（道路与铁道工程专业论文）非压实回填土基本性能及应用研究.pdf

摘要 摘要 针对高速公路施工中台背回填质量难以保证的现状，本文从回填材料方面进 行了探索和研究，提出了一种新型回填材料非压实回填土。非压实回填土具 有自密实的特点，并且可以就地再生利用挖方弃土，不需要新的取土场，具有显 著的环境效益和经济效益。 本文通过对非压实回填土的工作性进行试验探讨，确定了非压实回填土的原 材料选择要求，并提出了水固比的概念，将其作为非压实回填土配合比设计参数 之一，基于此提出了非压实回填土的配合比设计方法。 其次，依据本文提出的配合比设计方法，对非压实回填土的基本力学性能开 展了相应的室内试验研究，主要包括抗压强度试验、c b r 承载能力试验和应力 一应变试验。着重分析了各个因素对强度的影响，得出了强度随龄期增长的发展 规律，并提出了以水固比和灰土比为主要参数的强度预测模型。 本文还开展了不同配合比非压实回填土的耐久性能试验，包括抗冻融循环试 验和抗干湿循环试验。试验结果显示，在两种不同外界破坏作用下，非压实回填 土具有相似的劣化规律：随着强度的提高，其抵御外界环境破坏的能力也不断提 高。 最后在室内试验的基础上成功的把非压实回填土应用到实际工程中，取得了 较好的工程效果和经济环保效益，并据此提出了非压实回填土的施工方法和质 量管理方法。 关键词非压实回填土；配合比设计方法；力学性能；耐久性能；工程应用 北京_ t 业大学学位论文 a b s t r a c t a b u t m e n tj u m pi so n eo ft h em o s tf r e q u e n tq u a l i t yp r o b l e m se n c o u n t e r e di nh i g h w a yc o n s t r u c t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fb a c k f i l l ，an e wb a c k f i l lm a t e r i a l ： s e l f - c o m p a c t i n gb a c k f i l lw a si n t r o d u c e d t h en e wm a t e r i a lc a nr e u s ee x c a v a t i o ns o i l ， a l s ow i t hg o o dw o r k a b i l i t y f i r s t l y , b a s e do n al o to fw o r k a b i l i t ye x p e r i m e n t s ，t h er a wm a t e r i a l so f s e l f - c o m p a c t i n gb a c k f i l li sd e t e r m i n e d a n dt h ew a t e rs o l i dr a t i oi sp r o p o s e da so n eo f m i x d e s i g np a r a m e t e r s a f t e rt h a t ，t h em i xd e s i g nm e t h o do fs e l f - c o m p a c t i n gb a c k f i l l i sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h em i xd e s i g nm e t h o da b o v e ，e x p e r i m e n t so ft h eb a s i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e si n c l u d i n gc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，c b ra n ds t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i cw e r e c a r r i e do u t i ti so b t a i n e d ，t h a tt h er u l eo fs t r e n g t hg r o w t hw i t ha g e ，a n dt h a tt h e s t r e n g t he m p i r i c a lf o r m u l aw i t ht w op a r a m e t e r s ：t h ew a t e rs o l i dr a t i oa n dt h ec e m e n t s o i lr a t i o 。 