（交通运输工程专业论文）高塑性土路用特性及工程应用研究.pdf

7 。_ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - 。_ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。1 。 1 删7 胂8 8 胂7 56 独创性j 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他教育机构 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r f l 作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 碑盘 日期：2 里 竺： 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：么翌竽互起导师签名：玉幽 期：尘! ：! ! 摘要 篡i 一 !i 鼍曼皇皇曼曼曼皇曼曼曼皇量曼皇曼曼曼皇皇曼皇皇曼曼曼曼曼量曼皇皇 摘要 我国潮湿多雨地区，广泛分布着高塑性土，其普遍具有“高液限、高塑性指 数、高天然含水率的特点。压实困难、干缩开裂和路用性能不稳定是制约高塑 性土利用的主要障碍，随着环保要求和项目经济性的制约，高塑性土的利用难以 避免。 本文以福建泉三高速公路为依托工程，通过室内试验、现场监测、数值模拟 等三种方法，针对高塑性土的路用特性和工程应用开展室内试验，对直接利用高 塑性土填筑路基的变形规律进行研究。 主要研究内容如下： 1 、通过资料搜集和室内试验系统把握福建高塑性土的基本物理力学性质。 结合微观概化模型及扫描电镜照片，对高塑性土物理力学性质的微观机理进行初 步探讨。 2 、针对高塑性土强度与水稳性的特点，设计开展路用特性试验，对泡水前 后高塑性土的各项指标进行统计分析，并研究其内在联系。在明确高塑性土的工 程特性基础上，提出高塑性土的工程应用分类，用于指导设计与施工。 3 、基于非饱和土简化固结理论，采用邓肯一张模型分析高塑性土路基的沉降 变形规律，并与室内模型试验和现场监测数据进行对比分析，对路基工后沉降进 行预测分析。 关键词：高塑性土：工程特性；路基；沉降变形规律；非饱和土 北京工业大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l l ”m 曲l i q u i dl i m i t ，h i g hp l a s t i c i t yi n d e xa n dh i g hn a t u r a lw a t e rc o n t e n t ” f e a t u r e s ，h i g h p l a s t i cs o i li sw i d e l yd i s t r i b u t e di nh u m i da n dr a i n ya r e a s c o m p a c t i o n p r o b l e m s ，s h r i n k a g ec r a c k i n ga n di n s t a b i l i t yo fr o a dp e r f o r m a n c ei st h em a i no b s t a c l e t oo fu s i n gh i g h - p l a s t i cs o i l a se n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t sa n dp r o j e c te c o n o m i c c o n s t r a i n t s ，t h eu s eo fh i g h p l a s t i cs o i li sd i f f i c u l tt oa v o i d b a s e do nt h es u r v e yo fq u a n z h o u - s a n m i n gf r e e w a yo ff u j i a np r o v i n c e ，t h i sp a p e r s t u d i e do nt h ed e f o r m a t i o nr u l e so fh i g h - p l a s t i cs o i ls u b g r a d eb yt h r e em e t h o d so f l a b o r a t o r yt e s t s ，f i e l dm o n i t o r i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t sw e