（岩土工程专业论文）冰水堆积物高速公路路堤填料设计与施工工艺研究.pdf

摘要 雅安至泸沽高速公路是交通部的科技示范路，四川省优质工程项目。公路 沿线广泛分布有冰水堆积物地层，冰水堆积物用作高速公路路基填料，国内没有 先例。本论文结合四川省交通厅科研项目“冰水堆积物地区高速公路路基修筑技 术研究”( 合同编号：2 0 0 6 a 2 4 6 1 1 ) ，在长达2 年多的现场工作的基础上，完成 了从现场调查、室内试验、填料设计以及现场路堤填筑施工工艺研究等工作。主 要的研究内容有： 通过室内试验对冰水堆积物土体的路用特性进行了研究，研究结果表明冰 水堆积物土体与一般粗粒土的路用特性较为一致。 根据冰水堆积物土体的特点，参考铁路规范对填料设计的要求，提出了冰 水堆积物作为高速公路填料的设计步骤及内容。 通过试验段的现场试验，得出了冰水堆积物用作高速公路路基填料的施工 工艺。 上述研究内容解决了工程中的部分问题，为全线冰水堆积物路基施工提供了 参考，对于雅泸高速公路的早日建成贡献了力量。 【关键词】雅泸高速公路；冰水堆积物；路基填筑；填料改良 a b s t r a c t t h ey 如m l u g ue x p r e s sw a yi sam o d e lr o a do fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yb yt h e m i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n s ，a n da l s oh a sb e e nc l a s s i f i e da sh i g hg r a d ep r o j e c tb y d e p a r t m e n to fc o m m u n i c a t i o no fs i c h u a np r o v i n c e t h ef l u v i o g l a c i a ld e p o s i t si s w i d es p r e a da l o n gt h ey a a n l u g ue x p r e s sw a y t h e r ei sn od o m e s t r i co fb u i l de x p r e s s w a yo nt h ef l u v i o g l a c i a ld e p o s i t ss u b g r a d e t h ep a p e ri so nt h eb a s eo fi t e mo f d e p a r t m e n to fc o m m u n i c a t i o no fs i c h u a np r o v i n c e t h ef i e l dw o r kt i m el a s t st w o y e a r s ，f i n i s h i n ga l lw o r k sf o r mf i e l di n v e s t i g a t i o n 、s h o pe x p e r i m e n t 、f i l ld e s i g n 、 s u b g r a d ec o n s t r u c t i o nt og u i d a n c e t h es t u d ya sf o l l o w s ： s t u d yo nt h eb a s i cp r o p e r t i e so ft h ef l u v i o g l a c i a ld e p o s i t sb yl a b o r a t o r y t e s t t h er e s u l t ss h o wt h a tr o a dp r o p e r t i e so ft h ef l u v i o g l a c i a ld e p o s i t si sa ss a m ea s n o r m a lc o a r s eg r a i nf i l l e r n nf o r w a r dt h es t e p sa n dc o n t e n t so ff l u v i o g l a c i a ld e p o s i t sf i l l e rd e s i g n i n gb y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o r a i n es o i l ，a n dr e f e r r i n gt ot h ec o n t e n t so ff i l l e r d e s i g n i n go fc u r r e n tr a i l w a yc o d e s t h r o u g ht h et e s ts e c t i o no ft h ef i e l dt e s t , o b t a i n e df o rf l u v i o g l a e i a ld