（道路与铁道工程专业论文）土石混合料压实特性的试验研究.pdf

摘要 摘要 我国西部地区地势复杂，多丘陵。随着高速公路建设向西部的地区的延伸，山 体爆破或开挖后的土萑料逐渐称为高速公路路基的主要填料。而这种由土与石混 合而成的筑路材料与传统的细粒土路基填料相比去物理力学性质有很大的差别， 全面、系统、深入研究土石混合料的物理力学性质，更好的解决土石混填路基相 关的问题已经称为目前学术界和工程界迫切关心的课题。 土石混合料是一种由粗、细颗粒组成、有一定级配和一定粘聚性的混合料， 其物理力学性质与其粗颗粒、细颗粒的性质及不同的土石比等因素密切相关。本 文结合前人已有的研究成果，托渝黔路二期路基工程项目，采用室内试验f 振动击 实试验、压缩试验、大型直剪试验、大三轴试验等) 、现成试验( 大型碾压试验、原 位剪切试验等) 和p f c 2 d 数值模拟等方法对土石混合料阿性质进行分析、探讨，得 出了一些对工程实践有重要指导意义的成果。最后对土石混合料的物理力学性质 的进一步研究提出了一些建议。 关键词：土石混合料，粗颗粒，细颗粒，p f c 2 d 数值模拟，土石比 摘要 a b s t r a c t i nt h ew e s t e r no fc h i n a , t h e r ea r ei n t r i c a t et e r r a i n sa n dm a n yh i l l yr e g i o n s w i t ht h e e x t e n d i n go fc o n s t r u c t i o no ff r e e w a yt ot h ew e s t e r n ，s o i l a g g r e g a t em i x t u r e ：w h i c hh a s b e e ng i v e nb i r t ht ob yh i l le x p l o s i o na n dc u t t i n gh a sg r a d u a l l yb e e nt h em a i nf i l l i n go f t h er o a d b e d o ff r e e w a y b u t p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s o i l a g g r e g a t em i x t u r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo f c o n v e n t i o n a lr o a d b e df i l l i n go ff i n e m a t e r i a lh a v em o r ed i f f e r e n c e s a tp r e s e n t ，t h ec o m p r e h e n s i v e l ys y s t e m a t i c a l l yi n d e p t h s t u d yo np h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o i l a g g r e g a t em i x t u r ea n d s o l u t i o n so fp r o b l e m sr e l a t e dt or o a d b e db u i l tb ys o i l ia n dr o c k sh a v ea l r e a d yb e e n c o n c e r n e db yt h ea c a d e m ea n de n g i n e e r s s o i l a g g r e g a t em i x t u r ei saa g g r e g a f i v em a t e r i a lw h i c hi sc o m p o s e do ff m ep a r t i c l e s a n dc o a r s ep a r t i c l e sa n dh a sc e r t a i ng r a d u a t i o na n dc o h e s i o n a n d p h y s i c a la n d m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i e so f s o i l - a g g r e g a t em i x t u r eh a v ed i r e c tr e l a t i o n s h i pw i t hs o m e f a c t o r ss u c ha st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i n ep a r t i c l e sa n dc o a r s ep a r t i c l e s ，d i f f e r e n tr a t i oo f s o i l sa n dr o c