（道路与铁道工程专业论文）土石混填路基压实质量控制方法研究.pdf

摘要 随着高等级公路向西部山区延伸，必将大量遇到采用土石混合料填筑路基的 情况。由于土石混合料的级配组成、含水状态极不均匀，与一般细粒土有显著不 同，沿用细粒土的压实标准与检测方法，必然存在标准干密度的确定、检测方法 的适用性及评价指标的合理性等问题。以往结合土石坝和公路工程建设，对土石 混合非均质填方的压实质量开展了研究，但至今土石混填路基压实质量的检测和 评价方法仍无法满足实际的应用要求，有待进一步的完善、补充和改进。本文在 室内外试验基础上，提出了土石混填路基压实质量控制指标及相应的检测方法。 ( 1 ) 首先，采用自行加工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，得到了粗颗粒含量、最大粒径、级配、击实功及不同等 效处理方法等因素对土石混合料最大干密度的影响规律。此外，还开展了其它路 用性能试验研究，得到了粗颗粒含量对土石混合料无侧限抗压强度、c b r 及回弹 模量的影响规律。 ( 2 ) 根据高斯散度定理，求出颗粒体力和表面力的相互关系，建立球状颗 粒体宏观应力与微观接触力之间的关系。通过引入颗粒形状修i e 系数、等效半径 及颗粒接触密度分布函数等参数，进而求出了土石混合料的应力应变关系。根据 应力应变关系中的刚度矩阵，分析了不同因素对土石混合料力学特性的影响规 律。 ( 3 ) 对现行土石混填路基压实质量控制指标和检测方法进行评价，根据控 制指标之问的相互关系及适用范围，提出以压实度作为土石混填路基的压实质量 控制指标。同时，根据目前检测方法优缺点及承载力与压实度之间的关系，提出 采用静力贯入法来检测路基的压实质量。 ( 4 ) 以压实度作为控制指标，首先必须解决好土石混合料最大干密度的确 定问题。对于不同粗颗粒含量的土石混合料，通过引入细粒土干密度的校正系数 来确定其最大干密度，其中校正系数与密度干涉系数、粗颗粒含量等参数有关。 对于超粒径的土石混合料，一般情况下可采用等量替换法通过中型击实试验测出 其最大干密度，当土石混合料为连续级配时，也可通过剔除法试验结果的推定分 析来确定其最大干密度。 ( 5 ) 为了验证静力贯入式路基压实度检测方法的可行性，自行研制了大型 自动压力仪及其相关设备，用大型击实筒配制不同压实度、粗颗粒含量、最大粒 径及含水量的试样进行贯入试验，得到了合理的贯入杆直径、贯入深度，及土石 混填路基压实度与贯入荷载、粗颗粒含量、最大粒径及含水量之间的统计关系， 并提出了相应的试验检测方法。 ( 6 ) 针对不同贯入深度时的贯入荷载，提出了通过土体的极限承载力和沿 深度变化的修f 系数确定的方法，其中极限承载力采用极限分析中上限法能 量法来求解，求解过程中考虑了土体重力的影响。 ( 7 ) 结合现场试验段施工，丌展了静力贯入式路基压实度检测试验。测试 结果表明，本文提出的土石混填路基压实质量控制方法有效、实用。 关键词：土石混填路基；控制指标；检测方法；工程力学性质；静力贯入法 强度机理：极限承载力 一 a b s t r a c t w l t ht h ee x t e n s l o no ih l g h 、v a y si n t om o u n t a l n o u sr e g l o n s1 nt h ew e s l e a r t h 。r o c k m i x t u r e sw o u l db ee n o r m o u s l yu s e dt of i l l s u b g r a d e s t h ee a r t h r o c kn l j x t u r ei s c l e a r l yd i 髓r e n tf r o mn n e - g m i l l e ds o i lb e c a u s eo ft h eh e t e r o g e n e o u sg r a d a t i o l la n d w a t e rc o n t e n t t h e r e f o r e ，t h e r ew o u l db ep r o b l e m sa b o u td e l e m l i l l a t i o no fs l a n d a r d d r yd e n s i t y ，a p p l i c a t i o no ft e s t1 1 1 e t h o d sa n dr a t i o n a l i t yo fe v a l u a n o nt a 曜e t s i nt h e p a s t ，r e s e a r c h e sh a v eb e e nc a 丌_ i e do nm e t h o d so fc o n t r o l l i n gc o m p a c t l l e s sq u a l i t yo n t h eb a s i so ft h eh e t e r o g e n e o u s6 l l si nt h ec o n s t r u c t i o no