e p o s i t sf i l l s u b g r a d ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y t h er e s e a r c hf i n d i n g ss o l v e dp a r to ft h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fp r o j e e t , a n dp r o v i d e t h er e f e r e n c ef o rt h ec o s t r u c t i o no ft h ey a a n - l u g u e x p r e s s w a y k e y w o r d s ：t h ey a a n - l u g ue x p r e s s w a y ；t h ef l u v i o g l a c i a ld e p o s r s ；s u b g r a d ef i l l i n g ； f i l li m p r o v e m e n t 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：i 鱼垒 日期：习年上月堕日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：珥年月堕日 硕士学位论文第一章前言 第一章前言 1 1 选题依据及其研究意义 1 9 8 8 年，1 8 公里长的上海至嘉定高速公路结束了中国大陆没有高速公路的 历史。到1 9 9 8 年，高速公路里程突破l 万公里，仅用了1 0 年时间；到2 0 0 1 年， 仅用3 年时间，达到2 万公里，超过加拿大位居世界第二。2 0 0 4 年、2 0 0 5 年和 2 0 0 7 年以年均5 0 0 0 公里的增幅连续突破3 万、4 万和5 万公里。这样的速度是 相当惊人的，创造了中国速度。高速公路的高速巨变是我国改革开放3 0 年辉煌 历程的一个体现【l j 。 雅( 雅安) 泸( 泸沽) 高速公路是国家高速公路网七条首都放射线中北京 昆明的一段，同时亦是西部大通道甘肃( 兰州) 至云南( 磨憨) 公路的重要组成 部分，是交通部全国科技示范路，也是四川省优质工程项目。北京昆明高速公 路四川境南段成都至攀枝花( 川滇界) 长约6 8 0 k i n ，目前成都至雅安、泸沽至西 昌高速公路已建成通车，西昌至攀枝花、攀枝花至田房( 川滇界) 高速公路也于 2 0 0 7 年、2 0 0 8 年建成，届时雅安石棉泸沽段将成为交通运输的瓶颈地段， 因此本项目的尽早建成，对国家高速公路网中北京昆明高速公路四川境南段的 早日贯通具有重要意义。同时，项目的建设对完善四川省总体路网规划布局，开 发攀西地区矿产资源、水能资源，形成四川通往东南亚，南亚沿边、沿海的出海 通道，重现南方丝绸之路辉煌，促进地区经济发展，保障国家西南国防安全具有 重要的意义。项目起于成雅高速公路止点( k 1 4 0 + 3 4 0 ) 雅安对岩，经荥经县、汉 源县、石棉县至凉山州冕宁县，止于泸黄高速公路起点( k 2 7 2 5 + 0 0 0 ) 西昌市泸 沽镇小沙沟，路线全长2 4 0 3 7 6 k m 2 l ( 图1 - 1 ) 。 雅泸高速公路沿线广泛分布组成成分非常复杂的冰水堆积物土体。目前，冰 水堆积物土体成因的研究尚存在许多问题，对于它的应用更加是一片空白。在雅 泸高速公路建设以前，从未有别的高速公路应用冰水堆积物作为路基填料。为此， 应开展对于冰水堆积物土体的室内实验研究和相应的试验段现场填筑研究，以此 总结出该土体的工程特性和用作高速公路路基填料的现场压实工艺。为此，雅泸 高速公路股份开发公司、四川省公路规划勘察设计研究院、中南大学，选定雅泸 高速k 2 1 0 + 3 5 0 k 2 1 0 + 4 5 0 这l o o m 路段作为试验路段。这次试验是国内首次进行 的冰水堆积物土体用作高速公路路基填料的研究，试验的成功，既可以将沿线近 百万方的冰水堆积物挖方用于雅泸高速公路建设，节省投资，少占农业用地，同 硕士学位论文第一章前言 时也可以填补冰水堆积物土体用作高速公路填料的空白，对于雅栌高速公路的早 日建成也能起到积极作用。因此，本论文紧密结合实际工程情况，以冰水堆积物 填料设计以及施工工艺研究作为主要的研究内容，采取室内实验以研究其工程特 性以及改良措施，在路基填筑试验段总结其压实工艺，并将实验成果与粗粒土的 一般压实特性进行比较，归纳出冰水堆积物粗粒土与其他粗粒土的差异。 1 2 国内外研究现状 日卜1雅泸高速公路位置围 冰水堆积物作为路基填料的研究至今尚没有先例，只有冰碛土作为高填方填 料的成功经验。从颗粒粒径级配组成上分，雅泸路沿线冰水堆积物填料大多可归 为粗粒土填料。随着高速公路向山区的延伸，粗粒土填料运用得越来越普遍，针 对粗粒土的工程特性、现场施工施工工艺以及压实质量检测等方面的研究也进行 得非常多。 12 冰水堆积土体的研究 国内对于冰水堆积物土体用作高速公路的填料研究目前是个空白，而只有少 量的关于冰碛土的研究。