（道路与铁道工程专业论文）高速铁路基床填料物理力学特性试验分析.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 近年来随着我国普通铁路的提速，以及高速铁路的迅猛发展，对铁路 路基基床填料的要求也越来越高。承载特性和变形问题等便成为高速铁路基 床设计所考虑的重要控制因素。粗粒土具有良好的工程特性，目前已广泛应 用于当前的铁路工程建设中，而且应用范围日益扩大，因此粗粒料的工程 特性研究已经成为许多专家研究的重点。为了工程建设的需要，了解其物 理力学性质，进行了大量粗粒土的室内试验。主要研究工作及其结论如下： 1 ) 对粗颗粒土的试验土样进行了筛分和相对密度试验，分别从级配 情况和是否满足基床填料的要求两方面进行了分析。分析结果认为，a b 组填料和级配碎石两种粗颗粒土均级配优良，但用于路基基床的填料，其 部分细颗粒含量偏少：通过相对密度试验得知两种填料的相对密度可以达 到规范要求，且两种填料的干密度和孔隙比分别存在呈线性的相关关系。 2 ) 采用不同的击实标准、击实功和测定含水量的方法进行击实试验 的研究，通过试验结果可知，击实功越大所得的干密度越大，含水量的测 定方法对试验的结果也影响较大。 3 ) 采用排水不固结快剪试验和排水反复直接剪切试验。分别在压实 度为9 5 和9 0 ，不同垂直应力的条件下进行试验。通过试验结果分析得 到，随着垂直应力的增大，剪应力与水平位移关系曲线的软硬化关系是不 一致的，说明其与压实度有密切关系；残余强度与土样有关；不同的压实 度下剪切稳定的次数不同，剪胀性也不同。 4 ) 压缩试验是在最佳含水量和浸水两种状态下取压实度为9 6 、9 3 、 9 0 和8 7 进行试验。试验结果认为两种试样塑性变形占主要，弹性变形较 小；压缩模量随着垂直应力的增大而增大；压实状态和含水状态对固结系 数和前期固结压力的影响较小。 5 ) 渗透试验在不同干密度和级配的条件下进行研究其临界坡降和渗 透系数的变化，通过结果可知，干密度的、级配情况和细粒含量均对临界 坡降和渗透系数有较大的影响。 关键词 基床填料；a 、b 组填料；级配碎石；物理力学特性 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gs p e e do fr a il w a yi nc h i n a ，a sw e ll a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dr a i l w a y ，t h er e q u i r e m e n ti sa l s oh i g h e r a n dh i g h e rf o rs u b g r a d ef i l l e r so ft h er a i l w a y l o a d - b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n dd e f o r m a t i o np r o b l e mw i l lb e c o m et h em a i nf a c t o r si nd e s i g n i n go ns u b g r a d e b e d o fh i g h - s p e e dr a i l w a y c o a r s e - g r a i n e ds o i lw i t hg o o de n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s ， h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e c o n s t r u c t i o n o ft h e r a il w a yp r o j e c t ，a n dt h e a p p l i c a t i o ni si n c r e a s i n g ，s ot h es t u d yo nt h ec o a r s eg r a i n e ds o i l s e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e sh a sa t t r a e t e dl o t so fa t t e n t i o nf r om m a n ye x p e r t s t h ei n d o o r e x p e r i m e n ti so n eo ft h ei m p o r t a n ta p p r o a c h e st or e s e a r c ht h ec o a r s eg r a i n e d s o i l s e n g m e e n n ge r t i e s i t sr e s u l t sa r ep r a c t i c a l i no r d e rt oa d a p tt ot h e n e e d so fb u il d i n gw o r k s ，u n d e r