r eb r i e f l yl i s t e da sf o l l o w s f i r s t l y , d a t ar e s e a r c ha n dl a b o r a t o r yt e s tw e r ec a r r i e do u tt og r a s pt h eb a s i c p 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 so fh i g hp l a s t i cs o i l i nf u j i a np r o v i n c e t h e m i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo fp 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 sw e r ep r e l i m i n a r y s t u d i e db yg e n e r a l i z e dm i c r o s c o p i cm o d e la n ds e m p h o t o g r a p h s e c o n d l y , l a b o r a t o r yt e s t so fe n g i n e e r i n gc h a r a c t e r sw e r ec a r r i e do u tf o rs t r e n g t h a n ds t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - p l a s t i cs o i l t h ei n t e r n a lr e l a t i o n sw e r es t u d i e db y t h es t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h ei n d i c a t o r so fh i g h - b e f o r ea n da f t e rw a t e r l o g g e d b a s e do n t h e e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r so fh i g h p l a s t i c s o i l ，a p p l i c a t i o n c l a s s i f i c a t i o no f h i g h p l a s t i cs o i lw e r ep r o p o s e dt og u i d et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1问题的提出l 1 2国内外研究现状2 1 2 1国内研究概况。2 1 2 2 国外研究概况6 1 3主要研究内容8 1 4依托工程概况9 第2 章高塑性土的物理力学性质1 0 2 1 高塑性土的物理性质一l o 2 1 1液塑限分布1 0 2 1 2颗粒组成1 2 2 1 3最大干密度和最佳含水率1 3 。 2 2高塑性土的力学特性1 4 2 2 1高塑性土的压缩性1 4 2 2 2高塑性土的抗剪强度1 6 2 3高塑性土的结构性与微观特性1 8 2 3 1 高塑性土的结构性1 8 2 3 2高塑性土的微观特性1 9 2 4 本章小结2 1 第3 章高塑性土的路用特性及应用分类2 2 3 1高塑性土路用特性试验2 2 3 1 1试验方案2 2 3 1 2 试验结果。2 3 3 1 3土的含水率、击实功与压实度的关系2 4 3 1 4泡水前后密实度的变化2 5 3 1 5土的含水率、击实功与强度的关系2 6 3 1 6土的含水率、击实功与饱和度的关系2 7 3 1 7土的干密度与c b r 强度的关系2 8 3 1 8土的膨胀量与时间的关系2 9 3 1 9土的稳定含水率2 9 3 2高塑性土石灰改良的强度特性3 l 3 2 1石灰改良土的强度机理3 1 3 2 2试验方案3 2 3 2 3 试验结果及分析3 3 3 2 4小结3 5 3 3高塑性土的工程应用分类3 7 3 3 1 土的工程分类方法3 7 北京工业大学工程硕士学位论文 3 3 2高塑性土的工程应用分类指标3 8 3 3 3工程应用分类表4 0 第4 章高塑性土路基沉降变形规律4 2 4 1室内模型试验4 2 4 1 1 试验方案4 2 4 1 2试验结果4 3 4 1 3 路堤变形计算4 4 4 2沉降变形监测4 5 4 2 1监测方案4 5 4 2 2 监测数据及分析4 7 4 2 3 小结5 1 4 3含水率监测5 2 4 3 1监测方案5 2 4 3 2监测成果5 3 4 3 3小结5 4 4 4数值分析5 5 4 4 1非饱和土固结特性指标的试验研究5 5 4 4 2固结变形分析计算模型6 0 4 4 3计算结果6 1 4 4 4 卅、结j 6 4 结论6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 8 致谢6 9 i v 第l 章绪论 1 1问题的提出 第1 章绪论 在福建高速公路建设中，高塑性土填料的处理和应用是路基工程中普遍遇到 的问题。