一般认为，冰水堆积物是由于冰川融水具有一定的侵蚀 硕士学位论文第一章前言 搬运能力，将冰碛物再搬运堆积形成的1 3 j 。文献 4 5 】以康定机场高填方施工为背 景，对原地基中的冰碛土的工程性能进行了研究。文献1 4 j 对冰碛土进行动力触探、 载荷试验、标贯试验、抗剪试验等，认为冰碛土一般为碎石类土，分布不均匀， 层位变化大，为典型的不均有地基，但总体上干密度大，密实度较高，具有低渗 透性，高承载力、低变形、抗剪能力高的工程性能，为良好的天然地基。文献【5 j 对冰碛土地基进行了地基沉降变形检测及数值模拟分析，并对作为填料的冰碛土 填料进行了压缩蠕变试验，认为冰碛土是一种较好的填料，且由压缩蠕变模型规 律推算填筑体压缩沉降值是比较准确的。 1 2 2 土体的分类以及粗粒土的定义 对于土体的分类，研究者的角度和要求不同，则分类和命名的方法不同，如 地质研究工作者多从地质年代分类；工程地质工作者多从成因分类；工程建筑工 作者多从材料工程性质分类；道路工作者多从承载力分类等等，分类方法繁多。 这样，不利于研究应用领域共同研究土体的工程性质。因此，有必要对土体的分 类进行较统一的分类和命名。随着公路土工实验规程( j t ge 4 0 2 0 0 7 ) 【6 j 和 土的工程分类标准( g b t5 0 1 4 5 2 0 0 7 ) l 刀的出台，对于工程土体的分类依据 达成了如下统一：( 1 ) 土颗粒组成特征：( 2 ) 土的塑性指标：液限、塑限和塑性 指数；( 3 ) 土中有机质含量。土颗粒粒组划分按照表1 1 的规定进行划分。其对 粗粒土的定义为：试样中巨粒组土粒质量少于或等于总质量1 5 ，且巨粒组土粒 与粗粒组土粒质量之和多于总土质量5 0 的土称粗粒土。本文采用了如下的分类 标准。 表1 - 1粒组划分表 2 0 06 02 0520 50 2 50 0 7 50 0 0 2 ( 衄n ) 巨粒组 粗粒组细粒组 漂石卵石砾( 角砾)砂 粉粒 黏粒 ( 块石)( 小块石) 粗中细粗中细 1 2 3 粗粒土室内工程特性研究 美国于2 0 世纪4 0 年代开始了对填石料的工程性质系统研究，经数十年的积 累，成果丰硕。日本于1 9 7 3 年成立了“粒状体的力学特性研究委员会”，就粒状 材料开展了调查、研究。成立于1 9 8 1 年的“关于粗粒料实验的研究委员会 在 如何提高粗粒料实验精度方面得出了有益的见解。但这些研究都未能密切结合现 场的实际情况，针对这一情况，1 9 8 6 年8 月成立了“关于粗粒料现场压实评价 硕士学位论文第一章前言 的研究委员会”，将研究成果与施工实际进行了结合。1 9 9 0 年1 0 月，日本的岩 片透先生和松井家孝先生在总结了本国和世界其他国家在粗粒料方面的研究成 果，出版了粗粒料的现场压实一书【引。 我国粗粒土的压实性状研究落后于美国、日本等国。1 9 9 8 年8 月，郭庆国 先生编著了粗粒土的工程特性及应用【9 】一书，标志着我国在粗粒土工程中取 得了显著成果。郭庆国先生对粗粒土填料进行了大量的室内压实特性研究，得到 了以下的重要结论： ( 1 ) 干密度随压实功能的增大而增大，但当压实功能增大到一定程度后， 克服颗粒间的阻力足以够用，此时随压实功能增大，密度增加甚小，反而是不经 济的，故存在一个最优压实功能。 ( 2 ) 在同一击实方法和击实功能下，干密度与含水量之间呈现抛物线的变 化规律。 ( 3 ) 不同粗粒含量的粗粒土，虽然含水量与干密度关系呈现一般的规律， 但相应的最大干密度和最佳含水量值的大小不同。一般为粗粒含量越大，相应的 最大干密度和最佳含水量也越大。 许多学者【l 叫4 】也进行了粗粒土室内试验，分析了含水量、击实能的变化及粗 粒百分量的变化对粗粒土密度的影响，结论与郭庆国的结论较为吻合。周志掣1 5 j 采用自己研制的大型击实仪，对不同最大粒径及粗颗粒含量的土石混合料进行击 实试验，也得到了相同的结论。冯瑞玲等【1 6 j 以8 种不同级配的粗粒土为研究对 象，采用室内表面振动压实试验方法，研究粗粒土的级配特性与压实设备的振动 频率、激振力对粗粒土压实特性的影响，并利用多元线性回归方法，分析土样级 配特性对粗粒土压实效果的影响，最后建立粗粒土最大干密度与其级配特征粒径 之间的关系式，并提出用5 个特征粒径表示的级配特征函数结果表明：级配不同 的粗粒土在不同激振力、振动频率作用下，干密度振动频率、干密度激振力曲 线形状几乎呈正态分布，存在最大干密度和对应的最佳振动频率、最佳激振力。 1 2 4 填料设计研究 铁路路基设计规范( t b l 0 0 0 1 - 2 0 0 5 ) 【l7 j 首次提出了“填料设计”的概念， 并提出了填料设计的内容，包括：填料的选择、分布、运距、土石特性、名称、 分组、改良措施等。根据铁路规范，填料根据颗粒组成、颗粒形状、细粒含量、 颗粒级配、抗风化能力等，分成a 、b 、c 、d 四个组别。针对i 级铁路，路堤基 床表层应采用a 级填料，基床底层应采用a 、b 级填料，否则需要进行填料改良； i i 级铁路，路堤基床表层优先使用a 级填料，其次为b 级填料，基床底层可采用 a 、b 、c 级填料，否则进行填料改良。 