（水工结构工程专业论文）岩堆路基压实特性的试验研究及岩堆工程分级初步探讨.pdf

摘要 岩堆主要分布在我国山岭地区，随着山区道路的兴建，工程技术人员常会碰 到由岩堆地质造成的边坡滑塌，路基沉陷等问题。实践证明，过去遇到岩堆时采 取的绕避措施，在如今的高速公路修建中不再适用，因为高速公路有一定的线型 要求不能任意修改路线，并且岩堆在山区也是一种较普遍的地质现象，无法回避。 所以研究岩堆工程特性提出合理的施工措施，是亟待解决的问题。岩堆的特殊性 源于它的生成方式崩塌，本文以水麻高速公路为依托，通过现场勘察、收集 样本、试验研究等方法，从岩堆的生成发展过程入手，结合道路工程的特点对岩 堆的工程特性、压实特性以及工程分级进行了系统的分析和研究，得到了岩堆的 压实规律和工程分级的控制指标。本文的主要研究工作如下： 1 根据已有的岩堆资料，结合巨粒土、粗粒土的研究方法和思路，分析研究 了岩堆的颗粒粒径、租粒含量、含水量、细粒性质、压实方法等因素对工程特性 的影响，为岩堆路基的压实特性研究提供了理论依据。 2 对现场采集的岩堆样本颗粒组成特性作分析，找出代表性级配，并采用等 量替代法处理超径颗粒，为下一步的试验研究作准备。 3 根据粘性岩堆和无粘性岩堆的物理力学特性，对两种岩堆分别采用击实法 和振动法进行室内压实试验研究。通过压实试验、直剪试验、离心模型试验，现 场密度测试试验和弯沉试验，分析研究了两种岩堆的压实特性，提出了适合各自 特点的现场压实方法和压实质量控制参数及指标：粘性岩堆路基和无粘性岩堆路 基可分别采用压实度和相对压实度作为压实质量控制指标。 4 在上述研究的基础上，选取对岩堆工程特性影响明显的因素，根据各自的 重要程度，确定其在分级综合指标中的影响系数，初步提出岩堆工程分级的依据 和方法，并结合云南省水麻高速公路区的岩堆地质情况，对该工程区的岩堆进行 了初步分级。 关键词：岩堆；级配；岩堆路基；压实特性；工程分级 a b s t r a c t r o c kh e a pi sm a i n l yd i s t r i b u t e di nm o 吼t a i l l o l l sr e g i i i lo i l rc o 岫勃够a l o r 培w i t h 也er o a dc o n s t n i c t i o ni nm a 啪t a i n o i l s 甜e a ，跖g i n e e 塔缸dt c c h n i c i a n so f t f o u n dt h e p m b l e l i l ss u c h 鹳s l i d i n gc o l l a p s eo fs i d es l o p e 觚ds e d i i l l 髓t a t i o no ff o m a t i o n u s e d b yr o c kl l e a p a c c o r d i n gt ot h ec e r t m c a t i o nb yp r a c t i c e ，t h em e 嬲u r eo fa v o i d a n c ei so f u s ei nm o d 咖e x p 陀s s w a yc 咄仇l c t i o nb e c a 璐et h er o u t eo fe x p r e s s w a yi sn o t a l l o w e dc h 鲫g e d 柚dr o c kh e 印i sag e o l o 垂c a lp h c n o m 钮o no f w i d ed i s t r i b u t i o n i n m o 叻t a i n o i l sr e 舀o n s o 咖d y i n gt h ee n g i n e e r i n gc h a m c 衄i s t i co ft h er o c kh e a p 锄d p mf o 唧a r d m e 够o n a b l ec o 璐饥l c t i o nm e 弱u r ei st oap r o b l 锄b es o l v e d t h e p a n i c u l a 