t h ef r e e z i n ga n dt h a w i n ge x p e r i m e n ta n dw e t t i n g d r y i n ge x p e r i m e n tw e r ea l s o c a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a ts e l f - c o m p a c t i n gb a c k f i l lh a ss i m i l a rd e g r a d a t i o n r u l ei nt w od i f f e r e n te x t e m a ld a m a g ef u n c t i o n s i t sa b i l i t yt or e s i s tt h ee x t e m a l d a m a g ei n c r e a s ew i t hc o m p r e s s i v es t r e n g t hr i s i n g f i n a l l y , b a s e d o nt h ei n d o o r e x p e r i m e n t s ，s e l f - c o m p a c t i n g b a c k f i l lw a s s u c c e s s f u l l ya p p l i e di np r a c t i c a le x a m p l e t h en e wm a t e r i a lm a d eg o o dp r o j e c te f f e c t s ， e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de c o n o m i cp r o f i t a n dt h ec o n s t r u c t i o na n d q u a l i t y m a n a g e m e n tm e t h o d sa r ep r o p o s e db a s e do nt h ec o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c e k e yw o r d ss e l f - c o m p a c t i n gb a c k f i l l ，m i xd e s i g nm e t h o d ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y , d u r a b i l i t y , e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n l i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 签名：雠日期：2 。! 羔竺：竖 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：堡坠导师签名：血期：笙三：三：堡 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 公路是国民经济的重要基础设施，它承担着经济建设的运输任务。随着我国 国民经济的迅速发展，党中央国务院果断决策加快基础设施建设，扩大内需，国 内公路建设己达到空前的繁荣，尤其是高等级公路的大量兴建，其规模之大，对 新工艺、新技术、新设备的开发和引进之多都达到了前所未有的程度。高速公路 是专供汽车分道高速行驶并采用全部立交、全部封闭的公路，它代表了现代公路 最新、最高技术水平，采用较高的技术标准和较完善的交通工程设施，使高速公 路与一般公路有质的不同。由于高速公路具有标准高、质量好、设计车速高、承 载与通行能力大、运输成本低、使用寿命长、交通事故少等特点，具有使汽车快 速、安全、舒适、全天候、连续行驶的功能，因此，高速公路在公路运输中占有 重要地位并发挥着巨大的作用。 然而，伴随着高速公路建设的迅速发展，许多问题相继暴露出来，桥头跳车 就是我国高速公路质量“通病”的一种。它实际上是路与桥、涵洞或挡墙相连时， 不同结构类型之间在自然环境中受自重荷载和汽车荷载作用下产生的沉降差异 导致的。当台背填土以及地基沉降累积达到一定程度时，桥台和路堤交界处产生 明显的台阶，车辆行驶经过台阶时，司乘人员将感觉到明显的起落跳动和不适， 从而形成桥头跳车。桥头跳车降低行车的舒适性，迫使车辆大幅度减速，严重时 可导致交通事故，还会对桥涵和路面造成附加的冲击荷载，而从加速了桥台、引 道搭板、支座及伸缩缝的损坏。桥头跳车现象严重影响行车的安全性、舒适性， 大大地降低了公路的服务水平，而且对桥台和路面也产生不良影响。同时，随着 公路等级的提高，涵洞、通道、桥梁等构造物在公路里程中所占比例越来越大， 平均每公里有2 3 座之多。因此，桥头跳车已经成为严重的问题。为了防止桥 头跳车，必须不断对桥梁两端出现的沉陷、断裂等进行及时的维修处理。但是， 修补养护难度大，要花费大量的人力、物力和财力。更为重要的是，维修后不久 问题往往会继续出现，反复的修补又会导致更严重的问题，最后只能采取结构性 修筑来解决。根据美国的一份调查材料的估计，在美国大约有近万座公路桥梁不 同程度的存在桥头跳车问题。每年联邦政府要花1 亿多美元维修和处理这类问 题，而且经常在几年后又需要重新修补【1 1 。 