（道路与铁道工程专业论文）土石混合料力学特性的试验研究.pdf

摘要 摘要 随着土石混合料越来越广泛的被道路、堤坝、基础等工程采用，快速、准确 地预测其抗剪强度指标不仅有利于设计、计算，也有利于施工方案的制定和压实 方法的选择，而现有的石混合料的工程分类多从颗粒粒径和各粒组含量进行分 类，无法从分类上判断其强度指标。本文依托交通部西部建设科技项目“土石混 填路基修筑技术研究”，结合现场大型直剪试验、室内击实试验、室内大型剪切试 验、三轴试验及室内试验的颗粒离散元p f c 3 d 数值模拟的试验结果，采用岩性、 含石量和混合料颗粒组成的分形指标，将土石混合料按不同层次分为不同的类别， 并由试验得出各类别土石混合料的强度差异，该综合分类法指标简单，易于实际 应用，并可根据分类预测混合料的强度指标，具有较高的工程应用价值。 在室内剪切试验中，考虑土石混合料组成及三轴试验的复杂性，主要采用大 型直剪试验研究土石混合料力学特性的变化规律，并与现场大型直剪试验、室内 大型三轴试验及室内大型直剪试验的数值模拟对比。为了克服由于大型直剪仪自 身结构及性能存在的许多问题，及其造成的直剪试验结果与其试验原理的应用条 件及混合料的实际强度的偏差。本研究对室内大型直剪试验进行了改进，研发了 新型的土石混合料室内大型直剪试验系统，克服了常规直剪仪存在的主要问题， 还可以进行剪胀率、剪切面起伏特征、剪切面分形等研究，使得试验结果更精确、 可靠，试验分析更完善。 本文通过试验研究了土石混合料力学特性随岩性、含石量、密实度及颗粒最 大粒径等影响因素的变化规律，分析了土石混合料的剪胀性能、剪切面的起伏特 征和分形特征、土石混合料的剪切变形破坏方式，经比较现场试验、室内试验及 数值模拟的结果基本一致，并依据试验结果建立了不同类别土石混合料力学特性 指标的预测模型，可通过模型快速预测不同类型土石混合料的力学特性指标。 本研究的创新之处在于：提出了以岩性、含石量以及颗粒组成分形为指标的 土石混合料综合分类方法；研制了能够确保试验过程中垂直荷载恒定并保持不偏 心的新型直剪试验系统；通过大量的、系统的试验，分析了不同类别土石混合料 的力学特性随各影响因素的变化规律；首次进行了剪切面起伏特征的研究，并通 过分形理论，初步建立了剪切面分形与强度指标的关系。 关键词：土石混合料；工程分类；力学特性；大型直剪试验；数值模拟；分 形。 a b s t p a c t a b s t r a c t p r e e s t i m a t et h ei n t e n s i t yo fr o c k s o i la g g r e g a t em i x t u r eq u i c k l ya n d a c c u r a c yi sn o to n l yp r o p i t i o u st od e s i g na n dc a l c u l a t e ，b u ta l s ot o e s t a b l i s ht h ec o n s t r u c t i o ns c h e m ea n dc h o o s ep r o p e r l yc o m p a c t i n gm e t h o d ， w h i l et h e m i x t u r ea r eb r o a d l yu s e di nr o a d b e d ，d y k e sa n dd a m s ，a n d f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g b u tt h ec a t e g o r ye x i s t e da r ea l w a y ss e ta b o u tf r o m t h eg r a i nc o m p o s i t i o n ，a n dc a nn o tp r e d i c ti t ss t r e n g t h t h ea r t i c l e s u p p o r t e db yw e s t c o n s t r u c ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i t e m o fm i n i s t r yo f c o m m u n i c a t i o n s ：s t u d yo nt h ec o n s t r u c tt e c h n o l o g yo fr o c k s o l lr o a d b e d ， b a s e do ns h e a r t e s to ns i t e ，l a bl a r g e