k se t c i nt h et h e s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o i l a g g r e g a t em i x t u r ea r e a n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h r o u 曲i n d o o r st e s t ( v i b r a t i n gc o m p a c t i o nt e s t , c o m p r e s st e s t ， d i r e c ts h e a rt e s t ，l a r g et r i a x i a lt e x ta n ds oo n ) ，i ns i t ut e s t ( r o l l a r i n gt e s t ，f i e l ds h e a r t e s t ) ，a n dp f c 2 dd i g i t a ls i m u l a t i o nm e t h o do nt h eb a s eo ft h ei i s t a g er o a d b e d p r o j e c to fy u q i a nr o a da c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s a n ds o m e i m p o r t a n ti n s t r u c t i v e c o n c l u s i o n sf o rt h ec o n s t r u c t i o na r e d r a w n f i n a l l ys o m e s u g g e s t i o n sf o rt h es t u d yo fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l - a g g r e g a t e m i x t u r ea r ep u tu pf o r w a r d k e yw o r d s ：s o i l a g g r e g a t em i x t u r e ，c o a r s ep a r t i c l e ，f i n ep a r t i c l e ，p f c 2 dd i g i t a l s i m u l a f i o n ，r a t i oo f s o i l sa n dr o c k s 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，独立进行研究二 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i 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e 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。 始瑚豇 日期出岬年；月1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 公路的建设和发展与社会经济的发展是互动的，社会的发展，经济的腾飞， 必须要有完备的交通运输作为基础，而交通的进一步的发展，又依赖于经济的支 撑和促进。2 0 世纪9 0 年代以来，我国公路交通事业进入一个持续、快速、健康的 发展时期，公路的基础设施建设也实现了跨越式发展。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。 1 2 论文研究的目的和意义 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。西部地区多为山岭丘陵区，其 地形、地貌和地质水文条件复杂，修筑公路必然采用山体开挖得到的土石混合料 填筑路基，事实上，土石混合料作为一种填料正越来越广泛的应用在工程中，尤 其在公路路基工程中得到更加广泛的应用。但由于这种填方料颗粒粒度变化大且 难以控制，再加之其含水量极不均匀，使得在实际工程中路基施工困难，施工质 量得不到可靠的保证，致使修筑的土石混填路基产生大量的沉陷或坍塌，从而导 致路面结构过旱破坏，影响公路运输及公路使用效率的发挥。作为路基填料的土 石混合料，由于目前对其压实和物理力学特性认识得不够完善。有些级配范围比 较大的土石混合料在作土石混合料的路基填料时，施工中稍有不当，就容易发生 质量事故。 土石混合料是土与石的混合体，是一种b p 含有具有一定级配的无粘聚性颗粒 材料，又含有具有一定粘聚性的细粒土的混合料，与其它作为路基填料的细粒土 和堆石材料相比，具有独特的压实特性和物理力学特性：。“。 ( 1 ) 土石混合料压实不仅与含水量有关，而且与土石比和石料的最大粒径有 关，其压实程度随着以上三个主要因素的变换而异同。 ( 2 ) 土石混合料的抗剪强度主要是由细粒土地强度、粗粒石料的强度、土石 之间的摩擦强度三部分组成，而这三种强度组成因素对土石混合料整体抗剪强度 影响的大小又随土石比、细粒土的性质、粗粒石料的性质不同而不同。 第一章绪论 ( 3 ) 由于土石混合料中可能由于石料的含量比较大而存在大量的孔隙所以 在剪应力的作用下，会产生体积膨胀或收缩。 由此可见，土石混合料的特殊性，主要是因为它是由细粒土与粗粒石料组成， 其性质与土石比、细粒土地性质、粗粒石料的大小、形状、和分布特征有关。由 于土石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 曲和压碎。与此同时，原有的孔隙被填充，土石混合料中的颗粒发生重新排列， 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，建立相应的压实和强度理论。国内外 对土石混合料工程性质的研究成果和土石混填路基实际工程中遇到的各种问题表 明，土石混合料的压实特性、物理力学特性的研究是一项复杂的系统科学研究， 研究应建立在大量的试验基础上，并运用统计学和现代数理力学新成就开展综合 研究。目前，对于土石混合料压实特性和物理力学特性的认识，都是建立在均质 细粒土的基础上，由于土石混合料在性质上与其它均质细土料有很大的不同，很 明显其压实特性和物理力学特性与均质细土料的压实和物理力学特性也就有着本 质上的不同。事实上，目前许多士石混填路基出现的稳定与沉降问题，无不与此 有关。因此，搞清土石混合料的压实特性和物理力学特性，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。 每一条高速公路的建设中，作为路基填料的土石混合料因地而异、千差万别， 其物理力学特性对公路路基质量的保证起着至关重要的作用。因此需要对不同地 区的工程进行大量和细致的堪察、试验及研究工作，包括室内试验、现场试验和 施工经验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。 公路交通在我国国民经济建设中，具有十分重要的地位和作用，为解决我国 经济建设中的交通瓶颈问题，今后我国的高等级公路建设将有更大的发展。西部 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，丌发西部，首先必须 解决公路交通等基础设施的建设问题。由于我国是一个多山的国家，山区高等级 公路的修筑越来越普遍，土石混填路基的应用会越来越多，而本论文的研究对于 解决土石混填路基修筑中所遇到的一些问题具有非常大的指导意义。特别是近年 束我国为了提高经济增长，加大了基础漫施的投资力度，其中公路建设投资增 加幅度最大。为了很好的完成国家的投资计划，使投资发挥更大的效益，就必须 依靠科技进步。f 是在这种大的环境下本论文依托交通部西部项目二匕石混填 路攮修筑技术研究，对j ：石混台利的爪宴特性进 j 二系统的删论研究。 第一章绪论 1 3 国内外研究概况及发展趋势 土石混合料作为路基填料，应满足以下三个基本的条件：“。 ( 1 ) 必须具有足够的抗剪强度，以维持路基路面的整体稳定性，并尽量采用 有利于压实的级配范围，以降低造价，减少公路投资。 ( 2 ) 必须具有较小的变形，沉降值较小且均匀，以免造成路基的不均匀沉降 而导致路面产生开裂和不均匀塌陷。 ( 3 ) 应具有足够的稳固性，力学强度高和抵抗物理化学风化的能力大。 土与石的混合料俗称土石混合料又称土夹石或混合土，在公路土的分类中定 名为粗、巨粒土。由于这种土料在山区普遍存在，因此被广泛用于我国山区高等 级公路路基的填筑。与此同时，对这种填方料的筑路技术的开发研究，也引起了 工程界人士普遍关注。 研究土石混填路基修筑技术，首先必需研究士石混合料的工程物理力学特性。 对土石混合料物理力学特性的研究，国内外十分重视，其研究成果也比较丰富。 从各个行业对土石混合料的研究状况来看，水电工程行业对其研究站在前缘，它们 进行了大量的研究工作。5 0 年代，有许多土石坝工程利用砂砾石、堆石等材料填 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士的试验 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。如文献 3 采用大型三轴 仪对石混合料应力应变特性进行了研究，提出了土石混合料的本构关系：文献 1 4 1e 5 - 1e 6 3 采用大型直剪仪对土石混合料的抗剪强度特性进行了研究，并在总 结分析已有的研究试验资料的基础上，提出了抗剪强度参数；文献e t - i 在文献e 3 的试验研究成果的基础上，提出了基于d u n c a n 非线性模型参数的试验获取方法： 文献 8 根据试验资料结合理论分析，对土石混合料的渗透特性进行了深入研究。 通过这些研究对土石混合料的变形与强度特性和渗透特性等有了较深入的了解和 掌握，为这种材料的工程应用奠定了较紧实的基础。就目前发展情况而言，这些 研究已代表了当今的研究水平，如果在试验手段和测试技术没有改进和进步的话， 其试验研究很难有大的进展。 