4 硕士学位论文第一章前言 公路规范尚没有提出关于填料改良的内容，但对于公路填料的改良已经进行 了很多。张能义掣1 8 2 3 j 采用石灰对膨胀土进行改良，掺入石灰改良膨胀土的过程 就是降低其膨胀性、提高其强度的过程，随着石灰的掺人，膨胀土体的各项指标， 如与土体黏性相关的黏粒含量、最大干密度等都出现不同程度的下降，最优含水 量和c b r 值出现不同程度的提高，说明石灰改良膨胀土的方法是可行的。改良膨 胀土用做公路、铁路的路基填料，并取得了良好的效果。杨俊等【2 睨6 】采用了生石 灰、水泥、生石灰+ 水泥、生石灰+ 粉煤灰为掺入料对高液限粘土进行了改良， 通过室内及现场试验表明含水量低于2 4 的高液限粘土经过水泥改良后最大干 密度有较大幅度地提高，可直接用于路基填筑；采用生石灰、粉煤灰为外掺剂按 一定配比掺入高液限粘土中，对其工程性质有一定改善，但强度增长较慢，且吸 收高液限粘土中水分的能力较弱；石灰+ 水泥作为外掺剂虽能保证加固土的强度， 但施工工艺较复杂，不利于现场施工。师旭超等【2 。7 】对煤矸石进行了室内土工实 验，试验结果表明煤矸石适合作路基填料；贺建清等 2 s - 3 1 】对不同掺土比例的掺土 煤矸石的路用性能进行了研究，认为掺土煤矸石可以作为路基填料，、若主要考虑 c b r 和渗透性，则2 ：1 的土可以认为是相对较好的配比，4 ：1 掺土煤矸石的动弹 模量提高最为显著。 1 2 5 施工工艺研究 在弄清了粗粒土的室内压实特性之后，粗粒土的现场压实特性研究也进行了 许多，从而验证了室内试验的结论、得到了较好的施工工艺并取得了良好的施工 效果。在进行现场填筑试验时，一般采用振动压路机进行压实，也可以采用冲击 以及强夯进行压实的。陈宏伟【l o l 采用沙砾石在3 1 1 国道鲁山沙河大桥引线工程进 行路基填筑试验，得出松铺厚度为5 0 n 1 0 0 e m 时，采用3 0 t 振动压路机进行碾压， 碾压速度为2 4 k r n h ，碾压6 遍以上可以达到压实度要求。当采用5 0 t 压路机进 行碾压可以更好地控制沉降。唐勇【3 2 j 在达渝高速三期工程中采用砂岩、粉岩土 石混合填料进行路基填筑试验，松铺厚度分别为3 0 、4 0 、5 0 c m ，采用y z j l 6 型 压路机进行碾压，碾压4 遍后均达到了压实度要求，且振压6 遍后压实度可以达 到1 0 0 ，则建议对于大粒径土石混合填料，在采用大型摊铺和压实机械时，采 用松铺厚度为4 0 6 0 c m ，振压乱8 遍左右。袁海清【3 3 】在常张高速公路路基填筑 试验段进行了冲击压实技术的研究，对于粗粒含量在4 0 - - - 7 0 之间的土石混 合填料，得出以下结论： 1 ) 路基松铺厚度为8 0c m 时，最佳冲压遍数为3 0 遍；松铺厚度为1 0 0c m 时，最佳冲压遍数为4 0 遍。采用2 5l ( j 冲击压实机压实土石混合料，填筑的 厚度不宜超过1 0 0c m 。 硕士学位论文 第一章前言 2 ) 采用冲击压实技术压实土石混合料路基的平均费用比传统方法低，而且 大大缩短施工工期。 王叶松1 3 4 j 通过清黄高速公路试验段冲击压实现场试验研究，对于粗粒含量 在4 0 7 0 的填筑料采用冲击功能为2 5 k j 的冲击压实设备进行冲击压实，得 出的压实参数与文献1 3 3 1 基本一样。 在某些高填方地段，采用强夯击实可以增加松铺厚度，提高压实效率。文献 3 5 针对四川省攀枝花机场高填方土石混合料填筑体工程，分别采用20 0 0 k n m 和30 0 0 k n r n 夯击能、3 1 5 3 1 5 m 正方形布置夯点对松铺厚度为4 m 、5 m 、6 m 土石混合填筑料进行现场单点夯试验，获得了不同夯击能和不同松铺厚度时单点 夯沉量、夯沉体积与夯击次数的关系，并对夯后填筑体密实度和变形模量进行了 现场测试与评价，在此基础上，最后提出了采用20 0 0 k n m 夯击能、松铺厚度 为4 m ：30 0 0 k n m 夯击能、松铺厚度为5 m 和6 m 的土石混填料强夯施工参数 及控制标准，以指导山区机场高填方填筑体施工。 1 2 6 路基填筑质量控制标准及检测方法研究 粗粒土填筑的路基，一般都属于土石混填路基。根据公路路基施工技术规 范( j t gf 1 0 2 0 0 6 ) 1 3 6 】对于土石混填路基压实质量的要求，主要是采用路基填 筑试验段所得到的工艺流程和工艺参数控制压实过程，采用试验段确定的沉降差 指标检测压实质量。沉降差指标也是通过灌水法、灌砂法得到的。因此，公路路 基压实质量检测的实质是通过灌水、灌砂法检测压实度。灌水、灌砂法压实度检 测操作简单易懂，数据直观，较适合工地实际操作，但是取样点少、代表性差， 只能提供单层压实土体的密度指标，对路基本身有较大的破坏且费工、费时、劳 动量大【3 7 1 。 根据铁路路基设计规范( t b l 0 0 0 1 2 0 0 5 ) 1 7 】，铁路路基的检测均采用了 双标准。表1 2 、表1 3 分别为铁路基床表层、基床底层的压实标准表。