s c a l es h e a rt e s t ，c o m p a c t i o nt e s t a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yp f c 3 d ，a s s o r tt h e m i x t u r ei n t od i f f e r e n tl e v e l s a n dk i n d sa c c o r d i n gt ot h ei n t e n s i t yo fr o c ka n ds o i l ，t h er a t i oo fr o c k t os o i la n dt h ef r a c t i o ne i g e n v a l u eo fg r a n u l e ，p u tf o r w a r dt h ed i v e r s i t y o ni n t e n s i t yo fd i f f e r e n tk i n d sm i x t u r em e a n w h i l e t h i sa s s o r tm e t h o di s c o n v e n i e n tt oa p p l yi np r a c t i c ef o r t h ec r i t e r i o no f t h i sm e t h o da n d r e p r e s e n t a t i v es t r e n g t ho fm i x t u r ea r ee a s yt og e t c o n t r a s tw i t hs h e a r t e s to ns i t e ，l a bt r i a x i a lt e s ta n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，w ea d o p tl a bl a r g e s c a l es h e a rt e s tt or e s e a r c ht h em e c h a n i c s c h a r a c t e ro fd i f f e r e n tk i n d sm i x t u r e s ，t h o u g hi t i ss l i g h t l yd e p a r t u r ef r o m i t st e s tp r i n c i p l e _ m o h r c o u l o m bl a w t oc o r r e c tt h i sp r o b l e mo fs h e a r t e s t ，w ei m p r o v e dt h ee q u i p m e n to fl a bl a r g e s c a l es h e a rt e s ta n dd e v e l o p e d a ne s p e c i a l l yn e wo n ew h i c ho v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so f n o r m a le q u i p m e n t ， m a k et h er e s u l tm o r ea c c u r a c ya n dc a nd om o r ea n a l y z ea b o u tt h es h e a rs u r f a c e ， d il a t a b i1 it yo ft h em i x t u r eo n l yt h r o u g hs h e a rt e s t w eg e tt h ev a r yr u l e so fm e c h a n ic sc h a r a c t e r ，s t u d yt h ed il a t a b il it y a n df r a c t a lc h a r a c t e r so fs h e a rs u r f a c e ，a n a l y z e dt h ed i s t o r t i o nm a n n e r o fd i f f e r e n tk i n d sm i x t u r e w eb u i i dt h ef o r e c a s tm o d e lt h o u g ht e s tr e s u l t s ， w h i l et h er e s u l t sa r eg e n e r a l l ys a m eb yd i f f e r e n