土石混合制的工程物理力学特性研究的目的，一方面了解和掌握其工程性 质，为：1 二程设计计算和工程性：状分析预测提供_ | 衣掘或参数另一方面则为上石混 合料- e 程分类( 缎) 提供依据。众所周知二i ：百混台料其性质随着：。l 、石利质手n 第一章绪论 4 土石成份的不同差异很大，为使实际工程中对其基本特性进行快速判断，制定切 实可行的工程方案，就必需根据其性质结合工程特点对其进行合理分类。对于土 石混合料的工程分级类问题，国内外有多种不同的方法，如有按粗粒土的成因分 类，有按颗粒形状分类，有按颗粒级配分类，有按新鲜、软硬程度分类和承载力 分类等等。在国外，文献 9 提出了美国统一粗粒土分类方法，垓方法为美国工程师 兵团、垦务局、材料试验学会和其他部门所采用。这种方法将土分为两大类，其 中将d o 0 7 5 m m 颗粒含量大于5 0 的土石料成为粗粒土；同时美国公路工作者协会 按承载力对粗粒土进行了分类，其中粗粒土部分分为a 1 、 2 、a 3 三类。法国道路、 路基压实规范中也给出了有关粗粒土的分类。文献 1 0 分析总结了国内外各种 分类方法，在此基础上结合水利水电工程的特点提出了一套分类方法。这些工作 基本上解决了水电工程的土石混合料分类问题。从土石混合料的国内外分类的状 况看存在着以下的问题：“” ( 1 ) 目前土石混填分类还只是囿于最大直径小于7 6 2 m m 的粗粒土，以美国统 一分类法( u s c s ) 为例，它对d o 0 7 5 m m 的 颗粒定义为粗粒，对d o 0 7 5 m 颗粒的含量大于5 0 ，且最大粒径为7 6 2 m m 的土 石混合料定义为粗粒土。但实际工程上，不管是水电土石坝的填料，还是公路、铁 路上的土石混填路基填料，d 7 6 2 m m 的土石料为数很多，且含量往往超过5 0 。 因此，应当针对工程实际，针对日益应用广泛的土石混合料，提出更合理的分类 方法。 ( 2 ) 对于粗粒土的分类，不同行业的研究人员，从不同的角度出发提出了 不同的分类方法，致使分类方法繁多，并且使得各方法都有一定的局限性和片面 性。这就需要建立一个方法简单，易于操作且能够很好的反映土石混填料工程特 性的分类方法。 公路建设中的土石混合料分类，应根据土石混合料的工程特性，结合公路的 基本特点进行。 众所周知，路基工程的根本问题是路基的稳定与变形( 或沉降) 问题，而影 响路基稳定与变形最主要的因素之一就是作为路基填料的土石混合料压实质量， 故许多从事公路工程的研究人员在土石混合料压实特性方面作了很多有益的工 作。总结分析有关的研究文献和成果，可以发现目前这方面的研究有着明显的不 足，主要表现在：对压实机理的分析还是建立在均匀细粒土的基础上，影响土石 混合料压实特性的因素分析中没有形成系统的分析。由于土石混合料与一般的路 基填料具有很大的不同，因此其 e 实特性与一般路基填料的压实特性相比存在着 较大的差异，怎样根据土石混台斟本身的一些结构特征怍出压实特性的系统分析 将是本文研究的重点之一。 第一章绪论 对压实施工工：艺，德国和瑞典研究的较深入，他们不仅研究了土石混合料的 压实特性而且对 e 实机具、施工控制参数、现场施工控制方法等也进行了深入 研究，并形成了施工技术指南或操作规程。在压实质量检测方法上各国的差别较 大，美国提倡试验工程法，德国采用压实计法，这两种方法都依赖于压实机具和 现场条件。法国研究出一种基于伽玛射线原理的压实质量检测设备，据悉可用于 检测粒径不超过1 5 厘米的土石混合料，荷兰开发出一种基于孔隙分析原理的检测 设备，其使用效果较好。由于土石混合料性质复杂，尽管目前国内外对其特性进 行了大量研究，但其压实质量检测与评价仍未得到很好解决。不少国家己将其列 入重点研究计划，如美国、德国、俄罗斯等均将其列入压实或高压实研究计划的 核心内容，研究范围涉及到填料的压实特性、压实施工工艺、压实质量检测与评 价等各方面。 土石混填路基与一般路基的最大不同就在于其填料的不均匀性，由于其填料 的不均匀，导致其施工工艺和施工控制困难，特别是施工质量的检测与评价一直 未能解决，成为国际上公认的技术难题。对土石混填路基的施工工艺，国内外进 行了不少工作。文献 1 2 结合工程试验提出了土石混填路基施工控制关键参 数；文献 9 研究总结了不同压实机具下土石混填的施工工艺；文献 1 3 较系 统的总结了水电工程土石混填施工工艺。通过这些研究应该说对土石混填路基施 工工艺有了较清楚的认识，所需要作的工作则是总结归纳，使之标准化和规范化。 土石混填路基的质量检测与评价，是确保路基稳定与质量的关键，不少学者 进行过研究，并取得了一定的成果。如文献 1 4 分析总结了土石混填压实质量 检测的各种方法，指出了解决问题的途径；文献 1 3 给出了基于密度法检测评 价压实质量的方法。近年来一些研究者模式采用动力法和声波法检测评价其压实 质量，但还没有取得明显进展。 综上所述，目前对于土石混填路基的修筑技术方面，虽然已开展了不同程度 的研究，但仍有很多问题没有解决。土石混合料公路工程分类是首先需要解决的 问题，从国内外研究情况和研究进展看，这一应该结合公路的特点进行研究，使 分类体系力求简单实用。