（水工结构工程专业论文）高速公路路基压实标准研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 我国现锊：的高速公路路基蕊实标准制定，a - i - + 年代，遽在脊时交道量低， 睾鑫载轻渣凌下是可行豹，遮蓉交逶爨静迅猛增长和大辅载车赣懿增鸯班，残静静 疆实标准已越来越难以逡应高速公路路基强度鳓稳定性的要求。1 1 前，我蹦高 速公路中大量出现了路谳开裂、局部沉陷等早期病害，路基压实不足戏压实标 准偏低建一个重要原因。因此，路基压实标准问题已经成为制约我国高速公路 发展静个羹要问题，商速公路路蘩压实标准游研究其有一t 一分重要酶意义。 国内辨对路基压实撬理、蘧实方法积压实： 艺磺究较多，对蹙基堰实标准 研究很少，该课题根据我国高速公路路基填方尚、交通量大、萋载车多的特点 和目前的实际施工条件确定了新的聪实标准，并选取粉土路基和半刚性沥青路 耐作为典型路基路面结构，对现行标准和新标准下路基的沉降和路面结构的受 力情况迸幸亍了计舞稚分析，驻揭示路基压实标准对蘸基沉障和蹒蔷应力分窃、 弯沉交影懿影嫡。这对予我强的裹速公路路基疆实标准的修订典有重要豹参考 价值。 本课题以室内试验和有限元计算为主要研究方法。室内试验包括粉土的颗 粒分析试验、比重试验、界限含水髓试验、标准击露试验、回弹模量试验和常 蕊三赣试验，主要蠲来确定粉土路蘩煞计箨参数。鸯隈元计算镪据臻藿流辫诗 冀彝路嚣结构应力、弯淀诗算。通道对计算结累的分扳和霹究，可以褥出以下 结论： ( 1 ) 新的压实标准能有效降低路基的沉降变形。对高填方路基，采用新的路基压 实标准十分必要。 ( 2 ) 耨斡压实檬准可戳在一定稷疫主海低溺青鼹嚣夸溅，改善踌瑟结聿奄受力拭 冤。在超重车馋鼹下，沥青践嚣结构弯飘期拉应力均有大旗度增加，灏的压实 标准能j 笙一定程度上降低车辆超载超限的危害。 ( 3 ) 两种压实标准方案对路基沉降、路面弯沉和应力分布的影响基本相筒，但采 用方案一工程造价较低，便予麓工，建议采用方案一的压实标凇。 关键谲：高速公路路基聪实标准有限元 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea c t u a l c o m p a c t i o n s t a n d a r do fo u r c o u n t r yh i g h w a y e m b a n k m e n tt h a th a v eb e e ni n s t i t u t e di nt h e 19 8 0 si sf e a s i b l ei nt h e i n s t a n c eo fl o wt r a f f i ca n dl i g h ta x i a ll o a d n o wi ta l r e a d yc a n n o tm e e t t h es t r e n g ha n ds t a b i l i t yd e m a n do ft h eh i g h w a ye m b a n k m e n t w i t ht h e f a s tg r o w i n go ft r a f f i ca n do u t o f - g a u g ev e h i c l e t h eh i g h w a yo f o u r c o u n t r y h a v e p r e s e n t l ya p p e a r e d t h ee x c e s s i v e i n p i c i e n t f a i l u r e so f p a v e m e n t s u c ha s p a v e m e n t c r a c k sa n dl o c a ls e t t l e r n e n te t c t h e i n a d e q u a t ec o m p a c t i o n o rl o w c o m p a c t i o n s t a n d a r di sa ni m p o r t a n tc a u s e t h e r e f o r e ，t h ec o m p a c t i o ns t a n d a r dh a v ea l r e a d yb e c o m et h ep r o b l e m t h a t l i m i t i n gt h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r yh i g h w a y t h es t u d y o n c o m p a c t i o n s t a n d a r do f h i g h w a ys u b g r a d e h a s i m p o r t a n tm e a n i n g t h ei n t e r n a la n d e x t e r n a lr e s e a r c hh a d m a i n l y f a s t e n e d o n c o m p a c t i o n c r a f t sa n dm e t h o do