（岩土工程专业论文）康定机场高填方地基填料特性与变形研究.pdf

摘要 随着我国西部大开发战略实旋，国家加快了机场，尤其是山区机场的建设。目前，我国 山区机场建设的一般特点是场道级别高，建设时间短，计划内投资少，但场地地形、地貌、 地质条件复杂，深挖高填，土方工程量大。山区机场建设的主体是场道的地基工程。 康定机场位于青藏高原东缘、北西向展部的折多山的南西麓，控制标高4 2 3 2 5 m ，是仅 次于西藏邦达的世界第二高机场。最大填方高度4 6 6 m ，土石挖填方量超过2 8 0 0 万f 。折 多山由一花岗岩基组成，两侧被宽4 5 k m 的巨型第四系坡积裙包围，康定机场位于其南西 侧坡积裙上。场区全部位于海螺沟( q 3 叫+ 0 3 a # ) 和南关门( q 3 1 9 i ) 冰期的冰碛土上。堆积物 基本上由块石、碎石、角砾和砂土等混杂组成，粒度不均一，分选性差，无层理。 本文基于前人的初勘、详勘基础地质资料和现场试验，开展了高填方地基处理检测试验、 冰碛土填料压缩蠕变试验、高填方地基沉降变形监测及数值模拟分析。获得以下几方面的结 论： ( 1 ) 冰碛土一般为碎石类土，分布不均匀，层位变化大，为典型的不均匀地基，但总 体上千密度大，密实度较高，具有低渗透性，高承载力、低变形等工程特性，为良好的天然 地基。 ( 2 ) 对比分析了强夯压实冰碛土填筑体的优越性，并对其处理的方法、步骤、参数及 处理后地基检测项目、检测方法进行了研究，对优化设计和指导施工，具有重要意义。 ( 3 ) 分析和总结了高填方地基变形监测的方法、项目，确定监测方案，并对监测数据 处理，应用公式法、二维数值模拟方法，分析高填方地基变形的一般规律。 ( 4 ) 将灰色理论运用到沉降预测中，建立了g m ( 1 ，1 ) 模型、灰色v e r h u l s t 模型及b p 神经网络，对沉降进行预测。预测结果与实测结果较吻合，具有较高精度。b p 模型预测效果 相对较好。 关键词：康定机场：冰碛土；工程性能；地基土：沉降预测 a b s t r a c t w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to fw e s tc h i n a , t h ea i l p a r tc o n s t r u c t i o ni s b e c o m i n gi no u r c o a n t l y , e s p e c i a l l yi nm o u n t a i n o u ss o u t h w e s to fc h i n a p r e s e n t l ya i r p o r tc o n s t r u c t i o ni nt h e s e a r e a so fo u rc o u n t r yi sc h a r a c t e r i z e db yc o m p l i c a t e dt e r r a i n ，g e o m o r p h i ca n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ， d e e pc u ta n df i l l ，l a r g ea m o u n t so fe a r t h w o r k ，h i g hl e v e l ，s h o r tt i m ea n ds m a l lp l a r m e di n v e s t m e n t i t sm a i nb o d yi sg r o u n de n g i n e e r i n go ft h er u n w a y k a n g d i n ga i r p o r t ，t ob ec o n s t r u c t e da ta l le l e v a t i o no f4 2 3 2 5m e t e ra b o v et h es e al e v e l ，i s l o c a t e do nt h es o u t h w e s tf o o to fz h e d n am o u n t a i ns t r e t c h i n gf r o ms o u t h - - e a s tt on o r t h - - w e s to n e a s t e mt i b e a np l a t e a u i tw i l lb et h es e c o n dh i g h e s ta i r p o ai nt h ew o r l da f t e rb a n g d aa i r p o r t ( 4 ，4 0 0 m ) l o c a t e do nt i b e t 1 r h em a x i m u mh e i 班o ft h ee m b a n k m e n ti s4 6 6m t h et o t a lq u a n t i t y o ft h ee x c a v a t e da n df i l l e de a r t h m c km a t e r i a li sa b o v e2 8 ，0 0 0 ，0 0 0m 