fd a m sa n dh i g h w a y s e d w i t he a 九h r o c km i x t u r e s t h et e s ia n de v a l u a t i o nm e t h o d s ：h o w e v e lc o u l dn o tm e e t t h en e e do fc o n s t n l c t i o nn o a n ds h o u l db ec o m p l e m e n t e d ，i m p r o v e d ，a n dp e r f e c t e d b a s e do nt h ei n d o o ra n df i e l dt e s t s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec o n n 。o lt a r g e ta n dt h e i n v o l v e dt e s tm e t h o d ( 1 ) f j r s t ，u s i n gl a r g e s c a l ec o m p a c t i o nd e v i c em a n u f a c t u r e dj n d e p e n d e n t l y ，t h e v a r i a t i o nl a wo ft h em a x i m u m d e n s i t yo fe a n h r o c km i x t u r e sh a sb e e no b t a i n e dw h e n t h ec o a r s ea g g r e g a t ec o n t e m s ，t h em a x i m u mg r a i ns i z e s ，g r a d i n g ，c o n l p a c t i v ee f ! e b r t s ， a n dd i f k r e n tt r e a t m e n t so fe q u j v a l e n tc h a l l g e i na d d i t i o n ，w h e nt h ec o n t e n to fc o a r s e g r a i nc h a n g e st h ev a r i a t i o nl a w so fu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h c b r ，r e b o u n d m o d u l u sh a v eb e e na c q u i r e d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c so fg a u s s ，t h er c l a t i o n s h i pb e t w e e nb o d y f o r c ea n ds u r f a c ef o r c eo fp a 九i c l eh a sb e e no b t a i n e d ，a n dt h er e la t i o n s h i pb e t w e e n m a c r o s c o p i cs t r e s sa n dm i c r o c o s m i cc o n t a c tf o r c eh a sb e e ne s t a b l i s h e d a d o p t i n g a m e n d m e n tc o e m c i e n to fg r a i ns h a p e ，e q u i v a l e n tr a d i u s ，d i s t r i b u t i o nf u n c t i o no f c o n t a c td e n s i t yb e t w e e np a r t i c l e sa n ds oo n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s sa n ds t r a i n o fe a r t h r o c km i x t u r e sh a sb e e nd er i v e d i nt e m so fs t i f h e s sm a t r i x ，t h ev a “a t i o nl a w o fm e c h a n i c a lb e h a v i o rh a sb e e ng a i n e dw h e nt h ei n f l u e n c ef a c t o r sv a r y ( 3 )t h ee v a l u a t i o n sh a v eb e e nc o n d u c t e do nt h ec o n t r o lt a r g e t sa n dt e s t m e t h o d s ，w h i c ha r eu s e di