s t a n dt h e i rp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， al o to fs o ill a b o r a t o r yt e s th a sd o n e m a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： 1 ) t e s t i n gf r o ms o i ls a m p l e sa n dt h er e l a t i v ed e n s i t yo ft h es c r e e n i n gt e s t o f t h ec o a r s es o i l ，f r o mg r a d i n ga n dp a c k i n gt h eb e d b a s et om e e tt h er e q u i r e m e n t s o fb o t ha na n a l y s is a n a l y s iso ft h er e s u l t st h a t ，a bg r a d i n ga n dp a c k i n gg r o u p t w or o u g hg r a v e ls o ilp a r t i c l e sa r eg r a d e de x c e l l e n t ，b u tf o rt h ep a c k i n g s u b g r a d e ，s o m eo fi t sf i n ep a r t i c l ec o n t e n to fl e s s b yt h er e l a t i v ed e n s i t y t e s tt h a tt h er e l a t i v ed e n s i t yo ft h et w op a c k i n gs p e c i f i c a t i o n sc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t s ，a n dt h e r ew e r eali n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w oo ft h es t e m a n dp a c k i n gd e n s i t ya n dp o r eo v e r 2 ) u s i n gd i f f e r e n tc o m p a c t i o ns t a n d a r d s ，c o m p a c t i o no fp o w e ra n dw a t e r c o n t e n to ft h em e t h o do fc o m p a c t i o nt e s t t ok n o wt e s tr e s u l t s ，c o m p a c t i o nf r o m t h eg r e a t e rp o w e rd e n s i t yg r e a t e ra n dt h ew a t e rc o n t e n to ft h et e s tm e t h o dh a s ag r e a t e ri m p a c to nt h er e s u l t s 3 ) u e s i n gd r a i n i n gu n c o n s o l i d a t i o nf a s ts h e a rt e s ta n dd r a i n a g es h e a r r e p e a t e d l yd i r e c ts h e a rt e s t a t t h ed e g r e eo fc o m p a c ti o no f9 5 a n d9 0 d i f f e r e n tv e r t i c a ls t r e s st e s tu n d e rt h ec o n d i t i o n t h r o u g ha n a l y s i so ft e s t r e s u l t sk n o wt h a t ，w i t ht h ei n c r e a s eo fv e r t i c a ls t r e s s ，t h es h e a rs t r e s sa n d p a r a l l e ld i s p l a c e m e n to fr e l a t i o n sb e t w e e n t h eh a r d e n i n ga n ds o f t e n i n gi s i n c o n s i s t e n t ，t h a t i sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ed e g r e eo fc o m p a c t i o n ；t h e 西南交通大学硕士学位论文 第1 i i 页 r e s i