tt e s t ，s ow ec a nu s et h e m o d e lt op r e e s t i m a t et h em e c h a n i c si n d e xo fm i x t u r eq u i c k l y t h eo r i g i n a l i t i e so ft h es t u d yc o n s i s t ：p u tf o r w a r di n t e g r a t ea s s o r t m e t h o do fm i x t u r ea c c o r d i n gt o1 i t h o l o g y ，r o c k s o i lr a t i oa n df r a c t a l c h a r a c t e ro fg r a n u l ec o m p o s i t i o n ，i m p r o v et h ee q u i p m e n t so fs h e a rt e s t w h i c hc a nk e e pv e r t i c a ls t r e s si n v a r i a b l e n e s sa n da v o i de c c e n t r i c i t y ，g e t 垒! 型! 壁 一 t h ev a r yr u l e so fm e c h a n i a sc h a r a c t e rt h r o u g hs y s t e m a t i ca n dv a s t s c a l e t e s t ，s t u d yt h eg u r g i t a t i o nc h a r a c t e ro ft h es h e a rt e s ts u r f e r sf i r s ta n d b u i l dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t e n s i t yi n d e xa n df r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c n u m b e rt h r o u g hn o n li n e a rf r a c t a lt h e o r y k e y w o r d s ：r o c k s o i1 a g g r e g a t e m i x t u r e ：e n g i n e e r i n gc a t e g o r y ： m e c h a n i c sc h a r a c t e r ：l a r g e s c a l es h e a rt e s t ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：f r a c t a l 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 e 弓 ，童月 铱 ； 签 年 者 卜 怍 文论 ： 位 期 学 日 重庆交通学院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 重庆交通学院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。 保密占 在二年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名：一，咎馕第 日期： 盯年j 月1 日日期：砑年；月3 ir ，乃 出黟 j i 等 引言 西部大开发是我国实现地区平衡发展和可持续发展的重大战略举措。开发西 部首先必须解决公路交通等基础设施的建设问题。为贯彻落实党中央、国务院关 于西部大开发的战略决策，进一步加快西部公路交通建设的发展，全面推进西部 地区的经济建设和社会进步，交通部于2 0 0 0 年提出了加快西部地区公路建设的三 阶段目标：一是用5 到l o 年时间使西部地区交通基础设施有明显改善，为国家西 部大开发战略的实施创造比较有利的交通条件；二是再用1 0 年左右时间，即到2 0 2 0 年初步建成西部地区公路骨架网络；三是再用3 0 年左右的时间，即到2 1 世纪中 叶建成现代化公路运输网络。 西部地区多为山岭丘陵区，修筑公路、铁路、土石坝等必然采用山体开挖得 到的土石混合料，事实上，士石混合料作为一种填料正越来越广泛地在工程中应 用。