（岩土工程专业论文）土石混合料路用性能的实验研究.pdf

摘要 y 6 8 8 5 4 5 土石混合料路用性能的实验研究 岩土工程专业 硕士研究生高春玉指导老师徐进副教授 本论文为“土石混合料路用性能及质量评价”项目的部分研究成果，该项 目属交通部西部交通科技项目“土石混填路基修筑技术”的子项目之一。项目 的试验土样取自渝黔高遣公路的路堤填筑料，室内采用直径为3 0 c m 的三轴仪 进行大型三轴试验，并应用现代试验技术和现代计算机模拟技术相结合来完成 研究。 渝黔高速公路路堤填筑料为暗紫红色无粘性土石混合料。土石混合料具有 压实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高等 工程特性，因此在工程建设中得到了广泛应用。随着土石混合料应用范围的扩 大，对这类土的研究工作也逐渐深入。但以往对土石混合料的研究方法多采用 击实法，主要研究士石混合料的压实密度，很少有人对变形特性和强度特性进 行系统研究。变形特性和强度特性是土石料主要工程特性，是路堤等土石方工 程稳定分析与沉降变形分析的依据。研究路堤填筑料的力学特性可以给实际工 程提供指导，从而制定相应的措施。 为系统、深入研究其力学特性，本论文对该种土石混合料开展了系统的室 内试验和计算机模拟研究。室内试验主要选择了密度、砾石含量及最大粒径等 因素作为系列实验的控制因素，这些影响因素可以人为控制而工程实际中容易 得到、同时对力学特性影响较为明显，于是得到相应于不同影响因素变化的试 验参数，将这些参数引入数值模拟计算中，进一步得出不同影响因素对路堤的 沉降变形和稳定性的影响。研究工作的主要内容包括： 1 、完成公路规范要求的常规试验，得出土石混合料的应力应变关系和邓肯 模型参数； 2 、结合自身特色进行成都科大k g 模型试验，得出土石料的强度参数及 摘要 应力应变关系，并与常规试验参数对比； 3 、采用一个试样多级加荷的方式，进行不同密度、不同粒度含量及不同最 大粒径的多组大型三轴实验，得到路堤填筑土石混合料在不同影响因素变化下 的抗剪强度参数及应力应变关系等；对单个影响因素进行了回归分析并得出回 归方程； 4 、根据实验得到的力学特性及其变化规律，建立土石混合料的本构关系。 引入对应的模型和有限元数值模拟计算，研究了不同影响因素对路堤填筑土石 混合料力学性能的影响； 5 、通过试验和数值模拟研究，分析不同应力路径、不同密度、不同粒度含 量及不同最大粒径等因素对路堤的沉降变形和稳定性的影响。 通过研究得出以下结论：试验路径对土石混合料的影响较小；土石混合料 的强度随密度的的增大而增大，变形随密度增大而减小；土石混合料的强度取 决于粗、细粒料的共同作用，随p 5 含量的增加，土石料的咬合力减小而内摩擦 角增大：强度与最大粒径的关系和强度与p 5 含量的关系有类似规律；最大粒径 变化时变形随粒径的增加而增大。 关键词：无粘性土石混合料三轴试验力学参数数值模拟 摘要 t h e l a b o r a t o r ys t u d y o fr o a d p r o p e r t y a n d q u a l i t ya p p r a i s a l o l le a r t ha n dr o c km i x t u r e g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g g r a d u a t eg a oc h u n y u s u p e r v i s o rp r x u j i n t h es t u d yr e s e t si n t h i s p a p e ra r cp a r t i a l r e s u l t so f t h er o a dp r o p e r t ya n d q u a l i t ya p p r a i s a lo fe a r t ha n dr o c km i x t u r e w h i c hi s o n es u b o b j e c t so fw e s t e m t r a f f i cs c i e n c ea n d t e c h n o l o g i c a lp r o j e c t e a r t h a n dr o c kf i l lr o a d b e d d i n g t e c h n o l o g y ”a u t h o r i z e db ym i n i s t r yo f c o m m u n i c a t i o o s t h et e s ts a m p l e so f s o i l sa l e c o l l e c t e df r o mt h er o a db e df i l l i n ge l e m e n to fy uq i a nh i g h w a y t h el a r g e s c a l e t r i a x i a le q u i p m e n tw h i c hd i a m e t e r3 0 c mi sa d o p t e dt os t u d yt h er o a dp r o p e r