3 t h ez h e d u om o u n t a i n c o n s i s t so fag r a n i t eb a t h o l i t hs u r r o u n d e db yv e s tq u a t em a r yb a j a d aw i t haw i d t ho f4t o5 k i l o m e t e r t h ea i r p a r ti ss i t u a t e do nt h es o u t h - - w e s t e r np a r to ft h eb a j a d a t h ew h o l ee n g i n e e r i n g s i t e sa r el o c a t e do nt h em o r a i n es o i ld u r i n gt l l ei c ea g eo fc u t t l e b o n ec a n a l ( q 3 8 掣+ 0 3 吲) a n d n a n g u a n m e n ( q 3 4 ) b e s i d e sb o u l d e r s ，g r a v e l sa n ds a n d s ，s p e c i a lb o u l d e r se x i s ti nt h ed e b r i s ， w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yi n h o m o g e n e o u sg r a i ns i z e ，o u t 一0 f o r d e ri n t e r m i x t u r e ，d i f f i c u l ts i z e c l a s s i f i c a t i o na n du n s t r a t i f i e df e a t u r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h ep r e d e c e s s o r s r e s e a r c hf o rt h eb a s i cg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si n t h ep r e l i m i n a r ya n dd e t a i l e di n v e s t i g a t i o n ，a n d f i e l dt e s t so ft h ee n g i n e e r i n g ，g r o u n dt r e a t m e n t d e t e c t i o nt e s t s m o r a i n es o i lf i l l i n gm a t e r i a lc o m p r e s s i o n a lc r e e pt e s t s , i l l s i c um o n i t o r i n ga n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rt h es e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o no ft h eh i g he m b a n k m e n to fk a n g d i n g a i r p o r ta r ec a r r i e do u t s o m ew o r ka n dc r e a t i v ec o n c l u s i o n sa r ep u to u ta sf o l l o w 1m o r a i n es o i li st y p i c a ln o n - - h o m o g e n e o u sf o u n d a t i o n ，w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yb l o c ka n d c m s h e ds t o n es o i l , d i s t r i b u t i n gn o n - - u n n f f o r m l ya n da n f r a c t u o u sl a y e m h o w e v e la saw h o l e ，i t c a nb er e c o g n i z e da sf i n en a t u r a lf o u n d a t i o nb e c a u s ei t se n g i n e e r i n gp r o p e r t i e ss u c ha sb i gd r y d e n s i t gh i g hc o m p a c t n e s s ，h y p o s m o s i s ，s t r o n gb e a r i n gc a p a c i t ya n ds m a l ld e f o r m a t i o ne t c 2b a s e do nl a r g ef i e l