桥头跳车的产生有很多原因，包括设计不周、土质不良等方面，而施工质量 没有达到要求也是产生桥涵两端路堤沉陷的重要原因【2 剖。在实际公路工程施工 中，由于施工工艺在安排上大部分都是路基和桥涵同步开工，为了桥涵结构物的 施工便利，大都是在施工完桥涵结构物以后再填筑其两端路基，这样就在桥涵的 北京工业大学工学硕士学位论文 曼皇曼! ! ! 曼! 曼! ! ! 曼曼曼! ! ! i = 一 = 一 i 曼! ! ! ! ! 曼 两个端部留下一个填土高度较高、土方较集中、施工作业面狭窄、工期紧迫的作 业段。由于该作业段给施工带来很多困难，越靠近桥台端墙，其填土形态就越不 规则，施工作业面就越狭窄。因此，大型和重型机械很难展开填料作业，而只能 采用小型机具或人工填筑，这就造成了压实质量难以保证；此外，由于人为的容 许情况而产生土拱效应，使得桥台台背下部填料压实度严重不足，这样的路堤在 使用一段时间后，由于行车荷载和自然因素的影响，极易出现较大的公路病害。 在实际施工中，台背和高路堤挡墙处也往往难以被充分压实，若施工中追求速度， 疏忽质量，造成用料不合格，压实度达不到要求等缺陷，则更会加大此类沉降。 结构刚度的差异也是产生病害的重要原因，桥梁结构物由于地质、荷载作用 等因素的影响，墩台要产生一定沉降，而路堤由于自重及荷载作用的影响，也要 产生沉降。由于桥涵结构物具有较大的刚度，而与之相连的路面和路基组成道路 属于柔性结构，两者有显著的刚度差别，这个刚度差的存在必然引起道路和桥涵 结构物之间产生较大的塑性变形及较大的刚度突变，加重了桥头跳车的振动效 果。因此选择一种易密实、刚度适中的回填材料是保证施工质量的关键。 近年来，在高速公路在迅速发展的同时，产生了大量的废弃土渣。近几年来， 我国的公路建设不断发展进步，特别是高速公路的走向不仅要兼顾社会、经济、 政治、军事等多方面的需要，而且其平纵线形又要满足车辆安全高速行驶的需求， 这就不可避免地会出现一些高填深挖的路段直接破坏地表植被改变原地貌形态 再加上大规模的开山采石取土( 采石场、取土场) 以及大量弃土弃渣( 弃土渣场) 。 建设中的弃土、弃渣多而分散，每开挖一公里的隧道废渣存放占地就达几十亩， 有些弃土、弃渣就地排弃，由于其结构疏松，空隙度大，极易产生水土流失，同 时由于挖方弃土无法再利用，在填方路段需要从新选择满足施工要求的土场，来 填筑路堤，这样就造成了对土地资源的双重浪费，这已成为我国环境、经济和社 会可持续发展的一个十分严重的负效应。 据有关资料计算，每建设1 公里高速公路，占用的土地最高可达5 - 7 公顷。 另据统计，自1 9 7 2 年联合国斯德哥尔摩环保会议以来，山于公路工程修建等因 素导致水土流失和耕地占用，农民们失去了5 0 0 0 多亿吨的表层土。公路修建形 成的大量的挖填方，引起岩土体移动、变形和破坏，增加了地质脆弱段边坡的不 稳定性。据典型调查分析，公路在营运期间因边坡坍塌、下陷不仅带来了交通中 断、维护困难，也严重影响了公路的运行效率【r ，j 在我国，随着经济的发展和拉动内需政策的带动，尤其是在响应“西部大开 发”政策的基础上，我国公路建设事业得到了迅速的发展。截止到2 0 0 5 年底， 我国公路通车总里程达1 9 3 万公里，其中高速公路总里程达4 1 万公里，超过了 加拿大，仅次于美国，居世界第二位。到2 0 2 0 年底，全国公路总里程将达到2 5 0 万公里，其中高速公路总里程达到7 万多公里 8 】。由此可见，在未来十几年里， 2 g l 章堵t 公路建设将以更为迅猛的速度在中国大地上展开。公路建设的蓬勃发展，导致其 引起的水土流失量占水土流失总量的很大比重，目前己成为我国最严高速公路建 设水土流失与水土保持研究重的国土水土流失之一。由取土和弃土所引起的新增 水土流失量将可能超过路基主体的流失量，如长( 抬) 邯( 郸) 高速公路仅弃土( 渣) 就每年新增水土流失2 9 万吨公里，后期治理费用达整个工程防治费用的8 0 1 9 ”】。因此如何从施工方法上避免取土和弃土的现象的发生具有重要的环境和经济 效益。 图1 - 1 某高速公路取土场 f i gi 一1t h e h i g h w a y b o r r o w 一 针对以上问题，本文提出了以公路施工过程中产生的废土作为原材料配制非 压实回填土，应用在台背回填部位。非压实回填土( 简称流动土】，是水泥土的新 型利用形式，它是在细粒土中加入少量普通硅酸盐水泥，掺水拌合后浇筑流平， 并经过适当养护，水泥颗粒水化并与土粒产生理化反应，逐渐硬化形成的一种新 型回填材料。非压实回填土技术具有自密实的工作性，可以大大提高台背回填质 量，对于桥头跳车问题从根源上解决。此外，非压实回填土可以就地再生利用现 场施工产生的粘土、粉土等不适合作为路基回填土的废土，减少施工中弃土产生， 并且无需再取土，产生了一举两得的环境效益，大大减少水土流失问题的发生， 因此该技术可以被称为是“绿色可持续施工技术”。 非压实回填土除应用在台背回填之外，还可应用于其它施工条件受限的基坑 回填。在土建工程中，常遇到一些人、机械设备无法进入但需要填充的特殊空间， 如各种原因形成的地下空洞，形状不规则、狭窄、矮小的建筑空隙，桥头搭板下 的空洞等，常规的施工方法无法确保空洞的充分的填充，给工程质量带来较大的 安全隐患。