（岩土工程专业论文）填石路堤压实机理和效果检测.pdf

摘要 摘要 本文在总结填石路堤压实机理和质量检测的发展研究状况及存在问题的基础上，阐述了影响填石路 堤压实效果的各种因素和填石路堤的各种现场压实的检测方法。 简单介绍了离散单元法的发展历史及现在的发展状况，阐述了离散单元法的基本原理、基本参数和 计算方法。针对粗粒料压实的工程力学性质，为了比较真实的模拟粗粒料从摊铺到整平的一系列过程， 考虑这一过程中出现的位移不连续应力连续的特点，采用了离散单元法，在一些假设条件下，对粗粒料 的压实过程进行了数值模拟，明确提出了影响粗粒料压实的关键因素一破碎率，并对其它影响填石路堤 压实效果因素也进行了定性分析。 作者把振动压路机和有待压实的粗粒料视为三自由度的振动体系，探讨了压实计的工作原理，对压 实计本身存在的不足之处，通过振动理论，采用差分的方法进行了分析，提出了改进措施。 本文通过对填石路堤的现场检测试验的试验结果进行了分析和总结，考虑检测的难度，、检测速度以 及检测效果，明确提出了填石路堤的质量检测方法和质量控制标准。 关键词：填石路堤，压实机理，离散单元法，压实计，质量检测。 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o m p a c t i o nm e c h a n i s ma n de f f e c tt e s to f f i l l i n g s t o n es u b g r a d e b a s i n go nt h es u m m a r yo fh i s t o r y , r e s e a r c hf i e l d so fc o m p a c tm e c h a n i s ma n de f f e c tt e s to ff i l l i n g s t o n e s u b g r a d ea n de x i s t i n gp r o b l e m si ng e o t e c h i n c a le n 百n e e r i n gf i e l d ，t h ei n f l u e n c ef a c t o ro fc o m p a c t i o ne f f e c t a n de v e r y l d n d o f e x a m i n a t i o n m e t h o d o f q u a n t i t ye x a m i n eo n t h es p o t o f f i l l i n g - s t o n es u b g r a d ea i e i n t r o d n e e d t h es m n m a r yo fh i s t o r ya n dr e s e a r c hf i e l d so fd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o da r ei n t r o d u c e d ，f u r t h e r m o r e ，t h e b a s i ct h e o r y , b a s i cp a r a m e t e ra n dc a l c u l a t em e t h o do fd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o da l s oa r eb r o u g h tf o r w a r d h io r d e rt os i m u l a t i o nc o a r s e - g r a i n e ds o i lf r o ml a y i n go p e na n dt r i m m i n gt 。c o m p a c t i n gp r o c e s s f o rt h e s a k eo f t h ed i s p l a c e m e n tn o tc o n t i n u o u s l yb u ts t l e a sc o n t i n u o u s l y ，t h ea u t h o rd o n ta d a p tt h eb a s i ct h e o r i e st h a t a d o p tt i n yp a r t i c l es o i l sp r e s sa n db a s i cm e c h a n i c sm o d a l ，a c c o r d i n g t ot h e c o a r s e 。