t ya n d q u a l i t ya p p r a i s a l o fe a r t ha n dr o c km i x t u r ei n l a b o r a t o r yt e s t t h el a b o r a t o r y r e s e a r c hi sf i n i s h e db yc o n n e c t i o no fm o d e r nt e s t i n g t e c h n i q u e a n dm o d e r n c o m p u t e rs i m u l a t i o n t h er o a db e d f i l l i n ge l e m e n to f y uq i a n h i g h w a y i sd a r ka u b e r g i n ei n c o h e s i v e e a r t ha n dr o c km i x t u r e t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fe a r t ha n dr o c km i x t u r eb e h a v e w i t hg o o dc o m p a c t i n ge f f e c t ，s t r o n gp e r v i o u s n e s s , l a r g ep a c k i n g d e n s i t y , h i g hs h e a r s t r e n g t h ，s m a l ls e t t l e m e n td e f o r m a t i o n ，h i g hb e a t i n gp o w e re t c s oi ti sw i d e l yu s e d i n e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n w i t ht h ee x t e n s i o no ft h e e a r t ha n dr o c km i x t u r e a p p l i c a t i o n t h es t u d y o f t h i ss o i lw i l lb ed e e p e r g r a d u a l l y i nt h ep a s t ，t h ec o m p a c t i o nm e t h o dw a s a d o p t e d ，m a i n l ys t u d yt h ec o m p a c t i o n d e n s i t y h o w e v e r , t h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e sa n ds t r e n g t hp r o p e r t i e so fr o a d f o u n d a t i o nf i l l e dw i t he a r t ha n dr o c km i x t u r ew e r es t u d i e du n s y s t e m i c l y b u tt h e d e f o r m a t i o n p r o p e r t i e sa n ds t r e n g t hp r o p e r t i e sa r ei m p o r t a n tp a r tc o m p o n e n t so f t h e m a i ne n g i n e e r i n gi n d e xo fe a r t ha n dr o c km a t e r i a l s i na d d i t i o n ，t h e ya r et h eb a s i si n t h es t a b i l i t ya n a l y s i so ft h ee a r t h - r o c ke n g i n e e r i n g t h es t u d yo nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo f e a r t hb a n kf i l l i n gc a ng u i d e sa c t u a le n g i n e e r i n ga n dp r o v i d er e f e r e n c e b a s i sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to f t h e c o r r e s p o n d i n g m e a s u r e i no r d e rt os t u d yt h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo f e a r t ha n dr o c km i x t u r e d e e p l t h i s h i 摘要 p a p e rm a k e ss y s