fh i g h w a ye m b a n k m e n t ，s t u d y o n c o m p a c t i o ns t a n d a r do fh i g h w a ye m b a n k m e n t i s q u i t ef e w i no r d e rt o e x p l o r et h ei n f l u e n c eo f e m b a n k m e n tc o m p a c t i o ns t a n d a r dt os e t t l e m e n t o fe m b a n k m e n ta n dd e f l e c t i o na n ds t r e s so fp a v e m e n t ，n e wc o m p a c t i o n s r a n d a r di s i n s t i t u t eo nt h eb a s i s o nh i g he m b a n k m e n t ，g r e a tt r a f f i c ， h e a v y v e h i c l e sa n dp r a c t i c a l c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n o fo u rc o u n t r y h i g h w a y , t h e c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fe m b a n k m e n ts e t t l e m e n t a n d p a v e m e n td e f l e c t i o na n ds t r e s s o nd i f f e r e n tc o m p a c t i o ns t a n d a r do f s i l t 2 山东大学硕士学位论文 e m b a n k m e n ta n ds e m i r i g i d a s p h a l tp a v e m e n t t h a t s e l e c t e da s t y p i c a l e m b a n k m e n ta n d p a v e m e n t i nt h i st a s k t h e s t u d y h a s i m p o r t a n t r e f e r e n c ev a l u et ot h ea m e n d m e n to fc o m p a c t i o ns t a n d a r do fh i g h w a y e m b a n k m e n t t h ee x p e r i m e n ti nr o o ma n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a r e p r i m a r y m e a n so ft h et a s k t h ec o n t e n t so ft e s ti n c l u d e ：a s s a y i n go fs i l tg r a i n t e s t ，l i m i tc o n t a i n i n g m o i s t u r e t e s t ，s p e c i f i cg r a v i t y t e s t ，t h e s t a n d a r d c o m p a c t i o nt e s t ，r e s i l i e n tm o d u l u s t e s a n dg e n e r a lt r i + a x i a lt e s t ，a n ds o o n c a l c u l a t i o np a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e db yt h e s et e s t t h ec o n t e n t st h e f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o ni n c l u d es u b g r a d e s e t t l e m e n ta n ds t r e s sa n d d e f l e c t i o no f a s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r a l t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n ds t u d y o fc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h e s ec o n c l u t i o n sc a nb ed r a w n ( 1 ) n e ws u b g r a d ec o m p a c t i o ns t a n d a r di sv e r ye f f i c