g a i n e ds o i le n g i n e e r i n g m e c h a n i c sc h a r a c t e rt h ea u t h o ra d a p tt h ed i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ( d e m ) t os i m u l a t i o nt h ep r o c e s so f c o m p a c t i o n ，n o to n l yp u tf o r w a r dt oa f f e c t i n gc o a r s e - g r a i n e ds o i lc o m p a c t i o n ak e yf a c t o r - - f r a g m e n t a t i o n r a t i oc l e a r l y , b u ta l s oq u a l i t a t i v ea n a l y s i st h er e s u l tf a c t o ro f c o a r s e g r a i n e ds o i lc o m p a c t i o n t a k i n g t h e d y n a m i c s o f v i b r a t o r y r o l l e ra n dt h e c o a r s e - g r a i n e d s o i la sa i n t e g e r w h i c hi s t h r e e d e g r e e - o f - f r e e d o mv i b r o - i m p a c ts y s t e m , t h ea u t h o rr e s e a r c h t h ec o m p a c t i o nm e t e rw o r km e c h a n i s m t h e d i s a d v a n t a g eo f t h ec o m p a c t i o n m e t e ra n da m e l i o r a t em e a s u r ea r eb r o u g h tf o r w a r d i no r d e r t os t u d y t h ed e t e c t m e t h o do f c o a r s e - g r a i n e ds o i lc o m p a c t i o n , a l a r g e n u m b e ro f t e s t so i l t h es p o t a r ec o m p l e t e dt h et e s tr e s u l ti sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ed i f f i c u l to ft e s t , t h er a p i do ft e s ta n d t h ee 丘b c to f t e s t ，t h eq u a l i t yo f c o n t r o l a n d t h eq u a l i t yo f d e t e c t m e t h o d a r e p u t f o r w a r d i n f i l l i n g 。s t o n es u b g r a d e k e y w o r d s ：f i l l i n g s t o n es u b g r a d e ，c o m p a c tm e c h a n i s m ，d i s c r e t ee l e m e n t m e t h o d , c o m p a c t i o n m e t e r q u a l i t yd e t e c t 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：善盘旦 日 期：竺兰三) 扩 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) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：差查翌 导师签名：窃象日期：押碑s 目i 当喀 绪论 0 1 研究背景 近年来，高速公路的建设在我国迅速发展。到1 9 9 8 年底，我国高速公路通车里程己达8 7 3 3 k m ，跃 居世界第八位。尤其是1 9 9 9 年阻来。在我国加大基础设施投资力度政策下，当年1 0 月底，我国高速公 路通车总里程突破一万k m ，从世界第八位跃居第四位，到年底，通车总里程达到1 ，1 万k m 。在20 0 0 年，新增高速公路6 5 0 0 公里。截止到20 01 年底，我国高速公路l9 万公里，屠世界第二位。 江苏省近年来加大了高速公路建设力度，最近1 0 多年是江苏省交通建设发展最快、投入最多、规 模最大的时期，全省纵贯南北、横穿东西的商速公路网络骨架初步形成。1 9 9 6 年，沪宁高速公路江苏段 建成，江苏省高速公路实现了“零”的突破；1 9 9 8 年，江苏省提出在加快苏南高速公路建设的同时，将高 速公路建设的重心转移到苏北，相继建设和正在建设了淮江高速公路，沂淮高速公路，连徐高速公路， 汾灌高速公路，宁宿徐高速公路，宁靖盐高速公路；2 0 0 0 年以来，江苏全省高速公路在建规模每年都保 持在1 0 0 0 公里以上。 高速公路是线形的带状构筑物，跨越地区广泛，沿线地质条件复杂。