与潮湿多雨的气候环境相适应，高塑性土在物理性质上表现为高天然含 水率、高液限、高塑性、低密实度，力学性能上表现为天然强度较高、压缩性巾 等偏低和抗冲届l 。e - , 力强的特点，路用性能上具有压实困难、干缩开裂等特性。 目前高塑性土在工程上没有确切的定义，为了明确研究对象，本研究项目所 涉及高塑性土指的是液限大于4 0 ，塑性指数大于1 8 的细粒土，包括粉质土和 粘性土，其天然稠度一般小于1 1 。高液限土、红粘土、湿粘土、巾低膨胀土等 特殊土，其土性指标基本相同，均可称为高塑性土。应当指出，膨胀土由于含有 膨胀性矿物成分，粘粒含量、液限及塑性指数较高，因此绝大部分膨胀土属于高 塑性土，但高塑性土并不都是膨胀土。福建高塑性土主要为花岗岩残积土，膨胀 性矿物所占的比例很小，膨胀土的主要工程问题是因环境干湿交替而导致体积明 显胀缩、强度衰减以及变形破坏等，和一般高塑性土的高天然含水率、高强度、 低密度的特性有所区别，且我国对膨胀土进行了大量专门研究，有相关研究成果 可供利用，因此本文所研究的高塑性土不包括膨胀土。 由于高塑性土的特殊性质，因此部颁规范 q 2 1 将高塑性土作为路用性能不稳 定的特殊土，对其工程应用进行了一定限制： ( 1 )对填料液塑限的要求限制了高塑性土的直接利用 大部分高塑性土“液限大于5 0 、塑性指数大于2 6 、天然含水率不适宜直 接压实”，因此根据规范要求不能被作为路基填料直接利用。 ( 2 )高塑性土采用最佳含水率进行碾压控制困难且不合理 现行规范要求路基碾压含水率应控制在最佳含水率的2 以内。对于高塑 性土而言，天然含水率一般较大，要晾晒至最佳含水率附近十分困难，且在最佳 含水率下进行路基碾压对高塑性土路基的长期稳定性不利。 ( 3 )高塑性土填料难以满足重型击实标准的压实度要求 由于天然状态下含水率及饱和度普遍较高，导致高塑性土难以压实，压实度 难以满足重型击实标准的压实度要求。 鉴于高塑性土的特殊性质，工程技术人员在工程建设r f l 通常选择废弃换填、 化学改良等方法进行处理，而对直接利用高塑性土填筑路基的路用性能和沉降变 北泵工、l k 大学工程坝士学位论文 形存在疑虑。在高塑性土广泛分布地区，路基填筑材料的缺乏一直困扰着工程建 设。公路路堑开挖产生的大量高塑性土通常采用弃方换填和改良进行处理，简单 的弃方换填将造成弃土和取土的双重占地，对保护环境和节约土地产生不利影响， 并且许多地区由于高塑性土覆盖层较厚，难以找到合适的取土场：传统的化学改 良方法需要使用拌和设备将土块击碎并与外加剂充分拌和，因此受到施工设备和 工程造价的约束，无法大规模实施。如何在保证工程质量的前提下有效利用高塑 性土，减少弃方，节约土地，降低造价成为高塑性土地区高速公路建设亟待解决 的问题。 1 2国内外研究现状 1 2 1 国内研究概况 随着我国高等级公路的大规模建设，高塑性土填料的应用成为南方潮湿多 雨地区路基工程r f l 遇到最为普遍的工程技术问题。近年来，我国工程建设单位 及科研部门针对高塑性土进行了大量的研究，并取得了一些重要的成果。这些 研究主要集中于两个方面：一是高塑性土的工程特性试验研究；另一方面是高 塑性土的处治方法和质量控制。 1 ) 高塑性土的工程特性 高塑性土的形成和分布主要取决于地质历史的气候条件。在热带、亚热带 潮湿多雨的自然条件下，各类母岩( 如花岗岩、石灰岩、玄武岩等) 在自然环 境下经过长期物理及化学风化作用，形成各类高塑性土，因此我国公路自然区 划巾的东南湿热区和西南潮暖区都大量分布着高塑性土。 由于各地区高塑性土的成因及路用性能均有不同，国内工程建设单位及科 研部门结合各地特点开展了高塑性土工程特性的试验研究工作1 3 卜【13 1 ，目前国内 对高塑性土特殊工程性质有一定的认识：高塑性土一般具有较差的水理性质( 高 天然含水率、高液限、高塑性指数、高分散性、低密实度) ，而通常具有较好的 力学性能( 高c b r 强度、高抗剪强度、r f l 低压缩性) ，只要充分利用其水稳性 及力学特性，高塑性土在一定条件下可以直接作为路基填料。 