t e m a t i cl a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dc o m p u t e rm o d e l i n gs t u d i e so n t h i sk i n do f m a t e r i a l s i nt h ep r o c e s so fl a b o r a t o r yt e s t s ，t h eb a s i sp h y s i c a li n d e x ，s u c ha sd e n s i t y , g r a v e la n dm a x i m a lg a i l ls i z ea r es e l e c t e da st h ec o n t r o lf a c t o r s ，o nt h eo n eh a n d ， t h e r ep a r a m e t e r sc a r lb eg o tf r o me n g i n e e r i n gp r a c t i c ee a s i l y , o nt h eo t h e rh a n d ，t h e y a f f e c t u p o nm e c h a n i c a lp r o p e r t yi so b v i o u s l ya n dc a nb em a n u a l l yo p e r a t e d b y l a b o r a t o r yt e s t s ，t h ev a r i a d o n a lt e s tp a r a m e t e r sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n ta f f e c t i n g f a c t o r sc a l lb ei n t r o d u c i n gt h e s ep a r a m e t e r sn u m e r i c a lm o d e l i n gc a l c u l a t i o n w ec a n u n d e r s t a n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ta f f e c t i n gf a c t o r so ne a r t hb a n ks e t t l e m e n t d e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yu l t e r i o r l y t h e m a i n l y c o n t e n t so f r e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rc o n c l u d e ： 1 c a r r y i n go u tt h er o u t i n et e s tr e q u i r e db yt h et r a f f i cc o d ea n dg e a i n gt h e r e s u l t so f t h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o na n dd u n c a n - c h a n gm o d e l p a r a m e t e r s ； 2 w i t ho u r s e l v e sf e a t u r e s ，m a k i n gc b e n g d us c i e n c ea n d t e c h n o l o g yu n i v e r s i t y k - gm o d e lt e s t a n dg e t t i n gt h es t r e n g t hp a r a m e t e ra n ds t r e s s - g 堙a i nr e l a t i o na n d c o m p a r i n g w i mr o u t i n et e s tp a r a m e t e r s ； 3 a d o p t i n gm u l t i s t a g el o a d i n gp a t t e m i no n et e s t s a m p l e ，c a r r y i n g o u t m u l t i p l el a r g e - s c a l et r i a x i a lt e s t sw i t hd i f f e r e n td e n s i t y , d i f f e r e n tc o n t e n to fg r a i n s i z ea n dd i f f e r e n tm a x i m a lp a r t i c l ed i a m e t e r ，g e t t i n gt h es h e a rs t r e n g t hi n d e xa n d s t r e s s s t r a i