订t ) rd fr o c kh e a pi 8c 硼】s e db yi 协a p p r o a c ht og e n e 豫t e ：s l i d e b e g 岫j 工1 9w i t h 也ep r o 伊e s so fg e n e 豫t i o n ，c o n s i d e r i n gt t l ef e a t u r c so f r o a de n g i i l e e 咖ga n d r e l y i i l go n s h u i - m ae x p r e s s w a y ，m i sp a p e r 雒a 1 ) r z et l l ee n g i n e 甜n gc h 眦l c t 甜s t i c s ，t l l ec o m p a c t i o n c h a r a c s t i c s 如d 朋g i n r i l l gc l a s s m c a t i o nb ym ew a y o fo n - t h e s p o ti n v e s t i g a d ， c o l l e c t i i l gt h es 枷p l e s 锄d 旺p e r i m c n tw eg e tt l l er c g l l l a t i o n0 fc o m p a c t i 趾dt l l e g u i d e p o s t so f e n g i n e e r i i 培c l a s s i f i c a t i o na ti t t h ep a p 盯i n c l u d e s ： 1 a c c o r d i n gt 0t h e w eh a v cg 鸭m ep a p e r 觚a l y z e st l l ea 债c t i o n 衄 曲g i n e 喇岵c h 甜a c t 喇s t i c so f r o c kh e a po f t h ef 缸t o r ss u c h 勰伊a ms i z e ，c o a r s e 舶c t i ， m o i s t l l r cc o n t e n t ，f i n ep a r t i c l en 岫，c o m p a c c i o nm e t h o d 觚ds o 吼，i nt h er e s e a “i h w a yo fc o a r s e 一伊a i l l e ds o i la n de v e i lc o a r s e g r a i l l c ds o i l ，锄dp r o v i d e st 量l et l l e o r e t i c a l f 曲n d a t i o nf o r 也e 碍s e a r c ho f m ec o m p a c | i c h 撇r i s t i co f m er o c kh e a pf 幽咀a t i 2 a 础1 1 y z i i l gt l l ec o m p o s i t i o nc h a 糟c t e r i s t i c so fs a m p l e 孕a i no f r o c kh e 印，f 妯d i l l g m e r 印r e s 锄t a t i v e 舯d u a t i 缸dd e a l i n gw i 血o v 哪i z eg r a i l lb ye q u i v a l e n tr 叩l a c 锄如t m e t l l o dp r e p a r ef o rf i l r m e rs t l l d i 3 i nr c s p s et ot h ec h 撇r i s t i c so fv i s c o l l sr o c kh e 印觚dc o h e s i 一l e s sr o c k h e a p ，w em a ：k ee 】( p e r i m e n t si n d o o ri nt l l ew a yo fc o m p a c “o n 锄dv i