（岩土工程专业论文）岩溶山区高填方碎石土压实变形模拟与稳定性分析.pdf

摘要 近年来，高填方困大量出现在公路、机场工程而备受芙注。高填方主要研究的问题包括填料的 压实性状、原地基加固方法和填体填筑方法、高填方变形特征及其预测以及高填方稳定性研究等几 个方面，并在福建三明机场、四川九寨黄龙机场和四川康定机场等机场工程中得到成功应用。 本文以贵阳龙洞堡机场飞行区扩建工程为背景，以碎石土填料为研究对象，开展碎石土压实性 状和变形规律研究，取得了以下成果： ( 1 ) 通过击实试验，考察不同含水质量分数不同粗颗粒下的碎石土干密度。试验得到了碎石土 粗颗粒含量与于密度呈二项式的关系，得出粗颗粒含量为8 1 2 5 时其干密度最大，并通过理论推 导得出碎石土达到最小孔隙率时碎石的质量分数与试验值基本吻合的结论；得到了粗颗粒含量与最 佳含水量是二项式的关系。 ( 2 ) 击实曲线的陡缓程度是衡量碎石土在不同压实度下体对水敏感程度的重要指标。通过可 控含水量范围分析得出：细颗粒含量越少，对含水量的敏感性越大，可控制范围越小。采用灌水法 对现场压实度检测具有可靠度高，易于操作，符合工程检测要求等优点。 ( 3 ) 利用碎石土压缩蠕变试验得出两种曲线，即不同荷载下的单位压缩量发展过程曲线和同一 加载时间。r 的单位压缩量与荷载关系曲线。此两种曲线均呈对数函数关系，且利用后者推算出6 0 m 高的碎石土填体的最终压缩量和工后压缩量。 ( 4 ) 变形模拟部分，采用分级加载的方法来模拟实际的施 二情况。计算表明，本期填筑初期， 上期抛填体与粘土层由于其高压缩性导致填体发生较大的位移。而加反压码后坡体稳定性有所好转， 沉降逐渐趋于稳定。影响至滑行道的位移也逐渐减少。说明对于碎石土，控制形变一方面要加强乐 实工作，另一方面还应增加必要的堆填物来限制其侧向位移；稳定性分析部分主要分段考察坡体在 不同工况组合下的稳定性。分析得知，其安全性满足机场边坡安全要求。 关键词：碎石土；高填方；颗粒级配；压缩蠕变；数值模拟：边坡稳定性 卜 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eh i g he m b a n k m e n ta p p e a r si nl a r g en u m b e r so fh i g h w a ya n da i r p o r tp r o j e c t s ，a n di t h a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n t h em a i ns t u d i e so fh i g he m b a n k m e n ti n c l u d e dt h ec o m p a c t i o np r o p e r t i e so f f i l l e r s ，t h em e t h o d so fo r i g i n a lf o u n d a t i o nr e i n f o r c e m e n t ，t h ef i l l i n gm e t h o d ，t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n df o r e c a s to fh i 曲e m b a n k m e n ta n di t ss t a b i l i t y t h e s ea c h i e v e m e n t sa p p l yt oe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n s s u c c e s s f u l l yi nf u j i a n - s a n m i n ga i r p o r t , x i c h u a n - j i u z h a i h u a n g l o n ga i r p o r ta n dx i c h u a n - k a n g d i n ga i r p o r t p r o j e c t b a s e di ne x p a n s i o np m j e c to fg u i y a n gl o n g d o n g b a oa i r f i e l d ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec o m p a c t i o n p r o p e r t i e sa n dt h ed e f o r m a t i o nr e g u l a r i t yo fc m s h e d s t o n ea n dm a d es o m ec r e a t i v ea c h i e v e m e n t sa sb e l o w , ( 1 ) m a i n l yt h r o u g hc o m p a c t i o nt e s t ，w eg o tt h ed r yd e n s i t yo fc r u s h e ds t o n ei nt h ed i f f e r e n tw e i g h t