nr e l a t i o no f e a r t ha n dr o c km i x t u r eu n d e rd i f f e r e n t a f f e c t i n gf a c t o r s ； 4 b a s e do nt h es t r e n g t hb e h a v i o ra n di t sc h a n g i n gr u l er e s u l t e df r o m l a b o r a t o r y t e s t s ，b u i l d i n gu pt h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o no fe a r t ha n dr o c km i x t u r e ，s t u d y i n gt h e a f f e c to f d i f f e r e n tf a c t o r so nm e c h a n i c a lp r o p e r t yo f e a r t hb a n k f i l l i n ge a r t h a n dr o c k m i x t u r e b yi n t r o d u c i n gt h eb u i l tu pc o n s t i t u t i v em o d ei n t ot h ec o r r e s p o n d i n gm o d e l a n df i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm o d e l i n gc a l c u l a t i o n ； 5 b yt h es t u d i e so fl a b o r a t o r yt e s t sa n dn u m e r i c a lm o d e l i n g ，a n a l y z i n gt h e i n f l u e n c eo f d i f f e r e n ts t r e s sp a t h ，d i f f e r e n td e n s i t y , d i f f e r e n tc o n t e n t o f g r a i n s i z ea n d d i f f e r e n tm a x i m a lp a r t i c l ed i a m e t e ro ne a r t hb a n ks e t t l e m e n td e f o r m a t i o na n d s t a b i l i t y b y t h es t u d yo f l a b o r a t o r yt e s t s ，t h i sp a p e rc o m e s t ot h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s t h a t ：t e s tp a t hh a sl i t t l ei n f l u e n c eo ne a r t ha n dr o c km i x t u r e ；w i t ht h ei n c r e a s eo f d e n s i t ys t t e n g t hi n d e xo fe a n ha n dr o c km i x t u r ei n c r e a s ea n dt h ed e f o r m a t i o n d e c r e a s e ；s t r e n g t hp r o p e r t i e so f e a r t ha n dr o c km i x t u r ed e p e n do nt h ei n t e r a c t i o no f c o a r s es i z ea n df i n es i z e ；w i t ht h ei n c r e a s eo fc o a r s es i z ec o n t e n tm e s h e df o r c e 摘要 d e c r e a s ea n di n t e m a lf r i c t i o na n g l ei n c r e a s e ；s t r e n g t hc h a n g eo f m a x i m a lg r a i ns i z e h a st h ea n a l o g i c a lr u l ea st h ec h a n g i n go fc o a r s es i z ec o n t e n t ，w h e nt h em a x i m a l g r a i ns i z ec h a n g e s d e f o r m a t i o ni n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fg r a i ns i z e t h e s ea b o v e c o n c l u s i o n s p r o v i d e ag