b r a t i o n m1 1 1 ew a y o fc 伽p a c t i e x p 咖衄t ，d i 代c tc u t e x p e r i l e n t ，d i r e c ts h e a rt c s t ，o n t h e s p o td e n s i t y t e s t 趾dl o c a le l 鹅t i cd c f o r n l a l i o ne x p 幽e n tw e 黝l y z et h ec o m p a c t i o nc h a r a 鼬e r i s t i c s o f 也锄a n dp u tf o n v a r do n - 也e - s p o tc o m p a c t i o nm e t h o d ，咖仃o lp 猢c t e r s 锄d i n d i c a t o 稻s u i t e dt ot h e m s e l v e s ：v i s c o u sr o c kh e 印r o a d b e da i l d h e s i o n l e s sr o c kh e a p r o a d b e dd i s t i n g i l i s h i n g i yh a v et h ed c 伊e eo fc o m p a c t i o na n d 他l a t i v ec 砌p a c t i o n 站t l l e c o n l 1 m d i c a t o r so f c o m p a c t i o nq u a l i 哆 4 o nt h ea b o v ef 曲n d a t i o fr e s e a r c h ，s e a r c h i l l gf o rt h e 硎t i c a lf a c t o 侣t l l a t i i l f l u e i i c et h ee n g i n e e r i n gc h 矾c t e l 噎s t i c 印p a r e n t l y ，a c c o r d i i l gt ot l l e i ro w ni i i l p o r t 锄c e l e v e l ，t h ep 印e rd e t e m i i l e st 1 1 e i ro w ni n n u c ef i l l l c t i o n s 柚dp u t sf o n v a r dt l l e 嘶咖 a a l l dm e a s l l r eo f g i n e e 凼gc l a s s i f i c a t i o f r o c kh e 印mt h ec l l d ，j nc o m b i n 砒i o nw i l h t t l eg e o l o g i c a lc h 越矗c r i s t i c so fs h u i - m ae x p r e s s w 8 yi ny 岫觚p r o v i n c e ，t l l ep a p 盯 c l 勰s i 矗船t h er o c kh e a pi nt 1 1 i sd i s t r i c t 埘m a r i l y k e yw o r d s ：r o c kh e a p ；尉l d l l a t i 明；r o a d b e do f r o c kh e a p ；c o m p 洳c h 蹦啪喇s t i c ； 髓g i i l e e r i n gc l 船s i f i c a t i 重庆交通大学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，独立进行研究工作所 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 表或撰写过的作品成果。