p e r c e n t a g eo fw a t e ra n dt h ed i f f e r e n tc o a r s eg r a n u l ec o n t e n t ，a n dg o tt h eb i n o m i a lr e l a t i o n s h i pi nt h ed r y d e n s i t ya n dc o a r s eg r a n u l ec o n t e n to fc r u s h e ds t o n e w h i c ho f8 1 2 5 a tt h em a x i m u md r yd e n s i t y t h r o u g ht h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n ，t h i sp a p e rc a m et ot h ec o n s i s t e n tc o n c l u s i o n sb a s i c a l l yi nt h ee x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a lv a l u e sw h e nt h es t o n ew e i g h tp e r c e n t a g eo fc r u s h e ds t o n ea tt h es m a l l e s tp o r er a t e a tl a s t ， w ea l s og o tt h eb i n o m i a lr e l a t i o n s h i pi nt h ec o a r s eg r a n u l ea n do p t i m u mw a t e rc o n t e n to fc r u s h e ds t o n e ( 2 ) t h ec h a r a c t e ro ft h ec o m p a c t i o nc u r v ei sa ni m p o r t a n ti n d e xt om e a s u r et h es e n s i t i v i t yo ft h e c o a r s eg r a n u l et ow a t e ri nd i f f e r e n tc o m p a c t n e s s a n a l y z e db yw a yo fc o n t r o l l a b l ew a t e rc o n t e n tr a n g e ，i ti s t h ec o n c l u s i o nt h a tt h el e s sf r e ep a r t i c l ec o n t e n t ，t h eh i g h e rw a t e rc o n t e n ts e n s i t i v i t y , a n dt h es m a l l e r c o n t r o l l a b l er a n g e u s i n gt h ew a t e rb a gm e t h o dt ot e s tf i e l dc o m p a c t n e s s ，i ti st a k i n gt h ea d v a n t a g e so f h i g hr e l i a b i l i t y , e a s yo p e r a t i o n c o m p l i a n c ew i t ht h et e s t i n gr e q u i r e m e n t s ( 3 ) t h e r ea r et w ok i n d sc u r v e so fc r u s h e ds t o n ec o m p r e s s i o nc r e e pt e s t ，o n e i st h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so fs p e c i f i cc o m p r e s s i o ni n d i f f e r e n tl o a d i n g s ；a n o t h e ri s s p e c i f i cc o m p r e s s i o na n dl o a d i n g s r e l a t i o n s h i pi ns a m el o a d i n gr i m e sa n dt h e s ea l la r el o g a r i t h m i cf u n c t i o n s a tt h em e a n t i m e ，u s i n gt h el a t t e r c u r v et oc a l c u l a t et h eu l t i m a t ec o m p r e s s i o na n dp o s t - c o m p r e s s i o no ft h e6 0 mc r a s h e ds t o n eh i g h e m b a n k m e n t ( 4 ) 1 1 1t h ep a r to ft h ed e f o r m a t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i tu s e dt h el a y e r - b y - l a y e rl o a d i n gm e t h o dt o s i m u l a t et h ea c t u a lc o n s t r u c t i n n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sag r e a td i s p l a c e m e n ti nf i l l i n g b e c a u s eo ft h eh i g hc o m p r e s s i o no ft h el o o s e f i l la n dr e d c l a yl a y e r t h ef i l l i n gs l o p es t a b i l i t yi m p r o v e d a f t e ra d d i n gt h eb a c k p r e s s u r ef i l l i n g ，a n dt h ed i s p l a c e m e n ti n f l u e n c et ot h er u n w a yw a sg r a d u a l l yr e d u c e d i ti n d i c a t e dt h a tt h ew a y so fc r a s h e ds t o n ef i l l i n gt oc o n t r o ld e f o r m a t i o n so n ei sn e e dt os t r e n g t h e n c o m p a c t i o n ，t h eo t h e rs h o u l da d dt h en e c e s s a r yb a c k p r e s s u r ef i l l i n gt or e s t r i c ti t sl a t e r a ld i s p l a c e m e n t t h e p a r to fh i g he m b a n k m e n ts l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ，m a i n l ya n a l y z et h es t a b i l i t yo fs e g m e n t e ds l o p ew i t h k i n d so fc o m b i n a t i o n so fw o r kc o n d i t i o n sa n di tm e e tt h es a f e t yr e q u i r e m e n t so fa i r p o r ts l o p ee n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：c m s h e ds t o n e ；1 - 1 2 i g he m b a n k m e n t ；g r a i nc o m p o s i t i o n ；c o m p r e s s i o nc r e e p ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；s l o p es t a b i l i t y i i 重型查堂堡主里塞生兰垡笙苎 ， 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。对本文的研究曾做 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：盏叠复袅日期：! ! qz 生压旦 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。 撇：趱糊签名庐期：啤逝 6 8 贵州大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 选题依据和研究意义 为了进一步加快西部建设步伐，近年来对基础设施建设投资不断加大。针对西南山区特点，需 要大填大挖的工程也不断增多。为确保填筑工程( 如公路路基、机场场道、土石坝等) 施工期和使 用期的稳定性，许多学者和工程技术人员对填料性质和填筑方法均作了大量的研究。 碎石土是由颗粒较大的碎石和颗粒较小的土粒组成，由于其来源广泛，压实后具有强度高、变 形小、渗透性好的优点，因此就地取材的碎石土作为路基填料越来越普遍。贵阳龙洞堡机场高填方 就是以碎石土为主要填料来填筑的。椐对细粒土而言，采用碎石土填筑路基的压实理论和旌工实践 还不够成熟。在采用碎石土作为填料时，如何有效地控制填筑质量，对山区机场的建设具有一定的 实用价值和理论研究价值。 通过前期研究，认识到采用碎石土填筑高填方坡体主要面临以下一些难题： ( 1 ) 压实问题 压实虽直接的目的就是控制坡体沉降量和减小地下水的渗透性，使地基获得足够的承载力。