u i d a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o no f a c t u a le n g i n e e r i n gp r o j e c t s k e yw o r d s ：i n c o h e s i v e ，e a r t ha n dr o c km i x t u r e ，t r i a x i a lt e s t ，m e c h a n i c a lp a r a m e t e r , n u m e r i c a lm o d e l i n g v 土石混台料路用性能的试验研究 1 概论 1 1 论文选题的依据和意义 交通运输是国民经济的基础产业，是社会扩大再生产和商品经济发展的 先决条件，对促进国民经济和社会发展具有重要作用。其中公路运输将不仅 是短途客、货运输的主力，也会在中距离客、货运输以及高档货物、高时效 物品和零担物资运输中起到骨干作用：“八五”期末，全国公路客运量占各种 运输方式总运量的8 8 ，旅客周转量占5 0 o ，公路货运量占7 6 6 ，货物周 转量占1 3 6 。 我国高速公路截至2 0 0 3 年末通车里程达到约2 5 万公里，公路建设也由 发达地区向西部欠发达地区发展，由沿海向内地延伸，由平原向山区发展。 从己完成的高速公路以及今后的建设项目向看，路基的稳定及变形将是今后 一个时期需要解决的主要问题，尤其是土石混填路基的稳定及变形问题。在 目前的工程实践中，存在对土石混合料的性质认识不清，不但影响了施工， 导致工程成本上升，而且影响道路建成后的正常使用。 目前我国高速公路网已完成规划，其总里程将在2 0 年内超过8 万公里。 形成由中心城市向外放射咀及横贯东西、纵贯南北的大通道，并且实现“东部 加密、中部成网、西部连通”的新局面。 公路交通科技在公路事业的发展中一直起着重要的技术支持作用。在六 十至七十年代，以渣油路面、钻孔灌注桩、双曲拱桥三项技术为代表，带动 了公路交通事业的发展。八十年代以来，我国公路交通进入了以高速公路为 代表的高等级公路建设的发展时期。公路科技以此需求为导向，开展了分层 次、分领域的科技攻关和推广应用，为推动我国高等级公路建设和公路运输 两个方面的发展，发挥了积极作用。 具有优良使用功能的路面是高等级公路重要的技术特征。半刚性基层沥 青路面结构和抗滑面层技术，明确了使用国产重交通道路沥青的技术指标， 提出了减少裂缝和车辙的综合措施并使沥青面层厚度有所减薄，提高了行驶 舒适性和安全性。多年冻土地区黑色路面修筑技术的研究成果，成功地应用 于青藏公路长达7 3 0 公里多年冻土地区公路的设计和修筑。目前依然存在的 问题是，如何通过有效的工艺和结构措施，改善国产沥青混合料的路用性能， 四川人学颂一i ：学位论文 满足高等级公路路面的使用功能要求，相应发展软包装运输沥青技术，从而 改变我国高等级沥青路面主要依靠进口沥青的局面，这是我国高等级公路建 设中带战略性的重大问题。 在路基方面，随着高等级公路建设向山区延伸，高填方路段的路基稳定 与深挖方路段的边坡处置，包括深路躯路基和高填方路基稳定与边坡防护， 粗粒土压实与评价，特殊路面结构问题以及排水系统设计和施工，将是在山 区修筑高等级公路时必须解决的关键问题。尤其高填方土石混填路基，在建 成后的使用过程中出现路基纵向裂缝，究其原因主要就是对填筑料的工程力 学特性没有完全了解造成的。 1 2 国内外研究现状 土石混合料具有透水性强、抗剪强度高、压实密度大、沉降变形小、承 载力高等工程特性，因此是一种良好的填筑材料，广泛用于公路、铁路、水 利等工程建设中。在公路工程中，对于土石混合料，特别是无粘性土石混合 料的工程性质的研究相对较少，公路部门对细粒土的工程特性的研究相对多 一些，而水利部门因土石坝建筑的需求，相对集中于巨粒土。但随着土石混 合料应用范围的扩大，各领域对土石混合料的研究工作都逐渐深入，为了更 好地为工程建设服务，科研设计人员进行了不断地研究。 交通部重庆公路研究所的陈谦应和邵光晟进行了共5 0 组的大型击实试 验，研究含石量、粗粒大小对最大干密度的影响程度及其变化规律，其主要 成果如下： ( 1 ) 土石混合料最大干密度随含石量的变化而变化，其规律为：随含石量的 增加而增加直至最大值，尔后随含石量的增加而减小，最大值处含石量为 7 0 一8 0 ( 2 ) 在相同含石量下。粗粒粒径愈大，混合料的最大干密度也越大。 ( 3 ) 当混合料在最大干密度时，混合料中细粒土密度随含石量的增加而减 小，且始终小于细粒土单独击实的最大干密度，特别是当含石量大于5 0 时 细粒土的密度急剧减少。 ( 4 ) 混合料最佳含水量随含石量的增加而减少，且与粒径大小无关，当含 石量小于3 0 时，混合料的最佳含水量和细粒土的接近。 土石混合料路用性能的试验研究 云南省公路科学技术研究所的武明以安楚试验路的土石混合料为原料， 也进行了室内大型击实试验，其对超粒径的处理方法采用等重量替代法，得 出结论如下：击实密度主要与粗粒含量及级配有关，在风化程度相近的情况 下。当粗粒含量小于4 0 时，粗粒在土中未形成骨架，仅以包裹体存在，压 实特性类似纯土特性，但其密度则因粗粒的存在而有不同程度的改善。