非压实回填土则可以充分发挥其优势，填充密实，并具有一定的强度 和耐久性。 北京工业大学工学硕士学位论文 综上所述，非压实回填土的研究无论是从工程质量上还是从环境可持续发展 上，都具有十分重要的意义。 1 2 研究现状 桥头跳车病害严重影响着公路正常运输功能的发挥。加强台背回填技术的研 究已列入各级交通主管部门的议事日程，并得到相关领导和专家的极大关注，因 此，台背回填材料的研究是逐渐成为研究重点。为了保证压实质量，国内学者把 研究重点放在了流动化材料上，这类材料特点是不用压实，可以依靠自重密实， 或者依靠振捣密实，可以消除了其他散粒体回填材料固有的压实“死角 。目前， 国内外采用的回填材料较多，现将代表性回填材料的研究现状总结如下。 ( 1 ) 气泡轻质填土 陈忠平【l l 】等人从国外引进了气泡轻质土技术，将其用于实践，在广东已应用 于道路加宽和桥台背后填土工程。气泡轻质土是是按照一定的比例在原料土中， 添加固化剂、水和气泡，经过充分混合、搅拌后形成的轻质材料。其特点在于： 轻质性，在其内部分布大量的独立闭合气泡，使材料的容重比常规土小得多，一 般在5 0 0 1 2 0 0 k g m 3 ；高流动性，流动值可达到1 8 0 m m 以上，可以通过管道泵 送。 气泡轻质填土中的原料土并不是常规意义的土，而是包括粘土、粉土和砂， 通常在强度高、耐久性稳定的要求下一般使用砂，而无法利用挖方弃土。水泥用 量高，一般气泡轻质填土2 8 天无侧限抗压强度要高于1 5 m p a ，其水泥用量要高 于3 0 0 k g m 3 。由于水泥用量高，且引入气泡导致施工过程复杂，导致材料总体 造价偏高，达到3 0 0 元m 。 ( 2 ) 流态粉煤灰 河北省交通科研所 1 2 】研究成功的流态粉煤灰水泥混合料，曾在唐津高速公路 采空区、石黄高速公路、以及衡水国道施工中大量应用，尤其在青银高速公路建 设中用在桥台背回填及基坑回填方面，取得良好效果【1 3 】。 流态粉煤灰水泥的主要技术指标为： 1 ) 水泥：粉煤灰：水= 6 1 0 ：9 4 9 0 ：6 5 7 5 ( 外掺) ； 2 ) 7 天强度不小于0 4 m p a ，2 8 天强度不小于0 6 m p a 。 采用流态粉煤灰水泥混合料回填施工有许多优点：回填速度快；施工工艺简 单，造价较低；混合料容重低对土基的压力小，可减少路基沉降。使用过程中也 发现了一些问题：在地下水丰富的地方混合料回填受影响较大；回填料裂缝比较 多，前期强度偏低。 ( 3 ) 陶粒粉煤灰混凝土 葛折圣 1 4 】等提出并研究陶粒粉煤灰混凝土的物理力学性能及其在桥涵台背 回填的应用效果。陶粒粉煤灰混凝土具有一下特点： 4 第1 章绪论 皇! 曼! 曼曼! 皇! ! 皇! ! 曼曼! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼曼! 苎曼! 曼曼! 曼! ! ! ! ! ! 曼! i n i i i ! 曼曼! ! ! ! 曼! 曼! ! ! ! 曼皇! ! ! 曼曼! ! ! ! ! 璺 1 ) 陶粒粉煤灰混凝土密度较小，用于台背回填时对地基地附加应力小，减 小了地基的压缩变形，同时减小了回填材料对台背结构的土压力，保证了结构的 稳定和安全。 2 ) 强度高，压缩模量大。陶粒粉煤灰混凝土的7 d 平均抗压强度为1 6 9 m p a ， 达到了规范要求的底基层无机结合料稳定材料的抗压强度要求，远大于一般填土 的强度。另外，陶粒粉煤灰混凝土的压缩模量平均达2 5 g p a ，相当于一般贫水 泥混凝土的压缩模量。因此，采用陶粒粉煤灰混凝土作为台背回填材料，回填材 料自身的压缩变形极小，回填体更加稳定。 3 ) 采用振捣成型的施工工艺，无需压实，消除了其他散粒体回填材料固有 的压实“死角”。 陶粒混凝土和普通混凝土基本相同，只是骨料发生变化，其强度完全来源于 水泥成分，一般水泥用量要远高于水泥土材料，造价较高，且不能利用挖方弃土， 因此在台背回填应用较少。 ( 4 ) e p s 土工泡沫的应用 j o l h l 【】5 】总结了e p s 土工泡沫的用途，认为e p s 作为轻质回填材料，可以消 除台背与路基间的差异沉降，降低工程的维护费用，从而减少了工程的寿命周期 费用。 2 0 世纪5 0 年代末期，德国开始使用刚性e p s 轻质泡沫作为筑路材料；2 0 世纪6 0 年代中期，e p s 第一次被用作道路防冻层材料；1 9 8 9 年，德国公路交通 协会( f g s v ) 专门设立了e p s 作为轻质筑路材料的工作委员会，开始制定e p s 作 为轻质筑路材料的设计和施工指南；1 9 9 5 年，f g s v 出版了e p s 土工泡沫筑路 指南；1 9 9 5 年，为获得更多的e p s 土工泡沫筑路的实践经验，在德国西部的a 3 1 高速公路上修建了刚性e p s 土工泡沫的试验路段【1 6 】。 浙江大学李云飞通过比较相同状态下分别用e p s 、粉煤灰、一般粘土作填料 时的路堤沉降值，认为e p s 材料在减少台背与路堤的差异沉降方面具有明显的 优越性【1 7 】。 