nt h ec o n t r o lo fc o m p a c t i o nq u a l i t yo fs u b g r a d en l l e dw i t h e a r t h r o c km i x t u r e s a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t r o lt a r g e t sa n di t s s u i t a b l er a n g e s ，t h ed e g r e eo fc o m p a c t n e s sh a sb e e nr e g a r d e da sc o n t r 0 1t a r g e t a tt h e s a m et i m e ，t h em e t h o do fs t a t i cp e n e t r a t i o nh a sb e e np l e s e n t e dt od e t e m l i n et h e c o m p a c t i o nq u a l i t yo fs u b g r a d ea c c o r d i n gt ot h em e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so fi 】1 et e s t m e t h o d su s e dp r e s e n t l ya n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e g r e eo f c o m p a c t n e s s ( 4 ) r e f e 丌i n gt od e g r e eo fc o m p a c t n e s sa sc o n t r o lt a r g e t ，t h ep r o b l e mt h a th o w t od e c i d et h em a x i m u md r vd e n s i t vo fe a n h - r o c km i x t u r e ss h o u l db es o l v e d t h e m a x i m u md r yd e n s i t yo fe a 九h r o c km i x t u r e sh a sb e e n d e t e r m i n e db ya d o p t i n gt h e 哈一小 c o r r e c t i n gc o e 衢c i e n to fd r yd e n s i t yo fn n e g r a i n e ds o i l ，w h e nt h ec o n t e n to fc o a r s e g r a i nc h a n g e s t h ec o r r e c t i n gc o e 衔c i e n th a sr e l a t e dw i t ht h ec o e m c i e n to fd e n s i i y i n t e r f e r e n c ea n dt h ec o n t e n to fc o a r s eg r a i n w i t | l 陀g a r dt ot h ee a 九h r o c km i x t u r e si n w h i c ht h er a d i u so fg r a i n se x c e e d st h en o m a lr a n g e ，t h em a x i m l l md l yd e n s i i yi sr n o n l l a l l yd e t e r m i n e db yt h em i d d l e s i z e dt e s t t h eg r a i n se x c e e d i n gt h en o r m a lr a d i u s a r eh a n d l e db yt h em e t l l o d so fe q u a lr e p l a c e m e n t w h e nt h eg r a d i n gi sc o n s e c l l t i v e t h em a x i m u md r yd e n s i t yc a i la l s ob ed e t e r m i l l e di 1 1t e r m so ft e s tr e s u l t so f e l i n l i n a t i n gm e t h o d ( 5 ) i no r d e rt ov e r i f yt h ec h e c k i n gm e t h o do fs t a t i cp e n e t r a t i o n ，e x p e r i m e n t sa r e m a d eo nt h et e s ts a m p l e sw h i c ha r em