量逐渐变小，最后甚至出现了不同程度的收缩。 ( 3 ) 收缩特性 土的收缩性，是指原状土或重塑十在失水过程中体积收缩的能力。此次收缩试验中所用 的仪器设备为s s i 型收缩仪，所用试样为压实十样。 一 在窒温下不高于3 0 。c 条件下，进行收缩试验【5 刭，根据试样温度和收缩速度，宜每隔1 4 小时测记百分表读数，并称整套装置和试样质鼍，准确至0 1 9 。两天后，每隔6 2 4 小时测 记百分表读数，并称质量，至两次百分表读数不变。试验结束后，烘干试样准确至o 1 9 。 按下式计算线缩率： 铲等枷。 协3 ， 式中：p 皿戡缩率，； h 。试样原高度，m m ： 心百分表读数，m m ； r 收缩过程中某时刻百分表读数，m m 。 按收缩曲线计算收缩系数： 一e 旺j l 观一石 c 竖向收缩系数。 a c o 第一阶段内两含水率之差。 与a e o 相应的纵向线缩率之差 不同初始含水率情况下的缩限和收缩系数试验成果见表2 7 ，图2 - - 4 2 - - 6 1 4 ( 2 _ 4 ) 6 5 4 3 2 1 0 96一龉邕鏊里o 第二章宏观尺度下路堤填料性质研究 表2 7 不同初始含水量下的缩限和收缩系数表 初始含水率届1 5 91 7 91 9 92 1 9 缩限1 21 2 31 41 4 收缩系数 o 0 4o 0 5o 0 5o 0 5 线速率 o 1 4o 3 60 6 50 8 7 1 4 o 1 3 s x 1 3 0 鹾 骚 1 2 5 1 2 o o 0 5 4 0 0 5 2 0 0 5 0 籁o 0 4 s 倏 萎o o 0 0 4 4 0 0 4 2 0 0 4 0 1 51 61 7 1 81 92 02 12 2 初始含水量 图2 _ 4 缩限与初始含水率关系图 口j o 0 o ，7 0 6 木 需o 5 嚣 餐o r o 3 o ，2 0 t 图2 _ 5 收缩系数与初始含水率关系图 1 5 1 1 71 81 92 02 12 2 初始含水量 围2 - 6 线缩率与初始含水率关系图 1 5 东南大学硕士学位论文 由试验结果可知： ( 1 ) 对于同种性质的膨胀土来说，它的缩限和收缩系数受士的起始状态的影响不大， 基本上可以视为一常数，当含水率由1 5 9 增加到2 1 9 时，缩限由1 2 增加到1 4 ：收 缩系数由0 0 4 增加到o 0 5 ，相比较含水量的变化而言，其变化可视为常每； ( 2 ) 线缩率受起始含水率的影响较大，随起始含水率的增大而增大，两者有较好的线 性关系。 2 2 4 最大干密度、最优含水率 ( 1 ) 室内压实的方法与标准 由于士体室内压实方法与标准方法各不相同，关于压实的标准问题，世界各国并不统一， 我国的不同行业，也各不相同，此处暂不讨论压实标准的问题，这不是本文的重点，由于本 文研究全风化花岗岩在公路t 程中的应用研究，故本文采用的压实标准采用公路土工试验 规程( j t j 0 5 1 9 3 ) 中规定的压实标准。 试验1 5 2 j 按j t gf a 0 2 0 0 7 ) ) 中 t 0 1 3 1 2 0 0 7 ) ) 规定的重型压实干十法进行。即在压实风 干土料中取有代表性十样，放在橡皮板上用圆木棍碾散后，本试验采用的是风干十过5 毫米 筛子进行试验。对每个试样加水，取5 个不同含水鼍，拌匀后闷料2 4 小时备用。用内径为 1 5 2 m m ，筒高1 2 0 m m ，击锤质量为4 5 k g ，落距为4 5 0 m m 的重型压实仪上进行，分三层压 实，每层9 8 击，单位体积压实功为2 6 7 7 2 k j m 3 。将每层所需要的试样倒入压实筒内，并稍 加压紧，然后按规定的压实数进行压实。压实后，削平试样，称量，再用推十器推出筒内试 验，从试样中心取样测其密度值。计算出试样的干密度，并以干密度为纵坐标，含水率为横 坐标绘图压实曲线，从而可以确定压实曲线的最大干密度值和最佳含水率值。具体5 - 2 层土 的压实曲线见图2 3 。 ( 2 ) 最人干密度、最优含水率 由压实原理可知，只有当土的含水率为某一适宜值时，土样才能达到最密实。通过对土 层的压实曲线的分析，可以得出各层土的最大干密度和最优含水率。具体结果见表2 8 ，图 2 7 。 表2 8 最大干密度与最优含水率 i 最大干密度( g c v n 3 ) 最优含水牢( ) 5 2 层七 1 8 31 5 5 89i ol l1 21 31 41 51 61 71 8 含水量 图2 - 75 - 2 层土压实曲线 1 6 船 舱 叭 俜 弛 g，暑趟龆巾 第二章宏观尺度下路堤填料性质研究 2 3 5 承载比c b r ( c a l i f o r n i ab e a r i n gr a t i o ) 试验 承载比简称c b r ，为测定土基和粒料基层材料相对强度的室内试验法。c b r 试验方法 是由美国加利弗尼哑洲道路局首先提出来的，他们于1 9 2 8 1 9 2 9 年进行道路破坏状况调查， 认为路面损坏的主要原因是：由于路面渗水而使路基土产生侧向位移、基层承载力不均而造 成不均匀沉降和路基十与基层承载力不足而造成过大变形。p o r t e r 认为这些都与土基和路面 各层材料压实度和抗剪强度不足有关，为了表示其强度的大小，他们开创了c b r 试验法。 以后连续进行十多年的路面调查，提出了土基c b r 值与路面( 面层和基层) 层厚间的关系。 c b r 值，是指试样贯入量达2 5m m 时，单位压力对标准碎石压入相同贯入量时标准荷 载强度的比值，以百分率表示。 在道路设计中一般采用当贯入为2 5m m 时的单位荷载，但是，在有些时候也采用其它 贯入深度：一般规律是，当贯入深度增加时，c b r 值减小，但是，在有些时候贯入5m m 时 的c b r 反而大于贯入2 5m m 时的数值，此时就采用贯入5m m 时l 勺值。 影响c b r 值的冈素很多，在m u r p h y ( 1 9 6 6 ) 、y o d e r ( 1 9 7 5 ) 和g l a n v i l l e ( 1 9 5 1 ) 的报 告中，影响c b r 值的主要因素有以下几个方面： 士的成分及液塑限； 环境条件，如湿度、干密度及孔隙比； 浸水过程条件。 根据公路士工试验规程( j t ge 4 0 2 0 0 7 ) ，做c b r 试验时，可按浸水和不浸水试验 法；浸水c b r 试验法是采用试样的四大浸水和压重放在试样上的方法；不浸水c b r 是使用 原状土或压实试样进行试验。本研究采用两种试验法做c b r 试验，试验步骤如下： ( 1 ) 、浸水操作： 在试件顶面放置4 块荷载板，并安装膨胀延伸器； 试模与膨胀器一起放入水槽内，并用拉杆将模具拉紧，安装百分表，并读取初读数； 按试验法中规定，槽内水面应保持在试样项面以上大约2 5m m ，试件浸水四昼夜， 浸水终了时，读取试件上百分表的终读数，并计算膨胀量。 ( 2 ) 、贯入试验操作： 浸水或不浸水的试件放到路面材料强度试验仪器的升降台上，调整扁球座，使贯入 杆周嗣放置4 块荷载板； 先在贯入杆上施加4 5n 的荷载，然后将测力和测变形的百分表的指针都调整至零 点： 加荷载使贯入杆以1 2 7m m m i n 的速度贯入试样，记录测力计内百分表某些整读( 如 2 0 、4 0 、6 0 ) 时的贯入量，并注意使贯入量为2 5m m 时，能有5 个以上的读数，直至贯入 量为1 2 5m m 时为止。 ( 3 ) 、计算： 一般采用贯入量为2 5i t m l 时的单位压力与标准压力之比作为材料的承载比( c b r ) ，即 p c 脓= 二_ 一1 0 0 ( 2 5 ) 7 0 0 0 式中：c b r 承载比，； 卜单位压力，k p a 。 同时计算贯入量为5 m m 时的承载比： p 锄= 二1 0 0 ( 2 6 ) 1 0 5 0 0 如贯入量为5m m 时的承载比大于2 5 咖时承载比，则试验要再做，如结果仍然如此， 则采用5 m m 时的承载比。 ( 4 ) 、试验仪器： 1 7 东南大学硕1 ：学位论文 承载比试验仪器包括框架、量力环、贯入杆( 断面积1 9 3 5 c m 2 ) 、升降台、百分表 ( 刻度至o 0 1m m ) 和摇把； c b r 试模； 膨胀延伸器； 荷载板 5 - 2 层土浸水c b r 的测试值具体如下：见表2 9 ，图2 - 8 表2 9浸水条件下的c b r 试验成果表 初始含水率 1 5 9 1 7 91 9 92 1 9 i c b r 1 4 5 1 92 1 52 7 1 5 1 61 71 81 92 02 12 2 初始含水率 圈2 8 浸水c b r 与初始含水率关系图 从上述试验成果可以看出：在初始含水率逐渐增人的情况下，浸水后的c b r 数值也增加， 说明含水率越大其水稳性越好；在初始含水率为2 1 9 的时候，其c b r 平均为2 7 ，仍不 能满足规范对高速公路路基填料的要求。 5 - 2 层士不浸水c b r 的测试值具体如下：见表2 1 0 ，图2 - 9 表2 1 0 不浸水条件下的c b r 试验成果表 i初始含水率届 1 4 王1 4 81 5 71 6 61 7 71 8 2 1 9 82 0 9 不浸水c b r 3 82 71 9 61 9 32 0 71 6 71 1 4 7 o 1 4 51 61 71 81 92 02 1 初始含水睾 圈2 - 9 不浸水c b r 与初始含水宰关系图 从不浸水的c b r 试验成果中可以看出：含水率比较低的时候，不浸水c b r 值比较大， 1 8 8 6 4 2 o 8 8 4 2 2 2 2 2 1 ， ， 备u 簧翳 驺 筋 侣 伯 5 毋器u * 燃* 第二章宏观j 辽度下路堤填料性质研究 随着含水率的增加土体的不浸水c b r 值逐渐减少，在最佳含水率附近有一个比较平稳的过 渡期：对比浸水c b r 试验成果和不浸水c b r 试验成果可见： 浸水c b r 值和不浸水c b r 值相差很大，最大出现了2 0 倍的变化。说明浸水以后， 路基填料的强度发生较大的变化，从一个侧面说明，这种填料的水稳性不好： 利用该填料填筑路堤，当发生路堤长时间浸水时，路堤易出现沉降罱较大甚至发生 路堤边坡局部滑动等病害。冈此。在施工期必须采取防护措施，防止不良病害的发生，加强 路基和路面的防水，防i ：出现路堤长时间的浸泡； 采用该种土料进行路堤填筑时，应进行适当的包边处理。 2 3 6 强度特性 5 2 层土是燕山二期花岗岩在各种风化作用下而形成的产物，其矿物成分与原岩相比已 有本质的改变，但多保留在原位并具有它的原始性状，对于全风化花岗岩而言，由于其成因 的特殊性，其矿物成分组成、化学成分及结构特征对c 、缈产生显著影响。通过试验分析影 响全风化花岗岩抗剪强度特点。 由于渝湛高速公路( 粤境段) k 0 + 0 0 0 k 3 3 + 1 0 0i x 间多涉及的是公路挖方边坡，一般比 较干燥，旌工期边坡不发生排水同结，故采用快剪试验。试验采用应变控制式直剪仪【5 2 1 。 试样放在上下盒内上下两块透水石之间。试验时，由杠杆系统通过加压活塞和上透水石对试 件旌加某一垂直压力仃，然后等速转动手轮对下盒施加水平推力，使试样在上下盒之间的 水平接触面上产生剪切变形，直至破坏，剪应力的大小可以借助于与上盒接触的量力环的变 形值计算确定。在剪切过程中，随着上下盒相对剪切变形的发展，土样中的抗剪切强度逐渐 发挥出来，直剑剪虑力等于土的抗剪切强度时，土样剪切破坏。 以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线。并根据 图上各点，用最小二乘法拟合出一条强度包线，直线的倾角为全风化花岗岩的内摩擦角缈， 直线在纵坐标轴上的截距为内聚力c 。 针对本项目研究段的不同土样，进行两种情况的抗剪强度，即进行相同含水率不同压实 度条件下十体的抗剪强度试验；和在相同压实度不同含水率条件下进行的土体抗剪强度试 验。