交通部公路科学研究所从2 0 世纪8 0 年代开始对高塑性土( 过湿土、残积 粘性土等) 进行研究，通过马达加斯加援外工程、高等级公路过湿土路基综合 稳定技术及在福建泉厦、京福等多条高速公路的应用研究及工程实践，对高 塑性土直接作为路基填料的填筑工艺及质量控制进行了较为深入的研究，提出 以长期稳定强度c b r 为主要控制目标，采用合理的填筑工艺进行最佳压实，以 2 第1 章绪论 满足高塑性土路基的强度、稳定性要求，此应用思路在现行路基设计及施工规 范中也得到一定体现。 南京水科院通过高液限土路基稳定技术研究( 2 0 0 4 ) 结合宁淮高速、南 友高速及常张高速对高液限土的处治与稳定技术进行了研究，着重对改良高液 限土在时间效应、长期水稳性和干湿循环等方面的工程特性进行了总结，提出 了高液限土改良处治的技术方案：并在理论分析方面进行了创新尝试，应用离 心模型试验研究了高液限土的稳定、变形特性，采用非饱和土理论对高液限土 的开裂过程和降雨条件下路堑边坡的破坏过程进行了分析。 吴立坚【7 j 【8 1 对福建高塑性土的相关研究表明，高塑性土在含水率、击实功i 密实度、强度方面有其特殊性，采用重型击实标准时，高塑性土的c b r 强度与 含水率、干密度与含水率的关系曲线为分离的两条驼峰曲线，即最大干密度对 应的含水率小于最大强度对应的含水率。因此高塑性土路基在达到重型压实度 标准后，虽然干密度达到最大，但浸水c b r 强度较低，饱和度s r 一般小于 8 0 8 5 ，路基水稳性并不好。在自然条件下长期运营，路基土必然吸水，稠 度向塑限靠近，导致土体压实度降低，对于高塑性土路基的长期稳定性不利。 因此，高塑性土的水稳性与其塑性状态的关系更为密切，高塑性土路基存在稳 定含水率和最佳压实状态。研究高塑性土的一个重要内容便是确定不同击实功 ( 对应着不同的干密度) 、不同含水率下的强度( c b r ) 曲线，以便确定合理的 碾压含水率范围与施工工艺等，因此对于高塑性土的碾压含水率不能按常规的 击实试验方法所得的最佳含水率来控制。 在室内试验制件方法方面，高塑性土的击实试验和c b r 试验方法必须采用 湿法制件。由于高塑性土的粘粒含量大，其内部胶凝物质( f e 2 0 3 n h 2 0 ， s i 0 2 n h 2 0 等) r t l 包含大量结合水，土体烘干后破坏了结合水与颗粒间的结合 力与分子结构，失水后具有不可逆性，即失水后其胶凝作用不可恢复，因此湿法 制件与干法制件得到的试验结果差距较大。现场高塑性土填料天然含水率一般较 大，须晾晒降低含水率后进行碾压施工，采用湿法制件更符合实际施工过程。 针对高塑性土的工程特性，许多学者【1 4 卜1 2 0 1 采用x 射线衍射仪、扫描电子显 微镜( s e m ) 对土的矿物组成及微观结构进行研究，在明确土的工程特性与微 观结构内在联系方面做了很多工作。 谭罗荣，孔令伟( 2 0 0 1 ) l l s 研究了某类典型红粘土的物理力学特性，分析 了红粘土的高含水率、高孔隙比、高塑性等物理指标与其高承载力、低压缩性 等力学特性的相互关系，研究了不同脱水状态对物理力学特性的影响，从微观 结构角度提出土体凝胶胶结结构模型。 廖义玲( 1 9 9 4 ) 1 1 6 】在研究红粘土的物质组成和微结构特征基础上，提出了 北京工业大学工程硕士学位论文 红粘土微结构的概化模型，并根据模型对红粘土的工程特性及其微观机理进行 了探讨，认为片状粘土矿物组成的多孔粒团是红粘土的基本微结构单元，也是 红粘土产生低密实度、高含水率性质的根本原因：同时粒团内部粘土矿物之间 各种连结力( 包括游离氧化物胶结连结力) 产生牢固的水稳性连结，因此红粘 土虽然物理性质较差，却具有较好的力学性质。 孔令伟【1 7 】( 1 9 9 5 ) 通过对红粘土的胶结性状的试验研究，直接证实了游离氧 化铁对红粘土物理力学性质的明显影响，研究表明当游离氧化铁溶失2 5 时，土 体无侧限抗压强度从4 5 k p a 几乎降至0 ，小于ll am 的粘粒含量从约3 5 增至约 9 0 ，充分说明游离氧化铁的胶结作用及土结构单元的胶体特性。 张慧颖等( 2 0 0 7 ) 2 1 】对昆明市区5 0 多个红粘土土样进行了室内分析试验， 通过土样的化学成分、粒度分布和微观结构的研究，总结了昆明红粘土的物理 力学特性。 杨书燕( 2 0 0 2 ) 2 2 1 从高液限粘土的微观结构出发，通过计算分形维数值对 高液限土的宏观性质进行了解释。 2 ) 高塑性土的处治方法 高塑性土填料由于成因复杂，加上具有很强的区域特性，导致土性差异很 大，很难有标准统一的处治方法，通常结合土质特性和工程实际采用不同的处 治措施加以利用，主要包括直接利用、化学改良、物理改良、结构措施等。 ( 1 ) 直接利用 近十年来，国内在应用高塑性土直接填筑路基方面做了许多尝试，在福建、 湖南、广东、广西、贵州等省份均有成功的工程实例。