d u a ls t r e n g t hi ss a m p l e so nt h es o i l ：t h en u m b e ro fs h e a rs t a b i l i t yi s d i f f e r e n to i ld i f f e r e n td e g r e eo fc o m p a c t i o n ，a n dd i l a t a n c yi sa l s od i f f e r e n t 4 ) c o n s o l i d a t i o nt e s ti si nt h eb e s tw a t e ra n dw a t e rf o rt w os t a t e su n d e r t h ed e g r e eo fc o m p a c t i o no f9 6 ，9 3 9 0 9 6a n d8 7 9 6t e s t t w os a m p l et e s tr e s u l t s t h a tt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no f t h em a i n ，s m a l i e re l a s t i cd e f o r m a t i o n ；w i t ht h e c o m p r e s s i o nm o d u l u s o f t h e v e r t i c a l s t r e s si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e ： c o m p a c t i o ns t a t ea n dm o i s t u r ec o n t e n to ft h ec o e f f i c i e n to fc o n s o l i d a t i o na n d t h es t a t eo fp r e - c o n s o l i d a t i o np r e s s u r e so fs m a l l e r 5 ) p e n e t r a t i o nt e s ti su n d e r t h ec o n d i t i o n so f d i f f e r e n td e n s i t ya n d g r a d a t i o n ，s t u d y i n g i t sc h a n g e so f c r i t i c a lg r a d i e n ta n dp e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t t ok n o wt h er e s u l t s ，t h e r ei sg r e a ti m p a c ti nc r i t i c a lg r a d i e n ta n d p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tb e c a u s eo ft h ed r yd e n s i t y ，f i n eg r a d i n ga n dc o n t e n t k e yw o r d s ：s u b g r a d ef i l l e r ，a 、bf i l l e r ，g r a d e dg r a v e l ，p h y s i c a la n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r is t i c s 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酉，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 僻爨 盗朋 储嘞f一彳 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文在其他学者研究成果的基础上，从工程实际出发，通过现场取样 对高速铁路基床粗颗粒土的各项基本物理力学特性进行了较全面的研 究，主要工作如下： ( 1 ) 根据目前高速铁路的发展趋势，对基床结构的强度和稳定性提出 更高的要求，基床填料的各项力学指标将直接影响基床结构的性能，遂分 别进行了基床a b 组填料和级配碎石的颗粒分析、相对密度、击实、抗剪 强度、压缩和渗透等特性的试验研究。 ( 2 ) 试验研究得出土样的级配和相对密度值，并就其是否符合规范 标准进行了探讨；通过不同击实标准和试验方法等对击实特性进行了试验 研究并得出了各因素的影响情况；对不同压实度下的土样进行直接剪切试 验和反复剪，得出了在不同条件下的剪应力和剪胀效应等的变化规律和抗 剪强度；对不同压实度和含水状态时的土样进行压缩试验，得出了相应状 态下的压缩变形、压缩模量、压缩系数和先期固结压力等：对不同压实度 和细颗粒含量下的土样进行渗透试验，得出相应状态下的渗透特性和规 律。 妒g 。