以观察含水率和压实度对于全风化花岗岩抗剪强度的影响。 不同含水率下的剪切试验： 5 - 2 层十主要作了压实度为9 3 ，不同含水率条件下的土体的抗剪强度，根据试验结果 绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线图，见图2 1 0 。 圈2 1 05 - 2 层土不同含水宰条件下直剪实验结果( 压实度9 3 ) 1 9 o o 0 o 0 o o o o 0 0 趵 诣 如 辐 弱 趵 加 5 (当一遥黑赣嚣 东南大学硕七学位论文 其c 、值与含水率的关系见表2 1 1 、图2 - 1 1 、2 1 2 ： 表2 1 1 不同含水率下的剪切试验 含水率 1 6 31 8 32 0 32 2 3 c k p a 1 9 91 7 3 21 6 5 41 5 9 7 l 4 4 13 1 72 8 72 6 7 侣1 7 81 9 a复刁 初始含水率 a 1 e1 7协1 9翻盈 初始含水率 图2 1 1c 值与初始含水率关系图图2 1 2 中值与初始含水率关系图 试验结果表明：水分对膨胀十抗剪强度的影响，主要表现为土中含水率减小，抗剪强度 增人：土中含水率增加，抗剪强度降低。很显然，随着土中含水量的变化，膨胀十的干容中 也将随之变化。一般情况下，含水率增大，土体吸水膨胀，干容重减小，土的抗剪强度降低； 反之，含水率减小，干容重增大，土的抗剪强度提高。干容重愈大，表明组成膨胀土的同体 物质成分愈多，土的抗剪强度亦愈高：相反，干容重愈小，土的抗剪强度也愈低。当然，土 中含水率的变化，也反映了十的结构连结的变化。 不同压实度下的剪切试验： 考虑在9 0 、9 3 j f f l9 5 三种压实度含水率为1 6 3 情况下的抗剪强度试验 2 3 0 0 6 题 艰 臼c2 0 0 拭 o50加o1 2 2 5 0s 1 5 0 重直压力& 。) 图2 1 35 - 2 层士含水率为1 6 3 不同压实度直剪试验结果 研 啪 佃 伪 协 芒x r 磔霉 第二章宏观j 迂度下路堤填料性质研究 表2 1 25 - 2 层土直接剪切试验结果 含水率( ) 1 6 31 6 31 6 3 压实度( ) 9 09 39 5 c ( k p a ) 8 8 92 0 0 3 92 0 8 3 缈n 3 7 84 1 o4 2 o 通过相同含水率不同压实度条件下的抗剪强度试验，试验结果见图2 - 1 3 ，表2 1 2 可以 发现随着乐实度的增加，全风化花岗岩的抗剪强度也随着增加，内聚力c 和内摩擦角妒都有 了较人幅度的增加。究其原因主要是通过改变压实度来改变七粒之间的摩擦和凹凸面之间的 镶嵌作用以及通过改变细颗粒之间的距离来进而改变十颗粒的胶结作用来，从而提高全风化 花岗岩的抗剪强度。也就是压实度的提高，减少了土体内孔隙的体积，使得土颗粒接触更为 密实。土颗粒间的距离减少，使得土体粗颗粒间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌作用加强， 而细粒十填充到了租粒十的孔隙之中，这些都使得反映摩擦和镶嵌作用的内摩擦角缈有了大 幅度的增加。而且在这一过程中，随着十体压实度的提高，使土颗粒之间孔隙减少，由此导 致土颗粒的接触更为紧密，这对于细粒土颗粒的胶结作用和静电引力效应起到了增强的作 用，使得内聚力c 等到了加强。即通过压实度的提高内聚力c 也得到了较大幅度的增长。 2 3 7 无侧限抗压强度 无侧限抗压强度试验模拟三轴仪中进行的周围压力为零的不排水剪切试验1 5 4 1 。无侧限 抗压强度试验是三轴压缩试验中周闱压力以= 0 的一种特殊情况，所以又称单轴试验。无侧 限抗压强度试验所使用的无侧限压力仪，但现在也常利用三轴仪作该种试验，试验时，在不 加任何侧向压力的情况下，对圆柱体试样施加轴向压力，直至试样剪切破坏为i f = 。试样破坏 时的轴向压力以吼表示，称为无侧限抗压强度。