i e n tt ot h er e d u c i n g o fe m b a n k m e n ts e t t l e m e n ta n dm o r ei m p o r t a n t t oh i g he m b a n k m e n t ( 2 ) n e ws u b g r a d ec o m p a c t i o ns t a n d a r dc a nr e d u c et h e d e f l e c t i o na n d i m p r o v et h es t r e s so fp a v e m e n to nac e r t a i ne x t e n t t h e d e f l e c t i o na n d t e n s i l es t r e s so f p a v e m e n ts t r u c t u r a ls u b s t a n t i a l l yi n c r e a s eb yt h ea c t i o n o fh e a v yv e h i c l e n e wc o m p a c t i o ns t a n d a r dc a nd e c r e a s et h ed e s t r u c t i v e i m p a c t o f h e a v y v e h i c l e so n p a v e m e n t s t r u c t u r e st oac e r t a i ne x t e n t ( 3 ) t w ot y p en e ws u b g r a d ec o m p a c t i o ns t a n d a r da r es a m eb ya n dl a r g e i nt h ei n f l u e n c eo fs e t t l e m e n to fe m b a n k m e n t a n dd e f l e c t i o na n ds t r e s so f p a v e m e n t ，b u t t h ep r o j e c tn o 1c a nr e d u c et h ec o s to fh i g h w a ya n db e 山东大学硕士学位论文 e a s y t oc o n s t r u c t s oi ts h o u l db ea d o p t e d k e yw o r d s ：h i g h w a y s u b g r a d ec o m p a c t i o n s t a n d a r df i n i t e e l e m e n t 4 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 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：童：至篷f t 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、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；本人授权山东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) 、 做储虢型丛黝签蕊日期：址盟! 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 改革开发以来，我雷的公路建竣取得了令人瞩鞠的成就，截止到2 3 年底， 仝图公路总迥程达至f j l 8 0 9 8 力公里，丽高速公路建设更是异军突起，自从i 9 8 a 年l o 月我国首条高速公路沪嘉高速正式通车以来多j 2 0 0 3 年底的1 5 年问，我国的 裹逸公路邋警墨程已达2 9 7 4 5 公里，其里程总数已默慝世界第二位。离速公路的 火规模建设，大大改善了交通基础设施落后状况，缓解交通运输对缀济发展的 瓶鳜制约，英黯经滚社会笈震产生鹃深层次彩螭是金方位豹、久运懿。同时夔 着我国经济总量的快速增长和人民生活水平的大幅度提高，我国的公路交通嚣 也大大增鸯蟊，1 9 9 1 年，我国国道平均交逶羹为2 5 8 8 辆f | ，2 0 0 3 年，鞫遂平均交 通爨已增) j n n s 0 4 8 辆h ，商速公路目交通壤为1 5 2 3 7 辆只【i l 。东部发达地区多 数高速公路交通量都已超过了设计交通量。在交通熬大幅增长的同时，轴载质 量也显著增热，重裁车辍特别是大螺超限擎辆显著增加，轴簸从限定的l o o k n 蟮 ) j i l 至l j 2 0 0 k n 以上，轮胎充气压力从限定的0 7 m p a 增加到1 o m p a 以i - 【2 j 。 我国觋嚣懿裹邃公路爨鏊压实搽准划定予八卡年代，这农当时交逶量低，鹱 载辍的情况下是能够满足邋路使用臻求的，但随着交通量的增长和厦载车辆能 瑶翔，骛毪行的高速公路潞藜压实标准己难激适应潞蘩强凄葶秘稳定蕊豹要求。毯 前我国的邋路、特别是高速公路出现了不同程度的早期病害。如沥青路面翠辫 出现的车辙、开裂；水泥濑凝士蹲面的断税、帮浆瘸害等。