但由于这种填料颗粒粒度变化大且难以控制，强度和变形指标随混合料的颗 粒组成、岩石的生成条件和风化程度、含石量等变化较大，加之其含水量极不均 匀，再加之传统的检测方法如三轴试验、大型直剪试验等操作较为复杂，或受仪 器设备的局限不能准确测定相关的强度和变形指标，使得在实际工程中很难方便 准确的确定混合料的强度和变形指标，致使施工质量得不到可靠的保证，经常出 现工程质量事故，如长潭高速公路k 1 8 k 1 9 段，在1 9 9 6 年春路基顶面两侧均出 现了两条长6 0 m 7 0 m ，宽2 c m 的裂缝，且伴有明显沉降，不得不进行灌浆加固处 理。太旧高速公路k 1 4 3 路段土石混填路基于1 9 9 5 年7 月发现超限下沉，并在路 基边缘出现开裂现象。国道1 0 8 线k 2 + 2 8 5 3 4 6 段在路基施工完毕不久，便发生 沉降，并由此影响了路面底基层的证常铺筑等。因此，进行土石混合料强度和变 形特性及检测方法的研究已成为当前土石混合料工程应用急需解决的关键课题。 目前，对于土石混合料压实特性和物理力学特性的认识，都是建立在细粒土 的基础上，由于土石混合料在颗粒组成等方面与其它均质细土料不同，很明显其 力学特性与细土料的力学特性有着本质上的差别。事实上，目前许多土石混填路 基出现的稳定与沉降问题，无不与此有关。因此，研究土石混合料力学特性，将 是十分重要的，也是确保土石混填路基具有良好的稳定性和较小的沉降的关键。 本论文依托交通部西部建设科技项目“土石混填路基修筑技术研究”，进行了 大量的室内外试验和数值模拟，并结合相关规范及前人的研究成果，引入非线性 的分形几何学等，对土石混合料进行了工程分类，研究了土石混合料的力学特性 指标随岩性、含石量、颗粒粒径等影响因素的变化规律。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 本课题的研究具有重要的意义和实际应用价值，如引言中所述，随着土石混 合料越来越广泛的被道路、堤坝、基础等工程采用，快速、准确的预测和确定其 抗剪强度指标不仅有利于设计、计算，也有利于施工方案的制定和压实方法的选 择。 土石混合料的特殊性，主要是因为它是由土和石两种工程性质悬殊的固体颗 粒及水、气组成的复杂的三相分散系，其性质与土和石的性质、含石量、固体颗 粒的大小、形状和分布特征有关。受上述各种因素的影响，混合料中粗颗粒的排 列方向、分布、接触方式不同，从而使其变形和强度特征在不同的方向上会有所 变化。在荷载作用下，颗粒可能出现滑动、滚动、挠曲和破碎，同时，土石混合 料中的颗粒发生重新排列，原有的孑l 隙被填充，产生变形。因此，在力学分析中， 必须充分考虑到土石混合料内部细观结构的变化特征，将细观结构和宏观现象统 一起来，建立相应的强度和变形理论。土石混合料的特殊性还表现在区域性的影 响特别显著，在不同地区的公路、铁路及堤坝的建设中，作为填料的土石混合料 也因地而异、千差万别，其强度及变形特性地区性差别显著。因此需要对不同地 区的土石混填路基工程进行大量和细致的勘察、试验及研究工作，包括室内试验、 现场试验和施工以及施工现场质量控制和监测。但更为重要的是通过大量的室内 和现场试验在理论上对土石混合料的压实、物理力学特性进行综合分析研究，为 工程应用提供理论依据，并验证设计、施工中的一些重要参数。 应用土石混合料修筑公路、铁路、堤坝等需要解决的问题很多，但最主要、 最核心的问题是土石混合料本身的强度、变形性能。不同的土石混合料具有不同 的物理力学特性和施工特性，在实际设计和施工过程中，工程技术人员总希望通 过简单试验，能对其使用性能进行基本判断。为达到这一目的，最捷径的方法是 根据其物理力学特性结合公路的特点进行分类，并建立各类土石混合料力学特性 的预测模型。根据混合料的组成特点，结合室内试验，对其进行系统研究具有较 大的实用价值。 ( 1 ) 确定土石混合料的分类及各类石混合料的力学特性的变化规律； ( 2 ) 根据经验概略地鉴定各类混合料的工程性质，初步评价各类土石混合料 作为填料的适用性： ( 3 ) 综合反映各类土石混合料的强度、变形指标，快速预测混合料的强度等 力学特性指标，为施工和设计服务。 第一章绪论 ( 4 ) 明确对各类土石混合料深入开展强度、变形研究的重点内容、试验项目， 试验方法和手段。 1 2 研究内容和研究目标 1 2 1 研究内容 土石混合料不同于细粒土，它的物理力学性质是由土、石的性质、含石量及 颗粒组成因素等所决定。因此，本研究重点内容包括：确定土石混合料的工程分 类；研究不同类别土石混合料的抗剪强度参数( c 、巾值) 和变形参数( 如弹性模 量e s ) 及其随土石性质，土石比等影响因素的变化规律，最终确定各影响因素对 强度和变形参数的影响程度，建立土石混合料力学特性的预测模型。 