作为路基填料的土石混合料的压实特性和物理力学特性 的系统研究也比较少，因此本文力求在这方面作一个比较系统的分析和研究。 1 4 本文的主要工作及技术路线 1 4 1 主要研究内容 以上的论述表明：作为路基填土的土石混合料与传统作为路基填土的细粒土 相比较有较大的差别，以往的研究主要是针对细粒土而言的。虽然，在最近l ( ) ! ( ) 年的时间罩，育很多的专家、学：莆_ ；：这育面作丁大量、深入的研究也得出了许 第一章绪论 6 多对工程实践有重要意义的成果，但是，到目前为止，在土石混合料的分类、密 度特性、力学特性方面还没有一个系统的研究。因此本文的主要研究从以下几个 方面进行： ( 1 ) 国内外相关资料的调研、分析、研究。包括对已有研究成果、研究资料 的收集、分析及归纳整理，对土石混合料的物理力学性质形成一个比较完整的基 础理论体系。 ( 2 ) 对土石混合料的密度特性和物理力学特性进行比较系统的试验，通过现 场的密度试验和室内的表面振动击实试验来探讨其密度特性；通过现场和室内试 验对土石混合料的抗剪强度、渗透特性、压缩性进行研究，为以后的理论研究以 及工程应用提供必要、可靠的数据资料。 ( 3 ) 通过p f c ( 颗粒流) 方法对土石混合料的振动击实和剪切试验进行模拟， 分析其压实机理和强度形成机理。 ( 4 ) 通过线性回归、非线性回归及其它分析手段对试验数据进行分析，以期 得出一些具有实际工程指导意义的结论、成果。 1 4 2 本文研究的技术路线 本文研究的关键技术的技术路线如下图： 国内外资料的收集、整理、分析、归纳 现场和室内的有关土石混合料的系统试验 现场和室内试验数据的整理、对比、分析 蓉度试验和剪切试验的pf - c ( 颗粒流) 模拟 土石混合料压实和强度形成机理的分析 本论文研究的技术路线框图 1 4 3 本文的研究成果 通过国内外资料的收集、整理、分析和对课题项目的研究，取得了预期的对 工程实践有指导意义的成果： ( 1 ) 通过资料的对比分析和室内的振动击实试验，探讨了土石混合料在密度 方面的特性，对工程实际施工时压实度的控制起到了有益的帮助。 f2j 通过采用阡( 1 方法模拟t ：石混合料的振动击实试验，列其击实过程中强 第章绪论 度的形成机理作出了一定的分析和解释。 ( 3 ) 通过大量的现场和室内试验，对比分析试验结果，在土石混台料的力学 特性方面得出一定的结论。 ( 4 ) 通过采用p f c 方法来模拟土石混合料的剪切试验对其抗剪强度的形成 机理作出一定的解释和分析。 ( 5 ) 通过现场碾压试验和室内振动试验的对比、分析，可以得出对现场施工 控制有指导意义的结论。 第二章十4 i 混合料振动m 实特性的试验研究 第二章土石混合料振动击实特性的试验研究 土石混合料是由大量相互作用的颗粒组成，颗粒尺寸一般在l o 1 0 ：之间。 通常组成土石混合料的离散颗粒具有不同形状尺寸和堆积方式，其物理力学特性 与其颗粒的几何特性密切相关。 2 1 土石混合料的结构特征 土石混合料俗称土夹石，是土和石的混合体，其结构是指组成其颗粒的大小、 形状、表面特征和颗粒间的联接以及颗粒的排列组合情况和数量关系，包括颗粒 间的距离、孔隙大小及其分布特征。土石混合料的微观结构与普遍意义上的微观 结构在概念上有很大的不同。一般来说微观结构是指用肉眼或放大镜看不到的， 而土石混合料的微观结构是相对于其整个宏观特征来讲的，是指土石混合料的局 部构造特征，用肉眼是可以观察到的。 公路路基施工工程中常用的土石混合料是施工过程中爆破山体产生的土与 石的混合体。不同山体爆破形成的土石混合体的粒度组成各不相同。土石混合料 的粒度反映着颗粒大小及其组合特征，因此不同粒度构成的土石混合料其性质有 很大的差异。以不均匀系数为例，有的较小，有的较大甚至高达几百，比如有的 高速公路用作路基填料的土石混合料的不均匀系数为2 1 3 5 0 ，这说明土石混合 料的颗粒组成极为分散。 在颗粒介质的微观力学分析中，通常将颗粒排列分为规则排列和随机排列两 种。在三维空间里，当用六面体来代替颗粒时，颗粒接触方式分为角一面接触、 边边接触、边一面接触和面一面接触。当用球体来代替颗粒时，一般有立方排 列、斜方排列和密集的1 2 点接触排列等。 土石混合料是由大量细颗粒土和粗颗粒石组成，因此其间存在着许多大小不同的 孔隙，同时粗颗粒内部也存在细微孔隙。孔隙也是土石混合料最重要的结构特征 之。土石混合料中孔隙数量通常用孔隙率n 和孔隙比e 来表示。孔隙率是混合 料中孔隙的总体积v 与土石混合料体积之比，以百分率表示：“。 水 矿 n = 上1 0 0 y 孔隙比是土石混合料中孔隙的总体积v 。与固体颗粒体积v 。之比，以小数束表 矿 p = o p 7 第二章十i i 混合料振动击实特性的试验研究 单位体积内所含颗粒称为颗粒密度，用n 。表示，颗粒密度与孔隙比的关系可写 为： 6 ”l 2 而石髓 式中d r 颗粒平均粒径，= 二 。 甩d ： 土石混合料的孔隙取决于其间的颗粒组成( 颗粒的大小和均匀程度) 、颗粒的 形状及其排列特征。一般情况下，组成土石混合料的颗粒愈大，则彼此间所形成 的孔隙也愈大，反之就小；颗粒均匀程度愈高，其间的孔隙愈大；颗粒愈不均匀， 由于细小颗粒充填到大颗粒孔隙中，孔隙就愈小，结构疏松的土石混合料中的孔 隙较结构紧密者为大。