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 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 姗签名懈匝 日期： 细年3 月如日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，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。 一签懈陉：鲐 日期：己啊年3 月3 d 日日期：乙呵年4 月f 日 第1 章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出和研究意义 为了西部大开发战略和“十一五”地区协调发展计划的顺利实施，近年来国 家把经济建设的重心逐渐向西部转移。要发展西部经济，道路交通建设是必须先 期解决的问题。交通部制定的国家高速公路网规划提出加快西部地区公路建 设的三阶段目标：一是用5 到1 0 年时间使西部地区交通基础设施明显改善，为国 家西部大开发战略的实施创造比较有力的交通条件：二是再用1 0 年左右时间，即 到2 0 2 0 年初步建成西部地区公路骨架网络：三是再用3 0 年左右时间，即到2 1 世 纪中叶建成现代化公路运输网络“1 。在这一过程中，西部的公路建设者们遇到了各 种具有地域特色的工程地质问题，岩堆地质就是其中的一个。岩堆在我国丘陵地 区广有分布，在陡峭险峻的山坡坡脚常发育有连成片的岩堆，有时延绵几十公里， 厚度数十厘米至数十米不等，比如青藏高原的主要地貌特征之一就是岩堆地貌嗍。 在山区，常会发生山体岩石大量地、突然性地下落现象崩塌，崩塌发生 后的堆积在山脚的崩积物就是岩堆，有些书上也称之为倒石堆。卅。所以，新生成 的岩堆是与其他坡积物不同，它是由大量不同粒径、不同形状的颗粒以不同的排 列方式组成的堆积体，粒级范围宽、结构松散，其主要成分是岩块和岩石碎屑。 以水麻高速公路区的岩堆为例”，其颗粒粒径从o 0 0 2 m m 到3 8 m 的都有，按有 关规范的粒组划分和物理性状看，岩堆在结构和成分组成上与现己划定的巨粒土、 粗粒土有相似之处。因此在本质上说是不均匀，不连续的，其物理力学性质复杂， 目前只能按照连续介质理论，建立弹塑性模型进行分析。 在岩堆地区筑路，以往也遇到过，主要是铁路，后来公路上遇到岩堆地质都 是参考岩堆地区铁路建设的经验，但是入们般都扶工程施工和养护的角度着手 处理，并没有从理论上对岩堆的物理力学特性和压实特性作深入的研究和了解。 岩堆既是一种工程地质环境，也可以作为工程填筑材料。当它作为路基基础时， 如何控制现场压实质量、满足设计要求，已成为目前岩堆地区工程建设中亟待解 决的问题。而岩堆的工程分级，根据现有资料显示，这方面的工作做得不多，所 以岩堆地区的工程在设计和施工上缺乏统一的、可参考的技术标准。 要想把岩堆的物理力学特性与工程特点相结合的研究成果用于工程实际，就 必须找到合理可行的参数或指标，对它进行工程分级，为今后岩堆地区的工程建 设服务。本文以云南省水( 水户) 麻( 麻柳湾) 高速公路项目为依托，研究岩堆 地区路基的压实特性和岩堆的工程分级。 第l 章绪论2 1 2 国内外研究现状 1 2 1 岩堆的研究现状 在上个世纪三十至四十年代以前，全世界的文献中只有一些片断资料把岩堆 当作风化或剥蚀循环过程中的一种自然现象来概略地加以叙述。关于岩堆问题的 记载在地质学、工程地质学、水文地质学、水成岩岩石学等书中，仅有一点笔墨， 而且大都是把岩堆列入坡积物或崩坍的范畴，并把它和一系列的其他大陆形成物 一起来研究。最早从事岩堆研究的是前苏联的地质学家c r 维什那科夫。 从1 9 3 6 年起，苏联内务部公路总局责成道路科学研究院研究“滑坡与岩堆地 区路基的修筑”问题。经过r _ 杜别里尔教授、h ，马留科夫教授和b r 科尔聂耶夫讲师组成的工作队历时多年的研究，苏联铁道出版社在1 9 4 8 年出版了 他们的研究成果滑坡与岩堆地区的路基工程叫，1 9 5 8 年中国人民交通出版社 出版了它的中文版。书中涉及到岩堆的一些工程地质问题，包括对岩堆自然条件 的详细的描述( 这在文献中还是第一次) 以及苏联公路机关在岩堆地区修筑与养 护路基的经验。 在我国，铁道工程师最先碰到并注意岩堆的工程地质问题。