1 2 2 研究目标 本项研究预期达到以下目标： ( 1 ) 确定土石混合料分类指标和分类标准，建立土石混合料分类指标体系； ( 2 ) 提出土石混合料抗剪强度特性、变形特性及其变化规律； ( 3 ) 提出土石混合料力学性质预测方法。 1 3 研究方法 鉴于本研究的主要目的在于解决工程中的实际问题，同时在土石混合料的分 类指标、抗剪强度、压实及变形指标的确定和检测手段方面有所创新。因此，在 研究方法上，主要考虑满足工程实际需要和新技术的应用，本研究不仅从理论上 探讨非饱和土石混合料的强度和变形特性，而是依据大量的现场和室内试验，尽 可能考虑施工中的可操作性，通过大量试验及对试验结果的统计分析和处理，结 合室内的物理模拟试验和数值模拟试验，并应用分形等f j 沿学科及计算机技术， 采用遗传算法等提出土石混合料力学特性的预测模型。既考虑了试验、检测等在 实际工程中的可操作性，同时又考虑在成果处理等方面应用新技术、新方法，尽 可能地反映土石混合料特有的工程性质。 总体研究路线为：文献检索一现场试验一室内试验一数值模拟分析一数据整 理及理论分析一论文撰写。 1 4 研究现状 土石混合料物理力学特性的研究，国内外十分重视，进行了大量的研究工作， 其研究成果也比较丰富。从各个行业对土石混合填料的研究状况来看，水电工程 对其研究站在前缘。5 0 年代，有许多土石坝工程利用砂砾石、堆石等填筑，但工 程设计中采用的稳定分析指标，仍然是以天然休止角代替内摩擦角，粗粒土特有 第一章绪论 的工程特性不能充分反映出来，设计偏于保守。6 0 年代以后，陆续研制了大型剪 切仪、大型振动密实仪及大型管涌渗透仪等一系列适用于粗粒土的试验仪器，对 粗粒土的压实特性、抗剪强度特性、渗透特性等进行了深入研究，提出了一系列 有价值的成果，并在生产中发挥了积极作用。 1 4 1 土石混合料工程分类的研究现状 在土石混合料的工程分类中，很多分类方法没有将租粒土和超粒径的土石混 合料区分开来，而将土石混合料统称为粗、巨粒土。实际上，水电工程上的粗粒 土是粗颗粒土石混合料，包括一般所称的砾石土、砂卵石、石渣和堆石等，与公 路土石混合料的范畴是相等的，因此水电、铁路和机场等粗粒土的研究对象与公 路行业的土石混填料的研究对象是相同的，二者的研究成果可以相互借用。 原水电部昆明勘测设计院科研所对砾质土的分类和命名见图1 1 q 龟 01 00 03 04 q5 06 07 08 09 0i o d 粉# 、# # f 5 m m ) 含量p 5 ( )d 2 0 砾质土砂性砾质土 p 5 3 01 0 2 0 砾质砂 p 5 3 0 1 0 粘性砂砾石3 0 2 0 砂砾石( 碎石)含泥砂砾石3 0 p 5 7 0 1 0 一2 0 砂砾石 3 0 6 0 m m 颗粒含量不小于和 小于5 0 将土石料分为石料和土两大类，在石料中按d y 3 0 0 m m 颗粒是否占优势分为 漂石( 块石) 和卵石( 碎石) 两类，再按级配和是否夹砂( 土) 进行第三层次分 第一章绪论 4 类，当5 m m 以下颗粒含量小于5 时按颗粒级配分为优良级配和不良级配；另外再 考虑按5 m m 以下颗粒含量大于5 和0 1 m m 以下颗粒含量进行分类。对于土则按6 0 m m 以下颗粒含量和0 1 m m 以下颗粒含量分类。 王龙，马松林等按含石量将土石混合料按结构分为多土类，多石类和中间类“1 。 武明以压实特性为标准对混合土进行了分类“1 ，提出以i o n - a n 为界限粒径对土 石混合料进行以含石量为标准的结构分类。 ( - i - 工试验规程( 1 9 6 2 年) 。该规程中除对土石料按粒径分组外，还对粘粒 含量小于3 、粉粒含量小于2 0 的砂土进行了分类和命名，见表1 _ 2 。对土中砾石 含量大于1 0 的砾质土有如图1 2 所示的分类和命名，对砾石的分类见表1 3 。 表1 2 砂的分类 砂粒含量( ) 砂名 05 m m 0 2 5 r a m o l m m o 0 5 m m 相砂 5 0 中砂 5 0 细砂 7 5 极细砂 7 5 q 包 01 0己03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 粉轴牯社( 2 0 m m 1 0 m m 2 r a m 卵石与碎石 5 0 相砾 5 0 细砾 5 0 第一章绪论 土工试验规程( s d 一1 2 8 8 4 ) 中有关粗粒上的分类和命名如表1 4 所示。 表1 4 粗粒土的分类和命名 目测项目 分类符号分类典型名称 粒往范围广，有相当数量中问粒径 o w 良好级配砾 砾( 不舍细料) 一种植径占优势，缺乏中问植径 g p 不良级配砾 砾占粗粒笪粒微粉土。