铁路路 基检测的双标准中，不仅有压实度的要求，同时也地基系数的要求，这样既能检 测填筑层的压实质量，也能检测已经填筑了的路基的整体质量，较公路规范的要 求更为具体。 许多学者开展了研究，提出了很多新的检测方法。文献 3 8 4 1 1 依据不同的介 质中波的传播速度是不一样的，在室内确定出波速与土体密度的关系，然后通过 现场测出的波速确定处填筑土体的密度，这样就可以求出压实度。土体在压实的 反复荷载作用下，强度得提高，弹性模量随荷载作用次数增加而强加，最后趋于 某一定值。基于上述原理，采取一定的手段测定弹性模量，建立弹性模量和压实 度的关系曲线，以后根据测得的弹性模量查找关系曲线上对应的压实度，这个方 6 硕士学位论文第一章前言 法即为弹性模量法。文献 4 2 4 4 采用这个方法对土石混填路基进行了压实度检 测，得到了比较好的结果。文献 4 5 4 6 采用自己研制的压实度计对土石混填路基 进行了检测。 表1 - 2铁路基床表层的压实标准 细粒土、龇 瞅碎醭揪 粉砂、改良土g | ! 黼d 层 屋财黥弋 i 级 i i 级i 级 i i 级 i 级 i i 级 i 级i i 级i 级i i 级 位 压揪k ( 0 9 8 ) 基地基系数 床 佃a m ) ( 1 0 0 )1 1 01 5 0 1 4 01 5 0 1 4 0 底 相酵渤 o 8 层 孑暇率n ( ) 2 8 2 92 82 9 表1 - 3铁路基床底层的压实标准 细粒土、砂类土 砾石类 碎石类块石类 粉砂、改良土 ( 粉砂除外) 层 压实指标弋 l 级i i 级 i 级i i 级 i 级i i 级 i 级 级 i 级 i i 级 位 压实系数k( o 9 3 )o 9 1 基地基系数 床 o e a m ) ( 1 0 0 ) 9 01 0 01 0 0 1 2 0 1 2 01 3 01 3 0 1 5 01 5 0 底 相对密度d r o 7 50 7 5 层 孔隙率n ( )3 13 13 1 3 l 1 3 本文主要的研究内容 由于冰水堆积物是一种组成成分复杂的土体，在作为填料时首先需要确定是 否符合公路路基设计规范对填料的要求，然后进行路用特性的研究，再对冰 水堆积物填料进行填料设计。填料设计完成后，对改良后填料进行室内的击实特 7 硕七学位论文第一章前言 性研究，根据室内击实特性研究的结果指导现场填筑研究。通过现场试验段的填 筑实验，总结出冰水堆积物填料的压实工艺，用于指导雅泸路冰水堆积物地区路 基的填筑施工。因此本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 冰水堆积物路用特性研究 根据公路土工实验规程的操作要求，对冰水堆积物土体进行室内土工实 验，以研究冰水堆积物填料的路用特性。主要的室内试验有：天然含水量试验、 不同含石率下不同含水量土体的最大干密度的确定( 重型击实试验) 、细粒土液 塑限实验以及c b r 实验。 ( 2 ) 填料设计 针对冰水堆积物填料，采用现场填料调查、填料选择、填料分组以及填料改 良四个步骤进行填料设计，其主要内容是进行填料改良，即在根据公路规范、铁 路规洲1 7 j 对于填料进行初步评判的基础上结合泰勒理想压实级配曲线对冰水堆 积物填料进行填料改良研究。对改良后的土体进行室内击实实验，确定出最大干 密度以及最佳含水量，用于指导现场填筑施工。 ( 3 ) 冰水堆积物填料的路基填筑试验段研究 使用设计过的冰水堆积物填料进行路基填筑试验，得出相应的压实参数：机 械组合、压实机械规格、松铺厚度、碾压遍数、碾压速度、最佳含水量及碾压时 含水量允许偏差等。 1 4 研究思路及技术路线 1 4 1 研究思路 本文的研究思路如下： 1 、查阅国内外文献，了解国内外粗粒土路基填筑研究的现状、水平和存在 的不足，一方面总结已有的研究成果，同时，使本论文的研究建立在最新的动态、 最新进展的基础上。 2 、在既有详勘资料以及现场调查的基础上对雅泸高速公路全线的冰水堆积 物的成因和分布进行调查、整理，并对各标段的冰水堆积物的成因、粒径组成等 进行分析。 3 、对冰水堆积物填料进行室内试验，确定填料的适用性以及弄清填料的路 用特性。主要的室内实验为天然含水量实验、粒径筛分实验、细颗粒液塑限试验、 室内击实实验以及c b r 试验。 4 、对冰水堆积物填料进行设计，具体步骤为填料调查、填料选择、分组研 硕士学位论文第一章前言 究和填料改良，并对改良后的填料进行击实实验，确定改良后填料的最大干密度 和最佳含水量用于指导现场填筑施工。 5 、根据试验段填筑施工方案，将填料进行现场填筑研究，得到冰水堆积物 作为路基填料时的压实参数：机械组合、压实机械规格、松铺厚度、碾压遍数、 碾压速度、最佳含水量及碾压时含水量允许偏差等。 1 4 2 技术路线 根据以上的研究思路，相应的技术路线图如下： 图卜2论文研究思路框图 9 硕士学位论文第二章工程概况 第二章工程概况 雅泸高速公路是国家“十一五 重点公路建设项目、亚行贷款项目，也是我 国目前最大的亚行贷款公路建设项目，交通部批准的2 0 0 5 年度勘察设计典型示 范工程。