a d eu po fd i 矗色r e n tc o n t e n to fc o a r s eg i a i n s d e g r e eo fc o m p a c t n e s s ：t h em a x i m u mr a d i u s ，a n dc o n t e n to fw a t e r ：b yt h e1 a r g e s c a l e p r e s s u r ei n s t r u n l e n tp r o d u c e di n d e p e n d e n t l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e g r e eo r c o m p a c t n e s s ：p e n e t r a t i o nl o a d ，c o n t e n to fc o a r s eg r a i n s ，t h em a x i m u mr a d i u sa n d c o n t e n to fw a t e rh a sb e e no b t a i n e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o do ft e s th a sb e e n a l s op u tf o r w a r d ( 6 ) t h el o a da c t i n go np e n e t r a t i o np o l eh a sb e e no b t a i n e db yu s eo fc o r r e c t i n g c o e 衔c i e n ta n dt h e1 i m i tb e a r i n g c a p a c i t y ，w h i c h i sc a l c u l a c e d b y u s eo ft h e ，u p p e r _ b o u n d e rt h e o r e mo f1 i m i ta n a l y s i s t h ee n e r g yt h e o r e m t h ep r o c e s so f c a l c u l a t i o nt a k e sc o u n to f t h ei n n u e n c eo f g r a v i 可 ( 7 ) o nt h eb a s i so fm ec o n s t m c t i o no ff i e l de x p e r i m e n t a ls e c t i o n ：t h ec h e c k i n g e x p e r i m e n to fc o m p a c t n e s sd e g r e eh a sb e e nc a 币e do u tb yu s eo ft h em e t h o do fs t a t i c p e n e t r a t i o n t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri s e f l f e c “v e a 1 1 dp r a c t i c a lt ot h ec o n t r o lo fq u a l i t yi nt l l ec o n s t r u c t i o no ft h es u b g r a d e6 1 l e dw i t h e a r i h r o c km i x t l 】r e s k e yw o r d s ：s u b g r a d e6 1 l e dw i t h e a n h m c km i x t u r e s ；c o n t r 0 1t a r g e t ；t e s tm e t h o d ； e n g i n e e r i n g m e c h a n i c s p r o p e n y ； m e t h o do fs t a t i c p e n e t r a t i o n ； m e c h a n i s mo fs t r e n g t h ；1 i m i tb e a r i n gc a p a c i t y ，7 、一 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 习未手 2 年月，曰 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 导师签名： 年月日 矽口g 年毋砂b r 厂、 第一章绪论 1 1 研究课题的提出及意义 路基是公路的基础，路基的质量好坏直接关系到整个公路的使用品质。通过 多年实践我们认识到，提高路基的强度和稳定性是保证公路交通运行的关键，而 要达到这一目的，必须对路基进行有效的压实压实质量控制，增加路基填料的强 度和稳定性，使路基在使用过程中不会由于进一步的压实而产生有害的变形。 我国地势西高东低，东部多为平原微丘区，路基填料主要是细粒土。