占5 1 5 g m微禽粉质七砾 微含细粒土砾 一半以上细粒微枯土，占5 1 5 g c 微含柚质七砾 细粒微粉土，占1 5 5 0 g m含粉质土砾 含细粒土砾 细粒微粘土，占1 5 5 0 g c 含粘质土砾 粒径范围广，有相当数量中间粒径 s w 良好级配砂 砂( 不舍细料) 一种粒衽占优势，缺乏中问粒径 s p 不良级配砂 砂占租粒细粒微粉士，占5 1 5 s - m微龠粉质士砂 微含细粒土砂 一半以上细粒微粘土，占5 1 5 s c 微含粘质土砂 细粒微粉土，占1 5 5 0 s m 含粉质土砂 含细粒土砂 舅粒微粘土，占1 5 5 0 s c 含粘质砂 注粗粒土最大粒径为6 0 m m ，砾指d = 2 m a r 卜6 0 m m 颗粒t 砂指d = 05 r n n 卜2 m m 颗粒，租粒指d = 01 m m 6 0 m m 颗粒，细粒指d 00 7 5 m m 颗粒；细粒为d 0 0 7 5 m m 颗粒。 美国公路工作者协会关于粗粒上的分类。该分类主要是按承载力划分的，其 中粒状材料( 粗粒土) 部分分为a l 、a 2 、a 3 三类“1 ，如表1 6 所示。 法国道路、堤坝压实规范中有关粗粒上的分类如表1 7 所示嘲。 我国公路土工试验规程( j t j0 5 1 9 3 ) 中土分类依据包括：土颗粒组成特 征、土的塑性指标极土中有机质的情况，应用筛分法，根据土颗粒粒径大小将土 第一章绪论 划分为不同的粒组，见图1 3 ，按混合料中各粒组含量的不同分为巨粒土、粗粒土、 细粒土。 表1 6 美国公路工作者协会粗粒土( 粒状料) ) 分类( a a s h o ) 小于某粒往颗粒含量( ) 分类编号主要材料成分 2 m m o 4 2 m m 2 m m 颗粒含量 e s 3 5b l d m f 5 0 m m d 3 5b 2 带细粒的 d 2 5 b 4 为5 3 5 d 00 8 m m 颗粒含量为 i d 1 0 b 6 d m 户5 0 r n md 0 0 8 m m 颗粒含量较高 c l 兼有枢细 d n m 2 5 0 m m c 2 颗粒的土 d 00 8 r a m 颗粒含量 d 2 m m 颗粒含量小于3 0 d l 自由排水 d 00 8 r a m d m ， 2 m m 颗粒龠量大十3 0 d 2 颗粒含量 土和砾石 d 3 5 5 0 m m ( d 。 2 5 0 m m d 4 注d m a x 为最大粒径，d 为十的粒径；i p 为塑性指数； e s 为含砂当量。 巨粒组祖粒组细粒组 漂i 辜块 卵 辜小砾( 角砾)砂粉粒粘粒 石)块石)租 i 中 细 租 i 中1 细 图1 3粒组划分图 该分类中把巨粒组质量多于总质量5 0 的土统称为巨粒土，按巨粒组含量的多 少划分下一层次，巨粒组含量大于7 5 的称为漂( 卵) 石，7 5 5 0 的称为漂( 卵) 石夹土，5 0 1 5 的称为漂( 卵) 石质土；把混合料中粗粒组质量多于5 0 的通称 为粗粒土，再按混合料中砾粒组含量分为砾类土和砂类土。 1 4 2 土石混合料力学特性的研究现状 土的抗剪强度是土的重要力学性质之一。对于一般的细粒土，通常用摩尔理 第一章绪论 论研究土的抗剪强度。依据摩尔理论，破坏面上的法向应力和剪切应力满足函数 关系：f = 厂( 盯) 。这一函数关系所定的曲线叫摩尔破坏包线，也称强度包线，包线 f = ( 盯) 是一条曲线，通常用库伦公式：f = c + 仃t g ( o 表示，在一定应力范围内的 包线是一条直线，称之为摩尔一库伦理论。库伦公式提出2 0 0 多年来，为土力学 的发展作出了极为重要的贡献，被称之为库伦定律。 而国内外许多学者对土石混合料的强度和变形特性进行的理论和试验研究认 为：在相当大的应力变化范围内，库伦公式有时不能较好地表达粗粒土的摩尔破 坏包线，针对这一问题，国内外学者相继提出了几种抗剪强度公式。”儿”。1 邓肯( d u n c a njm ) 等人假定无粘性土应力圆的包络线都通过应力圆的坐标 原点得出抗剪强度如下： f ，= 喀 一a q , l o g ) f 月 德迈罗( d em e l l o ) 提出压实堆石的破坏准则为：f ，= 彳( 吒) 6 后经人们改进为： f r = 假( 詈) 。 式中：a 、b 为强度参数，无量纲。 郭庆国提出粗粒土强度包线有4 种型式，可用一个通式表示： f = c + a p o ( p ) 6 一n 即( f ，一c ) 和q ，之间具有幂函数关系。当b = l 时，该式与库仑公式相同；当 c = o 时，该式与德迈罗公式相同。 司洪洋“”研究了无粘性砂卵石与堆石的强度性质，无粘性砂卵石与堆石的抗 剪强度，取决于颗粒之问克服咬合作用相对位移时的摩擦阻力。 