项目地处四川省西南部的雅安市、凉山州境内，途径雅安市雨城区、荥 经县、汉源县、石棉县和凉山州冕宁县。雅泸高速公路桥隧数量众多、规模庞 大，路线全长约2 4 0 公里，设紫石、荥经、石滓、九襄、汉源、石棉、栗子坪、 彝海、冕宁九处互通式立交；全线桥梁2 6 6 座，隧道2 5 座，桥隧比为5 4 3 ； 全线有特大桥1 2 座，特长隧道4 座，其中最高桥墩高达1 9 8 米，大相岭( 泥巴 山) 隧道为深埋特长隧道长l o 1 公里。本项目为典型的山区高速公路，先后翻 越海拔3 0 0 0 米以上的大相岭泥巴山和拖乌山，沿大渡河和楠垭河展线，分别经 过煤矿采空区、花岗岩开采区、石棉尾矿区以及泥石流等地质病害多发区；通过 我国著名的活动性断裂带，地震活动频繁，具有震级高、强度大的特点；还经过 6 0 余公里瀑布沟电站水库区。项目深埋特长隧道的设计与施工、高烈度地震区 大跨高桥设计、双螺旋隧道、连续5 0 公里长大纵坡的安全运营、活动断裂地区 不良地质病害处治、环境和生态保护等技术难题，在全国乃至世界范围内均具有 特殊性和典型性。 2 1 冰水堆积物成因浅析 冰水堆积物形成于第四纪，成因较为复杂，但可以简单认为是冰川融水具有 一定的侵蚀搬运作用，将冰碛物再搬运堆积形成的【3 】【4 7 1 。冰水沉积的方式有两种： 冰川接触沉积和冰前沉积。冰川接触沉积也称冰界沉积、冰内沉积，指冰川区内 或紧邻地区，冰水与冰川共存、紧密接触，冰水沉积物与冰碛物相互混杂、交叉 重叠的一种冰水沉积，由此形成的沉积物称为冰川接触沉积物( 或冰内冰水堆积 物) 。冰川接触沉积物常构成丘状冰砾阜、平台状的冰阜阶地、圆坑状的锅穴、 长堤状的蛇形丘等各种地貌。冰前沉积也称冰外沉积，是冰水流出冰川以后在冰 川外围的冰水沉积，由此形成的沉积物称为冰前沉积物( 或冰外冰水堆积物) 。 冰前沉积包括冰水河流沉积和冰湖沉积。冰水河流沉积常形成由沙、砾石构成的 扇形体，称为冰水扇。若干冰水扇联合而成波状起伏的倾斜平原，称冰水冲积平 原( 又叫外冲平原) 。冰湖沉积包括三角洲沉积、湖滨沉积和湖底沉积。冰湖底部 沉积是冰湖沉积的典型代表，由夏季沉积的浅色粗粒层和冬季沉积的深色细粒层 互层组成，通常称纹泥或季候泥。 1 0 硕十学位论文第二章工程概况 冰水堆积物根据沉积方式、地貌情况、形成位置、组成成分等进行分类，大 体可分为以下四种： ( 1 ) 冰水扇。冰川底部的冰融水，常形成冰下河流，它可携带大量沙砾从 冰川末端排出，在终碛堤的外围堆积成扇形地，叫冰水扇。 ( 2 ) 冰砾阜。在冰川两侧，由于岩壁和侧碛吸热较多，附近冰体融化较快， 又由于冰川两侧冰面较中部要低，所以冰融水就汇集在这里，形成冰川两侧的冰 面河流或湖泊，并带来大量冰水物质。当冰川全部融化后，这些冰水物质就堆积 在冰川谷的两侧，形成冰砾阜阶地。它只发育在山地冰川谷中。 ( 3 ) 蛇形丘。蛇形丘是一种狭长而曲折的垄岗地形，由于它蜿蜒伸展如蛇， 故称蛇形丘。其组成物质几乎全部是有分选性的成层砂砾，偶尔夹有冰碛物的透 镜体，表面常覆盖有一层冰碛物。 ( 4 ) 纹泥( 季侯泥) 。在冰川前缘洼地由冰水注入湖泊而形成的纹层状沉积， 具有清晰的韵律层理。 2 2 雅泸路沿线冰水堆积物分布及成因 基于勘察报告，并通过现场实地调查，获取了雅泸高速公路全线冰水堆积物 分布里程、所属标段、成因、地形地貌、土层厚度及埋深、土体类别等第一手资 料，总结了雅泸路冰水堆积物分布特性，总结如下： 1 ) 分布较为广泛 雅泸高速公路沿线冰水堆积物分布广泛，从里程k 2 6 至k 2 1 1 均有分布( 雅 泸路里程从k 0 至k 2 4 0 ) 。从长度来看，雅泸路沿线冰水堆积物总长度4 7 6 4 8 k m ( 不完全统计) ，约占雅泸路全线长度( 约2 4 0 k m ) 的2 0 ；从施工标段看，全 线2 7 个施工标段中，除c l 、c 4 、c 5 、c 6 标段外，有2 3 个标段( 占全部标段 数量的8 5 ) 沿线存在冰水堆积物。 2 ) 分布具有集中性、地段性 图2 1 为全线冰水堆积物分布区间示意图，由图可看出，冰水堆积物存在两 个较为集中的分布区段，即里程k 11 4 - - - k 1 4 4 5 7 及k 1 7 3 3 - - k 2 11 1 9 ，分别属于 雅泸高速公路石棉片区及冕宁片区，这两个区段中冰水堆积物路段分别占线路长 度的5 0 及4 7 。 图2 2 为雅泸路冰水堆积物各标段分布长度图( 无冰水堆积物及其分布长度 不详的标段未列出) 。如图所示，各标段冰水堆积物分布长度从0 2 3 k m ( c 1 0 标 段) 至7 3 8 k i n ( c 1 4 标段) 不等，变化较大。与冰水堆积物集中分布区段相对 应，c 1 4 、c 2 3 、c 2 4 、c 2 5 这4 个标段冰水堆积物分布长度较长，均超过4 k m ： c 2 、c 7 、c 1 0 、c 1 8 、c 1 9 这5 个标段分布长度较短，均不足l k m ；其余1 1 个标 硕士学位论文第二章工程概况 段在l k m - 、, 4 k m 范围内。 