人民铁道出版社 在1 9 6 2 年出版了王继光编写的地质学及水文地质学”，文中提到从我国铁路 设计和施工部门关于岩堆这方面的总结文献看，主要是提供了处理方法和养护措 施，而对于构成岩堆的具体条件以及产生各种病害的原因只作了初步的分析； 在1 9 7 5 年出版的铁道部科研院西北研究所主编的滑坡防治“”中提到，受基岩 面的产状和岩堆体的结构组成等因素的影响，在岩堆体内部会产生滑动面，引起 岩堆滑坡；在1 9 7 8 年出版的铁路工程设计技术手册路基，其中第四篇特殊 条件下路基1 和1 9 9 2 年版的路基中“4 ，都介绍了岩堆的工程地质特性和岩 堆地区线路的勘测和施工、养护的技术要点。近年来，随着山区道路建设的发展， 公路部门的工程师也开始和岩堆地质打交道，人民交通出版社在1 9 9 2 年出版的李 斌主编的公路工程地质o ”、1 9 9 4 年出版的由路桥集团第二公路工程局主编的 路基“”、1 9 9 6 年出版的由交通部第二公路勘察设计院主编的公路设计手册路 基“。、2 0 0 2 年出版的由孙家驷，李松青编著的道路设计资料集( 3 ) “”和2 0 0 3 年出版的公路施工手册路基“7 1 等著作里，都提到岩堆地质，但都没有从理论 上作进一步的探索。从1 9 4 9 年到2 0 0 6 年，国内没有针对岩堆问题的专项研究。 1 2 2 岩堆路基的压实特性研究 岩堆颗粒粒级范围宽，根据我国公路土工试验规程( j t j0 5 l 一9 3 ) “”对 土的工程分类标准，岩堆的粒径包括了巨粒组、粗粒组和细粒组，从成分组成和 物理性状看，岩堆和巨粒土、粗粒土有相似之处，所以，在一定条件下，岩堆体 可能是巨粒土，也可能是粗粒土或者是巨粒土、粗粒土甚至还有细粒土的混合物； 第1 章绪论 3 又根据岩堆含石量的不同，岩堆路基又有三种类型：土质路基、土石路基和填石 路堤。 虽然目前专门针对岩堆路基的压实特性研究并不多，但是国内外对粗、巨粒 土这类填料有一定的研究；国外对粗粒土的工程特性研究的相对较早，从室内到 现场都进行了一系列较全面的研究。”“1 ，为后来我国大粒径土的研究提供了参考 。”；国内公路工程界把路基填料中含有一定量石质颗粒的土统称为土石混合料， 而有关土石混合料目前还没有明确统一的定义，但按我国公路工程土分类标准“， 土石混合料应该是泛指巨粒土与粗粒土，含石量为1 5 1 0 0 。因此可以借鉴现有 的相关研究方法和理论来分析岩堆路基的压实特性。 路基是道路结构中最重要的部分，路基的工程质量将直接影响路面结构的使 用功能，现场控制路基压实效果的主要指标是相对压实度，归根结底是用压实干 密度来控制。影响压实效果的因素有很多，在这方面，许多专家和学者有较一致 的看法”： ( 1 ) 填料的性质。不同土质的压实性能差别较大，一般来说非粘性土的压实 效果较好，而且最佳含水量较小、最大干密度较大，在静力作用下，压缩性较小， 在动力作用下，特别是在振动作用下很容易被压实；而粘质土的压实效果较差， 分散的细土颗粒比表面大、粘聚力大、土粒表面水膜需水量大，最佳含水量偏高， 而最大干密度反而偏小。 ( 2 ) 填料的含水量。任何土体在不同的湿度下，用同样压实功能来挤压，将 获得不同的密实度和不同的强度。在一定功能的压实作用下，含水量的变化会导 致土的干密度随之变化，在某一含水量( 最佳含水量) 下，干密度达到最大值( 最 大干密度) 。不同填料的最佳含水量大小不同，一般地土体在天然状态下的含水量 与最佳含水量比较接近。图1 1 中的曲线2 是经典的击实试验曲线，反映了干密 度随含水量变化的趋势。 图1 1 干密度和含水量关系图 ( 3 ) 压实功能。压实功能是由碾压( 或锤击) 的次数及单位压力p ( 荷重) 所决定的。若在一定限度内增加压实功能，则可降低含水量，提高最佳密实度。 第1 章绪论4 填料在不同压实功能作用下的压实性质，是决定压实工作量和选择机具及施工方 案的依据。对任何一种填料来说，当压实密度超过某一限值时，要继续提高它的 密实度，就需要增加很大的压实功能，但过分大的压实功能不仅不能使密实度大 幅增加，反而会使局部土压超过土的极限强度，而导致土体破坏。 ( 4 ) 碾压机具和方法。