dt e s t ，g e n e r a lr e q u i r e m e n t sa n df d l i n gm e t h o d sa l ed e t e r m i n e d ， s u p e r i o r i t yo ff i l l i n gb o d yw i t hp a c k e db l o c ka n dm o r a i n es o i li sa n a l y z e d t h er e s u l tw i l lb ev e r y u s e f u lf o ro p t i m u md e s i g ea n dc o n s t r u c t i o n 3r e s e a r c h e do nt h em o n i t o r i n gi t e m ss u c ha sm o n i t o r i n gm e t h o d s ，m o n i t o r i n gp r o g r a m m e a n da n a l y z e dt h ed e f o r m a t i o nr e g u l a r i t yo fh i g he m b a n k m e n ta f t e rd a t a sh a n d l i n gb yf o r m u l a c a l c u l a t i n n sa n dt w o d i m e n t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4u s i n gt h eg r e yt h e o r yt os o l v et h ep r o b l e m so f ft h es e t t l e m e n tp r e d i c t i o ns e t i n gu pu n e q u a l i n t e r v a lg m ( 1 ，1 ) m o d e l ，g r e yv e r h u l s tm o d e la n db pn e u r a ln e t w o r km o d e lt op r e d i c tt h e s e t t l e m e n t t h ep r e d i c t e dr e s u l t sa r ep r o b a b l ye q u a lt ot h ej n s j f l lm o n i t o r i n gr e s u l t s w h i c hs h o w t h a tm o d e l sh a v ep r e f e r a b l ep r e c i s i o n a m o n gt h e s em o d e l s ，t h ef o r e c a s t e dr e s u l t sb yb pm o d e l a r em o s tr e a s o n a b l e k e yw u r d ：k a n g d i n ga i r p o r t ，m o r a i n es o i l ，e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s ，f o u n d a t i o ns o i l ，s e t t l e m e n t f o r e c a s t i n g i j 豫锄性声甥 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已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究在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责任由本人承担。 论文作者签名：! 宣盘窿 日期： 2 q 嘘主笸旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权贵州大学可以将本学位论 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、 、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：! 蓝蔓导师签名：到盔e l 期：2 0 0 2 圭臣县论文作者签名：、君盏昂导师签名：到益 期： 2 生莎月 贵张大学硕士磅究生学位论文 1 前言 1 1 选题依据和意义 机场作为航空事业的载体，正随着国民经济的迅速发展和社会的全面进步而迅猛发展。 随着我国西部大开发战略的实施，西南地区机场建设进入迅猛发展阶段。为了节省大量的耕 地和满足净空要求，这些机场多建设在荒山荒坡区。山区地形地貌复杂，机场建设中，势必 牵涉到土方的深挖高填，如万州机场、铜仁机场、兴义机场、龙洞堡机场、广元机场、攀枝 花机场、九黄机场等，填方高度一般在3 0 m 以上，最大达1 0 0 余m 。土方量多在6 百万方 以上，最大达5 千余万方。这些机场都具有如下的共同特点1 1 j 【2 】。 