高塑性土直接填筑路基 的关键是填料的水稳强度和碾压稠度( 含水率) 控制。 ( 2 ) 化学改良 高塑性土掺加固化剂进行化学改良处理的办法在国内外均有广泛应用【2 3 】。固 化剂主要是石灰、水泥、粉煤灰及土壤固化剂材料等，其主要目的是降低高塑性 土的天然含水率和塑性指数，改善可压实性、提高土体强度及水稳性。 文献调研表n 2 4 1 - 2 6 1 ，国内多条高速公路都进行了化学改良利用高塑性土的 工程实践，主要针对固化剂的配比试验、现场施工工艺及改良效果进行研究，总 结了一定的工程经验，从室内试验结果看，对降低含水率和塑性指数、提高强度 和水稳性作用明显。在“七五”国家攻关项目“高等级公路过湿土路基综合稳定 技术”r f l ，交通部公路科学研究所对过湿土的处理技术进行了研究，开发了“n c s 系列固化材料，实践证明对过湿土和膨胀土的处理有较好的效果。基于高塑性土 的过湿结团的特性，掺加固化剂虽然在室内试验效果良好，但现场拌和十分困难， 4 第l 苹缔论 路基填料难以拌合均匀，现场施工质量难以控制。若采用大型拌和设备进行拌和， 对于大量的路基填方来说成本过高，施工中难以推广。 工程实践表明：高地下水位地区和雨季施工的石灰处治土路基效果并不理想， 为了克服这一弊端，凌建明等【2 7 】研究了水泥一石灰稳定土试样经历次数不等的干 湿循环后的强度，试验结果表明：水泥一石灰稳定土抵抗干湿循环的能力较强， 且早期强度较高，便于施工压实。 液体类土壤固化剂我国也进行了尝试【2 8 卜【3 2 1 ，从室内试验看可以达到不错的 改良效果，但由于液体固化剂的喷洒需要掺水稀释，增加了拌合工艺及质量控制 的难度，同时改良土的长期水稳性有待检验，因此应用具有局限性。宋军、柳厚 祥等【2 引( 2 0 0 4 ) 通过室内试验研究，提出采用水溶性土壤稳定剂( 康耐) 处理高液 限土( 土：康耐：水= 1 0 0 0 0 0 5 ：5 ，质量比) ，改良后其液限及塑性指数降低， 强度增长，用作高等级公路的路基填料，可取得良好的效果。 化学改良处治高塑性土填筑路基的主要障碍是拌合困难、施工质量难以控制、 提高工程造价等，因此在国内大规模实施的工程实例并不多见。 ( 3 ) 物理改良 工程实践中通常采用在高塑性土中掺加一定比例的砂砾、碎石等粗颗粒材料， 以改善土的塑性指数、含水率、密实度等物理指标，提高其压实性能及水稳性， 在砂石材料比较丰富的地区采用较多。 刘见天删( 2 0 0 4 ) 、曾宪新【3 4 】( 2 0 0 5 ) 分别介绍了广东渝湛高速公路和阳茂 高速公路采用掺砂改良高液限土应用情况，室内试验结果表明掺砂对降低高液限 土塑性指数、改善压实性能、提高填料强度的作用较为明显，通过现场试验路总 结了掺砂比例、施工工艺及质量控制方法等，并指出机械拌合是影响掺砂改良效 果的重要工序。 ( 4 ) 结构措施 在结构措施方面，国外有的国家为了挤出路堤中的多余水分，通常设置粒料 吸收层。沿路堤高度，在可能产生固结的土层内，每隔1 5 2 o m 铺筑一吸收层 ( 如英国，在一高6 m 的路堤内每隔1 7 5 m 铺一粒料层，用以吸收土r f l 的多余水 分，并排出路堤外) 。苏联3 m 多勃洛夫建议将边坡放大，以增加路堤的稳定性： 同时，在路堤和路堑的上部应设置一过渡层，用非粉性的砂土和亚砂土填筑过渡 层，层厚为1 2 1 5 m ；同时部分学者也对高塑性土的土工合成材料加筋技术进 行了研究。长沙交通学院在耒宜高速公路对高塑性土的研究r f l 提出了采用性质互 补的“混合土法 处治“三高土( 即高液限、高塑性指数、高含水率的土) 的 思想，即对不同性质的“三高土”，通过掺配与其土性互补的天然低含水率的非 饱和粘土或砂土，并在需要时辅以掺配少量无机结合料( 生石灰、粉煤灰等) ， 北京工业大学工程硕士学位论文 使其构成一种新的路用性质良好的混合土，从而实现对“三高土 的改性处治。 姜东亚( 2 0 0 2 年) 3 5 1 在利用高液限土填筑路堤技术上，根据高液限土的特性， 提出了设置排水砂层和排水砂井的高液限土路堤结构形式，加速了土体固结过程， 提高了堤身强度，同时也有利于路堤施工的压实控制。 3 ) 施工工艺及质量控制 国内对于高塑性土填筑路基的施工工艺和质量控制的研究较为丰富。 梁军林i 如j ( 2 0 0 0 ) 介绍了广西柳桂高速公路高液限粘土的工程性质及工程 应用，对比研究了羊足碾与光轮压路机的压实效果；广东电湛高速公路采用冲 击压路机对高塑性土进行补压的结果表明，冲击碾压2 0 遍后其表层压实度可提 高5 个百分点左右。周密【3 7 j ( 2 0 0 7 ) 介绍了阳茂高速公路高液限土应用情况， 总结了不同土壤固化剂改良方案、掺砂改良方案以及挖方试验段路基填筑的施 i i 艺。