多6 西南交通大学硕士学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着社会经济的高速发展，交通运输业也得到前所未有的快速发展，普通 铁路已无法满足经济发展的需要，高速铁路的大量建设已是大势所趋。近年来 各国高速铁路迅速发展便是明证，法国的t g v 、日本的新干线、德国的i c e 、西 班牙的a v e 等均闻名世界；随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，在我 国修建客运专线和高速铁路网是我国铁路满足人民日益增长的物质需要，也是 适应国际、国内市场竞争的要求。尤其在近几年高速铁路发展迅猛，客运专线 也开始大规模的修建。我国的广一深准高速铁路、秦沈客运专线的建成和投入 运行，以及在建的京沪高速铁路、武广客运专线等，充分显示出高速铁路在我 国的蓬勃发展趋势。高速列车以其快捷、舒适、安全、高效而逐渐体现其巨大 的优势，将人类带入有轨运输的另一个全新时代n 卫1 。 由于速度的提高，必然对基床结构的强度和稳定性提出更高的要求，同时 使用者对行车速度和舒适性的要求也在不断提高。铁路基床是铁路工程中非常 重要的一部分，是轨道及其他上部结构稳定的基础，对于行驶质量、运营的经 济性及行车安全等都有至关重要的影响，提高路基的承载力性和稳定性，是高 速铁路建设的重要任务。 在列车的重复作用下，基床要产生不可恢复的塑性累积下沉，将造成路基 的不稳定；塑性累积变形随列车荷载的重复作用而累积增加，高速铁路对路基 的承载力和稳定性控制有严格的要求，因此，承载特性和变形问题便成为高速 铁路基床设计所考虑的重要控制因素。对于基床的填料也就有了更高的要求和 控制，松软、软弱、高压缩性、膨胀性大的土已经不能作为基床填料，必须选择 其具有承载力大、压缩性小、透水性好、抗剪强度高、地震荷载作用不易产生 液化等的优质填料。在使用优质填料的同时，也必须对填料的物理力学性质有 一定了解，尽量保证填料达到理想的工程特性。所以对填料性质的研究也就显 得尤为重要。 由此，国内外学者对粗粒土工程特性的研究也逐步深入。2 0 世纪6 0 年代 以后，陆续研制了一系列适用于粗粒土的试验仪器，例如大型直剪仪、大型三 轴剪切仪、大型击实仪、大型振动密实仪及大型管涌渗透仪等1 ，主要对粗粒 土的压实特性、抗剪强度特性、渗透特性等进行了深入研究，提出了许多有实 用价值的成果，并在工程建设中发挥了重要作用h 1 。例如，大连理工大学博士 西南交通大学硕士学位论文第2 页 学位论文一粗粒土工程特性的试验研究深入地研究粗粒土在复杂应力状态下的 静动力变形强度特性成为非常关键的技术问题，我国科技工作者相继在“七五”、 “八五 、“九五 期间对此进行科技攻关，一些科研单位和设计、施工单位 以及部分高校也做了大量的研究工作，并取得了丰富成果璐。10 1 。这些高质量的研 究成果，为粗粒土在工程建设其他领域中日益广泛的应用起到了积极地推动作 用。 随着新计算技术的高速发展，使土力学进入了一个全新的阶段，即不是将 土作为理想弹塑性体，而是作为土本身来研究的新阶段。1 9 3 6 年l r e n d u l i c 发现土的剪胀性，并认识到了土的应力一应变关系是非线性的，且具有加工硬化 和加工软化的性质。1 9 5 7 年，d c d r u c k e r 提出的加工硬化塑性理论，对土的 应力一应变规律方面的研究起了很的推动作用n 。为了适应目前土工建筑物应力 和变形分析的需要，粗粒土的应力一应变关系成为岩土力学研究的重点内容之 一。粗粒土的各种物理力学性质和静动特性的测试方法已成为学术界和工程界 十分关心的重要课题。 要充分了解测试粗粒料各项物理力学指标的意义，必须认识到作为高速 铁路路基基床填料的粗粒料具有的一般特点： 1 ) 岩石和土都是不连续介质。各种岩石的性质差异悬殊，并具有多种 结构面，使其被分割，甚至破碎；土的成因、成分、结构、构造也各不相 同；在自然营力和人类活动作用下，土石的工程性质更在不断变化。所以， 在工程设计中，如何取得正确反映土石工程性质的物理力学指标和如何建 立土石的应力一应变一时间关系的本构模型，已成为岩土工程的重要研究 内容。 2 ) 路基基床填料完全暴露在大自然中且受到各种荷载作用在线路工 程中，路基除可遇见各种复杂的地形、地质条件外，还常受严寒、酷暑、 水位涨落、急风暴雨等气候、水文以至地震等自然条件的影响，从而引发 路基的各种病害。同时，路基上的轨道结构和附属构筑物产生静荷载，列 车运行产生动荷载。所以，正确了解和认识基床填料的压实、渗透、抗剪 强度等物理力学特性是路基工作的重要内容。 因此，通过粗粒土的各项物理力学指标试验，可研究路基基床土的物理力 学性质，对研究基床填料的其他静动特性影响方面具有非常重要的现实意义。 西南交通大学硕士学位论文第3 页 1 2 研究现状 1 2 1 室内土工实验的地位和作用 土、石及其二者的混合料都是古老而又普通的建筑材料，并作为建筑物的 基础和介质。如铁路、水坝、港口码头等工程的兴建是否经济、合理，大部分 取决于填料的工程性质，要成功地解决一个岩土工程问题，科学的程序是：勘 探与测试，试验与分析，利用理论设计计算和施工，并对施工过程进行监测， 用监测数据反过来再次指导设计计算。