虽然，e p s 土工泡沫材料拥有上述诸多优点，且在某些工程中得到了应用， 但由于原材料价格较高，所以限制了e p s 土工泡沫材料的应用范围，而且该材 料不能利用挖方弃土。 ( 5 ) 水泥土 水泥土是将土、硅酸盐水泥和水( 必要时可加入火山灰等j t - j j n 剂) 按一定比例 拌和、捣实、养护而成的一种具有一定工程特性的材料【1 8 19 1 。如果水泥土混合 物中土、水泥和水的成分比例或者施工工艺发生变化，则将构成不同形式的水泥 土，因而其用途和用场将各不相同。非压实回填土是水泥土的- r o e 新型利用形式， 区别在于非压实回填土采用粉质或粘质细粒土，且提高了用水量，使其具有较好 北京工业大学工学硕士学位论文 的工作性，无需压实即可成型密实。结合以往研究成果可以对水泥土进行分类， 如表1 1 所示。 表1 - 1 水泥土的分类 t l b l e1 11 1 1 ec e m e n ts o i lc l a s s i f i c a t i o n 划分指标 名称 定义 一种细粒土、水泥和水的混合物，无需压实即可自 非压实回填土 密实成型的坚硬材料，具有足够的强度、刚度和耐久性。 一种粉碎了的土、水泥和水的混合物，经机械压实 水泥土和养护后形成的坚硬材料，它具有足够的强度和耐久 水泥掺量性。 和坚硬程度 一种粉碎了的土、水泥和水的不坚硬或半坚硬混合 水泥改良土物。水泥改良土只是改善土的物理性质，如降低土的塑 性指数，减少体积形变等，因此水泥掺量少于水泥土。 一种粉碎了的土、水泥和水的混合物，没有质量要求， 水泥处理土 仅表明在土中掺入了水泥和水。 在某一压实功能下，按照适宜含水量与最大干容重 干硬性水泥土确定的掺水量和水泥及粉碎土的掺量，经均匀拌合、压 实和养护后，具有一定强度和耐久性的水泥土。 一种掺水量远较干硬性水泥土的适宜含水量大的 混合物 湿塑性水泥土 水泥土，具有类似砂浆的稠度。湿塑性水泥土的水泥掺 量通常比最大干硬性水泥土的水泥掺量高4 左右，在 含水量 此水泥用量下它可以获得较好的强度。 它含水量高于湿塑性水泥土，并且因为它使用粉质 或粘质细粒土作为主要成分，拌合后可以自流平。水泥 非压实回填土 掺量稍高于湿塑性水泥土，在容重较低的情况下，可以 具有一定的强度和耐久性。 水泥土工程应用有两种情况：( 1 ) 路面基层中的水泥土；( 2 ) 深层搅拌的水 泥土。应用水泥土较早的国家有日本和美国，分别始于1 9 1 5 年和1 9 1 7 年。随后， 许多国家纷纷将水泥土用于道路、水利、基坑支护与防渗等工程。五十年代初， 美国曾经在b o n n y 水库土坝上用水泥土做护坡材料，十年后取样检验，材料强 度较2 8 天龄期强度增长一倍，而且各层水泥土之间结合的较牢固。由于首次应 用的成功，所以到七十年代中期，美国各地已有5 5 座水库大坝采用了水泥土护 坡。这些成功经验在国际会议上引起注意。苏联七十年代也在国内介绍了美国大 6 第1 苹绪论 坝水泥土护坡的经验。 非洲一些国家，如赞比亚、安哥拉、肯尼亚等国也大量试验水泥稳定土做基 层和底基层，修筑了上千千米沥青面层的公路。 我国从2 0 世纪7 0 年代初开始对水泥土进行试验、应用和推广。7 0 年代后 期，山东、天津、北京、上海等省市水利科研设计单位相继开展了水泥土的应用 研究工作，比较深入地研究了该材料的基本物理力学性能。1 9 7 4 年辽宁省在沈 抚公路南线铺筑了十余公里采用水泥稳定土作为高级沥青面层的基层，是我国公 路上第一次大规模应用水泥稳定土的工程实例。 8 0 年代，水利部门对水泥土的研究使用更为普遍。建设部门也是在该时期 采用深层搅拌技术将地基软土和水泥浆强制拌和来加固地基，得到了具有整体 性、水稳性和足够强度的地基土。9 0 年代以来，我国学者对水泥土开展了更加 深入的研究。 储诚富等 2 0 】提出用似水灰比对水泥土无侧限抗压强度进行预测。 童小东等【2 l 】认为水泥土的变形和损伤过程大致可分为4 个阶段：裂纹及孔洞 的闭合阶段、水泥土的线弹性响应阶段、微缺陷的稳态扩展阶段、裂纹贯通及非 稳态扩展阶段。并得到了一系列损伤关系曲线， 为建立水泥土的弹塑性损伤模 型奠定了基础。 王文军等【2 2 】将性能优异的纳米硅粉作为外掺剂应用于水泥土改性。 宁宝宽 2 3 】等探讨了不同土质、不同水泥掺量、不同养护龄期的水泥土的抗冻 融循环特性，认为水泥土的抗冻性存在一个最优水泥掺量，建议应用于低温环境 中的水泥土材料，应对其抗冻性进行评价，从而保证水泥土材料的耐久性。 综上所述，回填材料研究方面已有多种新材料出现，并应用于工程，而非压 实回填土在工程性质和经济方面都具有较大的优势，其在国内外研究还不多见， 对于其配合比设计和力学性能及耐久性需要进一步的研究和探索，从而使其在我 国得到更为广泛的利用，为社会主义现代化建设发挥巨大作用。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 非压实回填土配合比设计方法研究 非压实回填土作为一种新型水泥土利用形式，其成分比例、工作性不同于普 通水泥土，因此其配合比设计无法采用水泥土配合比设计方法。非压实回填土配 合比参数选取要能够反应非压实回填土工作性和强度变化规律，通过试验总结确 定配合比设计参数，最后提出非压实回填土的配合比设计方法。 ( 2 ) 非压实回填土力学性能研究 力学性能研究主要开展了无侧限抗压强度、c b r 和刚度三方面。通过大量室 内试验研究非压实回填土的强度影响因素，并期望通过数据回归分析得到强度经 验公式；由于非压实回填土主要应用在路基回填中，因此有必要探讨非压实回填 北京工业大学- t 学硕十学位论文 土的c b r 值是否达到路基强度要求；另外通过非压实回填土的应力一应变过程进 行试验研究非压实回填土的刚度特征。 ( 3 ) 非压实回填土耐久性研究 非压实回填土耐久性研究主要探讨了其在干湿循环和冻融循环下的强度稳 定性。由于针对非压实回填土的这两方面性能没有成型的试验方法，本文在参照 水泥土的试验方法基础上提出非压实回填土的耐久性试验方法，并针对不同配合 比非压实回填土试件进行试验，探讨其耐久性规律。 ( 4 ) 非压实回填土工程应用研究 在室内试验研究基础上，将非压实回填土应用的实际工程中。按照本文提出 的非压实回填土配合比设计方法进行配合比设计，并依据室内试验经验和现场施 工情况提出非压实回填土的施工和质量管理方法。 第l 章绪论 1 4 本文研究思路 提出新型台背回填材料 非压实回填土 图1 - 2 本文的研究思路 f i g 1 2t h es t u d ya p p r o a c ho ft h ep a p e r 9 参军 吟 北京 = q k 大学i 学颈学位论文 第2 章非压实回填土配合比设计方法研究 非压实回填土和普通水泥土成分相似，由于其特有的工作性要求，使其在原 材料选择和配合比设计不同于普通水泥土，因此本章以探讨非压实回填土的工作 性为出发点，从试验方法、原材料选择、工作性影响因素和配合比设计4 个方面 展开研究，期望得到可以有效控制非压实回填土工作性的配合比设计方法，匕上指 导非压实回填土的实际工程应用， 非压实回填土的工作性包括流动性、抗离析性和抗泌水性三个方面。流动性 是指非压实回填土在自重的作用下，可以充填密实结构物的性质，而抗离析性和 抗泌水性则是保证混合物质量和强度形成的保证，主要以流动值试验进行评价。 2 1 试验方法 2 1 1 试件成型试验 非压实回填土拌合使用j j 一5 型行星式水泥胶砂搅拌机拌制，一次拌和量以拌 制容器总体积的1 ，3 为宜。首先准备原材料并测量原料土含水量，依据每次拌合 量计算各种材料用量，并依据含水量计算原料土和水的实际用量，将原料土和水 泥倒入搅拌锅中，干拌2 0 s 左右加水，再次拌合2 分钟左右，拌制之后将非压实 回填土浇入70 7 e r a 的立方体试模，无需振捣，成型后放入温度2 性2 ，相对湿 度在9 5 以上的标养室养护，2 4 h 后拆模，试件宜放在铁架或木架上，间距至少 l o m m ，避免被水直接冲淋。 图2 - 1j j 5 型行星式水泥胶砂搅拌机 f i 9 2 - lt h ej j 5 ts t l e k - n d m i x i n g m a c h i n e 第2 章非压实回填土配台设计方 击研究 幽2 - 2 非压蛮i 旦l 填土试僻成型 f i g , 2 - 2 t h e m o l d i n g t e s tp i e c e so f s e l f - 叩m p a c t i n g 圈2 4 养护成型后试件 f i 9 2 3 t h ec u r e d t e s t p i e c e 2 1 2 流动值试验 流动值的大小是评价非压实回壤土工作性水平的主要因素，由于目前国内尚 无测试非压实回填流动值的试验方法，因此，本文参照“气泡混合轻质填土的 流动值测量方法”制作了流动值测量仪( 内径8 0 r n m ，高8 0 r a m 的空心圆筒，见 图2 - 4 ) ，用来测定非压实回填土的流动值。 图2 4 流动值震4 量仪 f 2 _ d , t h es 呻d * r n e a s u r i n g t l e v i c e 测量方法为：首先将圆筒水平静置于钢板或硬质塑料板上，然后在非压实回 填土拌合完成后由出料口取试料慢慢将试料注满圆筒，手指轻敲圆筒外侧，使试 料的表面与圆筒的上端齐平，擦去溢出的试料，慢慢将圆简垂直提起，静置3 0 s 后，观察试料是否出现离析和泌水现象，井用直尺量出试料底面最大扩散直径及 与其垂直方向的直径，计算两者的平均值作为流动值，具体操作流程可参加图 2 - 5 。 北京丁业大学工学硕十学位论文 曼! ! ! ! ! ! 曼! 曼曼皇曼曼! ! ! ! 曼曼! 曼! 曼ii 曼! 曼苎曼! 曼曼! ! ! 曼! ! ! ! ! 曼! 曼! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼曼曼! 曼! ! ! ! ! 曼! ! ! ! 曼 图2 - 5 流动值测量示意图 f i g 2 5t h es k e t c hm a po fs l u m pv a l u ed e v i c e 2 1 3 其它常规试验 2 1 3 1 筛分试验 参照公路土工试验规程( t 0 11 5 5 3 ) 颗粒分析试验规程，采用筛分法和 比重计法对土中颗粒分布进行测量。试验主要设备有天平，精度为5 9 ，圆孔标 准筛，比重计。 