（森林工程专业论文）陡坡上高填石路堤稳定性和沉降预测理论及应用研究.pdf

摘要 我国西部山区地形地质条件复杂，路线中存在不少深挖路堑和隧道工程。为了充分利 用路堑和隧道开挖产生的石质弃渣，并减少弃渣对沿线生态环境的破坏和诱发地质灾害， 高填石路堤已成为山区高等级公路较普遍的路基型式。但缺乏与之相关的设计方法和理论 研究，尤其是对复杂环境中的高填石路堤缺乏系统研究。因此，本文结合沪蓉西高速公路 填高7 0 余m 的干沟高填石路堤，通过室内试验、现场试验和监测、理论研究、数值计算 等方法，对填石材料基本性能和填石路堤稳定性分析、沉降预测、质量控制技术与标准进 行了系统研究，主要获得如下成果： ( 1 ) 针对隧道弃渣用作路堤填料，引入分维数评价其粒度组成。当分维数介于 1 8 8 7 2 6 3 l 时，表明弃渣级配良好，符合路基填料对级配的要求； ( 2 ) 提出用超粒径颗粒质量百分数修正用合适尺寸颗粒击实得到的密度，以修正后 的密度作为含超粒径填石材料密度，从而为计算填石路堤压实度提供了新方法； ( 3 ) 建立了2 自由度填石路堤一振动压路机系统和完成现场试验，进一步验证了 采用低频高幅振动压路机有利于填石路堤的压实； ( 4 ) 基于极限平衡理论，系统研究了在复杂环境条件下，高填石路堤稳定性受水位 变化、地表坡度变化、路堤高度变化、填筑过程的影响规律。其安全系数随水位上升、路 堤高度增高、填筑高度增大和地表坡度的增加而降低。针对干沟高填石路堤，当水位高度 高于地表2 0 m 、路堤高度超过3 4 m 、路堤填筑高度超过3 2 m 、地表坡度大于l ：5 时，路堤 的安全系数显著降低； ( 5 ) 高填石路堤的稳定性随填筑过程而变化。不仅要考虑路堤最小安全系数所在的 具体位置，而且还应考虑安全系数变化最大位置。安全系数最小和安全系数变化最大位置 都是施工动态控制的关键因素； ( 6 ) 针对高填石路堤分级填筑时自重作用下的沉降引入龚帕斯生长曲线进行全过程 沉降分析与预测。用龚帕斯成长曲线预测其工后沉降比用双曲线预测其工后沉降精度要 高； ( 7 ) 通过数值计算，研究了陡坡上高填石路堤受力和变形规律。竖向压力和横向压 力均随路堤深度的增加而加大，其最大值均发生在填筑高度最大的地表附近区域。陡坡上 高填石路堤在竖直方向和水平方向均产生不均匀沉降。不均匀沉降随路堤高度的增加而增 加，横向变形随路堤深度的增加逐渐减小；路堤压实越密实，路堤模量越大，横向变形差 异和不均匀沉降越小； ( 8 ) 采用施工工艺参数与沉降差结合，是填石路堤压实质量检测的有效方法。当以 沉降差作为质量控制标准时，采用激振力大于4 0 吨的振动压路机碾压最后两遍后沉降差 不大于2 m m 的标准是合适的。 关键词：陡坡；弃渣；高填石路堤；稳定性；沉降预测；本构模型：有限元 s t u d y o nt h et h e o i ya n d a p p l i c a t i o no fs t a b i t ya n a l y s i sa n d s e t t l e m e n tp 代d i c t i o nf o rh i g hr o c k f i l la b r u p ts l o p ee m b a n k m e n t a b s t r a c t t h et o p o g r a p h i ca n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o nmt h ew e s t e mm o u n t a i n o u sa r e ai no u rc o u n t 叫 i ss oc o m p l i c a t e dt h a tt h e r ea r cm a n yc u t t i n ga n dt u n n e le n g i n e e r i n gw h i l eh i g h w a yi s c o n s t l l j c t e d