佘小年( 2 0 0 3 ) 【3 8 j 等以湖南衡( 阳) 枣( 木铺) 高速公路为例，分析了用包 芯法处理高液限粘土的旌工原理及局限性，并通过室内试验、现场变形观测及 现场实体填筑，提出了采用此法的适宜条件及施工技术。 在质量控制标准方面，交通部公路科学研究所提出了采用压实度、饱和度 双指标控制。这些质量控制方法在泉厦高速公路的高塑性土填筑时己采用，通 过实践证明是有效的。后来的研究发现，当高塑性土在合理含水率范围碾压， 现场干密度满足要求时，土体饱和度均在9 0 以上，大部分大于9 5 ，接近饱 和状态，因此通过压实度的控制即可保证土体的饱和度满足要求。 1 2 2 国外研究概况 高塑性土的形成与外界气候及地质条件密切相关，决定了高塑性土在潮湿多 雨地区广泛分布，世界各地均有在高塑性土地区修筑公路的工程实践，但由于各 国公路路基设计理论及标准的不同，国外对高塑性土的利用和控制标准略有差别。 美国对于高塑性土的利用主要是掺加石灰就地拌和后碾压作为路床填料，这 与美国高速公路的路基高度基本为零有很大关系，因为上路床的c b r 值要求较 高( 国外通常要求c b r ，1 0 ) ，高塑性土掺加石灰改良能够确保上路床的强度与 稳定性。 南非的t r h 9 标准【 j ( s o u ma 衔c a ) ( n i t r r ，1 9 7 8 ) 采用c b r 值作为路 基设计及压实标准，提出对膨胀土采用石灰改良土质，掺入4 , - - 6 的石灰可以 显著提高土的c b r 强度值，同时还建议在路基边坡铺设3 m 的非膨胀土层进行 封盖，以降低路基内部湿度的变化程度。 日本的路基设计手册对于路基填料主要采用填料级配和c b r 强度值进行评 6 第1 章绪论 曼曼鼍曼曼曼皇皇皇曼曼曼量曼曼曼曼舅! 曼曼曼量曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼i ii 曼曼皇曼量曼曼皇曼曼曼! 量曼量曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼皇 价，对于液限大于5 0 的土进行了相应的限制，在路基设计理念方面提出尽量实 现填挖平衡和零弃方，在处治措施方面多采用化学改良方法。福田等【4 0 】对于路床 稳定厚度与防冻效果的关系进行了研究，以高含水率火山灰质粘性土为研究对象， 对三种工艺( 直接换填、水泥改良、换填+ 土工隔栅) 的改良厚度与最大冻胀量 进行研究，结果表明，为使路面不致出现裂缝，冻胀量在3 0 m m 以下，路基换填 厚度为6 0 c m ，水泥稳定厚度为4 0 c m 。 通过文献资料调研，国外对于高塑性土的利用以换填和化学改良为主，这 与国外公路填土高度普遍不高有关。国内经过大量的工程实践，在利用高塑性 土填筑路基方面积累了一定的工程经验，并在许多工程中得到成功的应用。但 主要研究集中在对高塑性土的物理力学性质、施工工艺与处治措施等方面，对 于高塑性土的工程应用分类、沉降变形规律缺少深入的研究，在指导高塑性土 的应用方面缺乏广度与深度，因此进一步研究高塑性土路用特性及工程应用具 有重要的工程意义。 。 7 北京工业大学工程硕士学位论文 1 3 主要研究内容 本文主要以福建泉三高速公路作为依托工程，针对典型高塑性土进行试验研 究。 1 ) 高塑性土的物理力学性质 对福建泉三线典型高塑性土进行物理、力学性质试验，包括土的液塑限、颗 粒比重、颗粒分析、击实试验、压缩性、抗剪强度等。收集福建省已建工程高塑 性土资料，对其物理力学指标进行统计分析，明确福建高塑性土的物理力学特征。 高塑性土的物理力学特性是土颗粒微观构造的宏观表现，采用扫描电镜 ( s e m ) 对高塑性土的微观结构特点进行研究，结合微观概化模型对高塑性土物 理力学特性的微观机理进行初步探讨。 2 ) 高塑性土的路用特性及应用分类 针对高塑性土路基强度与水稳性的特点，设计展开路用特性试验，对泡水前 后高塑性土的各项指标( 击实功、含水率、干密度、湿密度、饱和度、c b r 值、 膨胀量等) 进行统计分析与归纳，提出各指标间的内在联系。 在明确高塑性土的工程特性基础上，确定对高塑性土路用特性有显著影响的 物理参数，提出高塑性土的工程应用分类，用于指导设计与施工。 3 ) 高塑性土路基沉降变形规律 通过数值分析、室内模型试验和现场观测等方法对典型高塑性土路基的沉降 变形规律进行研究。 采用非饱和土的简化固结理论建立数值分析模型，结合室内试验得到的物理 力学参数，通过模拟计算分析高塑性土路基的沉降变形规律，并与现场腌测数据 进行对比，对路基工后沉降进行预测分析。 模型试验将通过缩小比例模型，模拟路堤填筑加载过程中不同位置土体的压 缩变形，通过分层总和法计算路堤的压缩变形，与现场监测进行对比分析。 