1 2 匿蕊蕊避 匝糖峪扈凶糖彘餐州霉氍辫*舞_阻 壮恃皑吲悟求s舀辑蔷若 碰母苦梧求霉氍等*_ 。翠固 心u 帅u t u nuuo伽u价13 巴u 2 u = u n古翌uhgohuu uu廿u竹u口u n u u 舀 群塘 雾 一 o ) l 雕创 蛙鞋群h料妊 m 帮毯扑书爵 硕士学位论文第二章工程概况 k：豳矗剃嘛 c 8c 9c 1 0 c “2 c 1 3 c 镰善5 c ”n 7 c ”c 王9 c 2 3 c “c 2 5 c 2 6 c 2 7 图2 - 2 雅轳路冰水堆积均各标段分布长度 需说明的一点：雅泸高速公路很大比例上是沿河谷而建，经过很多河漫滩及 河流两侧i 级阶地，而冰水堆积地层多分布于级及以上阶地，因此，若从区域 分布而非沿线分布来看，冰水堆积物的范围将更加广泛。 3 ) 成因较单一 基于工程地质勘察报告及现场实地调查，确定了雅泸高速公路沿线冰水堆积 物成困主要有两种：( 1 ) 冰前冰水沉积( 冰水堆积扇) ；( 2 ) 冰川谷地两侧冰水 沉积( 冰砾阜阶地) 。 4 ) 埋深浅，厚度较大 雅泸高速公路全线冰水堆积物绝大部分出露于地表面，仅有少数存在上覆土 层。在具上覆土层的区段中，里程k 1 8 5 之前埋深较浅，为o l s m ，一般不超 过8 m ；之后埋深较深，一般为1 2 3 6 m 。 全线冰水堆积地层厚度一般较大，多为l o 4 0 m 。最厚处超过7 5 m ；少数路 段厚度较小，一般在0 1 5 m 范围内，分布零散。从土类来看，低液限粉，粘土层 厚度一般较薄，一般厚度仅数米；砂类土多为透镜体，厚度一般也不大 漂卵石 ( 质，夹) 土、块碎石( 质，夹) 土及砾石类土厚度一般较大，多在十数米至数十 米范围内。 5 ) 粗粒土含量高 冰水堆积物土类情况分布较杂，从大颗粒的漂石土至碎石土，再至砾石土、 砂土，甚至细粒的低液限粉土、低液限粘土均有分布。各种土类在全线冰水堆积 物分布长度中所占比例如图2 - 3 所示。 由图2 3 可知，雅泸路沿线冰水堆积物各土类所占比例为：漂卵石( 质侠) 土4 2 块碎石( 质，央) 土3 0 * 0 砾石类土1 9 低液限粉，粘土6 砂类土 j 、h # 硕士学位论文第二章工程概况 3 。由此可知：冰水堆积物以粗粒土为主，从漂卵石( 质夹) 土至砂类土所占 比例共占9 4 ；冰水堆积物以大粒径的漂、卵、块、碎、砾石类土为主，几种土 类( 均属土石混合料范畴) 所占比例高达9 1 。 圈”雅泸路球承堆积物各土类所占比倒 硕士学位论文 第三章珠水堆积物填料路用特性研究 第三章冰水堆积物填料路用特性研究 3 1 公路路基填料的应用现状 从理论上来讲，任何地质材料都可以用作公路填料，但限于施工技术水平， 有一些土体不能作为公路填料。随着科技的发展和人类工程经验的增多，对于公 路填料的应用范围也越来越大。膨胀土、高演限粘土、煤矸石等通过改良即可运 用于路基填筑、河滩料嗍、碎石土删、泥砂岩i s l 捌等都有作为路基填料的成 功经验，石灰土咿胡、轻型混凝土嗣、粉煤灰口7 删等人工料也用做高速公路的 填料。 3 2 实验料场的基本情况 实验科场位于雅西高速公路c 2 7 标k 2 0 9 + 8 3 5 k 2 0 9 + 9 3 0 路段的挖方地段 边坡最高处达2 0 多米( 图3 - 1 ) 。由于边坡较高因此将边坡分为两级进行开挖， 每级约1 0 米高。在现场共布置了6 个取样点。上下级边坡各三个，水平间隔约 为3 米，用挖掘机在每个取样点均取样超过0 5 立方米。在室内进行天然含水量、 密度、塑液限、颗粒级配、最大干密度、最佳含水量、c b r 等试验，进行冰水 堆积物的天然级配队及含水量随土层的深度与水平位置的变化规律研究，从而为 以后冰水堆积物填料在施工过程中，在不同位置的情况下，它的压实指标选取和 采取相适应的施工工艺研究打下基础。 料场左侧围 图3 - i冰水堆积物填料料场 料场右侧图 硕士学位论文第三章冰水堆积物填料路用特性研究 3 3 室内实验 3 3 1 天然含水量实验 对于确定细粒土的含水量使用烘干法【3 】是非常准确的。由于粗粒土是一种颗 粒粒径范围大、组成成份复杂的土，各种组成成份的吸水性、保水性不一，当取 样土体的级配与真实土体级配差异较大时，直接使用烘干法会造成确定出的含水 量不符合规范要求。本文采用粒组法确定粗粒土的含水量，即分别确定出土样级 配各粒组的含水量，再根据土样的典型级配进行加权平均，对冰水堆积物填料进 行天然含水量确定。 根据四分法选在料场取样中选取7 组试验土样，分别命名为z 1 、z 2 、z 3 、 z 4 、z 5 、z 6 、z 7 ，其中6 组( z l z 6 ) 土样直接采用烘干法确定含水量，第7 组( z 7 ) 土样进行粗略的筛分，采用粒组法对各种粒组分别进行含水量确定。 由于潮湿土样在进行筛分时很难过直径为l r a r a 的筛孔，则将直径小于2 r m n 的 土粒归为一类，不再进行细分。 ( 1 ) 烘干法确定含水量 采用烘干法对六组土样直接进行含水量确定，结果见表3 1 。 