i no r d e rt 0m a k ef h l lu s eo ft h ew a s t cr o c 毋s l a ga n dr e d u c et h ed 锄a g et o e n v i i 0 n m e n t 锄dc a u s eg e o l o g i ch 删，t h eh i 曲r o c kf i l le m b 锄k m e n th 器b e c o m eo n eo ft h e b a s i ct ) r p e so fe m b a n k m e n ts t n j c t u r e b u tc o r r e s p o n d i n gd e s i 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m a t ee q u i l i b r i u m 廿l e o r y ，a p p l y i n g4s t a b i l i 锣a n a l y z i n gm e t h o d ，t h e c h a n g i n gd i s c i p l i n eo fs t a b i l i t yo fh i g h r o c kf i ne m b a r l l ( m e n ti nc o m p l e xe n v i r o 姗e n t i n f l u e n c e db yw a t e rl e v e l ，t h ee a n h ss u r f k eg r a d i e n t ，e m b 锄k m e n th i 曲锄dn l l i n gc o u r sa r e s y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d 铅f i e t ) ，f a c t o rb e c o m es m a l l e rw i t hw a t e rl e v e lr i s i n g ，e m b a n k m e n t h i g hh e i g h t e n i n g ，f i l l i n gh i g hg o i n gu pa n dg r a d eb e c o m i n gs t e e p t h es a f e t y f i a c t o rd e c l i n e m a r k e d l yw h i l ew a t e rl e v e le x c e e d2 0 m ， e m b a n k m e n th i g he x c e e d3 4 m ，f i l l i n gh i g he x c e e d 3 2 ma n dg m d ee x c e e d1 ：5 ( 5 ) t h es t a b i l i 够o fh i 曲r o c kf i e m b a n k m e n tc h a i l g e sw i t hf i l l i n gc o u r s e n o to n l yt h e p o s i t i o nw i t hm i n 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n g q u a l i t yo fr o c kf i l le m b a i l k m e n ti sa ne 丘e c t i v em e a n s w h i l ea d o p t i n gs e t t l e m e n td i s c r e p a n c ya l s t h es t a n d a r dt oq u a l i t yc o n 仃o l l i n g ，2m ms e t t l e m e n td i s c r e p a n c ya r e rt h ev i b r a