现场监测是进行高塑性土路基的长期稳定性分析的重要手段与依据。选择福 建泉三线典型高塑性土路堤，结合路基填筑过程对路基横断面的沉降变形及边坡 含水率进行监测，分析填料性质、压实质量、填筑高度对路基沉降的影响，总结 高塑性土路基的沉降变形规律，对比验证数值分析及室内试验结果。 第l 章缔论 1 4 依托工程概况 本项目依托工程为福建泉州至三明高速公路三明段。泉三高速公路起自泉 州晋江，接国家高速公路网沈海主干线福州至厦门高速公路，经南安、永春、 大田、永安，止于三明，接福州至银川国家高速公路三明连接线，主线全长2 6 3 7 4 8 公里。其中三明段采用双向四车道高速公路标准，设计速度8 0 公里小时，路基 宽度2 4 5 米。路线所在区域属亚热带季风气候，四季分明，温和湿润，年降水 量1 5 3 3 - - 一1 6 2 0 m m ，全年雨日1 6 0 - 1 7 6 天，降雨主要分布在3 月至6 月，约占全 年雨量的6 0 9 6 。 本文试验路段为泉三线第六合同段y k l 5 9 + 9 0 0 y k l 5 9 + 9 8 0 高填路堤段落，边 坡最大填高2 6 m ，中心最大填高1 3 m 。根据设计文件，该路段主要采用y k l 5 9 + 7 2 2 主线取土场高塑性土填料填筑，因此本文室内试验研究主要针对该填料进行，路 基沉降豁测断面为y k l5 9 + 9 6 0 。 根据工程地质勘查报告，试验路段为侵蚀一剥蚀低山坡麓沟谷地貌，地势左 高右低，左侧山坡较陡，自然坡度约4 0 0 。 主要岩土层及工程地质特征如下： 亚粘土：见于沟谷表层，灰黑色、灰黄色，软塑，很湿。颗粒成分以粘粉 粒为主，含少量角砾。 坡积亚粘土：见于坡地表层，黄褐色、紫红色，可塑一硬塑；颗粒成分以 粘粉粒为主，含少量强风化粉砂岩角砾、碎石。 残积粘性土：黄褐色，可塑；颗粒成分以粘粉粒为主，为粉砂岩残积土， 原岩层理模糊，分布厚度随地形起伏约5 米至1 5 米不等。 全风化粉砂岩：浅黄色、灰黄色，岩石风化成砂土状，岩芯手捏即散，原 岩层理不清。 图1 1 福建泉三线高塑性土路基依托工程 f i gl 一1h i 曲一p l a s t i cs o i le m b a n k m e n t sw o r k so f q u a n z h o u - s a n m i n gf r e e w a y 9 北京工q p 大学工程硕士学位论文 第2 章高塑性土的物理力学性质 高塑性土是一种性质不良的路基填料，其工程特性区别于一般细粒土，由于 成因及分布的不同，高塑性土之间性质差别较大。本章通过已建高速公路资料调 研及取样试验的方法，对福建省高塑性土进行统计分析，以掌握物理力学性质的 特征，并初步探讨物理力学性质的微观机理。 7 2 1 高塑性土的物理性质 本节对福建泉三线1 1 个土样进行了常规室内土工试验，包括天然含水率、 液塑限、天然稠度、比重、颗粒分析、击实试验等，并搜集统计了泉厦线、漳龙 线、京福线等1 4 个高塑性土样的室内试验成果，由于土的试验样本数较多，对 各个不同的土样进行了编号，各土样的物理性质如表2 2 所示。 2 1 1 液塑限分布 液限( i ) 。和塑限，又称为阿太堡界限( a t t e r b e r g l i m i t s ) ，是细粒土颗粒与 土巾水相互作用的一种属性，其物理意义分别表示土体由可塑状态至流态、由半 固态至可塑状态的分界含水率。对全国多个省份的高塑性土液塑限分布进行统计 见表2 1 ，其巾福建数据来自本次室内试验的2 5 个土样，其他省份数据来自文 献 4 1 。 表2 1 高塑性土的界限含水率统计表 t a b l e2 - lc o n s i s t e n c yl i m i td i s t r i b u t i o nt a b l e 液限。( ) 塑限r ( ) 省区 范围 中值范围中值 福建4 8 5 8 9 5 6 0 2 5 7 3 7 3 3 1 2 云南5 0 - 8 0 6 32 9 5 03 7 贵州4 0 1 1 0 6 82 0 5 03 5 广西3 9 9 2 6 82 0 4 33 5 四川 3 5 8 5 5 82 啦4 03 0 湖北 3 9 8 l 6 32 0 4 5 2 8 湖南 4 0 8 0 6 5 2 0 5 02 9 广东 2 9 9 05 51 7 5 02 4 安徽 2 9 9 0 5 51 7 5 02 4 1 0 第2 章高帮性土的物理力学性质 表2 2 高塑性土的物理性质 t a b l e2 - 2p h y s i c a lp r o p e r t i e so fh i g h p l a s t