高填方：这些机场多建于荒山坡地上以减少占用耕地，但为满足场地条件和狰空条件， 机场建设势必进行深挖高填，表1 1 为西南地区一些高填方机场概况，九黄机场最大填方 高度1 0 4 m ，填方量2 7 6 3 万m 3 ，在全世界都是罕见的； 高地震烈度：西南地区处于环青藏高原高地震带，机场场址地震基本烈度高，如九寨 黄龙机场场区地震基本烈度为8 1 度； 场区地质条件复杂，且高填方地基底部一般都分布有一定厚度的软弱土层：两南地区 山高谷深，机场场区地形地貌复杂，地层岩性变化大，地基土性状极不均匀，并且在沟谷高 填方地段，各种基岩强风化层、残坡积层、冲洪积层和风成黄土在地表水和地下水长期浸泡 下往往形成软弱土层，由于软弱土层厚度和分布极不均匀： 气候条件差：受青藏高原和云贵高原影响，西南地区机场建设施工气候条件恶劣，部 分机场季节性冻土较为严重，工程施工期短，而机场高填方工程浩大，工程进度与工程质量 间的矛盾十分突出，高填方体压实度很难绝对保证，地基易产生不均匀沉降； 随着我国经济迅速发展和社会全面进步，西南地区机场建设起点高，机场级别高、要 求高因而机场高填方地基的稳定与变形( 沉降与差异沉降) 等工程地质问题是西南地区机场 建设中存在的核心问题和必须解决的首要问题。 表1 - - 1 西南地区一些高填方机场概况。 最大填方主要 机场名称填料性质填方量( 万m 3 ) 高度( m ) 压实方式 铜仁机场 2 4白云岩大块碎石强夯2 1 8 绵阳机场 2 8 含泥砂砾石碾压、强夯 2 5 0 大理机场 3 0白云岩石渣强夯7 5 0 厂+ 元机场 3 8 砂泥岩块碎石强夯、碾压 6 0 0 龙洞堡机场 5 4石灰岩大块碎石强夯 1 2 0 0 黎平机场3 0石灰岩块碎石、红粘土强夯 3 7 7 万州机场 3 2砂泥岩块碎石强夯 7 5 0 兴义机场 4 2 白云岩大块碎石强夯 1 1 9 9 荔波机场 4 6砂泥岩块碎石强夯1 1 8 4 攀枝花机场 6 5 砂泥岩块碎石强夯 2 4 0 0 九黄机场 1 0 4含泥砂砾石强夯、碾压2 7 6 3 腾冲驼峰机场 6 1粉质粘土强夯、碾压7 3 0 6 康定机场 4 6 6冰碛土、碎石土强夯、碾压1 9 0 0 我国西部地区幅员辽阔。西北部地广人稀，西南部多山，地面交通尚不发达，与东部经 济以达地区相隔较远，适合充分发挥民航运输的快捷、不受地形条件约束的优势。加上民航 建设周朗短、投资少、航线设置灵活性大、省土地、省时问，相对丁公路、铁路等交通运输 方式，有利下在短时间内沟通西部地区与沿海经济发达地区以及刷边国家的联系。据有关资 料，今后5 年国家将在鹾部地区新建2 8 个支线机场，改扩建2 7 个干线支线机场，1 5 年后 ( 即2 0 2 0 年) 西部地区机场将达1 0 0 个h 。其中，觇划域扩建的有四川康定机场、稻城机 论文题g ：隶定机场离填寡地基填料特性s 变形研究 场、亚丁机场、马尔康机场，西藏林芝机场、拉萨机场、阿里机场、邦达机场，青海玉树机 场、巴塘机场和茫崖机场等】0 余个机场均位于青藏高原边缘地带的高l u 地区，海拔高程 多在3 0 0 0 5 0 0 0 m 问。此外，长远分析美国和英国的机场密度分别是每i 万平方公里有 5 9 个和5 7 个，中国的机场密度是1 3 6 个，西部地区仅0 6 0 8 个。可见，西部地区机场 建设任重面道远。 国内外对高填方地基系统研究较少，一般仅进行为数不多的几项研究，西南地区各机场 建设中对高填方地基都作了一定的现场试验，但都是以大面积施工提供施工参数和质量检验 数据为目的而零星划分出试验段进行试验，缺乏系统深入的试验研究，甚至连“高填方”的 标准也无统一定论。近年来，为了解决工程中的难题，许许多多专家和学者们紧密围绕高填 方地基变形与稳定性作了大量的科研工作，取得了很大的成就，典型的代表成果有：谢春庆 1 2 l 博士结合三明、龙洞堡和铜仁等机场的场道地基工程，对山区机场高填方块碎石夯实地基 的性状和变形进行了系统研究；石宣春 4 1 等( 2 0 0 1 ) 在机场高填方土基沉降计算方法的探讨 _ 文中，探讨山峡机场高填土方土基的沉降观测与计算方法选择、实测资料的回归分析、 固结度要求、飞机荷重对沉降的影响和观测期的安排；陈学强 5 】( 1 9 9 9 ) 在关于高填路堤压 实问题的探讨一文中对高填路堤的压实机理、路堤中的应力分布及沉降进行了分析设计；刘 宏博士以“四川九寨黄龙机场高填方地基变形与稳定性系统研究”为题( 填料性质为含泥砂 砾石土) ，从九寨黄龙机场场区自然地质条件和商填方地基特性出发，以数值模拟、离心模 型试验和原位监测为研究手段，对高填方地基变形与稳定性进行系统深入研究。藏亚君 6 1 ( 2 0 0 4 - ) 硕士以“贵州省黔南州荔波机场高填方体地基稳定性研究”为题( 填料性质砂泥岩 块碎石) ，从荔波机场场区自然地质条件和高填方地基特性出发，以岩土体力学试验和数值 模拟为研究手段，对场区斜坡地基引起的高填方体稳定性进行研究。 