这是一个将试验和理论与实际相互联系 的过程。因此，土工试验岩土工程规划和设计的前期工作和基础n 引。 土工试验作为一门土的测试技术，在岩土工程理论研究和工程实践中的作 用和地位是不容忽视的。首先，各种土力学理论的创立和发展都基于土工试验的 成果；其次，可靠地测定土性参数是从根本上保证岩土工程设计的精确性和经济 合理性的关键，因此，土工试验的设备和技术发展都是工程实践中不可缺少的重 要组成部分。土工试验技术从试验内容上又可分为：土的物理性质试验，土的力 学性质试验和土的化学性质试验，且以前两类为主n 引。 土工试验是土木工程中的重要内容之一，试验是对土的工程性质进行测试， 并获得土的物理性指标和力学性指标的试验工作。土是自然界的产物，其形成过 程、物质成分以及工程特性是极为复杂的，并且随其受力状态、应力历史、加载 速率和排水条件的不同而变的更加复杂。所以，在各类工程项目施工之前，必须 对工程项目所在场的土体进行试验，以充分了解和掌握土的各种物理和力学性 质，为工程地质条件的正确评价提供必要的科学依据。无论是地面上的高层建 筑、铁路地基或路基，还是底下的建筑，这些工程项目都与它们赖以存在的土体 有着密切的关系。工程的成败、安全和耐久性在很大程度上取决于土体能否提 供足够的承载力取决于工程结构不至于遭受超过设计限度的地基沉降和差异变 形等。而地基承载力确定和地基变形计算中的参数又主要是由土工试验来确定 和实现的。一方面，由于建设的需要，结构物不断趋向于高、大、重、深，要求对 土的工程性质有更深更全面的了解和认识；另一方面，我国地域辽阔，自然地理 环境各不相同，土的种类各种各样，土的工程性质也千变万化，因此，怎样有效地 开展土工试验，如何正确地测定土的工程性质，并提供可靠的性质参数指标，对 于各类工程项目的成功建设与否是至关重要的，而且也是首先必须要解决的问 题。为了保证建筑物的安全和正常使用，对建在可压缩地基上的建筑物，尤其是 比较重要的建筑物在地基设计时必须计算其可能产生的最大沉降量和沉降差， 确保在规范所规定的允许范围内，否则就必须采取加固改善地基的工程措施或 西南交通大学硕士学位论文第4 页 改变上部结构物和基础的设计。 从土力学的发展而言，从某种意义上来说可看作是土的试验力学，如库仑 强度理论、达西定律、普克特的压实理论等等，无一不是通过试验而建立的。 并且在试验的基础上，应用和结合相关科学理论知识，如弹性力学、塑性力学、 流体力学、工程地质学等发展成为一门应用科学。因此，土工实验又为土力学 理论的发展提供了依据。即使在大型电子计算机问世和计算技术高度发达之后， 可以把土的复杂的弹塑性应力一应变关系纳入到与岩土工程的变形与稳定计算 去的今天，从事岩土工程的专家和学者们都认为，测定土的工程性质的技术( 包 括现场勘察、室内实验和原型现测) 是一个关键问题。由此看来，土工实验无 论对岩土工程，还是土力学的发展均占有相当重要的地位u 引。 而从土工测试的经验来看，各种填料的大多为自然产物，不同于人工合成 材料，其性质受到密度、湿度、粒度等多种因素的影响；当土体与建筑物共同作 用时，其力学性状又因受力状态、应力历史、加载速率和排水条件不同等而变 得复杂。就目前所掌握的知识和测试手段，要将多种因素影响的土的性状准确 地模拟是不可能的。因此，只能把主要因素给于理想化，并以此建立实验原理。 根据实验原理设计实验方法时要进行适合全部性状的土工实验在现有的技术条 件下也是有困难的。从而，为了实验的简便或进行实验资料的比较，将实验方 法统一化和标准化。而这样做出的的力学参数是在高度简化的条件下测定的， 故对此情况，实验人员特别是使用实验数据设计的人员都需要深刻理解；同时， 充分运用已有技术知识对实验进行改进和优化。 1 2 2 粗粒土的分类及其特性 对于粗粒土的分类必须根据材料本身的基本属性和不同的工程用途而定， 与细粒土相比，粗粒土表面积很小，可塑性甚微或可以忽略，但其粒径大小及 其级配对性质有重要影响，故对粗粒土主要按粒径大小及其级配作为分类指标。 土力学指出，粗粒土是粒径大于0 1 m m ( 或0 0 7 5 m m ) 的颗粒含量超过5 0 的土， 根据细粒含量分为粘性粗粒土和无粘性粗粒土两大类n3 。我国土工试验规程 ( s d 一1 2 8 8 4 ) 中有关粗粒土的分类和命名见表1 - 1 ；国际和我国的划分标准 分别为：i s o t c ( 粗细分界粒径为0 0 2 mm ) 和g b j1 4 5 9 0 ( 粗细分界 粒径为0 0 7 5mm ) ，见表1 2 和表1 3 。 粘性粗粒土是指细粒含量大于5 的粗粒土，这类土的粗颗粒骨架有细颗粒 填充，如填充密实，其孔隙率就相对较小无粘性粗粒土是指细粒含量( 2 0 0 巨粒 乡日石 6 0 2 0 0 粗砾 2 0 6 0 砾石中砾 6 2 0 细砾 2 6 粗粒 粗砂 0 6 2 砂粒中砂o 2 o 6 细砂 o 0 6 o 2 粗粉粒 o 0 2 0 0 6 粉( 土) 粒中粉粒 0 0 0 6 一 0 0 2 细粒 细粉粒 0 0 0 2 0 0 0 6 粘( 士) 粒 2 0 0 巨粒 漂石( 碎石) 粒 2 0 0 d 6 0 砾粒粗砾 6 0 d 2 0 粗粒细砾 2 0 d 2 砂粒 2 d o 0 7 5 粉粒 0 0 7 5 d o 0 5 细粒 粘粒 0 0 0 5 d 要求试样及试验设备不能带有影响x 射线的金属物质，c t 的基本方法是根据试 样截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。) 