i cs o l1 天然含水天然稠度比重g液限塑限塑指 绌粒组含量 编号取土桩号 ( ) 最佳含水最大干密 土名 率( ) ( ，c ( g c m 3 ) l ( )( ) p ( ) i p 率( ) 度( g c m 3 ) 0 0 7 5 咖 l k 1 5 9 + 1 1 0 1 9 9 61 2 52 7 0 44 8 52 5 72 2 88 6 91 6 31 7 6m l 2k 1 7 6 + 0 5 03 4 9 61 0 42 7 1 58 9 53 7 35 2 29 6 12 6 01 5 0c h 3k 1 7 6 + 2 5 03 6 0 9 0 7 52 6 9 6 5 5 0 2 9 72 5 39 4 4 唧 4 k1 5 9 + 7 2 24 0 5 40 7 52 7 1 56 1 33 3 82 7 59 1 42 1 01 5 5m h 京褊三明一期 o 7 l 53 5 4 5 2 6 8 7 4 8 3 2 84 2 09 8 5 2 3 41 5 5c h y k s + 8 0 0 旬9 5 京福三明一期 0 4 9 63 5 4 52 6 85 5 13 3 92 i 26 6 72 1 o1 5 7m h k 1 3 + 6 4 0 旬9 5 7 南平一 3 3 60 9 72 6 85 8 73 2 72 6 o5 4 02 1 41 6 2c h 8南平二 3 6 10 7 92 6 8 5 7 2 3 0 52 6 7 7 2 5 1 9 0 1 6 9c h 泉厦高速k i o + 5 1 4 1 0 3 9 2 0 3 02 6 8 5 9 9 3 0 92 9 o5 5 31 4 ii 7 2 c h k 1 3 + 0 0 0 1 3 7 1 0互通区一 2 6 012 6 85 9 62 6 o3 3 6c h 0 9 1 1天宝服务区 2 9 3 22 6 95 4 92 9 52 5 4m h 1 0 2 1 2互通区二2 7 41 2 72 6 8 85 4 03 3 0 2 1 0 c h 1 3k 3 2 + 6 2 0 、k 3 2 + 9 8 02 7 01 02 7 0 35 8 o 2 7 o3 1 o c h 1 4 寮里村 2 8 00 9 42 6 7 45 3 32 6 3 2 7 0 c h 1 5k 3 3 + 2 5 4 。k 3 3 + 4 2 02 9 01 2 l2 7 1 65 2 03 3 01 9 o m h 1 6k 3 0 + 2 0 0 、k 3 0 + 4 7 02 7 o1 4 52 6 9 45 9 43 7 02 2 4 m h 1 7k 1 6 + 4 8 0 、k 1 6 + 6 8 02 9 o1 0 32 7 1 96 7 03 0 03 7 0姗 1 8 k 2 9 + 0 1 0 、k 2 9 + 1 6 0 2 8 01 0 82 6 8 96 3 03 0 53 2 5m h 1 9k 2 3 3 + 2 0 02 7 61 1 87 2 43 4 43 8 08 2 22 2 o1 5 9埘 2 0k 2 3 4 + 0 4 0 右6 m2 1 61 3 8 6 3 03 2 93 0 17 8 81 9 41 6 2姗 2 1k 2 3 3 + 9 0 0 左l o r e2 5 o1 2 4 5 8 63 1 52 7 18 1 o1 6 81 6 7删 2 2 k 2 3 4 + 2 0 0 中桩 2 2 81 2 l 4 9 42 7 52 i - 97 6 41 9 01 6 9c l 2 3k 1 6 l + 4 0 0 6 5 53 5 43 0 17 2 42 1 71 6 3螂 2 4k 1 6 i + 3 4 0 5 7 63 3 62 4 05 1 61 4 91 8 l姗 2 5k 1 5 6 9 5 01 8 9 51 3 5 2 7 2 53 9 62 6 41 3 29 3 81 6 21 8 0m l 备注：1 ) 1 9 2 2 号土样为泉三线1 2 标s m a l 2 ( k 2 2 5 + 4 5 0 一k 2 4 3 + 0 1 1 4 6 6 ) ，l 4 、2 3 2 5 为泉三线 6 标的土样： 2 ) 击实试验采用湿法制件： 3 ) 1 0 1 8 号数据引用漳龙高速公路公司提供的漳龙高速a 2 、a 3 标土样的试验数据；其它数据 引用京福高速公路福建省三明段高液限土处理技术研究、京福线福建南平段高液限土路基 填筑技术研究等研究报告 北京工业大学工程硕士学位论文 2 1 2 颗粒组成 相对于一般细粒土而言，高塑性土的特点是细颗粒( 小于0 0 7 5 r a m 的颗粒) 含量高，尤