t o 巧r o l l e rw i t h 4 0t o ne x c i t i n gf o r c ec o m p a c t e di sa p p r o p r i a t e k 叼w o r d ：a b t l j p ts l o p e ；w a s t e ds l a g ；h i g hr o c k f i l le m b a n i ( m e n t ；s t a b i l i t y ；s e t t l e m e n t p r c d i c t i o n ；c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：物岭湛 驴湃多月【日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密钐 ， ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者( 本人签名) 指导教师( 本人签名) 彦月厂日 j 其r b 致谢 本文是在导师杨平教授的悉心指导和严格要求下完成的从论文选题、开题和定稿都 倾注着导师的无尽心血。导师敏捷的思维、深厚的学术造诣、极其丰富的工程经验、严谨 求实的治学态度和崇高质朴的品德风范，是学生终生学习的榜样和楷模感谢导师三年来 无微不至的关怀和帮助，师恩似海，教益深厚，学生将终身铭记。至此论文完成之际，我 衷心地向杨平老师致以最诚挚的谢意和最美好的祝愿! 衷心感谢沪蓉西高速公路指挥部高级工程师方彦，中铁十一局五公司沪蓉西项目部高 级工程师余斌、工程师张开顺对本文在现场试验方面所给与的热情帮助和大力支持 衷心感谢南京林业大学土木工程学院赵尘教授、黄新教授、王元纲教授、李国芬教授 给予作者在学习和论文写作期间的极大帮助和关心 衷心感谢华东交通大学土木建筑学院领导在作者学习和论文撰写期间提供的方便、关 心和支持 衷心感谢华东交通大学土木建筑学院岩土工程实验室老师在在作者完成有关岩土试 验方面提供的方便和协助。 衷心感谢我的妻子、高龄的父母和岳父母一如既往的理解，在我遇到困难的时候给与 鼓励与支持，三年多来她们总是默默承担着大量的家务，为我腾出时间，完成论文的撰写。 感谢为本文评审与参加论文答辩付出辛勤劳动的各位专家教授! 感谢所有关心、支持、帮助我的良师益友! 作者：杨成忠 二零零八年六月于南京 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 根据我国高速公路网发展规划，到2 0 l o 年末，实现“东网、中联、西通”的目标，完 成西部开发八条公路干线中的高速公路，基本贯通“7 9 18 网”中的“五射两纵七横”1 4 条路， 山区高速公路建设数量将持续大量增加。随着我国高速公路建设不断向山区延伸，面临的 地形地质条件更加复杂，路基高填深挖和隧道工程成为不可避免。由于山区缺乏优良的土 质填料，同时为了充分利用路堑和隧道开挖产生的石质弃渣的优良性能，并减少弃渣对沿 线生态环境的破坏和诱发地质灾害，高填石路堤将成为山区高等级公路较普遍的路基型 式。以湖北为例，即将开工的三峡翻坝高速公路、宜巴高速公路、恩黔高速公路以及规划 中的恩张高速公路，累计里程超过1 2 0 0 公里，均属于典型的山区，隧道工程、深挖路堑 和高填路堤为路线的重要部分。填方路基作为山区高等级公路路基的重要结构形式之一， 在营运过程中的病害集中表现在路基过大的工后沉降、不均匀沉降或者整体失稳，这些病 害特征在高路堤中表现更加突出。在山区高等级公路中不均匀沉降会导致水泥混凝土路面 面板断裂、沥青路面开裂，而在桥涵、隧道进出口等人工构造物附近还会产生“跳车”等 不利于交通安全的现象，从而影响到公路的正常营运。路堤失稳导致的整体滑坡不仅影响 到交通的正常行驶，还会危及到车辆和行人的安全。因此，在加快公路建设的同时，合理 地进行高填石路堤的设计、加强施工质量控制、防止灾害的发生成为公路交通科技人员共 同关心的问题。