蔚臻方埘盔寥”是特指由下部包括软弱土层在内的原地基土体和上部人工填筑体两部分 共同组成的特殊地质体( 图1 - - 1 ) ，高填方地基变形则是指由包括软弱土层在内原地基土体所 发生的变形和由人工填筑体压缩引起的变形两部分构成，施工期沉降是指土方工程填筑施工期间所 发生的高填方地基沉降，工后沉降是指土方工程完工之后的高填方地基沉降) ，作者在导师刘宏教 授的指导下，选取“康定机场高填方地基填料特性与变形研究”为硕士论文，结合“康定机 场高填方地基变形与稳定性高压模型试验研究”、“康定机场高填方地基处理试验检测”、“康 定机场高填方地基变形监测研究”等研究课题，从康定机场场区自然地质条件和高填方地基 特性出发，以模型试验和原位监测为研究手段，对高填方地基处理性状、变形与稳定性进行 研究。拟对冰碛土填筑材料机场高填方地基处理性状与沉降变形作一些探讨和研究。 面i 层 、 ，7基层 ，7 ，7腐j 层、 ，i，丁一 ，7 j ，7 、 ，? j、 ，7 土面匿填筑体道槽区舡筑体 士面 ， j ，。 j 7，ji 7 、 、填 l 筑体、 蓍 、基 、 _ r 7 7 7 原地面地基 图1 1 机场高填方地基横断面结构示意图 1 。2 国内外研究现状 国内外对高填方地基系统研究较少，一般仅进行为数不多的几项研究，西南地区各机场 建设中对各高填方地基都作了一定的现场试验。目前对高填方地基的研究主要涉及高填方的 软基加固处理、填筑材料的试验研究、高填方地基变形与稳定性数值计算、离心模型试验、 原位监测和监测结果的分析运用等。下面主要从填筑材料、变形计算、软基加圆处理的研究 2 费手抖大学硕士研究生学位论文 方法等方面的研究状况进行具体阐述。 1 2 1 填料研究 公路部门规定”j 填方路基宜优先选用级配较好的粗粒土作填料。细粒土作填料时，当土 的含水量超过最佳含水量两个百分点以上时，应晾晒或掺入固化材料等技术措施处理。高速 公路高路堤填料的最大粒径1 5 锄，c b r 最小值上路堤为8 ，下路堤为3 。当用石料填筑 时，最大颗粒不宜超过层厚的2 3 ，即3 0 c m 。高速铁路高路堤填料在国内外皆未有明确的规 定，只是建议在可能的前提下优先选用级配较好的a ，b 组作填料，实际中为了降低成本也 采用了块石、c 组料、改良后的d 组料。民航部门规定道槽区宜选用透水性强的土壤，大 于1 0c m 的土块必须打碎。显然各部门除泥炭、淤泥、腐植土外对填料的种类、粒径、级配 都没有严格的限制，一般为就地取材1 8 j ( 王其昌，2 0 0 0 ) 。到目前为止，由于压实、经济等 原因，各种填方工程多采用细粒土、粗粒土，在我国除个别抛石填海、开山填谷工程外少 有用巨粒土。但从目前各种建筑物对地基要求日益提高、节约耕地及节约成本方面来看，山 区填筑地基大规模地采用沟谷中卵砾石料、开山的大块碎石料作填料为必然，如何用好这些 物理力学性质良好，但又难以压实的石料，是目前及以后一个非常有意义的研究课题。 1 2 1 1 粗粒土研究现状1 9 1 l ”j 粗粒土通常是指块石、碎石、( 粒卵石) 、石屑、石粉及砂砾石等粗颗粒组成的无粘性混 台料，或者石粘性土中含有大量粗颗粒的混合土。粗粒土一般为单粒的结构，由于粗粒士中 盼大小可以相差很大，小的颗粒填补了大颗粒所形成的i l 隙，级配良好的粗粒土比级配均匀 的粗粒土密度更高；在工程应用方面，其具有压实性好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度 高、沉降变形小、承载力大等工程特性，是良好的填方材料。在山区或重丘区修建高等级公 路、山区机场高填方体，利用粗粒土填筑，也便于就地取材，少占田地和减少环境污染，其 社会经济效益相当显著。 人们很早以前就凭经验了解到土和砂一经压实将会变得更难以变形，并且能承受更大的 荷载。粗粒料也不例外。对于公路粗粒土的压实，消耗同样多的能量进行压实，所得到的密 度和强度因各种施工条件的不同而千差万别。 对于粗粒土在工程中的应用及其研究最早是对堆石坝工程，早在1 9 世纪中叶加利福尼 亚的环境景气时期，当时的堆石坝工程是将填筑的石料由一定的高度抛下( 即抛填法) 进行 填筑，几乎见不到象现在这样的压实机械对堆石料碾压的情况。此后，相当长一段时间，对 填石料工程主要是凭经验。自2 0 世纪4 0 年代才开始对填石料的工程性质系统研究，经数十 年的积累，成果丰硕，但这些成果中室内试验研究的比重占大多数，现场的研究则显得不足。 1 9 7 3 年，日本土质工程学会成立了“粗状体的力学特性研究委员会”，就租状材料开展 了调查、研究，其研究成果反映在1 9 8 2 年1 0 月正式出版的堆石料的试验和设计强度一 书中。成立于1 9 8 1 年的“关于粗粒料试验的研究委员会”，其研究内容是查明粗粒料的强度、 变形试验值离散的实际状态和原因。通过研究，在如何提高粗粒料的研究时未能密切结合现 场的实际情况，针对这一点，1 9 8 6 年8 月成立了“关于粗粒料现场压实评价的研究委员会”， 其研究课题是探讨粗粒料实验室密度和现场密度及其关系，为达到系统评价现场压实这一目 的。收集、分析大量数据，进行了精心尽力的调查和研究。1 9 9 0 年1 0 月，日本的岩片透先 生及松井家孝先生在总结本国和世界其他国家在粗粒料方面研究成果的基础上，出版了粗 粒土现场压实书。 在我国，粗粒土在工程中的应用以后来居上的姿态，近年来得到突飞猛进的发展。由包 承纲、郭庆国、杨荫华等水电系统专家与学者，对土石坝工程性质进行了系统研究，并于 1 9 9 8 年8 月，郭庆国先生编著的粗粒土的工程特性及应用一书问世，这标志着我国在 粗粒土工程中的研究取得了显著成果，但是，关于粗粒土在路基工程中的应用及如何对其压 实质量评价，是国内外学者十分关心而又未获得解决的问题。