京福国道主干线江苏段徐卅i 绕 城公路东段，是交通部规划的五纵五横国道主干线和江苏省“四纵四横四联”高速公路网的重要组成部 分，是交通部规划于二十一世纪初建成的重要路段之一。该路段北起山东省枣庄市台儿庄区张子山附近 的苏鲁交界处，向南与连徐高速公路相交叉并与徐宿淮盐高速公路相连接，路线全长4 3 4 9 8 公里，与 2 0 0 0 年7 月2 8 日开工建设，于2 0 0 3 年9 月底建成通车。该项目全线土源匮乏，因此路堑石方全部用作 路基填料，全线共设计有填石路基1 4 7 4 公里，占全线路程总里程4 0 8 ( 扣除桥梁长度) 。填石路基质 量控制是关系到该路段高速公路的高质量、高速度建成的关键，而路基压实又是路基质量的根本保证。 所以对于填石路堤的压实机理的探讨，成为指导现场施工确保质量很重要的因素。压实后，路基的质量 检测也是很重要的一个环节。根据现实存在的问题，特进行相关的初步探讨。 0 2 压实理论国内外发展现状 由于压实对土的强度形成和稳定性的重要性，及各种碾压工具的出现世界各国在三十年代就对土壤 的压实进彳亍了理论研究。 ( 1 ) 对于细粒土的压实曲线，存在着以下几种解释：普洛克特( r r p r o c t o r ，1 9 3 3 ) 的毛管润滑 说，霍金吐根( ca h o g e n t o g l e r ，1 9 3 6 ) 的粘着水解释，兰姆( t w l a m b e ，1 9 6 0 ) 的颗粒定向理论及 西尔夫( j w h i i f , 1 9 5 6 ) 等人的有效应力理论。 1 )普氏认为，土中水分影响压实有两个主要因素，即毛管压力和润滑作用。土的含水量低时，土 粒子的周围有被表面的张力支撑的薄的水膜。由于表面张力产生毛管压力，使土粒子彼此拉紧， 产生较大的摩阻力，所以不易压实。随着含水量的增加，水对土粒子表面起了润滑作用，土粒 子间摩檫力减少，抗剪切强度低，因此压实时，土粒子彼此易于移动和滑动，使压实干容重增 大。随含水量增加，压实干容重增加至最大值以后，再增加含水量，由于土重水粉过多，增加 孔隙了体积，所以干容重反而下降。 2 )霍金吐根的粘着水学说，类似于普氏的润滑学说，但他过份强度粘着水的作用。因此研究表明 粘着水的厚度仅仅几个分子厚，但一般压实含水量都较大，土重的水不只限于粘着水了。有人 曾用非润滑性液体四氯化碳代替水做试验，所得到的压实曲线两者极其相似。说明霍金吐根的 粘着水的论点是不充分的。 3 )兰姆的颗粒定向理论认为，颗粒间的物理化学作用和外力作用，影响土的片状颗粒的几何学的 排列。低含水量时，孔隙水中电解质浓度大，颗粒间的吸引力大而斥力小。所以呈凝聚结构， 不易压实，干容重低；增加含水量后，孔隙内电解质浓度变小，双电层扩张，使颗粒吸力减小 而斥力加大，形成分散结构，易于压实，干容重大。这种理论的缺点，仅考虑片状土颗粒，不 适用于含非片状颗粒的土。且松尾、宋曾对大阪海湾海底粘土在不同含水量下的击实试样，做 了电子显微镜观察，指出土的孔隙水中的电解质浓度变化很小，对颗粒的排列并没有那么大的 影响。 4 】西尔夫等人的有效应力理论认为含水量量较低的土，孔隙水弯液面曲率大，较大的毛管压力在 东南大学硕士学位论文 土粒间产生较大的摩阻力，抵消了压实效应，难毗压实。进一步增加含水量，毛管压力变小， 减小了粒间摩阻力，此时，水中气孔隙相通，空气能迅速排出，在外力的作用下颗粒易于移动， 易于压实，当水肿的水足够多时土中气空隙则不在相通，空气被封闭在土中，透气性变为零， 干容重不再增加，这就达到了“最有含水量”，再增加水只会增加空隙体积，压实干容重降低， 这是由于空气封闭在土中，在外力的作用下产生很大的空隙气压力从尔减小了压实效应。 ( 2 ) 在生产实践中，发现对粗粒土的压实，振动压实对一般的静压效果较为明显，因此，各国学 者以振动理论为基础，对巨、粗粒土的振动压实进行了理论分析，并逐步形成了以下四种理论体系： 1 )重复冲击理论：振动荷载在土壤上产生周期性压力，促使土壤结构发生破坏而达到压实的目的。 因此，尽可能增大机械与土壤接触前瞬间的能量。所以耍取得较好的效果，可以通过增大机械 振动的振幅及振动部分的质量方法来实现。 2 ) 土体共振理论：土体保持自身的频率，而当土的自有频率与激振频率一致时，由于共振的作用， 使得振动压实取得最佳效果。按此理论，土体载压实过程中，自有频率不断变化，因此，要求 激振系统得频率也能随之调节以便获得好的效果。 3 )能量最小原理：这是一种从力平衡和颗粒排列的角度来研究振动压实理论。该理论认为在交变 外力作用下，土颗粒遵循能量最小原理运动。其排列会从不稳定状态转向稳定状态。在这个过 程中，土颗粒靠近，使液相、气相转移，从而到达密实。 钔内摩擦减小理论：从土壤力学的角度上来研究振动压实过程的方法。该方法认为，由于振动作 用会使土壤内摩擦角急剧减小，只需要较小的外荷载就能使土颗粒重新排列，从而达到密实。 因此，在振动压实过程中需要滚轮始终保持与土壤接触。同时，只有适宜的工艺才能达到最佳 压实效果。 虽然振动压路机在土建、道路、水坝等各类工程中普遍使用，但振动压实理论的研究却一直没 有突破性进展。