实 践表明，在某种程度上，土体形变与其周围的应力场存在着一定的关系。影响土体压实的因素主要 是含水量和粗细颗粒比。碎石士粗颗粒含量较多，细颗粒含量较少，若配比变化较大，应如何使用 一个定量的方法来确保土体达到压实标准。另外，秸土颗粒对水较为敏感，碎石土细颗粒含量若含 粘土颗粒较多时，压实度可能不会具有明显的规律性。因此，寻求粗细颗粒含量对压实度的关系、 含水量对压实度的关系等规律对现场施工压实控制、检测具有指导意义。 ( 2 ) 形变控制问题 形变控制是高填方路基设计和施工的主要内容。现阶段机场高填方高度已达6 0 1 0 0 m ，个别的 填筑总高度已超过l o o m ，总沉降量一般在1 3 m 因此，变形控制对保证施工期和使用期坡体稳定 起着重要作用。采用碎石土作为填筑材料时，碎石土的压缩性质已纳入研究的主要内容。贵阳龙洞 堡机场总填筑高度为6 0 m ，分5 层填筑，那么每层的沉降萱应控制在怎样的一个范围内? 不仅如此， 坡体侧向位移也不容忽视，它变化速率意味着坡体是否产生新的滑动面。因此，需要进一步了解碎 石土的压缩蠕变性质，寻找土体压缩随时间的变化规律。 ( 3 ) 稳定性问题 保证坡体整体稳定是壤筑的最终安全标准。稳定性主要通过计算来分析，这就需要获取碎石土 的参数，了解碎石土的物理力学性质和坡体组合特征。稳定计算除了分析天然正常状态下的稳定情 况外，还应分析坡体处于一些不可预见的最不利条件下的稳定情况。 因此，该论文就是基于现阶段的工程需要，以贵阳龙洞堡机场飞行区扩建工程为支撑，在导师 的精心指导下以“岩溶山区高填方碎石土压实变形模拟与稳定性分析”为题开展硕士论文研究。 1 2 国内外研究进展 在工程建设中，经常遇到填土或软弱地基，为了改善这些土的工程性质，常采用压实的方法使 土变得密实，这往往是一种经济合理的改善土工程性质的方法。采用人工或机械对土施以夯击能量 贵州大学硕士研究生学位论文 ( 如夯、碾、振动等方式) ，使土颗粒重新排列压实变密，外部的夯压功能使土在短时间内得到新的 结构强度，包括增强粗颗粒土之间的摩擦和咬合，以及增强细粒土之间的分子引力以改善土的性质。 实践表明，由于土的基本性质复杂多变，不同土类对外界因素作用的反应当然也不同。因此就 研究土的压实而言，同一压实功能对于不同状态的土的压实效果可以完全不同，而为了达到同样的 压实效果有可能要花费相当大的不符合技术经济要求的代价。因此为了技术上可靠和经济上的合理， 研究需要了解土的压实特性与变化规律，以利于工程实践。 对于山区高填方路基填筑实践，国内外研究较全面的有： ( 1 ) 关于地基处理方面 谢春庆“1 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。通过研究高填方夯实地基处理的现状、方法、步骤、变形监测和预 测的方法和途径等，建立了高填方夯实地基处理方法系统，并分析了干密度、变形模量和回弹模量 问的关系，得出了干密度不能作为块碎石填筑地基唯一检测标准的结论。刘宏”1 结合四川九寨黄龙 机场实践，提出了对其软弱地基采取了置换强夯、碎石桩、换填和碾压四种经济合理的地基处理方 案，并对填筑材料砂砾石土填筑后的加固效果进行了较为全面的分析，得出了砂砾石料粗粒含量与 最大干密度、最佳含水量的关系；碾压遍数与压实度的关系；砂砾石料含水量与压实度等成果。长 期观测结果表明，处理后的地基沉降量小且地基较为稳定。 ( 2 ) 关于填料的压缩蠕变性能方面 若填筑材料为租粒土组成且租颗粒成分较大，则可认为填筑体是一种骨架结构，荷载主要通过 骨架来传递。高达几十米的填筑体在恒定的自重应力作用下的沉降需要经历较长时间才能达到基本 稳定。因此。只有考虑其材料的粘弹性性质，计算得到的沉降才比较符合实际状况，若仅考虑材料 的弹性特征，计算得到的沉降量将小于实测值。韩世莲”1 采用福建三明高填方机场道床填筑料，由 标准重型击实试验得到的最大干密度和最佳含水量以及由室内条件得到的碎石土无侧限抗压强度， 进行了碎石土的压缩蠕变试验，并得到了碎石土的蠕变规律，经数学回归分析可得材料粘弹性模型 的各项参数，为考虑材料粘弹性高填方填筑体沉降计算提供了可靠的依据。尹洪波等”为了验证将 红层粉碎后作为高速铁路路堤填料的可行性，对试样采用逐级单轴加载，每一级加载为一个月左右， 直到试样破坏。同时以逐级加载的压缩蠕变曲线试验结果为基础，对蠕变曲线的减速段采用k - k - h 模型进行拟合。根据拟台的结果，采用数值模拟对填筑高度为l o m 路堤的工后沉降进行了预测。结 果表明路堤顶部的一年工后沉降为4 r a m ，并在4 0 d 左右达到稳定状态。其结果论证了采用红层作为 填料经过一定的施工工艺后能满足路堤工后零沉降的要求。刘宏”1 以九寨黄龙机场1 0 4 m 高填方为工 程背景，研究了砂砾石填料压缩蠕变试验与高填方的相似条件。研究表明，刚性侧限的压缩蠕变试 验与大面积凹谷中的高填方具有较好的相似性，两者可近似为等应力状态。但试验得出的高填方压 缩沉降量较实测值稍小。此外，初始压实度决定了砂砾石填料的压缩变形特性，初始压实度为9 7 4 的砂砾石填料的压缩变形过程具对数函数特征。而初始压实度大于9 8 7 的砂砾石填料的压缩变形 过程则以线性函数特征为主。 ( 3 ) 关于高填方沉降的有限元分析方面 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已 产生并得到了应用，有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其 方便性、实用性和有效性丽引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着 贵州大学硕士研究生学位论文 计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技 术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。在岩土工程领域，常用来计 算土体应力应变、渗透性、压缩固结的有限元软件有f l a c 、a n s y s 、g e o - s l o p e 及2 d 3 d o 等。资建 民”1 运用a n s y s 对某新建机场的进场道路高填方路堤换填填筑在不同压实度下进行了沉降数值模拟， 并得出以下结论：通过采用优质的填料填筑路堤，提高路堤的压实度能有效地减小高填方路堤的 沉降变形。对于要求快速施工的高填方路堤而言，保证路堤的压实度( 重型击实) 不低于9 5 是 必要的。优化了高填方路堤的填筑方案。路面的工后沉降问题是高填方路堤工程的主要问题之一。 吕庆。1 用广义k e l v i n 模型来表征填筑体的本构关系，在现场沉降监测资料的基础上，运用三维有限 元正交数值试验、回归分析和优化相结合的方法，反演了计算模型的材辩参数，并在此基础上对高 填方路堤的工后沉降作出预测，得到了较高的计算精度，并和实际监测结果比较一致。 ( 4 ) 关于高填方边坡稳定性分析方面 由于山区工程区的外环境条件往往是复杂多变的，地质条件不稳定( 如高地下水位、中强烈度 地震区) 、气候因素较差( 如雨季长或瞬时强降雨) 是经常摆在工程人员面前的难题。对此。单因素 的坡体稳定分析已不再满足现今的稳定要求。 考虑地下水位变化对坡体稳定的影响 边坡地下水渗流问题通常可分为边坡地下水稳态流分析和边坡地下水非稳态流分析。对于稳态 分析，即假定边坡岩土中任何一点的水头和渗流系数不随时间改变。对于非稳态流分析，则体现为 水头或者渗透系数随时闻而变，这些变化通常反映出边界条件随时问的变化。 地下水位升降引起斜坡岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象。在河谷阶地、斜坡 及岸边地带。地下潜水位上升时，岩土体浸湿范围增大，浸湿程度加剧，岩土被水饱和、软化，降 低了抗剪强度；地下水位下降时，向坡外渗流，还可能产生潜蚀作用及流砂、管涌现象，破坏了岩 土体的结构和强度；地下水的升降变化还可能增大动水压力。这些因素促使岩土体发生变形、崩塌、 滑移等。因此，在河谷、流溪线、江河岸边、斜坡地带修建边坡工程时，应特别重视地下水位的升 降变化对斜坡稳定性的影响。 刘翠容用g e o - s l o p e 进行了水位这一单因素变化时土质单面坡的极限平衡分析。得出了边坡稳 定安全系数、滑动面位置与地下水位的大致关系。涂国祥”1 在大量现场调查和室内分析的基础上， 利用三维数值模拟技术( 3 d - f l o w ) ，对某电站溢洪道边坡在蓄水前后以及库水位骤降后的地下水渗 流场特征展开了详细的分析研究，取得了较为科学、合理、可信的研究成果。 考虑地震动力效应对坡体稳定的影响 对于岩土体地震反应研究方法，从考察地震动作用下的边坡地震反应的物理现象出发，以能够 体现真实地震动作用下的边坡岩土体的动力行为的物理本质为目标，以数学力学和计算工具的发展 为前提，国内外学者们逐渐发展了多种方法，大致可以分为拟静力法、滑块分析法概率分析方法、 数值分析方法和试验法5 大类。从这5 大类分析方法来看，前3 种假设与实际相差较大，难以较真实地 反映地震动作用下边坡岩土体的行为；后两者较接近实际，能够比较真实模拟边坡在地震动作用过 程中的动力特征和破坏机理，必将成为未来边坡地震反应分析的主流。 关于地震滑坡的机制，李天池“”对其进行了归纳和概括，将其分为2 大类：同发型滑坡的机制和 后发型滑坡的机制。前者主要指地震惯性力和孔隙水压力两者作用；后者主要指地震时斜坡坡上产 生的弧形裂缝。为地下水的入渗提供了通道，视为后发型滑坡的先导。l k r a m e r “”在其专著中把地震 - 3 一 贵州大学硕士研究生学位论文 边坡失稳概括为惯性失稳和弱化失稳两大类。祁生文等“对地震边坡失稳进行了归纳，指出地震边 坡失稳是由于地震惯性力的作用以及地震产生的超孔隙水压力迅速增大和累积作用这两个方而造成 的。 对于边坡地震稳定性评价指标与安全标准，国内外尚无统一的认识，目前所采用的评价指标有 安全系数和永久位移两类。吴兆营“”在分析几位学者研究成果的基础上，提出一种适合于岩体边玻 动安全系数非线性分析的方法：根据滑坡带单元的初始静应力和动应力时程，计算每一时刻的边坡 动安全系数。从而得到边坡的动安全系数时程并根据评价标准，进行边坡地震稳定性评价。 考虑降雨作用下孔隙水渗透对坡体稳定的影响 有资料表明，滑坡的形成机制，除了与土体本身的性质、所受外力条件等因素控制外，地下渗 流也是一个重要的影响因素。大雨入渗的侵蚀也在滑坡形成过程中起到了不可忽视的作用，降雨不 仅改变了地下渗流场。