j a r o s l a vf e d a m ”、毛守仁，陈伟业1 、司洪洋等同时研究了无粘性砂 卵石与堆石的应力应变的性质，大量的试验表明，此两种材料应力应变曲线形状， 除其类型外，依其密度、应力水平以至试验技术等而异。如果从归一划的观点进 行研究，发现这些曲线可以归纳概括为四种类型：a 一轻度应变软化；b 一强烈应 变软化；c 一轻度应变硬化；d 一强烈应变硬化。而在土石混填路基中，较为常见 的类型为a 、c 型。 刘开明、屈智炯等“”按细粒( o i m m - - 含量的多少将粗粒土分为以下三类： ( 1 ) 细粒含量 7 6 2 m m 颗粒含量小于5 0 及d 7 6 2 m m 颗粒含量大于5 0 的粗粒土和超粒径料土也应有一 个分类方法。 ( 2 ) 现有的分类方法多从颗粒粒径上，辅以液塑限进行分类，无法根据分类 预测该类土石混合料的强度指标，不利于工程应用。 ( 3 ) 当前粗粒土的分类方法繁多，种类繁杂，需要有一个形式简单、使用方 便、反应工程特性的、统一的工程分类方法。 1 4 4 2 在力学特性研究方面的不足 虽然国内外学者对土石混合料的强度和变形特性进行了大量的研究，取得了 丰硕的成果，但上述研究仍存在不足之处，主要表现在： ( 1 ) 由于试验、仪器条件等限制，上述试验研究还不够多，所得的统计关系 不完全可靠：考虑到大型三轴试验和大型直剪试验的复杂性，很多人研究了试验 中的尺寸效应，特别是由于剪切过程中产生的剪胀( 简缩) 、颗粒破碎、颗粒重新 排列等作用，在可能的高试验应力范围内，整个强度包线可能不是一条平滑的曲 线，而可能有某种起伏。因而，考虑按应力水平分段描述的方法也许是更适合一 些。 ( 2 ) 土石混合料的化学成分、风化程度、级配组成不同，共同的特征是由粗、 细两种粒料组成，因而，其工程性质主要取决于粗、细粒料的含量及性质。但随 着粗粒料的增加，土石混合料的物理力学性质的变化规律尚没有个定量关系。 ( 3 ) 粗粒土剪切过程中颗粒的破碎对粗粒土的剪胀性和剪切强度有较大的影 响，但剪切破碎的发生应具备一定的条件：粗颗粒较为软弱、剪切时围压和剪切 力较高。因此，在土石混填路堤抗剪强度的研究中，是否应当考虑因为剪切破碎 而引起的填料粒度组成和抗剪强度的变化，在什么条件下应当考虑其影响，值得 深入研究。 ( 4 ) 对于土石混合料的变形性质研究较少，未形成系统的理论和变形计算方 法。 第一辛绪论 1 4 4 3 分形理论在工程应用方面研究的不足 在分形理论的工程应用方面，上述学者做了很多工作，验证了土石混合料的 颗粒组成具有分形特征，但目前国内外对于颗粒分形和表面分形的研究仅限于小 颗粒和岩体节理面，而且未能详细分析影响分维值的主要因素与分维值的关系， 未能建立分维值与其物理力学特性之间的任何联系。 1 5 论文主要工作 论文工作量较大，包括资料收集及文献检索、现场试验、现场取样及室内试 验、模型试验及数值模拟，试验成果汇总及理论分析，论文的编写等。 其中试验包括的试验项目众多，工作量庞大，需进行的试验内容包括：现场 原位直剪试验，计1 3 个试验点3 6 组1 2 2 个试样；室内的物理性质试验：不同类 别土石混合料的室内大型直剪试验，计6 组，近2 0 0 个试样：室内大型三轴试验， 计3 个试验点填料，一组与直剪试验的对比试验，4 6 个试样；室内直剪试验的数 值模拟试验。 第一章十石混台科的综台分类一上 第二章土石混合料的综合分类法 土石混合料的综合分类主要是针对土石混合料组成成分的复杂性，颗粒级配 变化的特殊性( 粒径相差悬殊) ，工程性质的多变性等特征，考虑混合料固相组成 中土和石的性质的差异，首先按固相成分中土和石的界限粒径，按土和石的成因 及风化程度等分类划分大类：其次考虑土石混合料的结构特征，由于混合料中含 石量的多少直接影响混合料的结构形式，故按含石量的高低划分第二层次，第三 层次主要考虑影响混合料工程性质的粒径及级配，利用混合料颗粒组成的分形特 征，引入分形力学中的分维概念确定第三层次，评价混合料的级配情况。在第三 层次的分类中，结合现代影像技术和计算机的发展，为快速确定分类，研究使用 颗粒影像自动识别系统，确定混合料的级配组成。 2 1 第一层次分类 2 1 1 土石界限的确定 公路土工试验规程( j t j0 5 1 9 3 ) 的粒组划分中，将粒径大于2 m m 的颗粒 视为石，并根据粒径的大小分为漂石、卵石、砾石等。而在实际施工和研究中， 以5 m m 作为土石的界限粒径己为广大工程和科研人员接受并采用。 根据相关规范及前人研究成果，本分类仍采用5 m m 作为界限粒径对土石混合 料中的“土”和“石”加以区别，把5 m m 以上颗粒的含量称之为含石量。 2 1 2 土石混合料中岩石的分类 岩石的种类繁多，性质复杂，而工程上主要关心其强度，特别对于道路、堤 坝、基础等工程