对于细 粒土路基来说，设计和施工规范中有详细的要求和规定，压实质量控制也有一套 比较成熟和公认合理的方法。中西部多为山岭重丘区，路基填料主要是路堑挖方 和隧道弃渣等土石混合料，表1 1 中给出了已采用土石混合料填筑路基的一些工 程概况。 表1 1土石混填路基工程概况 编号项目名称填料控制指标现场检测方法 国道1 0 7 线安阳至新南、北仓河的卵石和细 l 压实度浠砂法 乡高速公路第三标段粒土混合料 京珠高速公路粤境小孔隙率、塑性变灌水法、精密水准仪 2 挖方路段碎石土 塘至甘塘段形增量检测法。 3哈同公路集佳段挖方碎石土和风化山砂贳入击数圆锥动力触探法 压实度和塑性灌砂法、精密水准仪 4 宁宿徐高速公路挖方路段碎石土 变形增量检测法 陕西勉县至宁强高速 隧道弃渣塑性变形增量精密水准仪检测法 公路 1 0 4 国道余杭段改建：固体体积率或 6 挖方碎石十潦水法、灌砂法。 程西连接线压实度 湖南省潭邵高速公路 f 挖方碎石 i塑性变形增量精密水准仪检测法 舣峰至邵东段 随着我国西部大开发的进一步深入，我国公路里程迅速向西部山区延伸，必 将大量遇到采用土石混合料填筑路基的情况。由于山区高路堤往往与深切方同时 出现，切方段在同一切方点从上到下的地层由土、沉积岩、变质岩、强弱风化岩 共同构成：切方向前延伸，土石、石质也不断变化，即使采用同样的施工工艺丌 挖出的填料级配、强度相差很大。另一方面，土石混填路堤工程量大，工期较紧， 消耗填料多，同一路段填料来源广泛。因此，土石混填路基填判的级配组成、含 水状态极不均匀，与一般细粒土有显著不同，沿用细粒土的压实标准与检测方法， 必然存在标准干密度的确定、检测方法的适用性及评价指标的合理性等问题。以，、 、二一 1 往水利部门，曾结合土石坝的建设，针对土石混合料非均质填方的压实质量控制 方法开展了研究，取得了一定研究成果。在此基础上公路交通部门，结合山区公 路建设，对土石混填路基施工技术和检测方法也进行了研究，但至今土石混填路 基压实质量的检测和评价方法仍然无法满足实际的应用要求，有待进一步的完 善、补充和改进。 因此，根据土石混合料的特性，研究土石混填路基压实质量控制方法，这对 节约工程造价提高山区高速公路使用寿命有十分重要的现实和经济意义。 1 2 土石混填路基压实质量控制方法研究现状 目前，土石混填路基压实质量控制没有统一的标准和试验方法，如何根据土 石混合料的特点，寻求合理的评价指标和简便的检测方法，成为土石混填路基压 实质量控制方法研究的重点。 12 1 土石混合料工程力学性质研究现状 土石混合料是由土和石组成的松散体，土的种类及石料的强度和含量不同， 压实成型后，其物理结构和力学特性亦不同。研究资料表明，以往人们对土石混 合料的工程力学性质研究主要集中在剪切特性和压实特性研究方面。 关于土石混合料的剪切特性，各个部门结合实际工程，通过三轴试验对其进 行了较为系统的研究。 1 9 9 7 年云南公路研究所武明等人”1 采用大、中型三轴仪对土石混合料进行 剪切和压缩试验，并建立了大、中型剪切试验结果之问的统计关系。其中粘聚力 之间的相关性不明显，内摩擦角之间的统计关系为： p 大= 7 9 0 2 + 0 9 1 3 妒中，r = o9 7 1 1 式中：妒 、分别为大、中型剪切试验时的内摩擦角，尺为相关系数。 1 9 9 8 年徐刚等人”，采用1 0 0 0 k n 大型电液伺服粗粒土动、静三轴试验机对 1 0 组土石混合料进行动强度试验，并利用双对数坐标求出动应力与破坏振次之 间的关系。即 d j = 爿；8 1 2 或1 0 9 盯j = l o g 爿一口l o g ， 1 3 式中：盯，为试验施加的轴向动应力，t p 口；，为对应于动应力的破坏振次；、 b 为待定试验参数。 1 9 9 9 年郭庆国。1 ，通过室内大型三轴试验，得到了土石混合料的强度破坏准 则为： - ， ， f r ，= c + 爿p ：( 盯彰) 8 1 4 式中：r ，为抗剪强度；c 为抗剪强度参数，对于无粘性粗粒土，f 值反映了颗粒 间的咬合力，对于有粘性的粗粒土，c 值为颗粒间咬合力和粘结力之和： 口为法向应力；爿、b 为强度参数。 2 0 0 2 年李振等人“采用z j 5 0 0 l 型大型直接剪切仪对土石混合料进行直剪 试验，得到了于密度相同情况下，粗颗粒含量的变化对抗剪强度参数的影响规律， 以及同一土石混合料干密度变化时对抗剪强度参数的影响规律，其中内摩擦角与 干密度之间近似为线性关系。同年张林洪等人”“，通过三轴试验和资料整理，得 到土石混合料的强度破坏准则，并建立了土石混合料弹塑性增量本构模型。其中 破坏准则为： f = r 一月仃61 5 式中，f 为屈服函数：爿、6 为试验参数；r 为剪切面上的剪应力；口为正应力。 弹塑性本构模型为 d 盯。= d 篇d ， 1 6 式中：d 篇为弹塑性增量张量，即弹塑性刚度矩阵d ”，其表达式为： 罢d 纛，噬。害 d 茹= ，一孚二等 4 + 砖薏 7 关于压实特性研究方面，主要是配制不同粗颗粒含量的土石混合料进行大、 中型击实试验，建立土石混合料最大干密度和最佳含水量与粗颗粒含量之间的关 系。 