我国己建的和在建的广西六寨至水任二级公路、四川广元至机场跑道、京 珠高速公路小塘至甘塘段、京沪高速公路化马溪至临沂段、贵州水城至黄果树一级公路、 福州至泉洲高速公路、丹东至本溪高速公路、湖北沪蓉西高速公路等工程中都存在大量填 石路堤。因此，研究填石路基的稳定性和沉降预测理论及应用，充分利用路堑和隧道开挖 弃填石或其他开采石料修筑高等级公路路堤，避免路基滑坡和路堤的不均匀沉降和过大的 工后沉降等灾害发生，对于保持交通畅通、保障车辆和行人安全、加快中西部高等级公路 的迅速发展、促进国民经济走可持续发展道路都具有十分重要的意义【1 1 。 1 2 国内外研究现状 不规则的石料在土木工程中的应用具有悠久的历史，例如古代的堆石拦河坝工程和简 易公路的路基路面工程。但是早期的应用受到力学理论、数学方法和计算技术等条件的限 制，使其应用技术只能停留在经验应用之上。所谓的设计也是根据经验得来，谈不上结构 计算方法和验算等。随着力学理论、数学方法和计算技术等的发展，2 0 世纪中期，水电 工程中针对堆石坝工程对大粒径的石质填料的工程性质进行较系统的研究，在道路工程中 较系统的研究则相对较晚。 对于粗粒土的研究，国外有关学者做了较多的研究。这些研究以分散质砂砾材料为代 表，对其本构模型、应力应变特征、颗粒接触特征、颗粒间力的传递等方面进行了试验研 究和理论分析1 2 磁j 。对于填石类巨粒土则以混凝土面板堆石坝堆石材料为代表，尤其是苏 格兰夸伊奇坝( q u o i c h ) 成功地利用振动碾压实隧洞开挖的弃渣【2 3 】，使堆石坝的修筑产生了 质的飞跃。从上世纪8 0 年代开始，堆石坝在国内外逐步得到广泛应用，为粗( 巨) 粒料 的工程应用积累了宝贵的实践经验。尽管填石路堤和堆石坝有很多相似的地方，但二者仍 有一定区别。堆石坝的主要功能是筑坝拦水防渗，对于不同的坝体分区，其填筑要求不一 样。而公路路堤的主要功能是承受路基路面自重和行车荷载。主要侧重于路堤的稳定性以 及在路堤自重和车辆荷载下的变形特性。长期以来，公路路堤的填筑一般都是本着就地取 材的原则，并将路堤填筑材料大致可分为粘性土、非粘性细粒土、砾质土、填石4 种类 型。对于前两类材料，在公路部门有较长的应用历史，对其工程特征研究成熟。然而，对 于填石类粗粒径填料，对其筑路特性的试验研究尚不多。 1 2 1 填石路堤压实与检测技术 8 0 年代以前，我国对采用石料填筑路堤施工及质量控制研究几乎是空白，多年来没 有相关文献发表。从8 0 年代至9 0 年代中期，我国公路部门开始修筑填石路堤。但有关规 范对填石路堤施工质量控制与检测涉及的条文也很少【2 4 2 6 】。赵久柄、冯忠居、张永清等 人对粗粒土的性质进行了较多的研究【2 7 3 2 1 。8 0 年代后期，随着我国高等级公路建设的发 展，有关人员对填石路堤展开了一些研究，并取得一定成果p 卜 j 。1 9 9 7 年，顾炳其、马 荣贵用瞬态冲击频谱分析法快速测定土路基压实度1 36 | 。1 9 9 8 年，交通部公路科学研究所 与内蒙古交通设计研究院等单位共同承担交通部科技项目“公路填石路堤压实标准与检测 方法”课题，通过对河北石太高速公路、山西太旧高速公路等工程实体进行工艺方面的研 究，建议采用冲击压实技术配合5 0 t 以上振动压路机施工保证工程质量。并通过灌沙法、 面波仪和压实计对压实质量的检测对比后认为：标定后的压实计在填石路堤的质量控制检 测中具有较好的效果【37 1 。1 9 9 9 年，李丕武、冷元宝、袁江华、郭庆国、将华安等研究了 填石体密度测定的附加质量法【3 8 3 9 1 。2 0 0 0 年，冯居忠、李玮、刘远征等在3 0 9 国道武涉 段通过对填石层厚度、颗粒粒径、压实功能等影响压实效果的因素进行分析，研究填石路 堤施工工艺【4 0 1 。2 0 0 1 年，辽宁交通科学研究所于晓飞在丹本高速公路上也对填石路堤施 工方法和质量控制进行了研列4 。徐立章、徐刚研究了基于便携式计算机的路基压实度 测定方法的实现【4 2 1 ，张润利、张俊杰则具体研究了振动压路机压实度连续检测仪1 4 引。