5 - 2 层土的无侧限抗压强度试验，试验结果 见图2 1 4 。通过构造比较简单的无侧限抗压强度试验可以获知土体的不排水抗剪强度。所得 5 - 2 层士的不排水抗剪强度，见表2 1 3 。 表2 1 3 不同压实度下的无侧限抗压试验 含水率肋1 61 8 7 压实度 9 0 9 39 59 09 39 5 无侧限抗压强度k p a 4 5 0 5 25 5 6 1 56 9 2 8 6 4 1 6 3 4 5 1 4 2 l5 7 2 4 7 母 “ 鼍 越 憩 硝 蝎 醛 暮 嗽 舶啦惦 压实度 图2 一1 4 不同压实度下的无侧限抗压强度与压实度关系罔 2 1 东南人学硕i ：学位论文 由图2 1 4 可以看出，无侧限抗压强度随压实度的提高而增加，说明提高压实度可以提 高填料的抗压强度性能，含水率为1 6 0 下的无侧限抗压强度略大于含水率为1 8 7 下的无 侧限抗压强度，说明填料压实最好在最佳含水量附近进行。 随着压实度的提高无侧限抗压强度也随之提高。正如前面对于5 2 层士所进行的颗分试 验所表明的，试验段内出现的全风化花岗岩属于细粒和粗粒混杂并且较为缺乏中间颗粒的混 合土，兼有砂土和粘性土的性质。通过提高压实度可以减少了土体内孔隙的体积使得土颗粒 接触更为密实。此外细粒土填充到了粗粒土的孔隙之中加强了充填效应，使得土体粗颗粒间 的滑动摩擦以及颗粒间的凹凸镶嵌作用得到加强，使得_ 十体的整体性得到加强。反应到宏观 上全风化花岗岩的无侧限抗压强度随着压实度的提高而有了较人幅度的增长。 此外，在压实度相同而含水率不同的情况下，土体无侧限抗压强度随着含水率的增加而 降低。山现这种情况的主要原因是随着含水率的增加，土颗粒的结合水膜增厚，土颗粒的间 距变大。这时增加的水起到了润滑剂的作用，土中粘粒随着结合水膜的增厚，使其活性增强， 含水率越大，公共水膜连接作用也就越弱，土颗粒表面接触紧密程度降低。因此，可以通过 降低土体的含水率和提高压实度来提高土体的无侧限抗压强度。 2 35 - 2 层高液限粉土掺砂改良试验研究 通过基本路用物理力学性质试验认识到研究区间沿线出现的5 - 2 层高液限粉土的液限 人于5 0 ，塑性指数人于2 6 。根据公路路基施工技术规范必须作处理才能使用。此外 其c b r 值( 最大为2 7 ) 均不满足设计要求( 公路路基设计规范规定c b r 值 4 0 ) 。由 此可以看出该种花岗岩残坡积土必须做土体改良才能在工程中使用。 2 3 1 高液限粉土土性改良基本原理 在实际工程中掺入生石灰、砂土等添加剂改良路堤填料路用特性是非常有效的方法，二 者在改良机理上有所不同。高液限士中掺入石灰，使石灰与士发生强烈的相互作用，从而使 土的工程性质发生变化，初期表现为十的结团、塑性降低、最佳含水率增大和最大密实度减 小等；后期变化主要表现在结品结构的形成，从而提高土的强度和稳定性。生石灰对土的改 良作用，既有物理作用，又存在化学反应过程，而通过掺砂改性则是一个物理过程。 本文研究区间内5 2 层高液限粉土的母岩为燕山二期花岗岩，形成的全风化花岗岩内粗 颗粒组含量相对较少，颗粒零星分散，骨架作用不明显，由于在t 程实践中土体的t 程性质 主要取决于土粒之间的各种相互作用力，即与土粒本身的结品格架特征有关。由以上所述可 知，这种：l ：程处治方案主要是通过改变十中粗粒组颗粒含量，使粗颗粒在十中产生骨架作用， 土颗粒的空间结构重新排列，削弱细颗粒对土性质的影响，使全风化花岗岩转变为粗粒土， 同时改良了土的颗粒级配，从而达到改良土质进而改变士的工程性质的目的。 掺砂改良可以提高十体的压实性，通过掺入一定量的砂十，使得土体的相对粗颗粒含量 增加，在压实过程中，加强了粗颗粒出现的局部接触，使其产生骨架作用得剑加强，而细颗 粒充填于粗颗粒形成的孔隙之中，使土体的干密度随着掺砂量的增加而增加。但由于掺入石 灰对丁原土体的粗颗粒骨架所起的改善作用非常小，主要是由丁石灰发生了离子交换作用， 使得十颗