当粗 粒含量大于4 0 而小干7 0 时，混合料中因粗粒的增多而渐起骨架作用，粗 细颗粒联合起作用显示混合料的特征，压实密度迅速上升，粗细料相互填充、 胶结，相应的密度增大；当粗粒含量大于7 0 时，因细料不足无法填充粗料 间的全部孔隙，土体压实干密度则随细料的压实及填充情况由上升缓慢至粗 料架空而下降。 西安公路研究所的王正良在粗粒土的强度方面也得出了同上相似的结 论：当砾石含量由o 增到5 0 时，干容重与砾石含量呈良好的直线关系，但 弹性模量在5 m m 以上颗粒含量小于4 0 时，近似趋于一条水平线，当粗颗粒 含量大于4 0 时，粗粒土路基的回弹模量开始呈增长趋势。 以上对土石混合料压实特性的研究，都是从对压实特性影响最大的粗颗 粒最大粒径和百分含量入手，通过大型击实试验，得到一些共性的成果：粗 颗粒的百分含量不同，土体的结构就不同，力学特性也就随之发生变化；相 同粗颗粒含量情况下，最大粒径不同，其最大密度也不同。 但所有上述研究成果中最大干密度的确定还是采用击实法，这与施工中对 土石混合料的压实是振动压实相矛盾。东南大学对七种不同级配碎石进行了重 型击实和标准振动台成型的对比试验，考察了两种成型条件下的基本力学特性， 结论为：在密度方面，振动成型商于击实成型3 一5 左右；在强度方面，在 同一密度下，振动成型的c b r 值明显优于击实成型：同一应力状态下，振动成 型试样的回弹模量要高于击实成型约2 0 。 哈尔滨工业大学交通学院采用上置式振动压实装置对不同含石量的土石混 合料进行了压实研究。通过研究，将其分为三种不同的结构类型：多土类、中 间类和多石类。根据不同结构类型土石混合料对振动响应的不同，总结出了对 于不同土石含量的士石混合料应采用不同的压实工艺参数；并对三种结构类型 的土右混舍料在相应的最佳振动压实工艺下压实，通过回归分析得到了最大干 密度与含石量( p 1 2 m p a 时，连续加荷方式 就不再适用。 ( 3 ) 在固结类的不连续剪切中，必须考虑固结排水引起的应力回弹量。通 过分析堆石在不等向固结条件下的强度性质，认为多级加荷中不等向固结对 强度指标的影响仅限于c 值，从理论上讲c 值已不仅仅是“凝聚力”，同时， 也明显反映出堆石颗粒结构特征等因素对c 值的贡献。堆石的内摩擦角巾值 并不随固结方式的不同有所改变。 ( 4 ) 随着对堆石等粗粒土强度及应力应变关系研究的深入，士工试验规程 s d f l 2 8 8 7 中有关粗粒土的一个试样多级加荷三轴试验部分宜重新修订，以 适应现代堆石坝设计理论和施工方法的发展。 西北农林科技大学李振和李鹏：通过无粘性粗粒土的直接剪切试验，分析 了在相对密度相同的情况下，粗粒土的粗粒含量抗剪强度参数的影响和同一 种粗粒料在不同干密度下，抗剪强度指标的变化规律。得出结论： ( 1 ) 在相对密度相同情况下，粗粒土的干密度随着粗粒含量的增加而增大， 当增加到一定程度后，干密度有减小的趋势。 ( 2 ) 粗粒土的直接剪切试验的内摩擦角在相对密度不变的情况下随着干密 度和粗粒含量的增大丽增加；对同一种粗粒土在相同干密度下，非饱和固结j 决剪的内摩擦角比饱和固结快剪的要大，随着干密度的逐渐增大，两种状态 下的内摩擦角趋于相同。 ( 3 ) 粗粒土间的咬合力随干密度和粗粒含量的增大而增大；对同一种粗粒 土在相同干密度或在相同的粗粒含量情况下，非饱和固结快剪的咬合力比饱 和固结快剪的要大。 ( 4 ) 对于同一种粗粒土在不同于密度下，其内摩擦角和咬合力随着干密度 4 土石混台料i ! 苦用性能的试验研究 的增大而增大，当增加到一定程度后，内摩擦角和咬合力的增加速率变小。 中交公路规划设计院和浙江大学土木工程系结合某公路路堤填料情况， 选取了1 6 组土石混合料进行原位剪切试验，得到土石混合料的变形特点和相 关的抗剪强度参数。得出以下结论； 路基土石混合料的剪切特性表现为全应力一应变曲线，破坏面的底滑面 一般呈下凹的弧面，在颗粒较小的部位，破裂面一般可以直接剪断颗粒而过， 而在遇到较大颗粒( 石块) 处则出现上下起伏变化，即出现破裂面绕过石块上弯 的现象。土石混合料的粘聚力变化较大，其大小主要受土样粘粒含量变化的 影毗；内摩擦角变化相对较小，其值受土样的含水状态和密实度的影响较明 显。饱和度增加则土的内摩擦角相应降低：密实度增加则土的内摩擦角相应 增大。同时提出：要深入研究土石混合料的变形性质及强度参数，仍然需要 进行大量的现场原位试验，并进行相关的数值模拟分析。 1 3 本课题研究的内容和目的 本课题研究内容属交通部西部交通科技项目“土石混填路基修筑技术” 的子项目之一，研究所用土样取自黔渝高速公路工程。 课题的技术思路是应用现代试验技术和现代计算机模拟技术相结合来完 成对土石混合料的研究。 课题研究的目的是得到土石混合料的变形特性和强度特性参数及变化规 律，为路堤等土石方工程稳定及变形分析提供依据，指导实际工程，制定相 应的施工措施。 为系统深入地研究土石混合料力学特性，本论文对其开展了系统的室内 试验和计算机模拟研究。室内试验主要选择了密度、砾石含量及最大粒径等 因素作为系列实验的控制因素，这些影响因素可以人为控制而工程实践中容 易得到、同时对力学特性影响较为明显，于是得到相应于不同影响因素变化 的试验参数，将这些参数引入数值模拟计算中，进一步得出不同影响因素对 路堤的沉降变形和稳定性的影响。