土石混合料由于颗粒排列情况不同，具有疏松和紧密两种 极限结构，如果利用孔隙数量的概念，即具有最大和最小孔隙率或孔隙比。孔隙 比的概念最早应用于细粒的砂料，以后随着土石混合料的研究，发现这一指标对 土石混合料特别重要。后来m a r s e l 提出了结构孔隙比的概念l l oj ，结构孔隙比是 考虑土石混合料结构的孔隙比。充填予骨架颗粒孔隙中的细颗粒，不作为固相而 作为孔隙部分来考虑，即认为这部分细颗粒不参与土石混合料的强度与变形作用。 2 2 土石混合料振动击实特性方面的研究现状及趋势 随着高速公路建设向山区的延伸，不同性质的土石混合料已经越来越多的应 用于路基填料，在此过程中，些新建工程由于土石混合料路基的不均匀变形出 现路面开裂的情况时有发生，造成这种情况的主要原因就是施工过程中的碾压不 当或碾压不足，而在施工控制中衡量碾压好坏一个主要指标就是压实度，而对压 实度正确界定的一个重要前提是对土石混合料的最大干密度有一个准确的测定。 作为路基主要填料的土石混合料由于含有较大粒径的石或砾而使其在试验室内测 定最大干密度比较困难，因为目前试验室内测定干密度的仪器主要是针对细粒土 或者细砂而研制的，对其试验料的粒径有严格的限制。目前解决这个问题的主要 措施是将现场的含有较大粒径的土石混合料进行一定的缩尺，主要的处理方法有 剔除法、等量代替法和相似级配法。 土体密度的形成主要是土体在外力的作用下，克服颗粒问摩阻力后相互填充 而变得密实形成的。外力的施加方法不同，土体上所受作用力的大小以及作用原 理就不同，密度效果也不同。士石混合料组成中既含有粘性细粒，又含有非粘性 的相粒。许多学者的研究资资料表明，采用振动法比击实法耿得土石混合料的最 大干密度有更好的效果。二l 石混台料的最大干密度不仅与含水量有关，还与舍石 第一二章十- th 皑合料振动市实特性的试验研究 量、级配等有关，以往许多的研究中，大部分是针对其中特定的单一因子，根据 各自的标准采用相应的组合进行试验研究。这些研究对理解单个因子在土石混合 料密度形成过程中是如何发挥效用的有十分重要的意义，但是这也排除了其它因 素的在密度形成过程中的综合影响。例如最大粒径对最大干密度产生影响是众所 周知的，但是只研究这一个因素对干密度产生什么样的影响，在其它因素有差异 的情况下可能得出两种截然相反的结论：一种是最大干密度随着最大粒径的增大 而增大，而另一种可能是最大干密度随着最大粒径的增大而减小。这就要求我们 在以后的研究中要综合考虑各方面的因素对土石混合料密度性质的综合影响。 2 3 土石混合料的基本物理性质 2 3 1 颗粒级配 土石混合料由山体爆破得到，是由不同粒径的颗粒以不同比例组成，土力学和 散体力学中对土中各粒组的相对含量称为土的颗粒组成或颗粒级配。对士石混合 料颗粒组成是用不同孑l 径的筛子对试样进行逐级筛分来确定的。因此把试样分成 不同粒组，每一粒组包括规定的该粒组最小尺寸和最大尺寸之间的全部颗粒。粒 组的级别由通过和留在该粒组筛孔尺寸来决定，留在该粒径上面的粒组在试样总 重量中所占的百分含量叫作该粒组以上的颗粒含量。这样，土石混合料的颗粒组 成就可以用各粒组的质量百分含量来表示，常以曲线形式来表示，称为级配曲线。 工程中也常把土石混合料分为粗粒料和细粒料，一般认为粒径大于5 1 m 的颗粒为 粗粒料，粒径小于5 m m 的颗粒称为细粒料l aj 。用p 表示大于某粒径的颗粒含量， 因此p i 可以表示土石混合料中粗颗粒的含量。 从土石混合料的级配曲线中可以直接了解其颗粒的颗粗细、粒径分布的均匀 程度和级配的优劣。土石混合料的粗细常用平均粒径d 。来表示。另外，还常用不 均匀系数c 。和曲率系数c 。来表示土石混合料的均匀程度：“ g = 鲁 c ，= 丧 d 。d n 式中 一小于此粒径的土石混合料的累计百分含量为1 0 ，也称有效粒径； “一小于此粒径的土石混合料的累计百分含量为3 0 ； 7 “一小于此粒径的土石混合料的累计百分含量为6 0 ，也称控制粒径： c 。愈大，表示土石混合料愈不均匀，即粗颗粒和细颗粒的大小相差愈悬殊。如 果粒径缎配曲线是连续的，c 愈火，则e 4 t l 线愈平缓，表示二匕石混合制中含有许多不 第r 二章十i n 昆台料振动卉实特性的试验研究 同粗细的颗粒。不均匀的土石混合料经过压实后，细颗粒充填于较大颗粒问所形 成的孔隙中，容易得到较高的密度和较好的物理力学性质。 2 3 2 颗粒破碎率 当土石混合料中p j 的含量较大时，在荷载的作用下将发生破碎，由于颗粒破碎 导致其受力前后的级配发生变化，从而影响土石混合料的密度、强度、变形、和渗 透特性。 马萨尔建议用破碎率b g 来表征相应压力下的颗粒破碎程度，其定义为试验前 后颗粒级配曲线上各粒组含量值之和，即“。 一 b ；= 吸 一( 2 - 6 ) 式中 辟名= 阿名一阡0 ，阡0 一原级配曲线上某粒组的含量，阡一试验后级配曲 线相同粒组含量。 b g 大小与土石混合料颗粒的大小、形状、岩性、级配、密度、载荷情况等因 素有关。一般来说，颗粒粒径越大，岩性、级配越差、密度越小，颗粒越易破碎。 