可 以看出，填石路堤在我国建设数量在不断加大，研究内容有所发展，但仍然局限于压实工 艺和压实度检测两个主要方面，尤其是不能摆脱土基压实度概念的束缚，填石路堤压实质 量检测方法还缺乏实用价值。 此后，我国的高等级公路建设力度更加加大，建设范围从平原和沿海地区向山区扩展， 为填石路基的研究提供了工程实践背景和应用基础，推动填石路堤的理论研究和应用技术 的发展，研究内容也有较大的增多。科研人员开始从施工工艺和压实质量检测转向填石强 度形成原理、填石体本构模型、不均匀沉降产生机理和沉降预测模型、填石路堤稳定性和 填石路堤加固技术等内容。尤其是高填石路堤的出现，填石路堤的应力应变监控成为研究 填石路堤的重要内容。由于填石的强度、稳定性和沉降等影响填石路堤使用性能的指标受 到多种因素的影响，研究方法也从单纯的室内试验获取填石材料的物理力学性能参数和现 场压实工艺的研究发展到现场原位测试、反演分析方法获取材料的物理力学性能参数，以 及采用有限元法、有限解析法、有限积分法、无限元分析法等数值模拟方法来分析填石体 的应力应变规律等。 2 刘宇、刘大超、吕灿光通过室内振动试验获得填石体的最大干密度，对现场取样则用 振动台法测定相对湿密度后再测定含水量，计算填石体的干密度从而得到施工压实度以判 断施工压实质量【4 4 1 。郑治、漆光荣、陈礼彪等人认为填石路堤的压实工艺和检测手段以 及检测标准、粗粒土的压实特性、填石体的沉降、稳定性评价是填石路堤面临的主要难题， 并结合福建某高速公路( 填高4 8 m ) ，参考水利部门类似工程和经验研究了粗粒径石料 填筑高路堤修筑技术，建议采用沉降差控制填石施工质量【4 5 1 。但未对稳定性研究进行报 道。於永和、钟守宾通过现场试验和对高填石路堤压实机理、压实效果影响因素、施工工 艺和冲击压实技术提出最优碾压参数控制技术，并根据沉降观测结果提出采用“龚帕斯” 成长曲线预测高填石路堤工后沉斛瓠。丌。谭智军、郑健龙、周志刚则提出采用落锤式弯 沉仪检测填石路堤的压实质量，并采用土工格栅水平分层布置防止或减少细料在填料空隙 中的流动、改善填石路堤局部刚度的均匀性、提高路堤的承载能力和抵抗变形能力【4 引。 2 0 0 2 年，贾侃、闫从军、杨士敏等对振动碾压施工工艺进行了研究1 4 吼5 0 j 。研究认为：振 动压路机以1 8 t 左右为宜，过大的压实功能会破坏填石体结构。同时提出冲击压实效果 以及灌水法、f w d 、快速评判等质量检测方法有待进一步验证。其间，邓学欢、王太勇、 李青山、张献民、孙党生、李红英、李国占、赵建三、李亭等人研究了瑞雷波在土基或填 石路基压实质量检测中的应用1 5 1 喇j ，但研究结果并未达成共识。 2 0 0 5 年，于德阶、赵明华、赵江、吴建宁通过在高填石路堤模型上的密实度动测实 验，提出了用修正单模态法测试衰减系数评价压实效果的方法，并将修正单模态法与冲击 响应频谱法、动刚度法做了对比【5 5 】。试验结果表明：衰减系数基本能够反映路堤压实过 程中的平均沉降量。附加质量法操作简便，不损伤路堤，基本能够反映填石路堤压实后达 到的密度，比灌水法工作效率高，是一种快速的无损原位检测方法。邵腊庚、张志勇、李 闯民等人从填石材料结构角度进行分类，将填石材料分为骨架孔隙结构和悬浮密实结构进 行研究【5 6 - 。结果表明：对于骨架空隙结构采用固体体积率进行检测，对于悬浮密实结构 采用压实度检测；沉降量和沉降率控制是填石路堤质量控制中较好的方法；通过p f w d 测定动态模量测定得到碾压时的各种指标进行质量控制。在测定动态模量时在其上用细砂 找平，减少试验结果的离散性。表l 为部分填石路堤压实与检测方法的试验。从表l 可以 看出：填石路堤施工工艺比较复杂的，检测手段没有统一的标准，各种检测结果离散性大。 许多检测方法停留在试验阶段，其可靠性有待检验。 1 2 2 填石路堤稳定性分析 填石材料参数是填石路堤稳定性分析的基础，填石路堤的稳定性直接与填石材料的物 理力学参数、环境条件和荷载等因素有关。