表3 - 1各组土样含水量表 l 编号z 1z 2z 3z 4z 5z 6 l含水量( )1 0 2 18 7 l9 4 29 9 59 6 29 6 9 从表3 1 可见，第一个和第二个土样的计算结果差值最大，为1 5 ，第三、 四、五、六组计算结果较好，符合规范要求。采用筛分法对烘干后的各组土样进 行级配分析，结果见表3 2 。从表3 2 可以看出，第一组和第二组的土样的级配 较其它组有较大差异，第二组是唯一一组有粒径超过6 0 n u n 颗粒的土样，第一组 土样最大粒径不超过4 0 n u n ，级配较不完整。结合含水量和级配，可以得出粗粒 土的级配对于含水量的影响很大。因此，第一组土样和第二组土样的含水量的确 定出现了较大的偏差。 表3 - 2土样各粒组质量百分比表 土样粒组粒径范围( m m ) 编号 6 0 6 0 4 04 0 2 02 0 1 01 0 55 2 5 ，但不满足1 c c 3 的条件。 因此，土样属于级配不良的土石混合料，其中粗颗粒( 2 i 衄) 含量为5 0 5 1 ， 粒径 3 0 时，超级颗粒 形成骨架，式( 3 1 ) 计算偏差较大。而工程实践中，p 一般都大于3 0 。田树 玉等删发现计算偏差可以用超径料含量p 和不均匀系数1 1 较为精确地表示： 11 5 r p 2 以2 币p 一万两 ( 3 - 2 )九 1 - p力( 1 4 一p ) v 。7 一十一。， g p ( 2 ) 模型级配系列延伸法及改进 模型级配系列延伸法是对选取的每个模型级配进行击实试验，得出对应的最 大干密度值。求出最大干密度值和最大粒径值的关系，将此关系进行延伸，就可 由原土样的最大粒径得出最大干密度值。根据选取模型级配方法的不同，模型级 配系列延伸法又分为剔除超粒径法【6 卯、相似级配法【6 6 】和等量代替法蚓。这三种 方法的最大干密度和最大粒径之间的关系如下： 剔除超粒径法： 岛。2 岛。+ a ( 1 9 d , , a - l g d 。1 ) ( 3 - 3 ) 相似级配法： 风。= p d , - a ( 1 9m 2 - l gm1)(3-4) 等量代替法： ( a m 2 - d 。1 ) ( 2 叩k i ) = a + b ( d 。2 - d 。i ) ( 3 5 ) 2 1 硕士学位论文第三章冰水堆积物填料路用特性研究 式中：“l 、d 皿广两个模型级配的最大粒径，m m ；。、成。：最大粒径为d m l 、 d i n 2 的最大干密度，g c m 3 ：m 一级配模数m = d h d m i ，“为原土样的最大粒径； a ，b - 卅算参数，可以通过模型级配求解。 在以上三个公式中当d = d h 或者m = i 时，便可以求出原型级配的最大干密 度。 经研究发现，上述的系列延伸法存在两个问题，一是选择的拟合曲线虽然在 试验区间与试验数据吻合，但不能反映拟合对象的变化趋势；二是选择的拟合曲 线合理，但延伸点距试验区间较远。田树玉f 6 8 】针对上述的等量代替法或剔除超 粒径法进行了改进，提出了渐近线辅助拟合法，得出模型级配的最大粒径( d ) 与相应的最大干密度( pd ) 之间的关系如下： 岛2 a p d 矿o + d b p , l ( 3 - 6 ) 式中：几当d 一时的成值；几是d 一0 时的最大干密度值。 ( 3 ) 三点近似测定法及改进 郭庆国掣6 9 1 提出可以通过以下公式求解出最大干密度： 成一2 岛曲+ p 岛曲+ 1 只一见面) 3 - 7 ) 式中：p 、p 。模型级配的最大、最小干密度。 a 日“。d 三点近似测定法是建立在最大干密度与最小干密度的差值不随颗粒最大粒 径的改变而变化这个假设上的，而这个假设是从工程实际中统计而成的，缺乏理 论基础。李祯祥等【7 0 l 从无粘性土的相对密度公式出发，推导出了公式( 3 8 ) ，对 三点近似测定法进行了改进。 1 岛一确m i n + 赤( 风哦i n i i i ) o 式中：如原位干密度或填筑干密度；a 、b 为系数，可通过模型级配求解。 ( 2 ) 土样的试验级配及主要物理指标 为更好地反映土样的级配特征，试样配制中对于相似级配中的超粒径颗粒， 采用等量替代法予以处理。图3 - 4 中的两条曲线即原始级配( 左) 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。本项研究根据不同的原样和不同的试验方案确定了不同的试验级配及配套 物理指标。 方案1 试验的试样采用等量替代法级配曲线，图3 4 中的右边一条曲线即为 其级配曲线。由于等量替代法的土体含石率为3 0 9 5 ，则方案2 、方案3 和方案 硕士学位论文第三章冰水堆积物填料路用特性研究 4 试验的试样分别采用了1 0 、5 0 和7 0 的含石率，其级配曲线如图3 - 5 。 孚 咖| 蜷 巢 刊 g 梨 球 h ， 气 - 、 术 v 删 缸 求 妞 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 o + 原级配 + 等量替代法曲线 1 0 01 010 10 o lo 0 0 l 粒径m m 图3 - 4土样原级配和等量替代法级配 徐 等量替代法级配 、l 一p 5 =