、核磁共振 西南交通大学硕士学位论文第7 页 ( n m r ，它要求试样及试验设备不能带有影响核磁共振磁场的金属物质) 等。运 用显微镜、扫描电镜等要涉及到制样问题，容易扰动土样的结构，而且不能实 时的观察到土样的内部结构受力变形过程，因而难以在土样微结构研究中推 广。而c t ( 见图1 - 1 ) 与核磁共振试验就能很好的避不懈努力，终于成功研制 出了能够实现试样纵向断面扫描的设备，为粗颗粒土组构研究奠定了坚实的基 础。核磁共振试验涉及到图象处理，张军等n 5 1 采用m i p s 图象处理系统分析图样 微结构几何特征并量化组构要素：施斌等n 刚采用d i p i x 图象处理系统应用到土 体微结构定量研究中。 土力学之父k t e r z a g h i 早在1 9 2 5 年就提出了土体微 观结构( m i c r o s t r u c t u r e ) 的概念。首次提出微观组构概念的是奥地利土壤 学家、土壤微观形态学的创始人w l k u b i e n a 。1 9 3 8 年，k u b i e n a 出版了微 观土壤学一书。在该书中，他将微观组构定义为：土中的要素( 基质和骨架) 的排列及其相互关系。1 9 6 4 年r b r e w e r ( a u s t r i a ) 在他出版的土体组构与 矿物分析( f a b r i ca n d m i n e r a la n a l y s i so fs o l i s ) 中提出了一个新的土体微 观形态分析体系，该体系以辨认土要素的定向性和分布特征为基础。在他的著 作中提出了土结构( s t r u c t u r e ) 这个概念，将其定义为：形成复合颗粒的基本颗 粒和复合颗粒本身以及相应孑l 隙的大小、形状和排列所表示土的物理构成n 7 1 n 引。这被认为是对早期微结构研究成果的系统总结和提高。文献 1 9 卜 2 5 针对 不同的土类进行了微观组构的研究。 胡瑞林等嘶2 7 3 认为：土的结构性问题研究有其独特的理论和方法体系，应 当将其从土力学中独立出来加以系统研究。于是，我们将“以土体的结构性控 制为基本点，以建立土体的结构性本构模型为核心内容、以土体工程问题的量 化结构模拟和预测为目标、以非线性力学和土质学为基础”的现代土力学分支 称之为“土体微结构力学”( s o i lm i c r o m e c h a n i c s ) 。沈珠江院士埋副认为，土体 结构性的本构模型的建立将成为2 1 世纪土力学的核心问题。文献 2 9 卜 3 2 研究了粗粒土的强度和变形特性。提出了各种状态下的应力应变特征及其本构 模型。张军等n 5 3 研究了粉质直接剪切变形过程中土的微观组构特征。采用二阶 张量和四阶张量来表达枝定向、法向、和颗粒长短轴定向的分布，并定义了各 组构量的分布函数。为建立组构量与宏观力学响应间的本构模型奠定了基础。 文献 3 3 认为岩土体显微组构的研究理论有：系统论、结构思维、分形理论等。 李晓军等屯3 朝利用c t 技术对试样横断面进行切片扫描，从c t 数和c t 图象方面 分析了压实黄土的初始结构。蒲毅彬，陈万业啪1 对陇东黄土湿陷过程的c t 结构 变化进行了研究。钟晓雄，袁建新口7 q 叩分析了散粒材料的微观组构并提出了基 西南交通大学硕士学位论文第8 页 于微观组构的本构关系。 在静力方面，主要有直剪试验、平面应变试验和静三轴试验等，一些学者 也采用真三轴试验对粗粒土的抗剪强度进行了尝试性的研究盯艚1 ：动力试验主 要包括动三轴试验、振动剪切试验、共振柱试验、振动台试验和离心模型试验 等h 。由于在三轴仪上可以进行静动加荷，控制试样排水条件、试样中的应力 相对比较明确、能量测孔隙水压等特点，所以应用十分广泛，是目前土工室内 试验中最主要的仪器。大部分应用于工程实际中的本构模型，其模型参数都是 从三轴试验中测定的。对于颗粒尺寸较大的粗粒土来说，试验必须在大型三轴 仪上进行。 在土的防渗性方面，屈智炯n 3 1 等在参加国家“六五 “七五 等高土石坝 关键技术攻关和自然科学基金项目中，对西南几座水电站的土石坝展开过粗粒 土作防渗体方面的系统深入的研究。郭庆国等在文献 1 4 中详细分析和阐述了 粗粒土的各种工程性质。 2 ) a 、b 组填料和级配碎石的研究现状 路基作为支撑轨道结构的土工结构物，其设计不仅要满足强度要求，还要 满足刚度要求，使轨道、路基组成的整体，满足列车高速、舒适、安全运行的要 求。因此，路基设计对路基填料提出了严格的技术要求。新建时速2 0 0 - 2 5 0k m 客运专线铁路设计暂行规定( 铁建设( 2 0 0 5 ) 1 4 0 号) 明确规定：基床底层采用 a 、b 组填料或改良土，基床底层改良土的压实标准应满足地基系数k 3 0 1 1 0 m p a m ，动态变形模量e v d 4 0 m p a ，压实系数k 0 9 5 ：基床以下路堤应优先 选用a 、b 组填料和c 组块石、碎石、砾石类填料。 