我国许多专家、学者在研究土石混合料的破碎时常用破碎率来表征颗粒的 破碎程度，其定义为粗粒含量( 粒径大于5 m m ) 的变化量与试验前级配曲线粗粒含 量的比，即：“ b 。鸲只1 0 0 式中b j 试验前后粗粒含量的变化量 p f 一试验前粗粒含量 2 4 土石混合料的振动击实试验原理 振动是指物体在经过它的平衡位置所作的往复运动或系统的物理量在其平均 值附近的来回变动。产生振动需要消耗能量，同时振动也可以对物体作功，利用 振动对路基进行压实就是其中的一种。 关于振动击实理论有以下几种学说： l 、内摩擦减小学说 由于振动作用使被振材料的内摩擦阻力急剧减小，剪切强度降低，抗压阻力 变得很小，材料在重力作用下易于压实。 2 、共振学i 兑 当激振频率和被振压材料的别有频率桐一致时，材料在共振作剐下获得较大 第一二章十_ 1 混台科振动- h 实特性的试验研究旦 的能量，很快达到最佳压实效果。 3 、反复荷载学说 振动产生周期性压缩运动作用，使被振压材料受反复荷载作用，达到压实目 的。 4 、交变剪应变学说 利用土力学交变剪应变原理，振动使材料产生剪应变，使被振压材料的颗粒 重新排列而达到密实效果。 综合以上理论，可以认为：振动使被压的土石混合料内产生振动冲击，土石 混合料的颗粒在振动冲击的作用下，由静止的初始状态过渡到运动状态，土石混 合料之间的摩擦力也有初始状态进入动摩擦状态。同时，由于材料中水分的离析 作用，使材料颗粒的外层包围一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，为颗粒的运 动提供了十分有利的条件。土石混合料在非密实状态下存在许多大小不等的空隙， 在振动冲击的作用下，其颗粒间的位置出现了相互填充现象，即较大颗粒形成的 空隙由较小颗粒来填充，较小颗粒间的空隙由更小土或水来充填。在此过程中， 材料中空气的含量也在振动冲击过程中减少了。土石混合料颗粒阃空隙的减少， 意味着密实度的增加。 一 实际工程中用作路基填料的土石混合料由于p ；含量比较大，颗粒之间的摩擦 力比较小，在振动荷载的作用下容易产生位移，颗粒间进行重新排列。但是，当 路基填料中含有较多的细粒料时，其中的p j 含量比较少，用标准的击实试验效果 比较好。在土石混合料的振动击实过程中，由于含水量和细粒料的存在，颗粒间 会存在一定的附着力和粘聚力，妨碍颗粒间的相互移动，因此振动时必须有一定 大小的压力和剪切力联合作用，咀克服其附着力和粘聚力。综合考虑振动压实的 基本原理和土石混合料的具体性质，振动击实土石混合料时，要达到预期的结果， 主要取决于以下几个因素： 1 、土石混合料的结构性质。比如级配、p ；含量、最大粒径、含水量等。 2 、土石混合料内颗粒运动的状态。 3 、振动击实对土石混合料产生的压力和剪切应力。这些应力一部分由振动压 实机械的净重产生的，而另一部分是由于压力波形式的动力。 2 5 振动击实试验的设计、方法 在室内进行土石混合料的振动击实试验时土石混合料的级配和最大粒径的 大小决定了其内部可供填充空隙的大小；含水量和细粒料含量改变着土石混合料 颗粒之间的附着力和粘聚力；振动频率和振幅分别影n 向丁颗粒的移动速度和位移 的大小，同时频率和振幅也影| | l _ 激振力，进一步改变剪应力的大小；表面压块重 第一章十_ i 混合料振动击实特性的试验研究 卫 量的大小决定作用于土石混合料试样表面的压力“”。：振动时剧的长短确定了压实 功的大小。因而，试样级配、最大粒径、含水量、p ；含量和压实功( 包括表面静压 力、振动频率、振幅、和振动时间) 对土石混合料的最大干密度都能产生重要的 影响。考虑以上几种因素交叉作用的f 交试验设计或均匀试验设计，试验量无疑 是非常巨大的。所以首先通过试验确定土石混合料的最佳压实功( 即确定最佳试 验仪器参数，例如最佳振动频率、最佳振幅、最佳振动时间等) ，在此前提下，通 过改变试样级配、最大粒径、含水量、p i 含量来探讨土石混合料的振动击实密度特 性。 2 5 1 试验目的和适用范围 本试验目的是探讨土石比、试样级配、最大粒径、含水量的不同对土石混合 料最大干密度的影响，为施工控制过程中压实度指标的正确评价提供数据资料。 该试验适用于最大粒不超过6 0 r a m 的土石混合料试样。试样尺寸为巾3 0 c m 3 5 c m 。 2 5 2 试验设备 对于含有较大粒径的石或砾自吐石混合料最大干密度的测定，击实试验法的 试验曲线大多数呈多峰或无显著峰值，这表明该法对这类土已不是最合适的试验 法了。而且由击实法确定的“最大干密度”常常低于振动压实试验的结果。英国 标准b s t 3 7 7 、瑞典标准s s 0 2 7 1 0 9 均规定对于渗透性较强的土采用表面振动压实仪 法。我国交通行业标准公路士工试验规程( j t j 0 5 l 一9 3 ) 规定对于粗粒土采用 表面振动压实仪法。本次试验的装置为b z y s 4 2 1 2 型表面振动压实仪，试验机系统 参数：振动功率一1 1 k w ：振动频率一4 7 5 h z 5 0 h z ：激振力_ 2 2 4 2 k n ；夯 板作用在试样表面静压力一1 3 8 k p a 。