这些晕精道黯滴蔫 的大量出现原因固然是多方面的，但由于路基压实不足或路基压实标准偏低证 导数的路瑟强度不足、变形过大魁其中一个重要原囡弘l 。路基作为路面支撵僻 系，承受电路瑟传素的蘩裁，路基的强度秘稳定瞧是保证鼹殛强度彝稳定性鲢 基本条件( 4 j ，而路潺填筑时的密实度是提黼路基强度和稳定性的关键。因为压 实褥| 羞充分发挥爨蓥主帮鼹瑟材瓣麓强度，可以减少跨基、臻蘧京 亍车兹载巷 用下产生的永久变形，还可以增加路基土和路面材料的不遴水性和强度稳定性。 实践证明，瞄高称准进孪亍路基压实，是傈涯路基强度帮稳定往的一顼最经济甍 效的技术措施【5 j 。 随肴我国高速公路的大规模修建和路基填料范围的不断拓宽，路基压实疆 山东大学硕士学位论文 逢、压实撬壤帮压实工艺魄在不凝发裂，嚣馥熬压实理论鸯羚碾压理论、提动 碾压理论、振荡碾压理论、冲击碾压理论等，随善压实理论的发展，与其相通 应的压实机械也随之产生，如静碾压路机、振动压路机、振动碾、振荡压路机、 冲击压路机等。压路机不但种类增多，吨谯也有了很大提高，有的轮胎压路机 重达3 0 堍，裔的振动压路梳的穰动力已超过4 吨。压实璞论、压实橇械和舔 实王艺熬菠遂秘发震，为亵矮量裹挺壤进弦鼹基压实 乍韭提供了条 牛【6 】。 以上情况表明，制定于八十年代的现行高速公路路基压实标准已不能适应 目前我国高速公路的发展爱求。必须根据我国高速公路交通量大、重载车多、 填方高的实际情况制定新的合璎的路基压实标准。该谦题的研究对于傈证路基 的强度和稳定幢，减少路蠢静翠麓损坏，秘速我国毫遥公路建设熬其毒” 一分鬟 要的意义。 1 。2 国内外的研究现状 对于高速公路的早期病窖，国内外的研究者普遍认为是由水损害和结构不 合理引起的。对沥青路面，把研究的焦点集中在沥青和沥青混合料的性能、集 料级配、配合比设计及现场施工工艺控制上。美阉的s u p e r p a v e 研究日| 发了畿 器对沥青与沥鬻混合释磅究静热潮。筏国在高速公路上稚广s u p e r p a v e 鼢疆究 技术，毽麓速公路通车2 3 年以嚣，沥青踌蘑纵横囊网裂、沉陷和行车道上的 纵向变形仍大璺出现；水泥混凝土路颟也大量出现断掇、唧浆。这些问题，人 们认为，一是半刚性基层材料干缩、温缩裂缝使面层产生反射裂缝：二是半刚 性材料属离弹模脆髓材料，对支撑层变形敏感，易疲势开裂；三怒超重车的俸 蠲。我鬣道路专家学者在磷究了国外潞瑟缝稼，特裂燕美重、英鞠、鑫零豹路 强结构蜃，认为应进行路强结构的刨耢，袋用柔性路麟结构是解决路面早期疲 劳歼裂的出路。基于这种观点，目前人们还是聚焦于路面材料和路面结构的研 究，对路面结构支撑体系即路基的研究很少。河南省交通科学技术研究所的孙 淑翰等奁“中、酲公路蔟路綦歪实控铡方法眈较”u - - 文中，阐述了湃本的 主媛路基戆压实控制方法，莠与我嚣豹璞路萎莲实控镪方法进行了毙较磊豢 出，日本根据土豹颗粒组成划分土质路基压实标准有其合理性，建议我国进行 试骏研究。广两林业基本建设工程公司的梁仕森在“保证公路土质路基压实度 的探讨” 8 1 文中指出仅仪以公路等级来确定压实标准是欠妥的。国内外有关 2 山东大学硕士学位论文 研究及施工实践表明，把重型标准用寸二细粒土，会凼土膨胀i 丽m 尘弹簧现象， 囚此应采用轻穗标准；在多雨潮湿地区采用辍型标准溉能控翎- k 基的稳定性， 义熊保证土基的强度。美国公路士基的压实标准出各州自 亍选择，大多数州剥 细粒土采用普氏标准( 轻型标准) ，而对粗粒士采用修噩普氏标准( 重型标准) ， 有的聪爨拣醛帮用，然轰检查c b r 餐。嚣照，在选择压实拣准时，除了公路等 级以外，还应考虑实际土质特性和自然条件等因素，在保证土基强度和稳定性 静蓊瓣f ，以经济台瑗为蒙刘选择压实标准，荠建议在修订溉范时予以考虑。 南京工程兵工程学院的金广谦在“关于多雨地区高等级公路压实标准的商榷”一 一一文中指出：公路各缩构层酌高密度，对确保公路质麓具有羹簧意义。但压实 标准应该在部颁标准的指导下，制定出适合本地区特点的细则和 h 充条文。b 京建工学院的刘肇升时粉土在不同击实功下的的击实性能进行了分析，并论证 了经涤壹实功存在，势提出，以经济击实功一f 褥到熬最大干密度积最佳含东爨 指导和控制施工，可以实现鹰实施工的优质、省工和快速，保证路基、路面的 强疫帮稳定瞧 嘲。长安大学公路学院瓣疆篼效簿在“沙溪貉蓦压实稼蒎獗究”l ”】 一一文中指出沙漠路基采用重型击实确定其压宓标准时，在完全干燥和最佳含水 量情况下各有一个蜂俊( 最大干密凌) ，但是箕大小不鞫，这主要与风积涉的性 质有关。同时也说明慰风积沙路基压实施工在于燥状态下，办能在合理的压实 功作用下达到最佳的密实状态；同时认为现行标准对压实度大小的规定有不合 理之处：我髫公路鼹基撬工技术援蕊( j t j0 3 3 一g s ) 中援定，特殊于晕地区 路基压实度标准可按_ l f 常标准适当降低2 3 ，路床区域的压实殿只要达到 9 0 一l 鄹哥，毽在涉区鼹基实隧麓工中发磊，这撵戆标准鹤显编甄，麓工 中很密易达到甚至超避。这样的标准能否满足公路路丽对路慕强度、稳定性等 诸多方面豹要求，是一个傻褥磺究静闽题。由东大学的营卫东在“低液限耪| 二 填筑路基压实性能的研究”一文中认为：对于粉土，现行压实标准偏低，粉土 填筑路基宜在饱和含承量下弱振密实，压实标准宜嗣空气率避行控制。