a 、b 组填料的研究现状：a 、b 组填料以其良好的压实特性和承载特性 被越来越多地运用与铁路建设，特别是现在我国正大量修建的高速铁路和客运 专线。上世纪陆续研制的一系列适用于粗粒土的试验仪器，例如大型直剪仪、 大型三轴剪切仪、大型击实仪、大型振动密实仪及大型管涌渗透仪等都为a 、b 填料的压实特性、抗剪强度特性、渗透特性等进行了深入研究，提出了许多有 实用价值的成果，并在工程建设中发挥了重要作用。 近十几年来，随着土工测试技术的迅速提高和一些能够施加复杂应力的静 动力试验设备的研制成功，国内外学者针对粗粒土的静动力学特性开展了大量 的研究工作，对土体力学性状的认识逐步深入，其本构模型理论研究和计算分 析方法也正在由经验模式向科学的理性模式发展。 级配碎石的研究现状：高速铁路和客运专线的修建，要求路基基床的刚 度和强度要满足一定的要求，经过研究和实践认为级配碎石是基床表层的优良 西南交通大学硕士学位论文第9 页 材料。而级配是影响级配碎石强度和刚度的关键因素之一，在级配方面众多研 究人员进行了大量研究工作。东南大学何兆益等隋7 1 通过关键粒径对级配碎石性 能的影响确定了各关键粒径的通过率范围，提出了最佳级配集料，给出了改善 级配碎石使用性能的合理建议。长安大学马羁等嘲1 利用自行研制的柔性材料剪 切性能测试仪，通过级配碎石抗剪切性能试验研究，分析了不同筛孔及其通过 率对级配碎石剪切性能的影响，推荐关键筛孔4 7 5 0 m m 、2 3 6 0 m m 、0 6 0 0 m m 和 0 0 7 5m m 基于剪切性能的通过率合理变化范围分别为3 5 - - - 4 4 ，2 2 - - 3 7 ， 1 0 0 1 7 5 和2 o 7 5 ，这有利于补充、完善现行规范中关键筛孔通过率 推荐范围，便于设计和施工控制，提高级配碎石使用性能。莫石秀等呻1 通过级 配碎石c b r 试验研究，分析了不同筛孑l 及其通过率对级配碎石值的影响，提出 对于最大粒径为3 1 5 m m ，n 值为0 5 ，值为的级配碎石而言，4 7 5 m m 、 2 3 6 m m 、 0 6 m m 、0 0 7 5 m m 筛孔均应视为关键筛孔进行控制，以c b r 值不小于1 8 0 为控制 指标，推荐关键筛孔4 7 5 m m 、2 3 6 m m 、0 6 m m 和0 0 7 5 m m 基于c b r 值的通过 率合理变化范围分别为3 7 o 4 5 5 、不小于2 5 5 ，1 3 5 1 8 0 和 3 5 8 o 。袁建新口 采用紧密嵌挤骨架一密实原则，对级配碎石混合料的组 成设计进行系统的室内试验研究，并且在规范范围内设计了5 种走向的级配类 型，进行重型击实及振动碾压试验。可用以指导混合料的组成设计，并且有效 地克服级配碎石基层永久变形大和弹性模量偏低的缺点，并通过试验研究了碎 石基层混合料中粗集料和细集料的性质。 1 3 研究目的 随着粗粒土的广泛应用，在粗粒土研究方面取得了许多优秀成果，也提出 了不同的粗粒土的研究方法，对粗粒土的评价及其在工程中的应用发挥了积极 的作用。根据上节对室内土工试验技术和粗粒土工程特性研究现状的综述，本 节结合目前存在的主要问题来说明论文的研究目的： 1 ) 用筛分和相对密度仪对两种填料进行级配和相对密度的研究。 室内土工试验是目前推动土力学发展的基础环节，具有非常重要的作用。 粗粒土石料的工程性质与其粒度分布密切相关，粒度组成往往决定了土石 混合料的渗透、变形、强度等物理力学特性，故常用级配作为土石混合料 工程分类的主要依据，所以在对其他特性进行研究之前对其级配进行分析 非常重要，同时也提供依据和基础。 粗粒土的相对密度相当于粘性土的稠度。近年来，为了更加深入粗粒 土的工程性质，对该试验的要求也提高了。但是，该试验在国际上并无统 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 一标准，试验者根据以往的试验研究来选择合理的试验方法。针对本试验 所要求，采用大型相对密度仪，用振动法进行试验。通过频率和振幅的控 制达到试验的目的，从而测定填料的前后干密度和孔隙比等。 2 ) 分别用标准重型击实仪和大型电动击实仪对两种填料的最大干密度和 最佳含水率进行研究测定分析。 铁路路基的压实质量对整个工程的质量有着密切的关系，压实质量的 好坏直接决定路基质量的好坏。虽然对击实试验的研究甚多，但大多较片面 或者不是很完整。包括现在某些试验操作规程中的试验方法也存在某些不完善， 同时根据对目前实际工程中的试验结果调查分析，往往因试验人员对击实 后选取试样测定含水率和数据处理时，所采用的方法不同，导致所求的最大 干密度和最佳含水量的结果相差较大。究其原因，有人为因素引起的误差， 即对击实后测定试样含水率时取土的不同，其任意性较大：也有理论方法 的不同，即计算时采用的数据处理方式的不同。针对目前标准击实试验结 果处理中存在的问题，对多种方式进行试验对比研究，得出较合理的试验 方法和结果。 