稳定性分析的物理力学参数的获得经历了从室 内试验发展到大型原位试验【57 j 以及通过现场位移等的监测反演分析的方法获得的过程。 稳定性分析考虑的因素也从较单一的应力场发展到多场耦合等复杂因素。 正如前面所述，早期的填石路堤设计大多是根据类似工程或经验而得。随着高填石路 堤数量的增加，其稳定性分析逐渐受到重视。2 0 0 2 年，谭智军、郑健龙、周志刚利用土 工合成材料综合处治填石路堤以满足填石体刚度均匀性防止局部失稳和提高填石体承载 能力，并对处治结构进行了有限元分析【4 引。2 0 0 3 年邓卫东研究了高路堤的稳定性，建议 表1 1 填石路堤压实与质量检测试验结果比较 t 曲l e1 1n ec o m p 撕s o no fc o m p a c t i o n 柚dq u a l i 哆d e t e c t i o ne x p e r i m e n to fr o c 娇1 le m b 锄k m e n t 采用大三轴仪试验获得稳定性分析的计算参数，路堤稳定性分析中要注意各种理论分析方 法的适用条件【5 8 1 。最后建议稳定性分析应对材料的结构性能和振动荷载作用下的路堤的 应力应变特征进行研究。张良用g e o s l o p e 软件对斜坡软弱土地基路堤的工程特性进行了 研究【5 9 】。黎莉、刘代全、刘晓明在阐述山区高填石路堤填料及其压实后工程力学特性的 基础上，结合潭邵高速公路的建设实践，从码砌边坡、内部填石、地基等方面就如何提高 填石路堤的稳定性进行了探讨1 6 。认为在设计、施工中可以通过把握好码砌层的厚度、 针对不同的地形地基采取不同的施工措施、控制高填石路堤的压实标准和质量检测方法， 加强地基勘察和处理等途径来提高填石路堤的稳定性。吴超凡则对浸水填石路堤设计稳定 性进行了探讨【6 1 】。2 0 0 4 年，王爱红、彭建国结合工程实践从工艺上分析了土工格栅对填 石路堤稳定性的影响【6 2 6 3 1 。邓英尔、刘慈群、黄润秋全面研究了多孔隙材料的渗流运动 规律畔】。曾革、郑俊杰在分析填石路基现行设计方法的基础上，从填石路基边坡码砌层 和内部填石的力学作用与力学特性出发，导出了填石路基稳定性计算公式，给出了计算参 数的选取方法，从而对码砌厚度、内部填石压实质量、地基承载力等因素对填石路基稳定 性的影响进行分析，建立了该类路基的稳定性设计方法【65 。陈华进行了交通荷载作用下 公路路基的动力有限元分卡斤i 吲。陈昌富、龚晓南将启发式蚁群算法引入高填石路堤稳定 性分析中为填石路堤稳定性分析开辟了新途径【67 1 。2 0 0 5 年，陈谦应、蒋树屏、柴贺军、 杨建国出版了山区公路路基稳定理论与实践一书，对边坡稳定性分析的常规方法进行 了详细阐述，对有限元、边界元、神经网络、灰色理论等概念进行了介绍，为研究边坡稳 定分析指明了方向l j 。先后有k i r s t e nh a d 、g i o d ag 、s a k u r a is 、w a s m o n g k o ln d e e s 、 s h i n i im 、李刚、李鹏、陈昌富、曹文贵等将岩土工程反演计算方法引入填石路堤填石体 本构模型参数进化计算【6 9 7 4 】。吴大志分析了高路堤的稳定性【75 1 。赵江分析了降雨条件下 路基中的渗流及对边坡稳定性的影响【7 6 1 。刘万忠、周志芳、丁继红、吴东浩、胡建平则 4 采用g e o s l o p e 对土石坝应力场渗流场耦合进行了模拟分析【7 7 可9 】。为了分析渗流作用下 的边坡稳定性，唐晓松应用p l a x i s 有限元程序采用有限元强度折减法，考虑渗流场与应 力场之间的相互耦合作用，并用a d i n a 和g e o s l o p e 程序进行了验算【即】。计算表明利用 p l a x i s 程序对渗流作用下的边坡稳定性进行分析是可行的，对渗流作用下的边坡稳定性 分析有极强的适用性，为考虑渗流作用的边坡稳定性分析提供新的数值模拟方法。严绍军 研究了降雨对滑坡稳定性影响瞄。 