压实机具和方法对压实的影响反映在以下几个方面： 压实机具不同，压力传布的有效深度也不同。一般地，夯击式机具的压力传布 最深，振动式次之，碾压式最浅。压实机具的质量较小时，碾压遍数越多( 即 时间越长) 填料的密实度越高，但超过一定的密实度后，增加压实遍数则只能引 起弹性变形，而不能进一步提高密实度；压实机具较重时，填料的密实度随碾压 遍数增加而迅速增加，达到某一极限后，填料的变形将急剧增加而达到破坏，机 具过重甚至超过填料的强度极限时，也会立即引起土体的破坏。碾压速度越高， 压实效果越差。应力作用速度越高，变形量越小，填料的粘性越大，影响就越显 著。 交通部重庆公路研究所的陈谦应阱1 根据水电部土工试验规程( s d f l 2 8 8 7 ) 进行了5 0 组的大型击实试验，来探索含石量、粗粒大小对最大干密度的影响程度 及其变化规律。所用材料将粗粒最小粒径定为d = 5 m ，粗粒含量采用即1 0 个级 别，粗粒最大粒径采用5 个等级，得到的主要成果如下：土石混合料最大干密 度随含石量p 的变化而变化，当随含石量的增加而增至最大值后，又随含石量p 的继续增加而减小，最大值处含五量为7 0 一8 0 ：在含石量一定的情况下，粗粒 粒径愈大，混合料的最大干密度也越大：当混合料在最大干密度时，混合料中 细粒土密度随含石量p 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；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 和细粒土的最佳含水量接近。 云南省公路科学技术研究所的武明1 也参照水电部s d f l 2 8 8 7 规程，以安楚 试验路的土石混合料为原料，进行了室内大型击实试验，试件尺寸为中3 0 0 2 8 7 5 唧，设备允许最大粒径为6 0 衄，对超径颗粒按等重量替代法处理，所得结论为： 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，粗粒在士中未形成骨架，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 而小于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。 第1 章绪论5 西安公路研究所的王正良“”在强度方面得出了相应的结论：当砾石含量由0 9 6 增到5 0 时，干容重与砾石含量呈良好的直线关系，但当5 哪以上颗粒含量小于 4 0 时，弹性模量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，且含水量对弹性模量的影响非常小。 上述对土石混合料压实特性的研究中，均从粗粒的最大粒径和百分含量入手， 通过大型击实试验，取得了一些共性的成果，但上述研究成果中最大干密度的确 定还都是采用击实法，这与施工中对土石混合料的压实是振动压实相矛盾。本文 在研究过程中，将分情况采用不同的试验手段研究岩堆路基的压实特性。 1 2 3 岩堆工程分级的研究 现有资料显示，目前还没有专门的适用于工程应用的岩堆工程分级方法或标 准，人们根据岩堆生成的自然条件和物理力学堆对其分类或归纳“”，下面作简要 的介绍。 一、根据岩堆在平面上的轮廓和岩堆表面的形状，可把岩堆分为六种( 见图1 2 ) ： 1己 3 图1 2 平面图上岩堆的基本形式 1 楔形岩堆 这种岩堆是槽形小冲沟内的一种狭长的岩堆，其主要供给区在沟顶，山洪经常回 造成这种岩堆并且在末端通常回形成三角形的冲积堆。 2 三角形岩堆 这类岩堆呈三角形，是自然界中最常见的形式。经常碰到的为等腰三角形和 等边三角形的岩堆。堆积的崩解产物来自顶部及两旁。形成岩堆的碎块有些是沿 着一条狭窄的沟道滚来的，其搬运情形与形成冲积锥对相似。此类岩堆的表面经 常是凸起的。 3 舌形岩堆 第1 章绪论 顶部呈半圆形，其长度超过宽度很多，供给区为顶部及两侧。此类岩堆在陡 坡之间的狭长冲沟下最为常见。 4 圆形岩堆 这种岩堆成半圆形，长度和宽度大致相同。主要供给区在顶部。 5 梨形岩堆 中部宽，由上往下，逐渐狭小，有如隘口。 