3 ) 采用大型压缩一直剪进行填料的抗剪强度和压缩特性进行研究 粗粒土石料的抗剪强度就是其抵抗剪切破坏的能力。室内剪切强度试 验常采用直接剪切试验、契形剪切试验和三轴试验等，各种方法各有其优 缺点，但以直接剪切试验最具有普遍性，故用于各种剪切强度试验。对于 粗颗粒土的剪切试验虽与一般细粒土的直剪试验原理相类似，但其刚度以 及施加荷载要大得多，且时间长，工作量大，操作难度也较大。由文献 4 2 中试验可知：当粗粒含量不大，如小于2 0 时，同样用扰动土样制样进行试 验，则大型剪切试验和小型剪切试验的结果相差不大。因此，当填料中粗粒 含量不多时，可采用小型剪切试验的抗剪强度参数，这样会使试验简便些。 但当粗粒含量较多时，则宜采用大型剪切试验的结果，这样更能反映实际 情况。 粗粒土石料的压缩特性往往和压实度、含水状态等因素有关。通过各 种压缩指标的测试来反映粗粒土的压缩固结特性。试验采用大型压缩直 剪仪，通过改变压实度和含水状态等条件对压缩特性和影响因素进行分析 和研究。 4 ) 采用大型垂直渗透仪用常水头法对填料的渗透特性进行研究 由于粗粒土石料的颗粒粒差悬殊，组成分散等特点，人们在研究中常 用某一粒径作为区分粒径，刘杰等采用微分曲线谷点粒径【4 3 1 。目前多数单 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 位从应用方便出发，采用5 m m 的固定粒径，即将d 5 m m 颗粒称为粗料，将 d 6c u 6c u 6 i s o t c c c 任意 1 c c 3c c 6左边以外的情况 1 c c 3 1 c c 3 西德d i n 。 c u 6 1 c c 3或c u 6c c 1 c u 5 英国c p 2 0 0 1 制 c u 5c u 1 0c u 1 0 日本j u s t s 垅 c u c c 1c c 4c u 或c c 1 2 3 2 试验方法及仪器 1 ) 颗粒分析 参照水利部土工试验规程( s l 2 3 7 1 9 9 9 ) 进行试验，对土的粒径组 成的测定称为粒径分析或颗粒分析。在工程中，使用的颗粒分析方法有筛 分法和水分法两种。对于粒径小于或等于6 0 m m 而大于o 0 7 4 m m 的粗粒 土一般采用筛分法进行测定，利用孔径为4 0 、2 0 、1 0 、5 、2 、l 、o 5 、0 2 5 、 0 1 、o 0 7 5 m m 的筛子，将预先烘干且已经称量好的土样进行过筛，称量 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 留在各筛上的土样质量，并计算其占总质量的百分比。本试验所分析的土 样为从武广铁路现场取回的粗粒土( a 、b 组填料和级配碎石) ，根据试验 目的和试验条件，本试验采用筛分法，使用规格为4 0 、2 0 、l o 、5 、2 、1 、 0 5 、o 2 5 、0 1 、0 0 7 5 m m 的筛子进行筛分测定。筛分工具见图2 1 。 2 ) 相对密度研究 ( 1 ) 试验方法：相对密度试验的方法有多种，按所加力的性质分为 三类，通常有锤击法、振动法和锤击与振动联合法。但各自适用的范围不 同。根据试验的实际需要，本试验采用的是振动法，振动法即将装好试样 的容器放在振动台上，在规定的频率和振幅条件下进行振动，这样能对不 同粒径的颗粒产生不同的惯性力使试样密度增加，被认为是一种好的方 法，但这种方法必须要有具有较高的频率的机械，当振动加速度达到5 9 时，孔隙比的变化逐渐稳定，本试验使用振幅为0 6 4 m m 进行控制。 ( 2 ) 试验仪器：本试验采用的大型相对密度试验仪如图2 2 和图2 3 。 该仪器为机械振动式，由无级变速变频电机两个相向转动的偏心轮，提供 偏心力而上下振动。经变频控制器手动调整电机转速改变加载的振动频 率。该仪器设大小两个试样筒，本试验采用小试样筒，其尺寸为：直径 高= 3 0 0 m m x3 4 0 m m ，加重盘静压强为1 4 k p a 。操作时采用的频率在4 0 - - - 6 0 h z 之间，根据规定振幅的值进行相应调整。仪器主要技术指标如下： 试样尺寸：直径x 高：3 0 0 m m 3 4 0 m m ( 小试样筒) ； 最大允许粒径：1 0 0 m m ： 加载频率：4 0 - - 6 0 h z ； 最大法向振幅：1 m m ； 加重盘静压强：1 4 k p a ；加重盘厚：2 0 3 m m ； 试样空筒加套筒重：5 8 2k g 套筒高：1 4 8 m m ： 初始试样理论体积( 巾3 0 0 3 4 0 m m ) ：0 0 2 4 0 3 3 1 8 3 m 3 2 4 筛分试验结果及分析 2 4 1 试验结果及粒径级配曲线 按照水利部土工试验规程s l 2 3 7 0 0 6 1 9 9 9 进行试验操作，土样采用 烘干土样，取土样4 份，每份2 , - - - 4 k g ，采用筛分法对土样用所选规格的筛 子进行筛分测定。 1 ) 试验结果计算及制图 ( 1 ) 小于某粒径的试样质量占总试样质量的百分数： 西南交通大学硕士学位论文第17 页 = d ， ( 2 1 ) 卅日 式中x 一小于某粒径的试样质量占总试样质量的百分数( )