1 2 3 填石路堤沉降预测 地基沉降是土力学研究的主要课题之一【8 2 1 。究其原因是新的理论和技术尚不成熟， 理论分析需要与时间密切配合，沉降计算涉及到地表荷载、土中应力变形与固结计算以 及土体参数等许多环节。填石路堤的沉降预估是填石路堤面临的主要问题之一。在土基变 形或沉降降方面，国外针对地基或机场、隧道等工程进行了较多研究，包括粘土的非线性 本构模型、亚塑性本构模型、参数反演计算等【8 3 棚】。8 0 年代末以后是我国高速公路发展 比较迅速的时期，但大部分高速公路分布在沿海和平原地区。9 0 年代以来，我国沿海各 地对在软土地区修建高速公路开展沉降观测的比较多，如沪宁( 1 9 9 2 ) 、广深( 1 9 9 2 ) 、广佛 ( 1 9 9 0 ) 、杭雨( 1 9 9 2 ) 等，在软基路堤沉降观测方面积累了比较丰富的经验，加上各种沉降 分析降理论适合于饱和土或非饱和土，所以在土质路基沉降预测方面取得了较为令人满意 的效剁旺1 13 1 。然而，由于填石体本构模型的复杂性，各种沉降预测理论在应用于填石体 沉降预测时遇到了困难。尽管科研人员在填石路堤的沉降预测方面作出了努力，但相关成 果报道却不多。 2 0 0 2 年，黎莉、赵明华、刘小明通过观测地表和填石体中两块沉降板的沉降差异发 现在给定的填石高度和压实工艺条件下，填石体处于弹性工作状态，本身能承受路面和车 辆荷载产生的应力n 1 4 1 。钟守宾、赵明华h 7 3 提出基于反分析方法的填石路堤工期沉降预测 方法。曹喜仁、钟守宾、淤永和、黎莉则以分层总和法为基础，分别对路基和填石路堤进 行了沉降分析与计算，借助依托工程的沉降观测资料，提出了高填石路堤工后沉降的工程 计算方法吼1 1 们。2 0 0 3 年吴大志根据实测数据运用灰色理论、人工神经网络以及曲线拟合 法来预测土基沉降发现g m ( 1 ，1 ) 模型与实测曲线吻合良好。当原始沉降序列时距不等 时，可以建立g m ( 1 ，1 ) 修正模型预测沉降盯5 1 。梁军、刘汉龙、高玉峰研究填石料的蠕 变特征用来预估高填石坝工后剩余沉降量，并就填石体颗粒的破碎特征进行了研究n 0 4 1 7 1 。 2 0 0 5 年，彭建国、刘小明、刘江波采用水管式沉降仪、剖面沉降仪等方法对常张高速公 路沉降变形进行观测，分析填石路堤在自身荷载作用下的变形规律。赵明华、刘江波、余 颜对利用沉降观测资料预测填石路堤沉降模型进行改进，利用组合预测思想提出采用双曲 线、指数曲线、时间平方根曲线等多种常规预测模型进行变权重组合的方法预测高填石路 堤的沉降发展规律，结果表明该预测模型比任一单项模型都具有明显的优越性n 1 引。沈珠 江、蔡新、成峰、杨建贵、王勇、程展林、丁红顺、李国英、米占宽、朱元林等对堆石料 的流变特性进行了研究，分析了堆石料流变的影响因素n 1 9 1 州。朱合华、叶斌1 1 2 5 j 通过干燥 和饱水两种状态下岩石蠕变试验结果的对比，探讨了岩石蠕变受含水状态影响的规律性。 龚选平就泥质粉砂岩在含水率影响下的力学行为进行了研究i l 删。 此外，c h e n gz h 、z h a n gj b 、 z h ua n 、 b a r t o 订f 、p h i l i p p yr 、黄冠华、詹卫华、 冯杰、郝振纯等将分形理论用来研究土壤颗粒结构【1 2 7 1 3 0 】。杨更社、王谦源、张清、杨群 等研究了破碎体的分形特征1 1 1 圳。 综上所述，对填石路堤工程特性的研究主要包括压实质量控制与检测、沉降预测和稳 定性分析。虽然许多科研工作者作了大量努力，也取得了不少研究成果。但他们的研究主 要是针对平坦地形上填石路堤提出的，填石路堤的高度也较小，填石材料来源为路堑开挖 和隧道开挖的弃填石土石混填，或者是高度较大的土质或斜坡上的土质而提出的；在研究 内容上主要集中在填石压实质量检测手段的改进；在研究方法上仍然采用传统的级配、粒 径等概念，研究过程中多是针对单一因素或因素的简单组合而进行的。