试验仪器如下图所示： 第二章十_ i 混合料振动击实特性的试验研究 醋2 1b z j s 4 2 1 2 型表面振动压蜜使 2 。5 。3 试验数摄处理方法 根掇本次试验数据点在坐标图上的分布，对试验数据主要采用非线性回归模 邋寒楚臻。 非线性回归模型一般可以记为：2 1 1 胁1 y ，= f ( x ，q ) + 坼， 式中y i 为西交量；菲陵橇变量五= ( 确，t ：，稚) 是自炎基；q * q 。，彗，q p ) + 为 束知参数变量；s ；为隧搬误差瑗势且满足独立阉努蠢暇定，即 翔暴厂一，q ) = q o + 善。舀+ 茹：q ：+ + x ，g ，那么( 2 8 ) 式就是线穗模墅，丽 曩必然鸯k = p ；对于一般情况懿非线性模型，参数的数基与皂变量的数嚣蒡没蠢 一定的对应关系，不要求k = p 。 对嚣线性模型( 2 8 ) 式，我们爨傻弼最小二乘法镇诗参数盆，嚣求使褥 尸( q ) 。( 麓一( 墨，q ) ) 2 迭至最小的毒，褡为垂蚋菲线蠼最小二采估计。在瑕宠，函数慰参数q 连续可徽 时，可以利用微分法，建立f 规方程组，求解使p ( q ) 达到最小的qa 将臆数对参 数q i 求俯导，并令其为0 ，得p + 1 个方程 巍吗= 之喜t 州t 勘善卵矿。 ( 2 ，1 1 ) ( ，= 0 ，1 ，2 ， 冀线往最奎二黍基谤9 裁慧f2 】1 ) 式戆耱，f 2 。1 1 ) 式豫为菲线穗最小二乘 恼计的币规方程组，它怒未知参数的非线性方稷组。一收用n e w t o n 迭代法求解此 讴疆方程缀。 一 | | ， 一 一 0 秽q 1，；，、l = i | ) 枷 ) s 州 ，0，、【 第一二章十t i 混合抖振动m 实特性的试验研究 也可以直接极小化残慈平方和p ( q ) ，求出未知参数q 的菲线性最小= 乘估计 q 。在菲线毪目藏审，定义j 线毪鏊归豹稽关指数： 置2 1 s s e s s t 式中 s s e = 主( y ，一羹) 。称为残差警方和。 括l r 一2 鼹f = 魄一y ) 称为总平方秘e 2 5 4 试验方案 本次试验采用了两种士石混合料材料，即 l 、渗黔路二麓工程路蒺填辩，由钵爆簸产生戆葛撬合料，主要螽鞍强风纯 砂岩和泥澍，强度较低，试验分缎编号为a 、b 、c 、d 、e 、f 。 2 、耋茨枣山瀑蠢场霹鹳，主安尧石灰岩，强发较高，渡验分缀编号隽a 、b 、 c 、d 、e 、f 、g 。 一 试验考感到嚣含量、级配、含承爨、最大靛径等嚣豢对器混合辩整度特 性的影响，设计了如下的试验方案，详见下表： 表2 1不褥主磊诧、鼗鬣主石滢台耱裹蔼搬动击实试验方案( 试耩：瀹簿路= 麓工程路 基壤料) ( 试验方案一) 级怒缀残 6 04 02 0 1 0 s 1 0 09 59 l8 68 0a 138 3 1 0 a8 0 ：2 0 1 0 09 58 88 38 0a 288 。4i l 1 0 09 , 58 58 18 0a 31 23 79 1 0 09 58 97 77 0b 13l o 39 嚣7 0 ：3 0t 0 09 28 27 57 0b 288 。29 1 0 08 97 67 27 0b 31 25 41 0 1 0 0 9 48 6 6 96 0c l3i 7 。9l l c6 0 ：4 0 1 0 09 07 66 6 6 0 2 27 1 2 7 9 1 0 ( ) 8 6 6 8 6 3 6 0c 31 48 9 8嚣 1 0 09 28 26 2 5 00 l 42 07 8 ds o ：5 0 1 0 0 8 7 7 05 8 5 0 d 291 7 97 1 0 8 46 2s )d 3 ldl 置8 e 。t 0 ：6 0l f ) f i r 讳? 6娟l ne l ： 2 0 7 第二章十t i 混合利振动击实特性的试验研究 1 6 1 0 08 56 55 14 0e 31 21 5 86 1 0 08 15 44 64 0e 282 0 45 1 0 08 6 6 94 4 3 0 f 142 6 93 f3 0 ：7 0 1 0 08 25 84 l3 0 f 282 1 52 5 1 0 07 84 73 73 0f 31 41 7 44 1 0 08 05 23 52 0g 31 32 2 44 g2 0 ：8 0 1 0 08 66 74 0 2 0g 282 7 82 1 0 07 53 82 82 0g 133 2 32 注：本组试样叛配的设计是根据最大密度曲线n 幂公式( 最大密度曲线是一种理论的级配曲线) 得出。不同 n 幕的级配曲线式如下： 州o o f 驯1 l d p 一希望计算的某级粒径混合料的通过量( ) p 混合料的最大粒径( m ) d 一希望计算的某级混合料的粒径( m ) 在土石比保持不变的情况下，根据1 1 的不同取值，应用上面的理论公式求得上面表中所列的缀配。 表2 2不同土石比土石混合料表面振动击实试验方案( 试料：重庆南山石灰岩材料) ( 试验方案- - ) 土石比例 级配组成 不均匀破碎率 0 1 m 通过下列筛孔( r a m ) 累计百分含量( )编号 颗粒含 土：石系