目前尚 未发瑷国外磺究路基愿实标准的文章。 1 3 本课题的研究内容 离速公路路基压实标准的提高，能够藏少路基填主的孔陈率，增加路基壤 土的密实度，提高路蒸的刚度。从而达到降低路基溅赚，改变路面结构应力分 山东大学硕士学位论文 枷的同的，而路基变形过大和路面结构受力不合理正是目前高速公路出现早损 坏f 内一个重要原因，因此本课题从路基沉降和路面结构弯沉应力分析两方面来 研究路基压实标准对高速公路性能的影响。本课题的研究内容如下： l 、根据我国交通量大、重载车多和高填方的实际情况初步确定新的高速公路路 基压实标准。 2 、选取粉土路基作为典型路基，通过室内试验确定粉土的物理力学性质和有限 元计算参数。 3 、利用有限元数值模拟，计算现行路基压实标准和新标准下不同填高路基的沉 降量；分析现行路基压实标准和新标准下作用不同行车荷载时路面结构的弯沉 和应力。 4 、根据有限元计算结果分析路基压实标准对高速公路性能的影响，确定新的高 速公路路基压实标准的合理性。 山东大学硕士学位论文 第二章高速公路路基压实标准的初步确定 2 1 影响路基压实标准的因素 路基作为路面支撑体系，承受由路面传来的荷载，必须具有一定的强度和 稳定性，实践证明：匕上高标准进行路基压实，是保证路基强度和稳定性的一项 最经济有效的技术措施。一般来讲，路基填土的密实度越高，路基的强度和稳 定性必然越好，修筑的道路质量也就越好。然而，路基压实标准的确定必须考 虑多方面的因素，压实标准的提高固然能够提高修筑道路的质量，同时也会增 加施工难度和工程造价。过高的压实标准不但在实际施工中很难实现，在经济 上也是不合理的。因此，制定新的高速公路路基压实标准，应该从道路性能要 求、实际施工能力和经济性三个方面综合考虑。在道路性能要求方面：1 9 8 8 年 1 0 月我国首条高速公路沪嘉高速正式通车时，我国的经济水平还比较低，高速 公路交通量较小，重载车辆也较少。对高速公路的要求是比较低的。现行的压 实标准基本上能够满足高速公路的使用要求。经过十几年的发展，我国的经济 水平和八十年代已不能同日而语，伴随着经济的高速发展，高速公路的交通量 也在大幅度增长，同时由于各种原因，车辆严重超限已成为高速公路的普遍现 象。从对高速公路的破坏作用来看，重载车辆的增加要比单纯交通量的增长严 重的多。对于这种情况，我们一方面要加强高速公路管理，严格限制超限车辆 上路，另一方面也应该看到，这种状况短期内很难有根本性的改变，并且随着 我国经济的发展，车辆有向重型化发展的趋势，修建高性能的道路以适应重载 车辆的增加是必要的。对于路基而吉，就是要提高压实标准，适应当前大交通 量和重载车多的特点，减少高速公路早期损坏。在实际施工能力方面：我国1 9 8 2 年开始确定在高等级公路中使用重型压实标准，当时压实机械还都是静力压路 机和小吨位的振动压路机。现行压实标准的制定考虑了我国当时的这种实际施 工条件，现在振动压路机已大范围的使用，压路机的吨位也已比当时大大提高 了。2 0 0 3 年振动压路机已占据了压路机总产量7 0 以上，在振动压路机中，1 0 1 4 t 机型的产量占7 5 8 0 ，压路机的平均单台重量大，而且还在逐年增大， 振动碾、振荡压路机、冲击压路机也逐步应用在高速公路的施工中，6 t 以下的 压路机很少使用，随着我国高速公路的大规模修建，人们对各种路基填料的压 山东大学硕士学位论文 实机理有了更深入的认识，针埘各种路基填料的压实理论和压实工艺逐步完善。 在实际施工中，施工单位可以很容易的完成路基的压实施工，甚至压实度u j - 以 超过1 0 0 【l “，这种情况表明，现行的路基压实标准已经和目前的施工条件不 相适应，当然，由于我国幅员辽阔，高速公路通过地区土质复杂，有的土质压 实还比较困难，并且各个施工单位的施工条件差别也比较大，作为全国性的施 工规范，压实标准的制定应该考虑各种情况，提高幅度应当控制在合理的水平。 经济性方面：在我国高速公路的建设成本中，路基的建设费用占总造价的比例 是比较低的，适当提高路基压实标准，虽然会在一定程度上增加工程成本，但 不会对高速公路总的建设费用提高太多，鉴于路基对高速公路的重要性，从k 远来看，适当提高路基压实标准在经济上是合理的。 2 2 国内外的路基压实标准比较 2 2 1 我国的路基压实标准 表2 2 1 我国土质路基压实标准 路面底面计起深度范围压实度( ) 填挖类型 ( c m ) 高速公路一级公路其他公路 上路床o 3 0 c m 9 59 3 下路床3 0 8 0 c m 9 59 3 路堤 上路堤8 0 1 5 0 a m 9 39 0 下路堤 1 5 0 c m 9 09 0 零填及路堑路床 o 3 0 c m9 59 3 2 2 2 国外的路基压实标准 1 美国的路基压实标准 美国在沥青路面结构施工中，只有两个区，推荐采用下列压实标准。 ( 1 ) 粘性上路基 最小的压实度为a a s h t o - 1 8 0 试验法( 即重型击实试验法) 最大干密度的9 5 在下列范围内的路基必须达到此要求： 设计交通量( 辆h )路基的深度( a m ) l o 以下( 轻型交通) 1 5 3 0 1 0 1 0 0 ( 中交通) 3 0 4 5 1 0 0 以上( 重型交通)4 5 6 0 6 山东大学硕士学位论文 在上面规定的路基深度以卜的部分，所有填方都应该压实到a a s t t o f l 8 0 试验浊 最大干密度的9 0 以上。 ( 2 ) 非粘性土路基 最小的压实度为a a s h t o1 8 0 试验法最大干密度的1 0 0 ，在下列范围内的路基必 须达到此要求 设计交通最( 辆h )路基深度( c m ) i l1 0 以下( 轻型交通) 1 5 3 0 l1 0 1 0 0 ( 中交通) 3 0 4 5 j1 0 0 以上( 重型交通)4 5 6 0 在上面规定的路基深度以下的部分，所有填方都应当压实到a a s h t o1 8 0 法最大 干密度的9 5 以上。 2 n 本的路基压实标准 h 本的土质路基根据土的级配中7 5 u m 筛通过量划分控制标准。对7 5 u m 筛 通过量在2 0 以上的土用空气体积率嵋控制，对7 s u m 筛通过量不足2 0 的土用 密度比现控制，见表2 ，2 2 。表中的密度比法与我国的压实度试验方法相同， 与我国方法不同的是空气率法，空气率的计算公式， 圪= l o o - y d 。l 瓯o o + 珊 。c z z ， 式中：屹一空气率，； y d 一一干密度，g c m3 ； y 。一一水的密度，g 3 ： u 一土的含水量， g ，一一土的颗粒密度。 f 本的标准，对粉性土，相当于9 8 1 0 0 的压实度：对于粘性土，上路床 9 5 、下路床相当于9 0 ，由于粘性土的密实度受含水量的影响，用孔隙率k 作标准同时控制了密度和含水量：对含粗粒的细粒土，上路床压实度为9 7 、 下路床为9 2 。 7 山东大学硕士学位论文 表2 2 2日本土质路基压实标准和控制方法 标准值 花过类别试验项目 噩实度施工含水率 7 5 u m 5 0 用空气标准试细粒土的比 时虼8 事k验重试验 5 0 一7 5 u m 控制的现场试土的密度和 2 0 时 土质验含水量试验 路床上层 k 1 3 用密度标准试土的击实标 一7 5 u m 一7 5 u m 控制的现场试土的密度和 2 0 时， 土质验含水量试验 路床下层k 1 3 用密度标准试土的击实标 - 7 5 u m ，9 5 s t d 。 法国的热带地区路面设计手册中规定： 路基土的压实度应该相当于修正葡氏法( 重型击实试验法) 最大干密度的9 5 。 4 赞比亚的路基压实标准 赞比亚的道路和桥梁标准规范中规定： 1 ) 填土路堤中任一点的压实度应是重型击实试验法最大干密度的9 3 ； 8 山东大学硕士学位论文 搂高度等j 二或趣造3 0 c m ( 压实簿度) 时，爨基土瀑魏1 5 c m 疲浚压实到鬟型击 实试验法最大干密度的9 5 ；填高度小于3 0 c m 时，从路基项西疑起_ 卜l 层 1 5 c m 应该压实到重型击实试验法最大干密度的9 5 ；路堤的其余部分应该压 实到踅型击实最大干密度的9 3 ；原地面上层i 5 c m 应该压实到熏型击实最大 干密菠的9 0 。对于挖方路堑，其上屡1 5 c m 应该压实到重鼙击实试猃法鼗丈 + 密度熬5 5 j 。 综上所述，荑国的压实标准跫按照交通蕊和土的类别来划分，分为两个区， 日股有高填深挖的路基，胍实标准高；闩本的压实标准比较合理，且标准高； 赞眈距的道路多为矮路基，压实标准桐应我国较高。各国对路基压实的控制方 法都采用标准葡氐重罄击实试验法，激大予密凄囊击实试验褥盘，毽压实标准 都赢于我溺掘应躲标准。蠢于一盏沿用这令标准，近年来，幽于交递量驹轴载 快速增长，美国、英围、德国等尚等级沥青路亟的变形、网裂成为普遍的病害。 美国和德国依据路基土的类型安排路面结构，并通过增加沥青面层的厚度抵抗 荷载。随着我融经济的侠遴发展，我黼高速公路的交通量增长很快，不少高滤 公路翡交遴量已达嚣甚至越过设计交遴量；l 蠡子各季孛舔因，裁餮车辆超隈运舔 转鬻营遍，超殴车辆对道路豹破坏 乍煺远比交通爨对道路的破坏体趣大；由予 我圈高速公路大多为商填方，这对高速公路的使用性能是非常不利的。我国对 路面结构的支撑体一路基工程特性、控制标准缺乏研究。国外的交通量没我图 大，超载没我酗严重，路凝填离没我阐高，我国依据自己静道路交通特点确定 鸯己懿高逮公爨爨基攫实标准是缀必簧豹。 2 。3 高速公路路基压突耘瀵的翘步确定 臻行路基压实撂准应包括以下三个方糕的内容；黪基壤料室内试骢、路纂压实 控制标准、路基压实检测方法。我国高速公路路纂压实采用羹型标准击实试验， 试验方法见表2 2 + l 。除同本对细粒士采用孔隙率控制，不需进行击实试验外。 各国均采糟重型击实试验，试验方法和我国基本箝同，从工程实躐来看，采阁 重受击实试验蒸本能够灞燃工程要求，滏没有必要送行大匏修改。 我禹路基压实均采矮压实瘦( 理场实测路基熬于容重y 。j 室瘛老实斌骏 新德兹最大干容量之毙) 。压实度控制标准见表i 。2 1 ，采臻压实疫控镧路爨 9 山东大学硕士学位论文 j j 三实施j l ，概念明确，检测方便。目前除h 本对细粒土采用孔隙率控制外，其 表2 3 1 我国重型标准击实试验方法3 试骑类锤底锤落高试筒j t 寸层每击实功垃夫 方法别直径质( c m )内径 ， 尚容积数层粒径 ( c m ) 胤( u c m 3 ) 型 ( c m )( c m )( c t l 1 ) 击 数 ( m m ) ( 船) 1 il5454 51 0 1 279 9 752 72 6 8 702 5 章型 【i 法 25454 51 521 2 2 i7 739 82 6 7 723 8 他国家均采用压实度控制，只是压实度控制标准和我国不同。