在现行公路租粒土路基工程的 施工中，许多专家学者住已有研究成果的基础上结合公路、机场高填方地基等自身的特点， 对公路、高填方体等粗粒土工程的施工方法和质量控制进行了大量的研究，并取得了大量成 果，在理论研究及二程实践中具有较强的指导意义。典型的代表成果有：谢志伟( 2 0 0 1 ) 通 过对粗粒土填筑材料试验研究，就试验项目、试验结果分析怍了一些探讨，指出了粗粒土的 e 程特性与其颗粒组成密切相关。谢春庆( 2 0 0 4 ) 结合机场、公路，铁路等大型t 程的科研 论文题s ：隶定机场高填方地基填辩特性与变形磷究 与生产，通过巨粒土填筑地基碾压试验、冲压试验、强夯试验以及对比分析，对粗巨粒土填 筑地基施工影响主要因素进行了较为系统的分析。著作方面：谢春庆，邱延峻合著粗巨粒 土填筑地基，该书结合三明、龙洞堡和铜仁等机场的场道地基工程，对山区机场高填方块 碎石等粗巨粒土夯实地基的性状和变形进行了系统研究，提出了该类地基处理方法系统，揭 示了复杂高填方粗巨粒土夯实地基体系的沉降变形规律以及影响变形的主要因素，为今后此 类地基的处理和优化设计提供了科学依据。 隋吉军以“粗粒土振动压实特性的试验研究”为硕士论文题目，通过试验研究得出：颗 粒组成级配特性是决定其抗剪强度的主要因素，当粗粒含量在7 0 左右时，抗剪强度最大： 颗粒本身的特性对抗剪强度影响较大，颗粒越坚硬、大小颗粒相差越大、越不均匀、颗粒形 状越呈棱角状、填筑密度越大、抗剪强度就越高：含水量对抗剪强度的影响很小。 陈宏伟以“粗粒土压实试验研究”为硕士论文题目，通过室内试验研究，分析了含水量 的变化、击实能的变化及粗粒百分含量的变化等对粗粒土密度的影响和粗粒土击实前、后粒 度成分的变化，结合现场试验，研究了压实机械、压实厚度、压实遍数等压实参数变化时粗 粒土的压实特性。 1 2 1 2 冰碛土研究现状 国外高土石坝实践中己对防渗材料放宽了限制，目前的趋向是尽量利用低廉的近处粗粒 材料，如砾石土、宽级配的冰碛土及风化料修筑心强跚】p ”，并且对这类材料的特性在实验 研究中已取得了不少进展；而我国虽已经开始对软岩风化料作防渗体进行研究，但是对冰碛 土的研究还不够充分。自1 9 8 5 年以来，许多专家学者从宏观、微观角度围绕冰碛土结构特 征及工程特性作了大量的研究，无论是在理论上或是实际工程实践中，均取得了丰硕成果。 ( 1 ) 以曲智炯等为代表研究成果p 2 j p 3 j i 叫 我们知道，研究荷载下土的性质时，往往多从宏观现象出发，这就不可避免地忽视了土 的微观结构特点。曲智炯等研究小组结合瀑布沟工程的冰碛土，从1 9 8 5 年至1 9 9 0 年系统地 进行了微观结构的分析和力学性状的研究。试验表明冰碛土所具有的一些特殊的力学性质是 难以从宏观的角度得出正确的解释。从微观的角度出发，研究冰碛土颗粒排列和定向性、孔 隙大小及其分布，以及颗粒本身的棱角、破碎等问题，从本质上对各种力学性质进行探索。 瀑布沟冰碛土的一般物理性质 瀑布沟冰碛土为灯影组的白云质灰岩及白云岩风化山麓冰川沉积物，基本上由碎石、砾 石、砂枯土混杂组成。粒度不均一，分选性差，无层理或层理不明显，通过试验，冰碛土天 然含水量为5 0 9 1 0 5 4 ，天然容重为2 1 4 2 2 9 k n m 3 。粒径分布在0 0 0 5 2 0 0 m r a 较宽 范围内，大于5 m m 的碎石含量占2 5 3 6 。根据土工规程分类法全料定名为不良级配冰 碛粗粒土。取0 1 m m 以下及0 2 5 1 0 m m 的试件。通过差热分析、x 射线衍射分析、能谱仪 分析及化学全量测定，其结果见表1 2 。表明，冰其土含有多种矿物。 表l 一2 冰碛土成分分析结果 名称 试验方法粒径 c a o m g os i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3k 2 0n a 2 0 1 0 0 2 5 m m3 0 8 8 2 1 4 45 3 2 2 6 60 8 60 6 能谱仪分析 6 5 ) 。 b 抗剪强度和抗拉强度特性 在相同容重下，两种应力路径的强度指标相差不大，说明应力路径对强度指标影响不大； 同时，冰碛土的强度受容重、含水量和级配的影响很显著，研究发现，抗拉试验在开始受拉 时变形甚微，接近拉断时，变形急剧加大，很快拉断为脆性断裂破坏。冰碛士的抗拉强度隋 大于5 m m 的颗粒含量增加而逐渐降低，瀑布沟冰碛土的最大抗拉强度6 8 7 7 8 5 k p a 。 ， c d 盹k - - i 屡 ，= 二、，l - 9 6 一n 图1 - - 2 不同应力路径q 一8 一c ，关系曲线 高压条件下冰碛土的应力一应变，强度特性 采用大小高压三轴仪，试样尺寸为币6 1 8 c m 和巾3 0 c m ，控制干容重yd = 2 0 6 2 1 5 6 k n m 3 ，含水量w = 5 0 9 5 ，并比较不同围压、应力路径和级配下的c d 剪切试验。 试验结果见图1 3 、1 4 。