以上四种理论，只能部分解释压实过程的现象，还不能完全指导工程实际，各有其 适用范围。 ( 3 ) 对压实理论的研究目的使指导工程实践，对压实实践指导的主要项目有： 1 1碾压路堤一层的虚铺厚度 2 )需要碾压多少遍才能达到公路上所规定的要求。 3 1用激振力为多少的振动压路机 这三者是相互关联的，每选择不同的参数别的参数也随之而改变。哈尔胡特根据土壤的强度极限和 压实机械在土中引起的应力来决定压实机械的最大压力：然后按土中应力和形变的关系，并从压实层中 塑性变形要均匀地分布这种观点来决定最大土层厚度的问题；最后，按照逐次压实时，土中空隙的减少 ( 或密实度的增加) ，推算应需压实遍数，至于压实机械的性质选择，则根据被压材料的性质来确定用 什么类型的机械。 o 3 压实质量控制国内外发展现状 对于填石路堤的质量控制方法，一般采用都套用细粒土的最大干密度来确定路堤的碾压效果，对于 填石路堤这种大粒径填料最大干密度的控制，各国稍有相同，美国、原苏联、日本等采用的是振动台法， 瑞典、英国采用振动夯法。但按目前的各国的规范，被测定的土料限制在某一最大粒径范围。如美国的 a s t m ( d 4 2 5 3 ) 标准规定仪器允许最大粒径d 。小于7 6 2 衄，瑞典国家标准规定仪器允许最大粒径d 一 小于3 0 m m 等等，由于现场石料的粒径远远大于6 0 m m - 7 6 2 m 。为了解决超粒径石料的最大干密度问题， s t e 口h e n s o n 采用了大型振动台进行试验研究，但因振动台太大，参数和影响因素太复杂，没有取得满意 的结果；1 9 7 2 年r j f o r s t 提出剔除超粒径料的系列延伸法；由于超粒径料的剔除，导致级配的变化， 得出的试验结果与实测有一定的差距。美国a a s h t 0 用筛孔4 7 5 m m 作为超尺寸与合适颗粒的分界限，根 据经验得出了不同超尺寸颗粒含量时，需要用不同系数来考虑超尺寸颗粒对最大干密度的影响，但效果 不佳。对于中国，1 9 5 6 年，水利部颁发的土工试验操作规程中曾列有含粒径大于5 m m 土粒的最大 最小密度的试验方法，当时限于振动台法尚不普遍，规定测定最大干密度时，需采用苏联常用的金属锤 击与捣杆捣实的分层锤击法。以后的实践表明，用这种方法测定的结果离散性大，成果不规律，在即应 用时误差较大。故在水利部1 9 6 2 年修订重版的土3 - 试验操作规程中删除了这种方法。 2 为了得到大颗粒填料的最大干密度，1 9 8 1 年史彦文提出了相似级配系列延伸法i1 9 8 7 年刘起草提 出了_ 等量代替级配系列( 双曲线关系) 延伸法；1 9 9 2 年田树玉等在上述研究的基础上，提出了渐近线辅 助拟合法“；1 9 8 9 1 9 9 3 年郭庆国等提出了超粒径粗粒土最大干密度的近似测定方法”1 ，还有一些学者 提出了固体体积法来测定超粒径粗粒土的最大干密度。尽管有许多学者研究了如何确定最大千密度的问 题，但是到目前为止没有一种方法得到了比较广泛的应用。 1 9 9 4 年交通部公路科学研究所为了测定填石路堤的最大干密度，从1 9 9 4 年8 月开始到1 9 9 8 年4 月，研制了b z y 4 2 1 2 型表面振动击实试验仪“1 ，但未见其推广。 由于填石路堤所用的石料或土石混合料，采用常规方法检查碾压结束后的密实度来控制压 实质量就遇到了困难。国外通常采用规定压实方法来控制压实质量。 ( 1 ) 英国运输部在1 9 8 6 年的公路工程技术规范中列有两类包括填石或填土石在内 的材料。类是用做一般填土的粗粒料中的l c 亚类，另一类是选用粗粒料中的6 b 亚类。这两类石料本身的技术要求见下表 ( 2 ) 英国石料技术要求表0 1 尺寸通过下列筛孔( m l r ) 的质量 均匀1 0 细 土类( m m )( )系数料值 5 0 01 2 50 60 0 6 3 石料中含有 1 0 00 - 9 5 5 5 0 k n 细料( i c ) o 一2 5 2 3 0 0 2 9 0 0 4 05 振动压路机 2 9 0 0 3 6 0 05 05 3 6 0 0 4 3 0 0 6 05 4 3 0 0 5 0 0 0 7 05 5 0 0 0 8 05 含大石块又 含细料，而且小于0 0 7 5 m m 的粉料5 ；d 3 石料中无细料。这两种土可相当于填石路 堤所用的材料。 澳大利亚压实控制指标表0 3 压实机械 振动式滚轮 i 振动夯实机 l 冲击式夯实机 p v 2jp v 3 jp v 4j p n t j p n z j p m j p p 】 j p p 2 最佳速度( k m h ) li 3i 1 3 i 3 0 l 0 9 l o 9 l 0 ，9 1 04 l 0 ，4 土类既含大石块又含细料巴 压实水平q f 9 5 割最銮筐鬟旧5 旧5 愕4 旧6 憎3 3 1 5 6 。