试验表明，路基 强度和稳定性不但与密实度有关，还与含水量有关，采用压实度控制路基压实 施工，可以同时控制路基的密实度和含水量，因此采用压实度控制路基压实施 工是合理的，有人对粉土在不同击实功下的的击实性能进行了分析，证明了经 济击实功存在，他指出，以经济击实功下得到的最大干密度和最佳含水量指导 和控制施工，可以实现压实施工的优质、省工和快速，保证路基、路面的强度 和稳定性。从理论上来讲，这样是可以的，但这必然会大大加重施工单位的试 验工作量，公路质量检验单位也很难对其进行检测和监督。这种路基压实控制 方法很难普遍实行，可以在路基压实施工时作为参考。从以上分析可以看出， 采用压实度控制路基压实施工，能够满足工程需要，且检测方便，技术成熟， 因此可以继续采用这种控制方法，只在此基础上把压实度标准提高。 压实度现场检测方法有灌砂法、环刀法、核子仪法等，其中灌砂法在工程 中比较常用，由于路基压实控制方法不变，检测方法也不需修改。 我国的高速公路路基压实标准不能适应目前交通量大和重载车多的特点， 加以提高是必须的，但考虑我国幅员辽阔，高速公路通过区域土质复杂，有的 路基填= | ! _ = 压实比较困难；各个施工单位施工条件差别很大，压实标准的提高幅 度应控制在一个合理的程度上，综合考虑我国高速公路的性能要求和实际施工 条件，初步确定以下两种路基压实标准方案： 0 山东大学硕士学位论文 表2 3 2 高速公路土质路基压实标准初步方案 路面底面计起深度范围压实度( ) 填挖类型 ( c 1 1 ) 方案一充榘二 上路床o 3 0 c m 9 69 7 路下路床3 0 8 0 c m 29 69 7 堤 二路堤8 0 1 5 0 c m 9 49 5 下路堤 1 5 0 c m9 39 3 零填及路堑路床 o 3 0 c m9 69 7 山东大学硕士学位论文 第三章高速公路路基的沉降变形计算 3 1 路基沉降计算方法简介 随着交通量的增长和重载车的增多，路基在公路建设中的重要性越来越大。 如果路基压实不足，在土体自重、路面自重和行车荷载的作用f ，路堤将产生 较人的工后沉降和不均匀变形，致使路面产生局部沉降和纵向丌裂，严重影响 高速公路的使用品质，使其失去了高速、安全和舒适的应有效果。高速公路路 基的工后沉降和不均匀变形问题已引起高速公路建设行业的重视。路基的沉降 计算已成为高速公路设训和施工中一个重要课题。目前用来计算沉降方法很多， 主要有分层总和法、斯开普敦一别伦法、黄文熙法和有限元法。 1 分层总和法 分层总和法是将路基分成若干层，求出每一层的压缩量，然后将各分层的 压缩量叠加求得压缩总量。其基本计算公式为： s = 喜餮只 此法简便易行，计算参数容易确定，且人们对计算参数有深刻认识，在工程界 被广泛采用。但其计算结果与实测值有较大出入。 2 斯开普敦一别伦法 五十年代，斯开普敦和别伦通过研究，发现土在三向应力状态下，即可产 生侧向膨胀，又可产生侧向压缩。根据这这种情况，他们推导了在侧向变形影 响下的沉降计算公式： s 。= c p s 。 式中：c 。= a + a 0 一a ) ： 爿一孔隙系数； d 一一系数，为a o - 和a c t ，的函数； s ，无侧向变形的沉降量。 3 黄文熙法 黄文熙教授提出了三向应力状态下的沉降计算公式： 山东大学硕士学位论文 踮私等， 舯弘去卜川分叫j 此法考虑了土体的侧向变形，但应力计算仍按线弹性假定，未考虑土体的 非线性特性，参数的确定也较繁琐，故工程上应用较少。 4 有限元法 自六| | 年代以来，随着计算机的同益广泛应用，促进了计算技术和计算方法 的发展。有限元法广泛应用于工程计算，使具有非线性应力应变关系、非均质 和各向异性的材料在复杂边界条件下求解成为可能。若采用适当的本构模型， 其计算结果能够较好的反映实际情况。目前，由于微机的发展、普及和大型有 限元计算软件的开发，利用有限元法进行工程计算已成为工程界的一个发展方 向。但此法确定计算参数工作量较大，对计算人员和设备要求也较高。 以上几种沉降计算方法各有利弊，为保证沉降计算结果更符合实际情况， 选用有限元法计算不同压实标准下的沉降变形。 3 2 有限元法计算原理 有限单元法是把具有无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的 单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题，这样，只要确定了 单元的力学特性，就可按结构分析的方法来求解，使得分析过程大为简化。有 限单元法的分析过程，概括起来可以分为以下六步： l ，结构的离散化 结构的离散化是将分析的结构物划分为有限个单元体，并在单元体的指定 位嚣设置节点，把相邻的单元体在结点处连接起来组成单元的集合体，以代替 原来的结构，对于连续物体，为了有效的模拟实际情况，必须合理的选择单元 形状，确定单元的数目和划分方案。 