因此，有必要研究 填石体的分形结构特征，从填石路堤强度形成机理和压实机理出发，研究陡坡上填石路堤 在复杂渗流场、动荷载、边界条件、新材料加固等多因素作用下的稳定性和沉降预测理论 及其应用技术，为山区公路建设提供理论支持和技术保障。 1 3 主要研究内容和方法 结合沪蓉西高速公路干沟填石路堤，通过材料基本性能的室内试验、现场试验和监测、 理论分析和数值模拟进行以下几方面的研究： ( 1 ) 填石材料的物理力学特性研究。在前人研究成果的基础上对填石材料的强度特 性和变形特性进行系统总结。通过填石材料粒度组成分形特征研究，引入分维数评价填石 材料的粒度组成，为评价填石材料的级配组成提供新方法。通过理论研究，分析填石材料 超粒径颗粒质量百分数与其最大干密度的关系，为填石路堤压实度计算提供新的方法。通 过建立填石路堤振动压路机力学系统，并经现场试验进一步验证低频高幅振动压路机有 利于填石路堤的压实； ( 2 ) 陡坡上高填石路堤稳定性研究。基于极限平衡理论，运用4 种不同的稳定性计 算方法，以g e o s l o p e 软件为工具，选择填石路堤的典型断面进行稳定性计算，研究地面 坡度、路堤高度、水位变化、土工格栅、填筑过程等因素对填石路堤整体稳定性的影响规 律，并根据监测结果对理论分析进行验证，然后提出高填石路堤稳定性设计建议； ( 3 ) 陡坡上高填石路堤沉降规律研究。基于填石材料变形特征提出填石材料沉降与 不均匀沉降机理，以及填石路堤的时空变化特征。通过现场监控实测数据，运用龚帕斯成 长曲线模型对高填石路堤沉降进行预测，并以后期观测数据对模型进行验证，从而得到高 填石路堤沉降变形规律和建立高填石路堤工后沉降预测模型； ( 4 ) 陡坡上填石路堤应力场应变场研究。通过有限元计算对高填石路堤受力变形规 律，以及高填石路堤受力和变形关键位置进行系统研究。 ( 5 ) 填石路堤压实质量检测方法和标准研究。通过压实工艺试验确定压实工艺和质 量检测标准，根据现场监测结果对施工工艺和质量检测标准进行验证，确定合适的压实质 量检测方法和标准； 6 2 填石材料的物理力学特性 2 1 路基土的分类与填石路堤 在公路土工试验规程( j t j0 51 9 3 ) 中，土根据颗粒组成、塑性指数、有机质等指 标分为巨粒组、粗粒组和细粒组。再根据土中各粒组的含量将土分为巨粒土、粗粒土、细 粒土和特殊土。我国的巨粒土通常分为三种：1 ) 若土中巨粒组含量超过总质量的5 0 ， 此时巨粒组在土中起骨架作用，决定土性状，称为巨粒土。其中当巨粒组质量多于7 5 时，它们在土中所占的体积超过2 3 ，形成的骨架对土的性状起决定作用，这类土称为漂 ( 卵) 石。若巨粒组质量为7 5 5 0 时，巨粒起主要作用，但土料的影响不容忽视，此时 称为漂( 卵) 石夹土。2 ) 若土中巨粒组含量为总质量的1 5 5 0 时，土占优势，这时巨粒 部分起骨架作用，较细部分起充填作用，称为漂( 卵) 石质土。3 ) 土中巨粒组含量少于总质 量的1 5 时，巨粒体积不足试样总体积的1 0 ，在土中零星分布，对土的性状没有明显 影响，则应扣除巨粒后按粗粒土、细粒土相应规定分类。 公路路基设计规范( j t g d 3 0 _ - 2 0 0 4 ) 、公路路基施工技术规范( j t gf l o 一2 0 0 6 ) 将粒径大于4 0 m m 且含量超过总质量7 0 的石料填筑的路堤称为填石路堤。填 石路堤材料粗粒料含量大，其压实特性、力学特性等基本性质由填料中的粗粒部分决定。 石料含量占总质量3 0 7 0 的土石混合材料修筑的路堤称为土石路堤。土石路堤的填料 主要来源于天然巨粒土，即其中粒径大于2 0 0 m m 的颗粒超过总质量5 0 的漂石土、块石 土。当混合料中巨粒土含量多于7 0 时，其压实作业接近于填石路堤。当混合料中巨粒 土含量低于5 0 时，其压实作业接近于填土路堤。 2 2 填石材料的物理状态 路堤填石材料( 以下简称为填石材料) 是由2 3 个数量级几何尺寸的单粒结构的颗 粒所构成的散体介质。大颗粒形成骨架，小颗粒填充于大颗粒之间的空隙。颗粒间的联结