6 梯形或裙式岩堆 呈连续的带状，与坡脚相毗连并沿坡脚延伸一相当长的距离。供给区一定是 顶部。此类岩堆分布很广，并往往由好几个岩堆回合而成。 这六种主要的岩堆还具有一些中间形式。并由于伸出长短、宽度大小的不同 往往使得岩堆的类型大为复杂。 二、岩堆的表面坡度多接近于其组成物质在比较干燥状态下的天然安息角， 安息角的大小与岩堆体中石块的大小、形状、岩石成分及表面特点有关。安息角 之值一般介于3 0 4 0 。之间，在少数情况下也可能大于或小于这一数字。 表1 1 不同粒径岩块构成的岩堆天然坡度参考值 岩堆构成碎屑岩堆碎石岩堆石块岩堆人石岩堆 岩块一般粒径 2 0 ( c m ) 一 天然坡度l ：1 5 l ：2 。1 ：1 - 2 5 1 ：1 51 ：1 ，2 1 ：1 3 31 ：卜1 ：1 r 2 表1 2各种岩石组成的岩堆安息角 j 编号 123 4 56789加 石灰质密实密实云母l l 嘉磊 页岩花岗岩石灰岩砂页岩片麻岩砂岩 砂岩砂岩灰岩片岩1 f 岩堆3 4 3 2 3 2 3 2 3 2 ，。d | 安息角 3 8 03 7 。3 5 。3 4 。 3 5 03 6 5 03 6 5 。3 4 5 。3 3 。 表1 3不同组成成分的岩堆安息角 岩堆安息角 序号 岩堆成分 最小最大平均 l 砂岩、页岩( 山砾、碎石、混有岩块的粘_ 十) 2 5 。4 2 03 5 。 2 砂岩( 岩块、碎石、山砾) 2 6 0 4 0 。 3 2 。 3 砂岩( 岩块、碎石) 2 7 。3 9 。3 3 0 14 页岩 2 9 04 3 03 8 。 5 石灰岩( 碎石、粘土) 2 7 。4 5 。3 4 。 6 页岩( 山砾、碎石、粘土) 3 6 。 4 3 。 3 8 。 从表l 1 可看出岩块的大小可以影响岩堆的整体形态；表1 2 说明了表面 第1 章绪论 粗糙而棱角不规则的石块所形成的角度要比表面平整而成板状的石块( 如云母片 岩、千枚岩等等) 所形成的角度陡一些：表1 3 则说明了不同成分的岩堆的最大 安息角出现在其顶部，这是因为顶部的碎落物中粘土含得较多，角度最平缓得是 岩堆的底部，大块岩石能够滚动到这里。所以a 。皮沃尔瓦。3 认为：与其说安息角 的大小与石块的大小有关，还不如说它与石块的形状和表面粗糙程度有关。表1 4 是我国工程师根据多年的筑路经验拟出的岩堆地区路堑边坡坡度参考值。 表1 4 岩堆地区路堑边坡参考值 碎石被小颗粒包围 碎石问尚能接触 一般堆 岩堆情况不含杂质的碎石 互不接触 中间夹有亚粘土积层 山区的堆 在平坦地小颗粒为小颗粒为 小颗粒为 条件说明区、已压 砂，无粘 亚粘土或 亚牯土或碎石有棱角 积层 实结力粘土粘土 1 ：l 1 ： 1 ：o 7 5 1 ：17 5 大于 边坡坡度1 ：1 51 ：1 2 5l ：1 5 1 2 5l ：i1 ：2l ：1 5 三、根据岩堆的生成发展阶段，把它作如下分类( 表l 一5 ) ： 四、岩堆的稳定性问题 岩堆分类还不足以应付工程中碰到的岩堆地质问题，在岩堆地区修路，路基 稳定石必须解决的问题，所以岩堆的稳定性评价对公路选线和路基设计施工都很 重要。 岩堆床的稳定形态一般分为三种：第一种石不够稳定，极易产生整体滑动； 第二种是较稳定；第三种是稳定。这三种稳定状态对应岩堆发展的三个阶段： 第一阶段强烈活动阶段：经常有岩块、碎屑由母岩崩解碎落下来，岩堆坡面 疏松，处于极限平衡状态，没有植物生长，坡面不稳定，人畜行走亦 很危险。这样的岩堆处于第一种状态。 第二阶段发育迟缓阶段：此时的岩堆一般是在暴风骤雨后有落石现象，但不 严重。坡面被草和灌木覆盖，基本上处于稳定状态，一般可在岩堆上 修筑路基。这样的岩堆处于第二种状态。 第三阶段静止稳定阶段：一般为吉老的岩堆，坡面经自然的剥蚀和搬运后， 比较平缓。由于长期的自重压密，岩堆体比较密实，表层丛生草木、 灌木林，甚至被垦为田地，已呈静止稳定状态，这种岩堆地区可修筑 路基，这样的岩堆处于第三种状态。 c r 维什那科夫”1 认为，就理论上来说，任何岩石：火成岩、变质岩和水成 岩( 除质松软者外) ，在一定的地形和气候条件下都可以形成岩堆和崩塌的。