2 1 3 2 界限含水量试验 参照公路土工试验规程( t 0 11 8 5 3 ) 界限含水量试验规程，测定土样的 液限和塑限，并计算塑性指数。试验主要设备有液塑限联合测定仪，天平，精度 为0 0 1 9 。 2 1 3 3 比重试验 参照公路土工试验规程( t 0 11 2 5 3 ) 比重试验规程，测定土样的液限和 塑限，并计算塑性指数。试验主要设备有液塑限联合测定仪，天平，精度为0 0 1 9 。 2 2 原材料要求 1 由于非压实回填土是由几种原材料组成的混合物，原料的性质对混合物硬化 反应有很大影响。因此，如果原料选用不当，非压实回填土适宜工作性可能就无 法获得，甚至可能破坏非压实回填土的内部结构，从而严重危及工程的安全。因 此，对非压实回填土的原料要有所要求和选择，是成功配制非压实回填土的前提。 2 2 1 水 水是配制和养护非压实回填土必须的材料，土中的水使其获得一定工作性， 同时也是水泥水化和水泥石硬化的保证。通常水泥制品对于水质的要求也符合非 压实回填土对水质的要求。 一般工业废水、生活污水、p h 值小于4 的酸性水和硫酸盐含量较多的水均 不可使用。水中含有害杂志或油脂、糖类等物质，也不能用于非压实回填土，它 们会影响水泥的正常凝结和硬化。本试验用水为自来水。 1 2 第2 章菲压实同填十配合比设计方法研究 2 2 2 水泥 。水泥是无机胶结材料，它在非压实回填土中起固结土粒的主要作用，是改变 土粒性质的唯一因素，也是非压实回填土具有工程性质的根本。非压实回填土的 性能随水泥的矿物成分不同而不同、随水泥的掺量不同而不同、随水泥水化发育 不同而不同等等。 水泥品种很多，根据不同的要求和用途选用不同的品种。水泥土的研究表明， 普通硅酸盐水泥掺入土体后，在水的作用下水泥水化反应及水化物与土体之间反 应进行较好，强度增长较大，又考虑到非压实回填土不用于特殊环境中，因此选 择普通硅酸盐水泥作为主要固化剂。 水泥质量的优劣直接影响非压实回填土的性能好坏，因此水泥在运输和保管 时应严加防潮，并不得混入杂物。 本试验所用水泥为北京水泥厂有限责任公司生产的3 2 5 级和4 2 5 级普通硅 酸盐水泥，其物理力学性能如表2 1 和表2 2 所示。 表2 - 13 2 。5 级普通硅酸盐水泥物理力学性能 t a b l e2 1p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fp o3 2 5c e m e n t 抗压强度抗折强度 细度( 8 0 i _ t m 方孔 凝结时间h ：m i n安定性 m p am p a 筛筛余) ( 沸煮法) 初凝终凝 3 d2 8 d3 d2 8 d 0 o2 ：4 04 ：0 52 4 74 9 24 88 5 合格 表2 24 2 5 级普通硅酸盐水泥物理力学性能 t a b l e2 - 2p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fp o4 2 5c e m e n t 细度( 8 0 9 m 方孔 凝结时间h ：m i n 抗压强度抗折强度 安定性 m p am p a 筛筛余) ( 沸煮法) 初凝终凝 3 d2 8 d3 d2 8 d 0 02 ：2 5 3 ：5 5 3 1 35 1 45 09 2 合格 2 2 3 原料土 土料是配制非压实回填土的基本原料，以重量计，一般占混合料的5 0 以上， 所以土料在非压实回填土中具有至关重要的作用。 由于非压实回填土用于实际工程结构中，它应具备稳定的物理力学性质和耐 久性能，因此土料中不应含有大量的有机质，否则会影响非压实回填土的质量。 土料中有机质约在2 以下是安全的。 北京丁二业大学工学硕士学位论文 一般土中的含盐量并不妨碍水泥的水化固结作用。有研究表明，土的p h 值 从4 到1 0 都能配制水泥土的混合物，而且其强度不会降低，因此，本文要求的 土料对其含盐量不加限制。 土料中对于非压实回填土性能影响最大的是其质地，土的质地包括土颗粒的 粗细和级配，质地的变化会直接影响到混合物的工作性、强度和耐久性，因此对 于用于配制非压实回填土的原料土质地要有明确限制。从土力学的观点来看，土 料的土颗粒按6 0 m m 、0 0 7 4 r a m 为界限可以分为三大组：巨粒、粗粒和细粒，而 细粒中又以o 0 0 2 m m 为界分为粉粒和粘粒。在不同粒组之间，其颗粒的连接、 透水性、塑性和压缩变形等特性均存在着明显的差异。土料中每种颗粒所占比例 即级配则决定了土料的种类，土料分类总体系如图2 - 6 。 图2 - 6 土分类总体系 f i g 2 6t h es o i lc l a s s i f i c a t i o n 本试验用土取自某公路施工现场的挖方弃土，共有五种。由于土中有凝结现 象，直接使用可能导致拌合不均匀，从而影响硬化质量，因此在使用前首先过 5 m m 筛，图2 7 为筛后备用土。 1 4 第2 章非实回填土e 台设计方珐研究 图27 五种原料土 f i g2 - 7f i v e k i n d s o f s o i l 表2 - 3 筛分试验结果 t a b l e2 - 3 t h er e s u l t s o f s i e v e k 女 各个孔径的分级筛余m 土样 00 0 2 一 筛余 2 - 2 8 48 7 93 3 1 1 _ 2 04 北京工业大学工学硕十学位论文 比重试验和界限含水量试验结果如表2 - 4 所示。 