不难看出，以粗颗粒为主的b 级配和以细颗粒为主的a 级配其 应力一应变一体变曲线有明显的差异；抗剪强度特性方面：b 级配所得的强度包线明显弯曲， 而a 级配所得的强度包线无明显变化原因在于：b 级配以粗颗粒为主，低高压的剪切中 表现出粗砂的性质，而a 级配从低压的塑性破坏到高压的脆性破坏的强度升赢正好弥补了 剪胀减弱导致的强度减小，即宏观上表现为强度不变。 2 谢春庆【j 训以川西某机场为例，研究了冰碛土的工程性能，指出冰碛土一般为碎石类土， 分布不均匀，层位变化大，是典型的不均匀地基，但其总体上千密度大，密实度较高，具有 低渗透性，高承载力、低变形、抗剪能力高的工程性能，为良好的天然地基。 3 黄涸秋m 等对康定机场地基特征及其形成机制进行了研究。康定机场位于其南西侧 坡积裙上。坡积裙的岩屑主要是通过崩滑脱离山体的，其演化趋势是完全覆盖折多山。除块 石士、碎石士、角砾土及砂七外，地基土中还存在一种由粒径3 0 l o o c m 、次圆次棱角状、 表面粗糙的块石组成的特殊块 i 士，它在平面上有“石窝”、“石窝群”、“石河”及“石海” 等分布形式，垂向分布深度小于2 m ，其显著的自沉降现象对跑道稳定具 r 耍要影响。特殊 块行土是演化到一定程度的坡积物经满蚀作耳j 形成的。四类止常一f ：体及特殊块石七均属良好 地基，潜蚀是导致其上程特性劣化及沉降的主要因素，地基排水是今后：程施一l ：的重点。 5 埋 加 8 6 4 2 0 q 弛 嚣 郐 飘 l 己 坩 8 4 o 论文题s ：瘫定机场毫填方地基填料特性与变形研究 单位j0 l h o o q 蛳 卜钾4 图1 - - 3 高压下p - - c 应力一应变一体变曲线 b ) k 0 l 伊o 4 0 ( b z o4 0 6 0 i ) x ：o 1 p o 图l 一4 两种级配的强度包线比较 1 2 2 高层建筑地基变形计算 基础沉降计算从来就是地基基础工程中的难题之一，百年甚至几百年来，很多专家、学 者都对此作出过贡献，至今还没有完全解决。目前解决此问题的方法主要有以下途径： 1 2 2 1 解析法 以弹性理论为基础，假定地基是线弹性的连续体，在半无限体表面和半无限体内作用各 种荷载时，可以得到地基应力计算公式及地基变形分析的解析解。由于弹性力学受初始边界 条件限制，只有很少的情况下可以得到精确的解析解，而地基土的物理力学性质、本构关系 十分复杂，又很难满足弹性力学的要求，所以沉降的各种解析解同工程实测值差别较大，有 时候差好几倍，故这类方法应用较少。 1 2 。2 2 数值计算法 由于计算机技术的发展，以有限元为代表的数值分析方法发展很快，其特点是可以模拟 地基的一些非线性、非连续、非弹性性质，处理各种不同边界条件。利用可靠软件很快计算 得到各种荷载作用下，各种边界条件的应力场和位移场。但是其基础理论还是弹性理论其 地基沉降计算结果往往不尽如人意，同工程实测值还是有相当的差异。 1 2 2 3 半解析一半数值法 有限元进一步发展以后，出现有限条法、无限元法、边界元法。加权残数法、样条酌数 法。对于半无限地基沉降计算，边界元法与有限元法结合很有生命力。进来，把解析与数值 6 费怖大学硕士研究生学位论文 分析结合起来得到无限元，再与有限元法或边界元法耦合，模拟半无限地基沉降计算，可以 考虑土的非线性、非连续、非弹性性质，模拟各种不同的边界条件。该计算方法虽然很好， 但也受计算参数限制。 1 。2 2 4 半理论一半经验法 该地基沉降计算的半理论一半经验方法( 或称经验法、简化法等) 仍以解析法为基础， 根据工程实测沉降数据研究，统计分析出经验系数或经验公式来。其沉降计算结果肯定比较 接近实测值。 1 2 3 高填方地基变形计算 高填方地基变形包括了下部饱和软弱土层的排水固结沉降和上部非饱和填土的自重压 密沉降，下面分别进行阐述。p 聊t 4 0 4 1 , 4 2 1 2 0 世纪初，随着高层建筑的大量涌现，沉降问题日益突出，与土力学紧密相关的学科 弹性力学的发展为沉降问题的研究提供了必要的手段，从而为t e r z a g i i i 开创的土体变形研 究提供了客观条件。自1 9 2 3 年t e r z a g h i 提出有效应力原理以及随后的一维固结理论问世以 来，极大地促进了土力学理论的发展，有力地指导了土工结构物的设计与施工。对于简单的 几何形状和边界条件可以得到解析解，对于比较复杂的边界条件和几何形状可以用有限差分 法求解，1 9 4 1 年，b i o t 根据有效应力原理、土的连续条件和平衡条件提出b l o t 固结理论其 特点是考虑了固结过程中土体平均总应力随时间而变化，但由于数学上的困难，采用级数和 积分变换方法只能对少数简单的边界问题求出解析解，故一直未能得到充分应用。随着数值 方法和计算机技术的发展，使b i o t 同结理论在工程中得到广泛应用，从而推动了固结理论 自身的发展。有关b l o t 固结理论的有限元分析计算，比较著名的有s a n d h u 和w i l s o i l ( 1 9 6 9 ) 的，应用变分原理得出了固结理论有限单元方程。在国内，沈珠江首先把b i o t 固结理论有 限单元应用于同结分析，殷宗泽结合虚功原理也得到了类似方程，龚晓南采用等价结点流量 等于等价结点压缩量的黏土饱和条件推导了b i o t 固结理论的连续方程。近年来，不少学者 通过求解b l o t 固结方程，结合有限元法分析计算地基沉降，都取得了一定的成果。 