湿l碾压遍敷illl1i1 东南大学硕士学位论文 注 湿最大层厚( 1 口m ) 1 5 02 0 03 0 03 0 04 0 03 0 0 润碾压遍数 776554 i 最大层厚( r a m ) 1 5 03 0 02 5 03 0 02 5 0 燥碾压遍数 89666 压实水平 q 产1 0 0 潮最大层厚( 皿m ) 湿碾压遍敷 湿最大层厚( m ) 1 5 03 0 02 5 03 0 02 5 0 润碾压遍数 89666 i 最大层厚o ) 2 0 01 5 02 0 0 燥碾压遍数 1 099 最佳速度( k m h ) 13l313200 90 ，9090 4 o 4 土类石料中无细料d 3 压实水平q f 9 5 最大层厚0 ) 2 0 02 0 03 0 03 0 03 5 04 0 0 3 5 0 碾压遍数 97 7544 4 压实水平 q 3 = 1 0 0 最大层厚( m m ) 2 0 02 5 03 0 03 5 03 0 0 碾压遍数 9 6878 ( 3 )美国对于用石料填筑的工程主要采用的质量控制方法是相对密度法，并提出了相对密度的 控制标准。相对密度的下限为d r = 6 5 ，相对密度的平均值为d 。= 8 0 。其中相对密度的计算 公式为 其中： 。r5 云e m “乏- - e 0 e 。一最大孔隙比； e 一一最小孔隙比； e o 一填土的孔隙比 ( 4 )德国、奥地利、瑞士和西班牙等一些国家，用静力载荷试验来控制公路工程德压实质量。 随着科技的不段发展，国外的高速公路施工，已有采用连续压实控制( c c c ) 控制路基的压实，c c c 系统包括一台振动压路机、压实度仪、压实记录系统( c d s ) 和个人计算机软件。这种连续压实系统需 要采用动力压路机，可以是振动式的，而不能是静力压路机。压实度仪式安装在压路机的压实检测设备， 它测量和评价压路机滚轮对被压层表面的每次冲击作用。压实度仪通过一加速度传感器来测量竖向振 动，并将测量结果转为电信号传送给处理器。处理器根据信号计算出压实仪值( c m v ) 、频率和谐振仪 值( r m v ) ，并将这些数值显示在各种仪表上。 c m v 随被压实土层坚实度的增加而提高，土层压实程度越高，c m v 就越大。对于给定的基层和压 路机，总是存在一个最大的压实度。当达到最大压实度后，c m v 停止增加。据此，压路机操作者就知 道进一步压实将不再增加压实度，除非更换功能更强大的振动压路机。 压实记录系统( c d s ) 安装在压路机操作者的前方，与压实度仪之间保持电信号连接，它可以随时 显示结果。在整个压实过程以后，可以在现场将连续压实控制系统记录的报告打印出来。 国内系统研究高速公路中填石路基问题的单位不多，过去的一些研究，主要集中在高速公路填石路 堤的施工工艺方面，而对于高速公路填石路基的现场质量控制和快速的质量检测方法研究较少。填石路 4 堤的压实度往往会产生上部较下部压实度高的现象，这种现象常常会造成填石路堤的沉降不稳定，产生 不均匀沉陷、甚至在路堤顶面或路面表面( 铺筑路面和开放交通后) 产生严重的纵向裂缝和断面变形。由 填石路堤因其填料石质坚硬，粒径大小不一，因此采用土质路堤的压实度难以控制，根据我国实际情况， 目前主要施工工艺管理配合下列质量检测方法进行控制 1 ) 灌砂法、灌水法容重试验：灌砂法容重试验，先在试验地点挖试坑，挖好试坑后，将从试坑挖 出的试样全部称重，然后用容重比较稳定的标准砂灌满试坑，量测试坑的体积，该体积与试样 重量相除，即得试样的容重。对于粒径较大的材料，如砂砾石，堆石等，试坑直径较大，试验 的地表面预先不易整平，最好采用灌水法为了能较精确的测定试坑体积，试验时，增加一个套 环，在套环上定一个参考平面( 灌砂法一般以套环顶面作为参考平面) 。 2 ) 表面沉降的质量控制：在填料表面设一些参考点，涂上油漆等作好标志，量测参考点碾压前后 的相对高程，计算其表面沉降量和沉降率( 沉降量与层厚的百分比) 根据沉降量或沉降率判断 压实程度堆石料的容重试验工作量较大，一般常用表面沉降量控制其压实质量此种方法是 采用许多参考点的沉降量的平均值，有很好的代表性。 3 )表面波密度仪测定：表面波密度仪是以表面波理论为依据，建立压实度和表面波波速之间的关 系，通过测定表面波的波速来测定路堤的压实度。 4 ) 动力圆锥贯八仪( d c p ) ：动态圆锥灌入仪是属于小型轻便地基土原位测试的触探仪，通过建立 压实度和贯入值之间的关系测定路堤压实度。 5 ) 弯沉仪测定：这是一种很常见的路基测定仪器。通过测定弯沉来反算路堤的弹性模量。 6 ) 落锤式弯沉仪( f w d ) 检测：f w d 是通过测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盘，并由 此反算路基各深度的动态弹性模量。 7 ) 承载板法：它主要用来测定路堤填筑后的整体强度，通过路堤的整体强度来反映压实效果。 8 )附加质量法：附加质量法是根据单自由度体系的振动理论，将压实石料等效为“质量弹簧系统”， 利用“附加质量”，根据不同体系的振动频率，求得地基土得参振质量，由地层纵波传播速度与 参振体积得关系，求得参振体积，有了测点得质量和体积，便可求得石料的密度。 9 ) 压实计：压实计方法于7 0 年代末首先载德国和瑞典，后来各国已投入运用。是通过量测分析振 动碾滚筒与被压实土体问的相互作用，了解压实土体密实程度的仪器压实计由加速度计、数据 处理张置和指示表头放在驾驶室，中间有电缆联结。