研究工作的主要内容包括： l 、完成公路规范要求的常规试验，得出土石混合料的应力应变关系和邓 肯模型参数： 2 、结合自身特色进行成都科大k g 模型试验，得出土石料的强度参数 四川大学硕士学位论文 及应力应变关系，并与常规试验参数对比； 3 、采用一个试样多级加荷的方式，进行不同密度、不同粒度含量及不同 最大粒径的多组大型三轴实验，得到路堤填筑士石混合料在不同影响因素变 化下的的抗剪强度参数及应力应变关系等： 4 、根据实验得到的强度特性及其变化规律，建立土石混合料的本构关系。 引入对应的模型和有限元数值模拟计算，研究不同影响因素对路堤填筑土石 混合料力学性能的影响； 5 、通过试验和数值模拟研究，分析不同应力路径、不同密度、不同粒度 含量及不同最大粒径等因素对路堤的沉降变形和稳定性的影响。 6 土石混合料烙用性能的试验研究 2 大型三轴试验 按照研究的目的与内容，分别进行了不同饱和度下的固结一排水慢剪和 不固结一不排水快、慢剪试验。试验采用渝黔高速公路路基填筑料，以获得 土石混合料的基本力学性质指标。同时，不固结快剪试验主要采用上述土样 按不同密度、不同最大粒径和不同砾石含量( p 5 ) 配置的土样进行试验，以 获得这些因素对土石混合料的力学特性的影响。 2 1 试验条件 大型三轴试验的试验条件主要依据研究目的、研究内容和中华人民共和 国行业标准公路土工实验规程( j t j0 5 1 9 3 ) 、土工试验规程) ) ( s l 2 3 7 1 9 9 9 ) 而确定的。 2 1 1 试验土样原始级配及主要物理指标 土样经风干、筛分，测得其原始缎配如表2 。l 所列。筛分结果表明土样 中粒径小于o 1 m m 的颗粒含量小于5 ，故定名为无粘性粗粒土。表2 1 中的 颗粒级配便是本次研究中土的基本力学性质测试时确定试样试验级配的依 据。根据表2 1 绘制的土样原始级配曲线见图2 1 。由此得到反映土的颗粒级 配状况的特征指标，并将它们列于表2 2 。 从这些结果中可以看出： ( 1 ) 土样的粒径百分含量累计曲线呈向上凹曲的曲线形式，坡度较缓并 较平滑，粒径分布连续； ( 2 ) 土样的颗粒粒径分布特征指标同时满足c 。 5 ，1 羔c 。s3 的条件。 因此，土样属于良好级配土石混合料，其中砾石( 5 m m ) 占8 0 9 0 以 上，含泥量( o 1 m m ) 低于5 ，一般可称为无粘性粗粒土。按公路土工 试验规程( j t j0 5 l 一9 3 ) 对土石混合料分类的规定，应定为级配良好砾，并 记为g w 。 土石混合料的力学性能测试的试验中，含水量采用了由项目方提供击实 曲线得出的最佳含水量8 5 ，试验密度采用最大干密度( 2 2 3 7 9 e m 3 ) ，实际试 四j i l 大学硕一i ：学位论文 验干密度大致为最大干密度的0 9 5 倍。按规程要求，剪切过程采用轴向应变 速率控制，控制速率在0 0 8 1 5 r a m r a i n 范围内。 表2 - 1土样原始级配表 l o o 一8 0 6 0 4 0 2 0 2 粒径( r a m ) 1 0 55 2 0 5 5 r a m ) 、含泥量( 5 r a m ) 土样的试验， 方案3 551 5 r a m r a i n 不饱和、不固结快剪，测体变、测孔压 不同最大粒径土样的试验，不饱和、不 方案4 441 5 r a m r a i n 周结快剪，测体变、孔压 固结、捧水慢剪， 方案5 l60 o g m m l m i n 测体变、测孔压 方案6饱和与非饱和固结快剪 221 5 m m m i n 2 2 2l ( 一g 模型试验方案与过程 为研究不同应力路径对土石混合料的力学性质的影响，结合我院特色一 一成都科大k g 模型，分别进行了两组k g 模型的试验，试验方案见表2 5 。 表2 5k g 模型试验方案表 方案 主要试验条件 试验试样试验控制 编号组数个数麻变速率 第一组阁结、慢剪，测孔压、测体变 l40 0 8 m m m i n 同结、摊水慢剪，饱水 第二组1 40 0 8 m m m i n 测体变、测孔压 为和常规方案结果进行对比分析，k g 模型试验方案所施加的等压固结 围压采用1 0 0 k p a 、1 5 0 k p a 、2 0 0 k p a 和2 5 0 k p a 四级。k g 模型试验为固结排 土石混合料路用性能的试验研究 水和排水( 气) 慢剪试验。试验的剪切速率采用o 0 8 o 1 m m m i n 。级配曲线 参照图2 5 。物理指标参照表2 5 。 k g 模型的试验过程如下： ( 1 ) 试验的准备工作 试样的饱和方法和e u 模型相同( 参照规程规定) ，固结采用各向等压 固结。每组试验的四个样分别采用固结压力( 或仃，) 为1 0 0k p a 、1 5 0k p a 、 2 0 0k p a 、2 5 0 k p a 。 为得到一个试样在不同围压下的围压与体积变化量的关系，并节约试样 在试样进行固结时，两组试验均选取固结围压为p = 2 5 0 k p a 的试样，按各向 等压固结的方法以固结围压为1 0 0 k p a 、1 5 0 k p a 、2 0 0 k p a 及2 5 0 k p a 的先后顺 序进行分级固结，在每一围压固结稳定后量测其体积变形量，综合四次加压 得到的体积变形量，即可得到一个试样的在不同围压下的围压与体积变化量 的关系。