也使边坡岩土体因浸泡而软化，抗剪强度变差，造成斜坡失稳。三峡库区统 计资料表明，斜坡变形破坏的概率与降雨大小大体同步或滞后。香港地区的统计资料亦表明，2 4 h 日降雨量大于7 0 m m 时便会诱发大量滑坡，2 4 h 日降雨量5 0 r a m 也时有滑坡发生。滑坡发生概率和滑坡数 量与降雨强度成正比。王瑞钢“”针对现行的高填土质路堤边坡，基于饱和一非饱和渗流数学模型，设 计了二维非稳定渗流程序，通过模拟因雨水入渗引起的暂态渗流场，分析士体中含水量、基质吸力 的变化规律；采用等效粘聚力的概念，利用延伸的m o h r - c o u l o m b 破坏准则对路堤边坡进行了弹塑性 有限元分析，进而得出路堤边坡在不同降雨时刻的安全系数；最后分析了降雨重现期、土参数妒6 和 由路堤施工所引起的土体渗水性系数的各向异性对边坡渗流稳定的影响。张国炳“总结了非饱和土 力学理论，特别是土水特征曲线的研究现状。利用土水特征曲线，建立了一个非饱和土含水量与强 度的关系式。并用来对粤赣高速公路残积土高边坡进行了稳定分析。徐晗”“针对降雨入渗土坡的稳 定问题，建立一个考虑水力渗透系数特征曲线、土水特征曲线以及修正的m o h r - c o u l o m b 破坏准则的 非饱和土流圃耦合有限元计算模型，进行雨水入渗下非饱和土边坡渗流场和应力场耦合的数值模拟， 得到非饱和土边坡变形与应力的若干重要规律。研究成果为降雨入渗条件下非饱和土边坡的稳定分 析提供了基础。 1 3 主要研究内容和技术路线 针对龙洞堡机场填筑特点和碎石土填料的性质，本论文主要从以下几个方面来开展研究工作： ( 1 ) 通过对场区的工程地质勘察。了解场区的区域地质情况和水文地质条件，初步建立高填方 的地质模型。 ( 2 ) 根据高填方填筑特点( 如填筑高度、坡比、施工填筑顺序等) ，进行碎石土填料的工程特 性研究。主要内容包括：通过大量土样进行筛分试验，确定其配比的主要范围，并取得平均值做 后续研究。进行不同粗颗粒含量( 居) 下的击实试验，寻找不同尼下的干密度和含水量的变化规 律，以此来指导施工实践。为了寻找填料在不同载荷下的沉降与时间的变化规律，对填料进行压 缩蠕变试验研究，对试验数据进行数学回归分析并得到相应的数学表达式。以此填料的压缩蠕变 特性试验得到的回归公式，进一步推算高填方的整体沉降量及沉降比。 ( 3 ) 采用目前流行的有限元分析方法，运用成熟岩土工程数值模拟软件，考虑现场施工实际， 分加载时步来模拟高填方的变形情况。特别是针对该坡体曾经出现的滑塌现象，分析采用补救措施 后的坡体加固效果，并与观测数据进行对比。 贵州大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 基于刚体极限平衡理论，采用最小安全系数为综合评价指标来评价坡体填筑后的多因素( 地 下水、地震动力、暴雨等因素) 综合作用下的边坡稳定性，得出最不利影响因素并加强相应的工程 预防措施。 i 研究区工程地质条件i i iifl l 区域地质环境| | 地层岩性 li 地形地貌特征ll 地质构造 ii 水文地质条件l i i l i j 高填体填筑特点及碎石土填料性质 l l li 碎石土的压实特性试验研究碎石土的压缩蠕变特性试验研究 l i f 碎石土填筑高填体变形及稳定性研究 i li 基于有限单元法的不同加载基于极限平衡理论的多因素 时步下高填体变形研究作用下高填体稳定性研究 i j i 结论 l 图i - i 研究技术路线图 贵舟i 大学硕士研究生学位论文 2 研究区环境地质条件 贵阳龙洞堡机场位于贵州省贵阳市东郊，距市区l l k m ，贵新线和原2 1 0 国道通过附近，距市区 公路1 4 k i n ，为可溶岩分布区。本次扩建工程新建平行滑行道长2 2 9 9 米，约8 5 8 2 8 平方米，停机坪 约5 4 2 7 2 乎方米，快速出口滑行道三条约3 4 7 9 1 平方米，端联络道一条约6 3 9 5 平方米。 2 1 地形地貌 场地所处为可溶岩分布区，地形起伏，残丘低矮，呈馒头状，溶丘和溶蚀洼地较发育，相对高 差小于1 0 0 m ，高程多在1 0 8 5 m 至1 1 6 6 m 之间。机场建设人工改造后，除南西侧和南北两侧有高填 方边坡外，其余地段地形平坦，地面标高1 1 2 7 1 1 2 9 m ，原始地貌均被工程开挖堆填整平而不复存在。 2 2 地层岩性 填方区内普遍为人工填土，仅在填方区西侧可见第四系残积层和基岩出露，根据以往地质资料 及钻探工程揭露，场地内主要岩土层为第四系填土层( q “) ，耕土层( q p d ) 、残坡积层( o c h - d 1 ) 和 三叠系下统安顺组( t 1 。) 及大冶组( t - a ) 。现将各时代地层由新到老分述如下： 第四系填土层( q “) ：分布于整个斜坡上，按堆填时间和土性差异可分为：第三填土层( o “”) 、 第二填土层( o “”) 、第一填土层( 0 “1 ) 。填土三层( q “”) 和填土二层( q r a l - 2 ) ：为灰、灰白色、 以灰褐、灰紫色碎石土，含4 0 - 5 0 的中风化白云岩碎石及1 5 - 2 0 的中风化白云岩角砾，其余为白 云砂和少量粉质粘土及块石。