但是，以上这些模型都是针对饱和土而言，应用这些理论的前提是基于“土体是完全饱 和的线弹性材料”这一基本假定，而现实中的地基大多数是由土、气、水三相组成的材料。 尽管从三十年代开始人们就对非饱和土进行研究，但由于其难度大，进展缓慢，而且大多是 把饱和土中现成的理论诸如d u n c a n - - c h a n g 模型、b i o t 固结理论等经过改进后应用于非饱 和土中( 沈珠江，2 0 0 0 ) 。 对于非饱和土，是三相体系，其中除包含可以认为是不可压缩的固相土粒和液相水外， 还含有一定数量可压缩的气体，由这种体系组成的土体，不仅在压缩方面，而且在渗透性方 面，都比饱和土( 二相体系) 复杂的多，因而对于非饱和土固结问题，迄今还没有出现一个 公认的成熟且实用的理论方法。1 9 4 1 年，b o i t 对含有封闭气泡的非饱和土提出了一般性固 结理论，建立了两个以有效应( o i l w ) 和孔隙水压力表达的本构方程，将应力与应变 联系起来。换言之，这时己经认识到区分总应力和孔隙水压力作用的必要性。一个方程建立 孔隙比与应力状态的关系；另一个方程建立含水量与土的应力状态的关系。b o l t 对围结系数 修正后得到的固结方程和t e r z a g h i 理论得到的方程相似，但其考虑了孔隙流体的压缩性。随 后，l a r m o u r ( 1 9 6 6 ) ，h i u ( 1 9 6 7 ) 和o l s o n ( 1 9 8 6 ) 证明，使用修正的i 司结系数，t e r z a g h i 方程便可用来描述含有气泡的非饱和土的固结性状。s c o t t ( 1 9 6 3 ) 将孔隙比的变化及饱和度 的变化引入含有气泡的非饱和土的固结方程中，推导出s c o t t 非饱和土固结方程，其适用于 饱和度s ， 9 0 的情况。b l i g h t ( 1 9 6 1 ) 推导得出干硬状非饱和土气相的固结方程。他在推导 中使用了将质量传递与压力梯度联系起来的h c k 扩散定律。b a r d e n ( 1 9 6 5 ，1 9 1 4 ) 提出了 压实非饱和粘土的一维固结分析，用d a r c y 定律描述气相和液相的流动。对于土的不同饱和 度，提出了若干种独立的分析，但由于对非饱和土应力状态和本构关系缺乏了解，所以这些 分析具有不确定性。f r e d l u n d 认为，在一般问题中，孔隙水和气压力对土颗粒的压缩可以 忽略，采用了目前流行的净应力( o u 。) 和吸力( u 。一n 。) 的双变量理论。并在此基础 上，f r e d l u n d 和h a s a n ( 1 9 7 9 ) 建立了非饱和土体一维固结理论( 陈仲颐等译，1 9 9 7 ) ，8 0 看年代后期有人开始研究非饱和十体的三维【刮结方程，杨代泉严格按舣交龄理论推导了1 f 饱 和土体的三维闱结方程，但由于公式复杂，参数众多，只能进行数值解，因而在1 二程实践中 7 论文程b ：康定机场高填方地基填辩特性与变形研究 未被普遍采用( 杨代泉，沈珠江，1 9 9 2 ) 。陈正汉( 1 9 8 9 ，1 9 9 1 ) 用混合物理论研究了非饱 和土的囿结问题，随后( 1 9 9 3 ) 给出了一维固结问题的解析解。陈正汉固结理论较为成熟， 其结果与工程实践较为致( 吴世明等，2 0 0 1 ) 。 8 0 年代中期以来，由于数值方法、计算技术的发展，数值模拟被广泛采用i 4 3 , 4 4 , 4 s ，4 6 , 4 7 1 ， 尤其是有限单元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d 简称f e m ) 、边界单元法( b o u n d a r y e l e m e n t m e t h o d 简称b e m ) 、有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 简称f d m ) 、离散单元法( d i s t i n c te l e m e n t m e t h o d 简称d e m ) 和快速拉格郎日差分分析( f a s tl 丑g m g i a n a l y s i so fc o n t i n u a 简称 f i a c ) 等。对于土石坝和高填方地基，沈珠江( 1 9 9 4 ) 根据鲁布革堆石坝的沉降观测资料 和试验结果，建立了南水模型并对大坝沉降进行了反馈分析，王瑞甫( 2 0 0 3 ) 基于改进d p 弹塑性地基模型的沉降计算和理论，结合有限单元法的具体计算，采用a n s y s 软件， 将计算结果与沉降数据比较，取得了较为满意的结果，郭志川( 2 0 0 1 ) 等针对邓肯一张非线 性模型，推导出了基于一阶t a y l o r 展开的随机有限元方程及其有关计算，对地基沉降进行 随机有限元分析，谢春庆( 2 0 0 1 ) 用f l a c 对龙洞堡机场高填方地基变形进行分析，刘宏 ( 2 0 0 3 ) 采用f l a c 3 n 模拟分析了九寨黄龙机场元山子沟高填方地基变形与稳定特性，并根据 工程实际情况对前期模型进行反馈分析。 但目前国内外对于以砂砾石和块碎石为主的非饱和粗粒士和巨粒土变形研究较少，仅有 少数的经验公