2 选择位移模式 在结构的离散化完成以后，就可以对典型单元进行特性分析，为了能用结 点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中 位移分m i 作出一定的假设，即假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称 山东大学硕士学位论文 为位移函数或位移模式。位移函数的适当选择是有限单元法分析中的关键。在 有限单元法的应用中，普遍选择多项式作为位移模式，因为多项式的数学运算 ( 微分和积分) 比较方便，并f l 由所有光滑函数的局部看来都可以用多项式逼 近，多项式项数和阶次的选择需要考虑单元的自由度和有关解的收敛性要求， 一般来说，多项式的项数应等于单元的自由度，其阶次应包含常数项和线性项。 根据所选定的位移模式，就可以导出用结点位移表示的单元内任点的位移的 关系式，其矩阵形式为： 厂 = 【料。 ( 3 2 1 ) 式中 为单元内任一点的位移列阵：p ) 。为单元的结点位移列阵；【】为形函 数矩阵。 3 单元的力学特性分析 位移模式选定后，就可以进行单元的力学特性的分析，它包括下面三个方面 的内容： ( 1 ) 利用几何方程，由位移表达式( 3 2 1 ) 导出结点位移表示单元应变的关 系式： 扛) = 陋弦 8 ( 3 2 2 ) 式中扫) 是单元内任一点的应变列阵，陋】为单元应变矩阵。 ( 2 ) 利用物理方程，由应变的表达式( 3 2 2 ) 导出结点位移表示单元应力的 关系式： p = 【d p 。 ( 3 2 ，3 ) 式中扛 是单元内任一点的应力列阵，【d 】为单元材料有关的弹性矩阵。 ( 3 ) 利用虚功原理建立作用于单元上的结点力和结点位移之间的关系式，即单 元的刚度方程： 伍) 8 = 皿) 。 ( 3 2 4 ) 式中k 】为单元刚度矩阵，k 】= 删忙】2 v d a , a ，d ：该积分应遍及整个单元的体 积。 山东大学硕士学位论文 在以上二项中，导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容。 4 计算等效结点力 弹性体经过离散后，假定力是通过结点从个单元传递到另一个单元，但 是作为实际的连续体，力是从单元的公共边界传到另一个边界的，因此这种作 用在单元边界上的表面力和作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效的移 置到结点上去，也就是用等效的结点力来替代作用在单元e 的力。移置的方法 的是按照作用在单元上的力与等效结点力在任何虚位移上的虚功相等的原则进 行。单元等效结点力计算公式为： r 。= f ) 。+ q 8 + p 。 ( 3 2 5 ) 式中，忸 。为单元等效结点力列阵，舻 。为单元集中力等效荷载列阵， q 。为 单元表面力等效荷载列阵， p ) 。为单元体积力等效荷载列阵。 5 集合所用单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程 这个集合过程包括两方面的内容：一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个 物体的整体刚度矩阵；二是将作用与各单元的等效结点力列阵集合成总的荷载 列阵。最常用的集合刚度矩阵的方法是直接刚度法。一般来说，集合所依据的 理由是要求所有相邻的单元在公共结点处的位移相等。于是得到整体刚度矩阵 【k 】、载荷列阵扭) 以及整个物体的结点位移列阵p 表示的整个结构的平衡方 程： k 】( 占 = r ( 3 2 6 ) 这些方程还应在考虑了几何边界条件，作适当的修改后，才能够解出的未知结 点位移。 6 求解未知结点位移和计算单元应力 由集合起来的平衡方程组( 3 2 6 ) 解出未知位移，在线性平衡问题中，订j 以根据方程组的具体特点选择合适的计算方法。对于非线性问题，则要通过一 系列的步骤，并逐步修j 下刚度矩阵或荷载列阵，才能获得解答，最后，就可利 用公式( 3 2 4 ) 和已知的结点位移来计算各单元的应力，并加以整理得出所要 求的结果。 山东大学硕士学位论文 有限单元法即可以分析线性问题，也可以分析非线性问题，一般来讲，固 体力学问题都是非线性的，但对于许多工程问题，近似的用线性理论束处理可 以使计算简便可行，并符合工程的精度要求，有些用线性理论分析是完全不合 适的，必须用非线性理论来解决。非线性问题可以分为两大类。第一类是几何 非线性问题，第二类是材料非线性问题。几何非线性问题指的是结构变形的大 位移问题：材料非线性问题指材料的物理定律是非线性的。材料非线性问题又 可以分为两类：一是非线性弹性问题，一是非线性弹塑性问题，岩土材料属于 非线性弹性问题。对于材料非线性问题进行有限元分析，由于考虑的是小变形， 平衡方程( 3 2 6 ) 和几何关系( 3 2 2 ) 依然成立，但是物理方程是非线性的， 可以写成如下一般形式： ，( p ) ，p ) = 0 ( 3 2 7 ) 必须注意，应力形式的平衡方程由于小变形的关系仍然是线性的，但是以结点 位移列阵协l 表示的平衡方程则不再是线性的了，因为应力和应变之问是非线性 的， 从而应力和位移之间也是由非线性关系所联系，式( 3 2 6 ) 可写成： k p 凇 = 懈 ( 3 2 8 ) 该式可以用