碾压一遍时土体比较琉松，可近似地看成 一个松软的弹性体，振动碾滚筒在其上面作铅直方向振动时，受到的反作用力小，基本上做正 弦运动。随着碾压遍书增加、土体对滚筒的反作用力也相应的增加，则加速度波形发生变化， 波形的变化程度土土体压实程度之间存在着一定关系，压实计就是根据这个原理设计成的。中 国水利水电科学研究院研制的y s 一1 型压实计也被用于控制石料的压实质量a l o ) 核子密度仪：主要利用放射性同位素来测定路堤的密实度。 0 4 研究任务 填石路堤是指由不易风化的开山石料填筑的路堤。根据国内外发展现状的比较分析，本论文重点要 解决的问题如下： ( 1 )最佳的施工工艺：压实是振动作用和待压材料相互作用的结果，在待压材料由松散转化为 密实的过程中，反作用是变化的，如何使松散的土石混合料达到最大的密实度是压实研究 首先要解决的问题。f 习题的复杂性在于最终的压实是作用与反作用的综合，包括材料的因 素( 原材料的规格与性质、集料的级配、含水量) ，振动作用( 激振力、振幅、频率) 及 其相互影响。显然填石路堤的最佳振动工艺较细粒土的更为复杂，这里存在一个颗粒最佳 排列组合的问题。 ( 2 )使用性能：掌握了达到最大密实度的工艺规律后，并不等于产生了标准压实法。虽然大多 数情况下粒料被压得愈密实，强度与稳定性就愈好，但并非绝对，还需考虑经济因素。从 原则上来说，压实标准应综合包括压实特性与使用性能两方面的工程性质，并满足经济效 益的要求。 ( 3 ) 在填石路堤施工完成以后，必须对填石路堤的施工质量进行检测，尽管在国内目前大概采 用了十种方法来进行检测，但这些方法要么是从细粒土填筑路堤的质量控制角度来检测， 东南大学硕士学位论文 要么是从地质勘探的角度来进行质量检测。由于最大干密度的确定和现场检测都存在一定 的困难，国外的( c c c ) 系统无疑是目前发展的方向。 0 5 本文主要工作 为了研究高速公路填石路堤的压实机理和压实特性，寻求最佳的施工工艺和使用性能，采用离散单 元对填石路堤的压舞睛况进行数值模拟分析。对数值模拟和现场测试的结果进行分析，得出最佳得施工 工艺和质量检测方法。 ( 1 ) 根据填石路堤的工程力学性质，研究填石路堤的颗粒级配对填石路堤压实质量的影响。 ( 2 )研究现场振动压路机的激振力、振幅、频率、行走速度对填石路堤压实效果的影响，确定 振动压路机的最佳工作参数。 ( 3 )研究振动压路机的碾压遍数对填石路堤压实效果的影响，考虑经济因素，确定最佳的碾压 遍数。 ( 4 ) 研究填石踌堤的质量检测方法，并在现场用各种检测方法对填石路堤的施工质量进行检 测，并分析比较检测结果。提出有效的质量检测方法。 ( 5 )紧追国外的发展趋势，在明白中国水利科学研究院研制的y s - 1 压实计的原理上，根据现 场测试发现的不足，提出一定的改进措施。以方便现场的施工控制。 6 塑二兰望亘堕塑望里塞堑堂旦签 第一章填石路堤的压实特性研究 1 1 引言 压实是路基填筑过程中的一个重要组成部分，因为压实结果对道路的质量和寿命有着决定性韵影 响，有效的压实能显著改变填方的承载力和稳定性，从而可以大大减少公路的维修费用。国内对细粒土 作为路基填料的压实性能做了大量深入系统的研究工作，而对填石路堤的研究甚少，在修建填石路堤时， 压实工作还未引起足够的重视，甚至有人认为填石不加碾压，到路槽时在进行一次整平碾压就可以满足 工程要求。 对于尺寸不一的大块石和碎石屑的路用石料而言，在碾压的过程中将发生颗粒的互相靠近、重新排 列、颗粒破碎、小颗粒进入大颗粒的孔隙中，通过颗粒的运动，单位体积内固体颗粒数量增加，密度增 大、孔隙率减少，这过程就是压实。对石料压实特性进行研究，将为高速公路路堤填料压实参数的选择 提供一定的理论依据。 1 2 压实理论 静力光轮压路机、轮胎压路机和静力羊足主要是由于它对路堤填料表面大小不同的静压力工作起到 压实作用。而轮胎压路机和羊足压路机则主要对路堤填料起静压和揉搓作用。各种不同的压路机对路堤 填料基本上可分为静压、冲击和振动三种作用。 石料处在松散时比较容易被压缩，随着压实度的不断增加，石料变得越来越密实而且富有弹性。 冲击比静荷载能对路堤填料产生更大的作用力，压缩或压力波从表面传到层内，在很深处也产生大 得压力。用重锤冲击土或岩石填方，以便达到很大影响深度的方法，近几年来已有了进一步的发展。 在振动时，振动必须与一定大小的压力和剪切力联合作用，以便克服颗粒之间的摩擦力，否则就会 妨碍颗粒位移。 振动压实时，压达到预期的结果，主要取决于两种因素”1 ： ( ”颗粒的运动状态。消除内摩擦力后，为填石路堤的有效压实仓q 造了条件； ( 2 ) 振动压路机对石料颗粒产生的压力和剪切应力。这些应力一部分是由于振动压路机的静压所 产生的静作用力，而另一部分是压力波形式的动力。 1 3 压实的影啊凼素 1 3 1 石料的粗细对填石路堤压实特性的影响 土体的压实过程是三相体系即颗粒、空气和水重新组合的过程。而石料的压实过程是大小颗粒在压 力的作用下克服颗粒间的摩擦阻力、大小颗粒相互嵌挤、重新排列、使空隙体积减少、单位体积质量增 加的过程。判断石方填石路堤是否密实，就是检验颗粒之间相互嵌挤、紧密的程度。