1 9 9 6 年武明“”参照水电部的标准，对土石混合料进行大型击实试验，得出 了得出了土石混合料最大干密度及最佳含水量与粗颗粒含量之间的关系曲线，以 及粗颗粒含量对击实后粗粒料破碎率的影响规律。同时，为了探索中型击实试验 代替大型击实试验的可能性，武明等人分别采用大、中型击实仪对土石混合料进 行击实试验，得出两者之问的统计关系： 0 m 、大= 1 2 3 5 0 啪、中一04 1 4 1 8 w 大= 1 0 4 4 w 叩冲+ o6 1 0 1 9 式中，0 炉。川分别为大、中型击实试验时最大干容重；州、w 训分别 为大、中型击实试验时最佳含水量。 2 0 0 2 年刘宏等人”7 。1 根据大量的击实试验结果，求出了最大干密度和最佳含 水量与粗颗粒含量之问的统计关系式： p 小。、= 一0 0 0 0 1 只2 + o0 1 4 3 只+ i 9 0 6 3 1 1 0 w 。，= o0 0 2 1 只2 一o2 4 0 5 只+ 1 2 8 1 4 1 1 1 式中，几。为最大干密度：w 。为最佳含水量：只为粒径大于5 m m 的粗颗粒含 量。对上式进行求导，粗颗粒为7 0 左右时，土石混合料的最大干密度 最大，与武明等人的研究结果基本一致。 此外，2 0 0 0 年华北大学孙耀东等人“1 “1 对不同粗颗粒含量的土石混合料采用 中型击实筒进行了上置式表面振动压实研究，得出了不同粗颗粒含量的土石混合 料的最佳振动时间、频率及振幅等压实参数。2 0 0 1 年马松林等人。也采用上置 式振动装置对不同粗颗粒含量的土石混合料进行了压实研究，总结出多土类、中 间类及多石类三种结构类型的土石混合料最佳室内成型工艺，并得到了最大干密 度和最佳含水量与粗颗粒含量之间的线性统计关系： p 。，= o 5 0 0 6 只+ 1 9 5 8 8o 只7 0 月2 二o 9 71 1 2 w 洲，= 一7 15 4 e + 1 1 5 60 茎只7 0 r2 = o 8 71 13 以上概括介绍了土石混合料剪切特性和压实特性方面的研究成果。其中剪切 特性试验及理论方面研究比较深入，总结出土石混合料抗剪强度的影响因素，并 提出了土石混合料的屈服准则及弹塑性增量本构理论。压实特性方面的研究主要 集中在最大干密度和最佳含水量与粗颗粒含量之间的关系及施工过程中振动压 实参数等方面，而最大粒径、级配、击实功及等效处理方法变化时对土石混合料 最大干密度和最佳含水量的影n 向规律研究较少。此外，对于公路路基而言，填料 选用时除考虑剪切强度特性和压实特性外，还应考虑土石混合料的无侧限抗压强 度、c b r 及回弹模量等基本工程性质。 12 2 土石混合料结构及其强度形成机理研究现状 在工程实践中，只有认清土石混合料的结构类型，才能有的放矢，采用合理 的施工手段及有效的施工工艺。这样既保证了工程质量，又节约了： 程成本和时 间。 1 9 9 6 年，武明”根据大型击实试验中土石混合料最大二f 密度和粗颗粒含量 之间的关系，将土石混合料分为三种结构类型；多土类结构、中间类结构及多石 类结构，粗颗粒含量界限分别为3 0 和7 0 。2 0 0 0 年哈尔滨建筑大学王龙等人 “1 ，采用上置式表面振动器对土石混合料进行振动压实试验，并根据最大干密度 和粗颗粒含量之间的关系，将土石混合料分为三种类型：悬浮密实结构、骨架 密实结构、骨架空隙结构，粗颗粒含量界限分别为4 0 和7 0 。2 0 0 3 年大连理工大学隋吉军等人“，对同一种土石混合料采用重型击实和振动压实的 方法成型试样，根据试验结果对土石混合料的结构类型进行分类，由于成型方法 的不同，土石混合料结构分类界限也有所不同。 当 h 颗粒含量大于一定范围时，土石混合料为骨架密实或骨架空隙 结构，粗颗粒之间主要是点接触，其物理力学性质与传统的固体介质有显著不同。 根据散粒体的变形特点，可以大致分为三类：第一类是外力作用产生变形时会使 颗粒流动，其表现的力学特性类似流体：第二类是散粒体在局部会有颗粒滑动和 接触点得失，类似固体的小变形力学性质；第三类是在密集排列的松散颗粒中已 形成剪切带，这种近似破裂的形变类似固体大变形的力学性质。由于宏观介质力 学不能理想地解释松散颗粒体所表现的力学响应，因此，人们对颗粒材料微观结 构研究越来越重视。 1 9 7 9 年c u n d a l lpa 等人”在b a l l 二维散体颗粒模型基础上，通过跟 踪单个颗粒的运动及处于压应力状态下颗粒问的接触力和位移之间的关系，得出 各向同性球形颗粒体二维条件下应力应变关系。计算过程中，假定时间间隔为无 穷小，接触点速度和加速度近似为连续变化。1 9 8 1 年，c h r i s t o 艉r e n 1 采用离 散单元法，求得了三维条件下各向同性球形颗粒体的弹性应力应变关系。 19 8 9 年r o t h e n b u 瞪l 等人”通过数值模拟和试验验证，得出了法向接触密 度分布函数、法向接触力、切向接触力及平均法向接触力等二维条件下描述各向 异性颗粒材料接触特性的参数，其中颗粒问法向密度分布函数为 1、 e ( 口) = 二 l + d c o s 2 ( 口一眈) 1 1 4 z 月 式中：口表示接触方向各向异性程度，a 越小颗粒体越均匀，当d = o 时，表示颗 粒体各向同性：目，为组构主轴角。 