表2 4 土样基本性质 t a b l e2 4t h eb a s i cc h a r a c t e r so fs o l l 重度1 ，液限塑限塑性指数 土样编号 ( 1 0 k n m 3 )w l ( )w p ( )i p ( ) 1 12 6 92 6 41 9 56 9 2 22 6 92 4 91 8 1 6 8 2 32 72 3 61 49 6 3 12 72 4 41 5 2 9 2 细粒土是指粗粒组( 0 0 7 5 m m 粒径d 6 0 m m ) 含量小于2 5 的土，由表2 3 可将5 种原料土初步分为：粗粒土和细粒土。依据塑性图( 图2 8 ) 和塑性指数 可以进一步分类，当土的指标处于塑性图中a 线以下时为粉土，又依据塑性指 数以7 为界分为砂质粉土和粘质粉土。因此综合分析，5 种原料土分类结果为表 2 5 。 箍限w 1 # 图2 - 8 塑性图 f i g 2 - 8p l a s t i c i t yc h a r t 表2 5 原料土分类 玑出1 e2 5t h ec l a s s i f i c a t i o no fs o l l 细粒土 粗粒土 砂质粉土粘质粉土 1 2 1 1 、2 22 3 、3 1 1 6 第2 章非压实回填七配合比设计方法研究 ! m mn mm i m l i i i ! 曼曼! 曼苎! ! ! 曼! ! 曼曼曼! 苎曼! ! ! 舅 为了探讨非压实回填土对于原料土的要求，开展了不同配合比的流动值试 验。配合i ：l 女n 表2 - 6 所示。按照本章第一节试验方法进行拌合，每种原料土拌合 三次，并测量流动值，将三次流动值的求平均作为最终结果( 表2 7 ) 。 表2 6 非压实回填土配合比 t a b l e2 - 6t h em i xp r o p o r t i o n 配合比 土( k g m 3 )水泥( k g m 3 ) 水( k g m 3 ) g11 1 0 91 6 65 1 0 g2 1 1 0 91 6 65 2 5 g3i 1 0 91 6 6 5 4 0 表2 7 流动值试验结果 t a b l e2 - 7t h er e s u l t so ft h es l u m pt e s t 不同土样流动值m m 配合比 2 33 11 - 12 - 2 1 2 g11 1 51 2 01 0 81 2 01 2 7 g2 1 5 0 1 5 51 5 0 1 5 80 g31 9 02 0 0o0 0 表2 7 中当流动值为0 时，表示拌合物出现较为严重的离析，无法测量流动 值。分析五种土样的流动值可以发现，不同土样的流动值变化有三个不同趋势。 第一种趋势为土样1 2 ，当单位用水量达到5 2 5 k g 时，就已经出现离析，原因是 其土粒组成中含有大量粗粒成分，粘粒含量较少，在含水量大的情况下粗粒下沉 而极容易离析。第二种趋势为土样1 1 和2 2 ，这两种土都为细粒土，但是由于 其塑性指数小而显砂性，显然塑性指数愈小，土处于可塑状态的含水量范围也就 越小，换句话说，塑性指数的大小与土中结合水的可能含量有关，土样1 1 和2 2 塑性指数小，土结合水的能力较小，因此在流动值达到1 6 0 t u r n 后再加水就出现 离析现象( 图2 9 ) 。第三种趋势的土样包括2 3 和土3 1 ，试验发现这两种土在 达到1 8 0 m m 流动值时没出现离析现象，且显示较好的工作性，综合分析，非压 实回填土为了获得良好的工作性，应使用非砂质的细粒土进行配制。 北京i n 大学i 学硕上学位诧文 图2 - 9 拌合过程出现离析 f i 9 2 - 9s e g t e g a t i o n i n m i x i n g 2 3 工作性影响因素研究 非压实回填土具备良好的工作性是其能够应用于实际工程中的重要影响因 素之一，因此研究非压实回填土的工作性具有十分重要的意义。从非压实回填土 中各材料的组成比例进行探讨，初步提出了三个参数：水灰比( 水与水泥的质量 比) 、水固比( 水与固体材料的质量比，固体材料包括水泥和土) 和灰土比( 水 泥与土的质量比) 。通过研究水灰比、水固比、灰土比对非压实回填土工作性的 影响，期望找到可以较好控制非压实回填土工作性的参数。此外，工作性还受到 时间的影响，随着时间增长其流动性必然会下降，下降的幅度和可能造成的影响 将在第3 部分探讨。 2 3 1 水灰比和灰土比对工作性的影响 为了探讨水灰比对工作性的影响，设计不同组成比例参数进行流动值试验， 水灰比分别取了2 0 、25 、3 0 、35 四个值，灰土比分别取了0 1 、0 1 5 、0 2 三 个值，共进行了1 2 组不同配台比试验。试验结果如表2 8 所示。 第2 章非压实回填土配合比设计方法研究 表2 8 水灰比对流动值影响试验结果 t l b l e2 8t h er e s u l t so ft h es l u m pv