压密固结程度对填 石路堤的工程性质的稳定性和沉降量有直接影响，所以填石路堤对压实程度要求相对较高。 填料的粒度成分是影响填石路堤的重要因素，根据现场模拟压实试验的结果，填石路堤的可压密程 度与石料的粒度分布特征参数之间在量值上表现很强的关联性，填石路堤的粒度分布越好，可压密的程 度就越高。实际上，对于填石压密程度的影响不仅仅是取决于粒度分布的均匀程度，同时也受到细小颗 粒的含量的控制，如果适当提高石料中细小颗粒的含量，其压密程度可得到明显的改善。 影响填石路堤的压实特性的主要因素是石料自身的力学性质和颗粒组成等内在因素。尽管石料的种 类、产地、成因、组成不同，但它们的干密度与粗料( 或者细料) 含量之间的变化规律是一致的，即先是 干密度随粗集料含量的增大而增大，当粗料含量增至某值以后，干密度达最大值，此时的粗料含量称为 最佳粗料含量，当粗料含量大于最佳粗料含量时，干密度反而随着粗料含量的增大而减小。 因为在粗 颗粒比较少的时候，干密度随粗料含量增大而增大，随粗料含量增加，粗料颗粒逐渐起骨架作用，细料 填充孔隙，粗料颗粒相互填充得更加紧密，当粗料含量等于最佳粗料含量时，粗粒颗粒形成完整骨架， 细料又能填满骨架孔隙，粗、细料共同传递外力，颗粒间挤压得更紧密，密度值达最大值；当粗料含量 大于最佳粗料含量时，随着粗料的增加，细料的数量不能填充满粗料间的孔隙，粗料呈架空状态，且外 7 东南大学硕士学位论文 力仅被粗颗粒构成的骨架所承担，而处于孔隙中的细料得不到压实，则干密度值减小。 已有试验资料表明”1 ( 如图i - i ) ，当粗料含量 为3 0 4 0 时，粗料颗粒有局部接触，开始骨架起 作用；当粗料含量为6 5 一7 5 时，粗颗粒完全形成 骨架，细料又# 填满孔隙，干密度达最大值。这说 明了当粗料含量为3 0 帖一4 0 时，石料的压实特性主 要决定于细料的颗粒组成和性质，粗料颗粒只起填 充和影响作用；当粗料含量为4 0 一7 0 时，粗、细 料颗粒相互填充， 共同起骨架作用，压实特性决定于粗、细料两者的 性质和相互填充的效果，并随粗料含量的增加，压 实特性逐渐向粗料一方转化；当粗料含量大于7 0 以后，因粗料颗粒形成骨架，细料填不满孔隙，压 实特性主要决定于粗料级配和性质，细料只起填充 和影响作用。 l i3 2 细料性质对填石路堤压实度的影响 ，：91 11 31 5 。封1 92 l鬻农爨 图1 _ 1 不同含石量与最大干密度的曲线图 在同一压实度下，干密度随粗料含量和含泥量的不同而不同。当粗料含量为6 0 、6 5 和7 0 时的干 密度随含泥量的变化规律是一致的，即干密度随含泥量的增大而减小； 当粗料含量为7 5 和8 0 两种情况，千密度随含泥量的变化规律一致，先是随含泥量的增大而增大。 当含泥量为1 0 左右时，干密度值最大：当大子1 0 以后，干密度随含泥量的增大而减小。之所以呈现 这种规律，是因为当粗料含量小于7 0 情况下，粗料形成骨架，细料又能填满孔隙，细料的颗粒愈细， 颗粒数愈多，比表面积愈大，同体积的颗粒重量愈小，故出现千密度随含泥量的增大而减小之规律；当 粗料含量大于7 0 时，细料因含量减少而填不满粗料的孔隙，影响到干密度减小，在细料中含有更细的 泥颗粒( d o i m m 或d 0 5 ，说明阻尼吸收能量 过多，应减小质量阻尼；在r 05 时，说明系统动能改变过大，应考虑加大质量阻尼。计算表明，质 量阻尼的取值对收敛影响较大，在目前质量n ) g 难以确定的情况下，采用上述方法是比较有效的。 刚度阻尼力和 接触点处的刚度阻尼力和一，与该点的相对位移方向相反，根据离敞元的假定有 = 一卢k a u 。 ( 2 1 1 ) = k a u ， ( 2 1 2 ) 式中，卢为刚度阻尼系数，= 时，丑含义同( 2 9 ) 式a 计算表明，采用这种形式的刚度 阻尼力，口的取值对收敛影响不大。 ( 4 ) 摩擦阻尼力 如果法向接触力只， o ，根据无拉力准则，有 昂= 0e 。= 0 ( 2 1 3 ) d ；= 0d ；= 0 ( 21 4 ) 若1 日l o s i g n ( 曲= 0 x = 0 ( 2 1 7 ) j lz 0 ( 5 ) 计算时步血的确定 由于d e m 是一种迭代求解方法，所咀迭代时间步长的选取是一个很关键的问题，它直接关系到计 算过程的稳定性。一般来说，在保证稳定性和保证精度的前提下，都希望尽可能取较大的时间步长。因 为这样可以较少的迭代次数达到相同的迭代时间，以便节约机时。d e m 中，颗粒单元的基本运动方程 为： m i ( t ) + 西( f ) + 向f ) = f ( t ) ( 21 8 ) 式中是单元的质量，x 是位移，f 是时间，c 是粘性阻尼系数，是刚度系数，f 是单元受到的外 力。 利用中心差分法，上式可写成 1 7 一一 查堕查兰堡主兰垡堡苎 m x ( t + f x t ) - 了2 忑x ( i t ) + x ( t - 一a t ) 4 - c x ( t + a t ) - x ( t - a t ) + h 0 ) = f ( f ) ( 219 )2a(f1t “、7 根据差分理论，要使上式获得x ( f ) 的稳定解，在选择最大时步的前提下，尚须满足如下关系 ， a t s 2 1 等( l4 - f 2 一f )( 2 2 0 ) 其中f = c 2 a i n k ，是系统的阻尼比。 