受变形影响，其结构为松散到密实，为边坡变形前人工堆填分层碾压 而成，堆填时间在8 1 0 年，厚o i 4 6 m 。填土层( q “4 ) ：为褐黄色、灰色粘，局部含角砾， 按其状态可分为硬塑状和可塑状，厚o 8 9 m 。其物理力学性质指标见表2 - 1 、表2 - 2 。 第四系耕土层( q p d ) ：为灰黑色粘土，含植物残渣，硬塑至软塑。 第四系残坡积层( o “4 ) ：地表分布在坡脚地势低洼处，为褐黄、棕褐色粘土，硬塑至可塑 状硬塑状红粘土厚嘶5 5 m 。可塑状红粘土厚0 5 m 。其物理力学性质指标见表2 - 3 。 三叠系下统安顺组( t 1 。) ：分布于场地南侧及东侧，为灰白、灰紫色厚层状白云岩及白云质 灰岩，强至中风化，强风化岩石极破碎，岩质较软，中风化岩石较破碎，节理发育，岩质较硬岩。 三叠系下统大冶组( t l d ) ：在场地西部及填方区内均有分布，个别地段裸露于地表，地表溶 沟溶槽发育，为灰、深灰色薄板状至中厚层状灰岩夹泥质白云岩，中风化，岩质新鲜，岩芯短柱状、 饼状，钻探揭露厚度9 7 m 1 4 8 0 m ， 袭玉1第三填土层及第二填土层碎石土主要物理力学指标表 项目 天然 密度 ( 饱和) 反复直剪强度 备注 参数 含水量 ( e , e m 3 ) 峰值残专值 ( ) c a 0 c p a )m d ( 。)c r ( i , ：p a )o r ( 。) 样本数 666666 最大值 1 8 72 2 53 91 61 59 最小值 1 0 72 0 41 71 075 土样全为 平均值 1 3 52 1 42 6 3 31 1 8 31 2 56 8 3 扰动土样 标准差 2 7 70 0 77 2 32 1 42 8 1l - 4 7 变异系数o 2 l o 0 302 7 0 1 80 2 20 2 2 标准值 l l | 2 l2 0 82 0 3 61 0 0 71 0 1 85 6 2 一 裂 嚣、毒 烈 当者 强 螺 一 咀 鹃 接一 蜷。 8 赞蓦 搿 差； d d 。 ，豆 客 墨 藻蚕 2霉 霞吝 o。 薰? 8撂8 霉 缸 do。 瓤 萋一 gg 墨 h 西dd。 疑 一 蓦爹 嬖霎 丑 哲占 8g髻gg 赢 d一一o廿 婴口 8 d 錾善 鲁8 苫 d甘。 字 繁寞s n d 钿 叫 嚣糍 籁趔趔 | 璺 涮 糕裁妊瓤 幡露掣 懈垛 型搽 雹j 玺埋辎 幅聪 j 型 螺销 蟠 斗 蜷 咪出 掣幡k露垫 琳 划 j 苎 世稻 螗 挺略嚼 甘-螬 _ | 争(蝰 蜷 制蝰 拍剁 别 葵髫 詹 琳蟑颦扑r剐嚣看9v避叫蓦1擐z群 挂帮犁磐酬状富刊醛扑kiif啦 删 避苫 g 婷焉 鬟 当孑 。 茁 螺 妊e回 要塞 出； 接一 蜷。 8 翎凿； o 恒 苫 罐 髫 鲻 萋喜 器删 d 薰了 訾 船 d 赫 萋一 8 f ； 氅 嚣 8 d ，、 鬓妻 d ； c o a 丑 薤彳 g 簖 d 婴。 忠 。q 辫 昌8 o话 鬟蹇霎 8嚣g 卜 裔岱 表籁 凝j 磐 j 粤魍蒯 妊 籁 遥 糕 趔遥坦制 糕赫 粤 螺熟 幡k霸掣 僻 幅 拱 将可露始 幅 缁 掣 味憎 皤 斗螬 咪 世 蜷 壮略皤 睁 蜷塘墼皤 制蝰 争(辔 拍 利 别 葵 落 窟 嚣靼静r黼霹卅据疑 h 磷 戗袋掣扑刊获摩书肇扑k善妪 贵州大学硕士研究生学位论文 2 3 区域地质构造和地震 龙洞堡机场区域地质构造属杨子准地台黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区贵阳复向斜北倾 覆端一北东向短轴向斜核部。核部地层为三叠系下统安顺组( t 。a ) 白云岩及白云质灰岩和大冶组 ( t t d ) 薄层灰岩，场地内有一逆断层通过，两盘地层稳定连续，地层产状较平缓，北盘地层产状为 4 0 。一1 1 0 4 么g 。一1 3 。，两组节理走向分别为1 7 0 。、8 0 。，近于直立。南盘地层产状为9 5 1 2 0 。 8 挖。两组节理走向分别为1 8 0 、1 1 0 ，近于直立。在勘察中。未发现该断层有近期活动的迹象。 根据国家质量技术监督局2 0 0 1 年2 月2 日发布，同年8 月1 日实施的中国地震动参数区划图 ( g b l 8 3 0 争2 0 0 1 ) 的资料显示，研究区在区域上地震基本烈度值为度，地震动峰值加速度小于 0 0 5 9 0 2 4 气象条件 贵阳龙洞堡机场属亚热带湿润季风气候区，冬季受北部寒潮影响较弱，夏季受东南海洋季风的 影响显著，具有温和湿润的气候特征。据贵阳气象台多年气象资料统计，年平均气温1 4 9 ，最冷 月份为一月平均气温4 c 5 9 c ：最热月份一般为每年7 8 月，最高气温3 5 6 c ：年平均相对湿度 7 7 8 3 ，夏季湿度大，春季相对湿度较小；年平均降雨量1 1 7 8 1 毫米，主要集中在5 8 月，约占 年降水总量的6 0 左右，年平均蒸发量为1 2 1 2 1 5 6 1 毫米，月变化与气温基本相适应，但变幅小于 降水。 