r o t h e n b u 碹l 等人的成果为研究各向异性颗粒体的应力应变关系提供可能。 1 9 8 9 年c h a n gc h i n gs 等人”“把散体材料作为颗粒集合体，通过微观力学求 出了二维散体材料本构关系，并与计算机数值仿真和实际试验结果进行了比较。 求解过程中，考虑了颗粒间的滑动及大变形时颗粒问的分离。 在以上研究过程，并没有考虑松散颗粒在变形过程中微观组构产生变化时对 宠观力学响应的影响。1 9 9 2 年钟晓雄等人侧根据虚功原理，建立了宏观应力和 微观应力之间的关系，进而求出了各向异性颗粒体应力增量口。与应变增量f 。 之间的关系，即= 4 耻，s 式中的刚度矩阵表达式为： a 。w 嘉高巾”，v 附舻。讹耻川聊m 幽妒 ，一s 计算过程中考虑了颗粒体组构变化对宏观应力的影响，其中颗粒接触法向密 1 度分布函数( i ) = 心”，”，式中组构张量。能反映颗粒体各向异性程度和结 斗厅 构主轴偏转情况。1 9 9 7 年，王平等人“”利用钟晓雄的研究成果，分析铁路碎石 道床弹性特性，讨论了孔隙比、粒径、级配等因素对道床弹性的影响规律。 综上所述，目前研究颗粒材料的力学模型，通常采用两类方法：一类是离散 单元法；另一类是机理分析法。前者是跟踪每一颗粒的接触力、颗粒位移向量以 及转动，整个过程是动态求解过程；后者是建立在颗粒问相互作用机制的基础上， 用可测量的宏观连续变量( 如应力和应变) 表示颗粒间相互作用的不可测量的微 观变量( 如接触力和接触位移) 。综合以上研究成果，将松散介质力学理论应用 到土石混合料应力应变关系分析中，主要存在以下问题： ( 1 ) 土石混合料中包含有细粒土，颗粒间不单纯是点与点之间的接触，只 有当粗颗粒含量增大一定程度时，土石混合料的强度主要取决于粗颗粒形成的骨 架结构，细粒料的胶结作用成为次要因素，才能将松散介质力学理论应用于土石 混合料的强度机理分析中。因此，首先必须对土石混合料的结构进行分类。 ( 2 ) 土石混合料颗粒为非理想球状体，微观力学分析中应考虑颗粒表面形 状、粗糙程度等因素对其宏观力学特性的影响。 ( 3 ) 土石混合料中颗粒粒径变化范围较大，微观结构分析时不可能考虑所 有粒径种类，而应采用合理的等效粒径。 12 3 土石混合料压实质量控制指标及检测方法研究现状 由于土石混合料的粒径大，粗颗粒含量高等特点，以往细粒土路基压实质量 控制指标和检测方法不再完全适用。为此，许多学者对此丌展了深入研究。 1 9 9 7 年任劲松。“1 结合兰新铁路土石混填路基旌工，根据平板载荷、核子 密度仪及灌砂法试验结果，绘制了压实度与地基系数之间的关系曲线，并提出以 地基系数结合压实度进行土石混填路基的压实质量控制。其中地基系数为 ，。= r o1 2 5 ，反映了应力应变直线段的斜率，只为沉降s 为o 1 2 5 c m 时所对 应的荷载。 1 9 9 9 年林祖玖。结合余杭高速公路第三合同段土石混填路基施： ，提出以 固体体积率g = 矿或压实度作为路基压实质量的控制指标，现场固体体积率 和干密度采用灌砂法进行检测。同年徐立东等人”1 在实体工程施工中，土石混填 路基碾压后压实度一般情况下超过1 0 0 ，但弯沉值不合格。于是提出以碾压遍 数、松铺厚度及压实功能等参数来控制路基的压实质量，并在路基完工后进行弯 沉检测。此外，2 0 0 2 年马骏”也提出采用旌工参数配合压实度的方法来控制土 石混填路基的压实质量。 2 0 0 】年闰秀萍“”利用压实度来控制土石( 卵石) 混填路基的压实质量，不 同粗颗粒含量时的标准干密度采用表面振动仪法和重型击实法进行试验，两种试 验方法得到标准干密度的差值与糯颗粒含量有关，现场干密度采用大型灌砂筒检 测。同年郭庆国等人通过比较分析，提出以压实度或相对压实度来控制土石混填 路基的压实质量，实际应用时要求确定标准干密度的土石混合料必须与现场测点 处土石混合料一致。此外，郭庆国等人“”推导了压实度 与相对密度d ，之间的 关系，即d ，= r 女。式中，r 为相对压实系数，月= ( 功一几) ( p m 。、一p 。) 。 由于大坝工程和路基工程中对土石混合料的要求不同，标准干密度的确定也不尽 相同，实践证明，大坝工程中的标准干密度采用标准普氏击实试验方法确定较好， 路基工程中的标准干密度采用重型击实法确定较好。 2 0 0 2 年毛洪录等人”通过配制不同含水量、压实度的试样，进行击实试验 和强度试验，比较分析了试样强度与含水量、压实度及空气体积率之问的关系， 提出采用空气体积率旷，来控制路基的压实质量。 l ：1 0 0 一! 生。f ! 竺旦+ 1 1 1 6 “ g 。 。 2 0 0 3 年，吴志雄”1 1 结合京福高速公路闽清段土石混填路基试验段试验结果， 提出以塑性变形增量来控制路基的压实质量，其中塑性变形增量采用高精度水准 仪进行观测。同年，章国辉等人”利用地基系数和孔隙率指标来控制路基的压实 质量，经过数据整理，两者之间没有明显的统计关系。