由于颗粒组合体一般是由众多质量不同，刚度系数相同的颗粒组成组成。在迭代计算的过程中，时 间步长的选取就有两种方法。是选择固定大小的时间步长，但要保证所选择的时间步长的大小须小于 迭代过程中不同时刻各种不同组合下的上式的最小值；另一种方法就是变时步的方法。即在每一步的迭 代计算过程中，计算出上式的最小值，然后确定出的最大值。这种方法虽然能保证每次选择的时步都 是最可能大的时步，但增加了计算的工作量和程序的复杂性，实际结果并不一定能节约机时。所以在本 文中，采用固定时步的计算方法，f 一般取在0 0 5 毫秒左右。 ( 6 ) 动力平衡方程 以图2 - 2 中颗粒为例，其动力平衡方程为 m 。4 - 蜊。i ：= e m 2 y + 俐i y = g 一g ，4 口十搿1 1 0 = m 1 其中 e = 露+ 魄。 e = g + 联。 m 1 = 眄x 。一x 2 ) 一p ( 旷一y i ) 其中 - 譬= 一( e 。+ d 7 ) c o s 口一( 目+ - ) s j n 口 f ：= 一吁；+ d ) s i n j z 一晤；+ d ；) c o s 口 ( 22 1 ) ( 2 2 2 ) 犯2 3 ) ( 22 4 ) r 2 ，2 5 ) r 22 6 ) ( 22 7 ) ( 2 2 8 ) 2 4 离散单元法的基本方程及计算过程 离散元的基本解法有动态松驰法和静态松驰法。前者为显示差分格式，而后者为隐式差分格式。目 前以动态松驰法应用较为广泛。 动态松驰法是把非线性静力问题转化为动力学问题求解的一种数值方法，该方法的实质是对临界阻 尼振动方程进行逐步积分。 为了保证得到准静力解，引入了质量阻尼和刚度阻尼吸收系统的动能小于i | 缶界值时，系统的振动很 快消失，块体系统收敛于准静态值。 就d e m 本身而言，它的原理和计算过程是极其简单的。在任意时刻t ，考虑每一石料颗粒单元受力 作用后产生的运动，由牛顿第二运动定律可得 i 磐掣：鲤垒 ( 2 2 9 ) 咒2 1 2 f 叫 。矿 d f ( m 。) ， i - l ，2 ，n 第二章填石路堤压实过程的数值模拟 其中x i 、f 和m ，分别表示位移、力和质量，只、m 和j ，分别表示角位移、力矩和转动惯量。 对时刻t 的加速度用中心差分格式可表示为 望：堂兰二坐垫 西缸 a 矽? 一( 彰+ ，一彭) 1 厂一f ( 23 1 ) r 2 3 2 ) 将上式整理口j 得 t + ：i ；r 一+ 堡鱼地 m l 茸嘣，：目j 嘣，+ 堡竽地( 2 。) 由f + 必时刻得速度可得f + 出时刻的位移 譬“) ：x 尸+ 圣j 哆f ( 23 5 ) 咿岫= 0 i ( d + 矿a t ( 2 3 6 ) ， 这样颗粒单元m 就移动到一个新的位置，并导致产生新的接触力和接触力矩，计算其所受的台力 ( f ( t + a o ) ，和合力矩( j 】l 彳“) ，返回式( 2 3 3 ) 和式( 23 4 ) 循环计算。这个循环过程一直下去， 2 5 离散单元的应用 由于填石路堤是由不易风化的开山石料填筑而成的，要考虑填石路堤的压实特性，必须考虑填石路 堤的填筑材料，而石料颗粒不同岩石、砂和一般细粒土，岩石和石料颗粒相比，前者具有很强的联结力， 可以划分为连续介质的范畴。而一般的细粒土的碾压只要控制好含水量，其现场的质量控制已经比较成 熟了。而对于填石路堤来说，其现场碾压的质量和含水量的关系已经不明显了。石料颗粒不同于砂的关 键在于其颗粒的尺寸过大，且级配不好控制。对于填石路堤的压实由于其影响很多，需要针对各种影响 因素进行考虑。要研究振动机械与石料颗粒之间的相互作用、石料颗粒由于受迫振动，石料颗粒的激励 响应、其振动时的分行行为、石料颗粒堆积的自组织行为等等问题，由于石料颗粒本身不断的运动、颗 粒之间的接触和分离已经很难用要求位移连续应力连续的有限单元法来分析了，故采用用于分析岩石力 学和岩石特性的离散单元法来进行分析。 1 9 一 变堕奎兰堡圭兰焦堡苎 图2 - 5 堆石料的压实情况示意图 从现场压实的过程来说，石料的密实表现在其颗粒之间的松散程度，石料颗粒之间的作用力是靠颗 粒的相互作用来传递的。为了研究颗粒之间的相互作用和进一步了解填石路堤石料的压实机理及其压实 过程，对石料的结构模型进行了建立。 2 6 石料颗粒的结构模型的建立 2 6 1 石料颗粒实际的结构特征 ( 1 ) 石料的粒径分布范围一般较宽，可以是 6 0 m m 的漂石： ( 2 ) 石料中的粗颗粒为单粒体结构，但细颗粒一般不是单粒体结构； ( 3 ) 各种粒径的颗粒随机分布，小颗粒填充在大颗粒间的空隙中； ( 4 ) 粗颗粒的形状并非圆形，表面不一定光滑，颗粒之间可以产生相对滑动； ( 5 ) 粗颗粒在外力的作用下，可能破碎。 2 6 2 石料颗粒理想结构模型的建立 考虑现实情况，由于问题的复杂性，和计算机的能力限制，必须对工程实际中遇到的问题作一些假 设。 ( 1 ) 石料颗粒的颗粒形状是圆形，半径随机选择； ( 2 ) 石料颗粒的力学参