2 5 水文地质条件 贵阳龙洞堡机场属高原上的丘陵地形，地处乌江水系支流密拉河上游鱼梁河流域，鱼梁河距场 地约1 5 0 0 m ，高羞约1 5 0 m ，是区内排泄基准面，场地西侧有一岩溶洼地，紧邻边坡，与边坡顶高差 约4 5 m ，而场地表层填土主要以碎石类土为主，其排水性良好，地表接受大气降水补给后，在研究 区内从东向西迳流，场地所处为迳流区，经溶洞排泄汇入鱼梁河，按含水层性质和赋水条件，可将 其可分为二种类型： ( 1 ) 基岩中的岩溶裂隙水，赋存于碳酸盐岩中，以岩溶裂隙和岩溶管道的形式集中捧池入场地 西侧的鱼梁河。据场地水文地质条件分析，场地内基岩地下水位标高在1 0 7 7 m 。 ( 2 ) 松散填土层中的上层滞水，在接受大气降水补给后，沿填土层下渗。在有渗透系数较小的 粘性填土和残积红粘土存在的地方可能局部富集，形成上层滞水。在施工中，主滑向上的探井施工 接近粘土时，发现大量积水，从钻探资料及未填筑前的地形分析，填筑区中部原始地形为一洼地( 见 图2 - 1 ) ，易形成积水。 争 贵州大学硕士研究生学位论文 圈2 - 1 碎石土与粘层的接触界面示意图 场地环境类型属l i 类，根据龙洞堡机场扩建工程详勘水质分析结果判断，场地地下水水质属 s 0 4 z 一【c a 2 + m 9 2 + 】型，矿化物含量8 4 0 3 t o g a ，属低矿化度极软水，水样已达到碳酸盐溶解平衡状 态。水质较稳定，无碳酸盐、氯盐、镁盐等腐蚀性、硫酸盐按指标评价虽然不具腐蚀性，但已接近 弱腐蚀性，在使用过程中应加强监测。经调查，场地附近无大的工业污染源，调查结果与此分析相 印证。 2 6 小结 本章主要介绍了研究区环境地质条件，即地形地貌，地层岩性、区域地质构造和地震、气象条 件以及水文地质条件等。 一1 0 一 贵州大学硕士研究生学位论文 3 土体沉降计算基本理论 3 1 概述， 土是矿物颗粒的松散堆积体。当作用在土体中的应力发生变化时。土的体积随之改变。主要由 于土体积压缩，地基在铅直方向的位移称为沉降，沉降的同时还伴生水平位移。士体完成压缩变形 一般要经历一段时间过程。对于饱和土，荷载增加时，土体一般是逐渐被压缩( 应力解除一般引起 膨胀) ，压缩过程中部分水量会从土体中排出，土中孔隙水压力相应地转为土粒间的有效应力，直至 变形趋于稳定。这一变形的全过程称为固结。土体压缩量的多少依赖于其所受有效应力的大小；而 固结的速度则取决于土体排水的快慢。 固结与压缩对的工程性状有重要影响，与土工建筑物和地基的渗流、稳定和沉降等问题有密 切联系。例如，土体由于压缩，渗透性减小；伴随着固结过程，土体内的粒间应力不断改变，使土 的强度相应变化；土体的压缩导致建筑物地基下沉，直接影响上部结构的使用条件和安全。 土的固结和压缩规律相当复杂，它不仅取决于土的类别和性状，也取决于其边界条件、排水条 ，件和受荷方式等。粘性士与无粘性土的变形机理不同；二相土和三相土的固结过程迥然有别，后者 由于土中含气，变形指标不易准确测定，状态方程的建立与求解都比较复杂。天然土体一般都是各 向异性、非均质或成层的，如何合理地考虑它们对变形的影响，尚待进一步研究。就地基而言，建 筑物施加的通常是局部荷重，在固结过程中，除上下方向的排水压缩外，同时有不同程度的侧向排 水与鼓胀，这一类二向与三向固结问题，迄今还没有获得普遍的解析解。荷重随时间而改变的情况 侵固结微分方程的数学处理更加复杂化了。 随着人们对土的应力应变关系理解的深化，土的压缩量( 沉降) 计算也从原先只考虑单向压缩 变形，发展到考虑侧向变形，后来，更将士的应力历史、应力路径等因素纳入计算方案。2 0 世纪6 0 年代电子计算机问世后，计算技术有了划时代的飞跃，极大地推动了岩土力学理论的发展，使得以 往无法考虑的许多土的复杂本构关系，有可能被引入计算。例如在压缩变形计算中，除土的线性 弹性模型外，已经逐渐引用其他各种模型：非线性弹性模型( 其中最著名的有邓肯一张模型) 、弹塑 性模型( 如剑桥模型) 等。 3 2 土的压缩与地基沉降 3 2 1 土体变形机理 天然土体一般由三相组成，即矿物颗粒构成土骨架，土骨架孔隙内充填水和空气。土体受到外 力后，可以认为土体变形是孔隙中流体体积变化的结果。假设从变形的饱和土体中取出单元土体， 由于不考虑土粒进人或移出该单元，故土体中的土粒重量h ：为常数。土体的变形性质可以从研究其 含水重w 的变化率婴加以探讨。 d f 根据土三相组成的相关关系可推出下式 w 。睨 ( 3 - 1 ) 一1 1 - 贵州大学硕士研究生学位论文 而 故 。r o g ，= s f e y 。s _ 2 t w e s r w e ( 3 - 2 ) y o g ，n 式中，珊为土的含水量：形为土粒重量；s 为土的饱和度；e 为孔隙比；协，r o 分别为水 容重及水在4 时的容重：e 为土粒比重；n 为土粒容重。 哉式( 3 一i ) 可写成下式 詈一昙假训t 形昙学 一卟w 丢鲁q 蜥丢扣e 吉孥母r 一吉誓i c s 一 式( 3 - 3 ) 表明，土体中水重的变化率由下列几种原因引起：( 1 ) 饱和度变化；( 2 ) 孔隙比变化； ( 3 ) 水容重变化；( 4 ) 土粒容重变化。 从式( 3 3 ) 可以看到，如果忽略水容重y 与土粒容重儿变化可能有以下四种组合情况：( 1 ) e 与s ，均为常量；( 2 ) s ，为常量，p 变化；( 3 ) e 为常量，s ，变化；( 4 ) e 与s ，均变化。第一种 情况显然属于稳定渗流以及静水情况。第二、三、四种情况都属于土体中的非稳定流。其中第二种 情况，如果孔隙比e 减小，s 。=