各向等压固结结束后再进行p = 2 5 0 k p a 时的剪切试验。 ( 2 ) 试验过程 两组试验的任一试样均先在仃、( p ) 加载下等压固结稳定后开始剪切， 剪切过程中的轴向压力加载方法和常规的慢剪试验相同，即采用o 0 8 m m m i n 的加载速率进行加载。 剪切开始前，先在计算机里输入计算公式 0 - 3 ；p 一三 ( 2 1 ) 。一3 a l 2 一1 ) 其中爿：v c - a v 允一 ( 2 2 ) p ：旦塑：坐l ：! 卫当( 2 - - 3 ) 1 33 。 a 剪切过程中的校正面积，m 2 ； p 剪切过程中的轴向力，k n ： p 剪切过程中的各向应力的平均值( 平均压力) ，k p a ； 其余符号参见公路土工试验规程( j t j0 5 1 9 3 ) t 0 1 4 7 - - 9 3 。 四j l i 大学硬上学位论文 在试验的过程中，根据轴向力p 读数、排水管读数( v ) 、轴向变形读数 ( a h ) 输入预先编好的计算程序内，算出相应的盯，值，同时以此调整围压值， 达到控制p 在整个剪切过程中保持为预定常数，直至轴向应变达到1 5 即停止 剪切。这一剪切过程其实就是升轴压( 盯，) 降围压( 盯，) 的过程。试验过程 中应控制平均压力p 的误差在1 以内。 2 3 试验结果及整理计算 2 3 1 常规试验结果 2 3 1 i 非饱书快剪试验结果 ( 1 ) 方案1 试验结果 第一组试验是按表2 - 4 方案l 进行的不固结不排水快剪试验。表2 - 6 列出 了该组试验的主要试验条件，根据试验各级围压( 1 0 0k p a 、1 5 0 k p a 、2 0 0k p a ) 下的莫尔应力圆强度外包线求得的强度参数( 包括有效应力法和总应力法) 见表2 - 6 。表2 - 6 中的e 与“为各级围压下得到的初始切线模量与初始泊松比 的平均值。 试验结果表明，方案1 条件下土石混合料的应力应变曲线呈现出典型的 非饱和的曲线关系，具应变硬化特征。主应力蓑与轴向应变的关系见图2 1 6 ( a ) 所示， 表2 6方案1 试验结果 试验条件总应力法有效应力法 含水量干密度饱和度 剪切速率咬合力c 内摩擦咬合力内摩擦角 e ? p d s ， ( m m m i n )( k e a ) 角m 击7 ( m p a ) c )( g c m )( )( 。)c k v a )( 4 ) 8 52 1 28 71 54 1 2 53 l2 3 0 84 31 7 2o 2 8 1 4 土石混台料路用性能的试验研究 妥 ： 0i 2 3 9 04 0 05 0 06 7 0 0o o ( k p a ) 圈2 5方案1 试验强度包线 ( 2 ) 方案2 试验结果 第二组试验按表2 - 4 方案2 进行试验。目的是研究不同密度对土石混合 料强度和变形的影响。各个试样分别采用不同的干密度以研究密度变化对力 学特性的影响，每一个试样分四级加荷( 1 0 0k p a 、1 5 0k p a 、2 0 0k p a 、2 5 0 k p a ) 。 试验结果如表2 7 所列，对应不同干密度下多级围压下的莫尔应力圆强 度包线图见图2 6 ，结果表明密度对强度参数的影响明显。由表2 7 可以看 出，随着试样干密度的降低，强度参数( 包括有效应力法和总应力法) 相应 降低。但干密度对e ，“的影响并不显著。 表2 7方案2 ( 不同密度) 试验结果 试验条件有效应力法总应力法 e 。 含水最千密度饱和度剪切速率粘聚力内摩擦粘聚力内摩擦 卢， p ds 。( m m m i n 角巾角巾 ( m p a ( )( g e m )( )( k p a )( 。)( k p a )( 。) ) 2 1 28 72 3 ，0 84 34 1 2 53 11 7 2 2o 2 8 1 9 66 2 72 0 2 24 l3 5 8 92 81 3 8 4o 2 6 8 51 5 l8 65 21 4 1 93 33 1 8 72 61 1 6 4o 2 3 1 7 64 3 81 2 0 33 02 3 4 22 29 2 90 2 2 1 5 殴川大学碗士学位论文 ( a ) pd 2 1 2 ( g e m 3 ) 试样强度包线 ( b ) pd = 1 9 6 ( g e m 3 ) 试样强度包线 ( c ) p 产1 $ 6 ( g c m 3 ) 试样强度包线 0l 帅2 n o，枷 5 0 0咖 a ( k p n ( d ) pa = 1 7 6 ( g c m 3 ) 试样强度包线 图2 6方案2 ( 不同干密度) 试验强度包线 ( 3 ) 方案3 试验结果 第三组试验按表2 - 4 方案3 进行试验。四个试样采用不同p 5 含量，每一 个试样分别四级( 1 0 0 k p a 、1 5 0k p a 、2 0 0 k p a 、2 5 0 k p a ) 加荷的方法进行试验。 四个试样的p 5 值分别为3 0 、5 0 、7 0 、8 0 。 试验结果如表2 8 所示，图2 7 为本方案试验的强度包线。实验结果 表明不同粒度( 主要指砾石含