此外，章国辉等人还比较 分析了孔隙率和地基系数检测方法的功效性，其中孔隙率分别核子密度仪和灌水 法检测，得出两种检测方法试验结果的回归关系，地基系数采用直径为：3 0 c m 的 荷载板试验得到。 行故= o0 1 5 4 + o 9 9 3 4 盯灌水 1 17 式中，”核、”枞分别为核子密度仪法和灌砂法检测结果，回归方程的相关系数 r = o 9 9 11 ，即核子密度仪法检测土石混合料孔隙率的精度较高。 2 0 0 4 年吴明友等人5 ”从土性试验入手，阐述了压实度女、空气体积率n 、 贯入击数j v 。及地基系数k 。等指标的物理意义和施工压实中的适用范围，以及 它们之间的配合使用。其中地基系数与贯入击数之间存在相关性，即 k 3 0 = 3 4 5 v l o 1 46 。 2 0 0 5 年黄卫东等人“”结合武合高速公路f 合同段土石混填路段路基施工， 提出以塑性变形增量和压实度作来控制路基的压实质量。其中塑性变形增量采用 高精度水准仪进行观测：压实度分别采用灌砂法和瞬态瑞利波法进行检测。 综上所述，现行土石混填路基压实质量控制指标及检测方法主要存在以下问 题： ( 1 ) 没有明确的控制指标。以往的研究成果中，土石混填路基压实质量控 制指标包括物理指标、力学指标及施工工艺指标。物理指标主要包括：压实度、 空气体积率、固体体积率及相对密度等；力学指标主要包括回弹模量或弯沉、塑 性变形增量及地基系数等：施工工艺指标主要包括松铺厚度、碾压遍数及压实功 能等。 ( 2 ) 缺少简便实用的检测方法。地基系数现场检测时需要的反力较大，若 采用一般分体式测试仪检测一个点需3 5 4 5 m i n ，2 3 人配合；一体化数控检测 仪检测一个点也需2 0 m j n 左右，2 人配合。压实度、固体体积率、空气体积率及 相对密度中现场干密度采用灌砂法或灌水法检测时，试坑体积太大，且形状不规 则，比较费时费力，其中压实度指标中的标准干密度确定时必须和现场测点处的 土石混合料一致。核子密度仪及瞬态瑞利波仪测试结果能够反映一定深度范围内 土石混填路基的平均压实质量，但料源变化较大的路段，仪器参数必须多次标定。 塑性变形增量受人为因素、压实机械的影响较大，回弹模量及弯沉测试复杂，一 般需要专业技术人员测量，且测试结果受下部土体的软硬程度影响较大。 12 4 土石混合料最大干密度确定方法研究现状 以压实度作为路基压实质量控制指标，首先必须解决土石混合料最大干密度 确定问题。对于土石混合料，由于试验设备的限制只能测定出最大粒径在某一范 围时的最大干密度。我国s d l 2 8 8 7 规程允许最大粒径d 。、6 0 m m ；美国 1 ， a s t m 4 9 6 9 规定d 。、7 6 2 m m ：瑞典国家标准试样筒径为15 0 m m ，若按 d d 。= 5 计算，那么d 。：3 0 m m ，而实际施工时土石混合料的最大粒径远大于 6 0 m m 7 6 2 m m ，如西汉高速公路隧道弃渣最大粒径达8 0 0 m m ，克孜尔土石坝 中砂卵石最大粒径为3 0 0 m m 。显然，实际施工过程中，土石混合料的最大粒径 超过了目前测定土石混合料最大干密度，也就难以使用压实度来评价路基的压实 质量。为了解决超粒径土石混合料最大干密度确定问题，有许多学者进行过研究。 1 9 7 2 年f r ( ) s lr 广”提出了剔除超粒径的系列延伸法。1 9 8 1 年史彦文1 提出 相似级配系列延伸法，这种处理方法按照几何相似条件等比例将原型级配缩小， 计算公式为d ，= d 。，”。式中：d ，为原级配某粒径按相似法缩小后的粒径，。盯u n ； ”为粒径缩小倍数：d 。为原级配某粒径，m m 。1 9 8 7 年刘贞草”提出等量代替级 配系列延伸法( 等重量替换法) ，即最大粒径大于5 m m 的粗颗粒按比例等质量替 换超粒径颗粒，这样既能保持粗颗粒的骨架作用，又能保持粗颗粒级配的连续性 和近似性，计算公式为 只：芈每( p 0 ，一只) + 咒， 1 1 8 p p 。 式中：p 为替换后某粒径的粒料通过百分率，；尸。为原级配中仪器允许的最 大粒径的粒料通过百分率，；只为粒径为5 m m 的粒料通过百分率；r ，为 原级配某粒径粒料的通过百分率。 以上对超粒径部分进行处理的目的，均是试图通过小粒径土石混合料推断出 大粒径土石混合料的最大干密度。 1 9 7 3 年s t e d h e n s o n “3 针对一定粒径范围内的无粘性粗粒土，采用大型振动 台进行最大干密度的试验研究，但因振动台太大，影响因素复杂，没有取得满意 的结果。1 9 9 3 年郭庆国等人“1 在无粘性粗粒土最大、最小干密度试验资料基础上， 根据最大干密度与粗颗粒含量、最大粒径之间的相似性，提出了超粒径粗粒土最 大干密度确定方法，计算公式为 p 山= p 出m n + p 。，= p d + ( p ：一p ：川。) 1 1 9 式中，肪为超粒径粗粒土的最小干密度，测定时先根据具体土料选定或建置 符合要求的试样筒或规则的试坑( d 5 d 。、) ，然后对原级配粗粒土用徐 徐松填法测出最小干密度：店。、分别为模拟级配料( 按s d l2 8 8 7 规程对超粒径颗粒处理后的试料d 。=