但 岩堆在易风化岩石( 如粘土页岩、云母片岩、千枚岩、泥灰岩、石灰岩、白云岩 第1 章绪论 8 和砂岩等) 的地区内分布最广。所以岩堆中石块的岩性在岩堆体稳定性中发挥重 要作用。比如石灰岩、砂岩岩堆的岩块，质地坚硬，棱角粗糙，律擦系数大，渗 水性强，故其稳定性较好；玄武岩、页岩与砂岩、砂岩与页岩岩堆的稳定性则次 之i 页岩、那汇演岩堆的岩块，质地疏松，含粘土粒较多，摩擦系数小，渗水性 弱，遇水极易软化，在雨季中极易产生坍滑现象，稳定性较差。 表1 5岩堆的生成发展阶段 分类依据划分类型岩堆特点 岩堆物质主要莱源予崩塌，岩块粗人。一次崩塌形成的 崩塌型岩堆岩堆无斜层理，稳定性好多次崩塌形成的岩堆有斜层 理，稳定性较差。 落石型岩堆 岩堆物质主要来源于落石，岩块较大、渗透性好、无斜 按生成方式分层理、稳定性好。 岩堆物质主要来源于碎落，岩块较小、渗透性好、无斜 碎落型岩堆 层理、稳定性好。 岩堆物质由崩塌、落石、碎落、坡面泥流等方式混合供 混合型岩堆 给，其特点介于上述三者之间 山坡基岩裸露，坡面参若不齐，有新崩塌痕迹，常有落 石和碎落。岩堆坡面为直线型，坡脚近于安息角；坡面 正在发展的岩堆无草木生长或仅有稀少的杂草，堆积的石块大部分演的 新鲜，有的石块停积在坡面上，个别石块滚至坡脚外， 岩堆表层松软。 岩堆上方的基岩大部分已稳定，具有平顺的轮廓，仅有 个别的落石和碎落。坡面大部分己生长杂草或灌木，岩 堆的石块大部分颜色暗淡，仅个别地方有颜色新鲜的石 按发展阶段分块零散分布。石块停滞在草木之间，愈往外愈稀疏。岩 趋于稳定的岩堆 堆上部坡度渐陡，对体向上延伸，坡面线趋于凹形，岩 堆内部结构密实或中等密实，但表层还是松散的。由于 草木生长已不致散落，岩堆坡面上部的坡度常稍陡于其 天然安息角。 岩堆上方的基岩已稳定，坡度平缓，不稳定的岩块已全 部剥落。岩堆坡面呈凹形，已长满草木，无颜色新鲜的 稳定的岩堆 石块，岩堆体胶结密实，有些地方因表层失去植被覆盖 而有水流冲刷的痕迹。 1 3 本文的主要研究思路及内容 岩堆体是具有一定级配的天然的岩石颗粒的集合体，与自然界其他岩土体相 比，有其独特的性质： ( 1 ) 大部分岩堆体属于摩擦型材料，它的抗剪强度与颗粒间的摩擦角有关。在 一定范围内，其抗剪强度和刚度随压力增大而增大，即表现出压硬性。因此，岩 第1 章绪论 9 堆的剪切破坏要同时考虑平均应力和颗粒问的摩擦角及相互关系； ( 2 ) 岩堆的形成不同于一般的坡积物，它的岩石碎块主要靠自重力从上往下运 动，所以在堆积过程中岩堆体内存在大量孔隙，所以存在等压屈服或剪胀性，即 在剪应力作用下，岩堆体会产生体积膨胀或收缩； ( 3 ) 岩堆是颗粒堆积体，不同于一般的岩土材料。岩土的屈服准则是建立在岩 体或土体产生塑性变形后，发生剪切破坏的基础上的，而岩堆的弹性应变和塑性 应变是从一开始受力时就同时产生。这是因为在低压作用下的岩堆颗粒之间会产 生滑动，尤其时内摩擦角较小的时候，这种现象很明显。 由此可见，岩堆体的特殊性主要是因为它是由颗粒和孔隙组成，其性质与颗 粒大小、形状和分布有关。并且受颗粒堆积形式的影响，其颗粒的排列方向、分 布、接触方式以及颗粒间作用力也不同，从而使岩堆的变形和强度特征在不同方 向上会有所变化。在荷载作用下，颗粒可能出现滑动、滚动、挠曲和压碎，与此 同时原有的孔隙被充填，岩堆体颗粒发生重排列，产生变形。因此在力学分析中， 必须充分考虑到岩堆体内部微观结构的变化特征，将微观结构的特征参数与宏观 力学量统一起来，使宏观与微观相联系。 除了和其他岩土材料比较，岩堆具有特殊性以外，岩堆自身也因母岩性质、 产生条件以及风化程度的不同而差别显著，因此需要对不同地区的岩堆体进行大 量细致的勘察、试验及研究工作，包括室内试验、现场试验和施工现场质量控制 监测。把上述工作做为基础，在理论上对岩堆的物理力学特性、压实特性进行综 合分析研究，为工程应用提供理论依据，并验证设计、施工中的一些重要参数。 在岩堆地区修建公路，会遇到很多问题，但最主要的问题是如何测评岩堆材 料本身的压实性能、控制压实度。不同的土石混合料具有不同的物理力学特性和 工程特性，在实际工作中，如果技术人只需通过简单的试验，就可以对岩堆的使 用性能进行基本判断，那么可以提高工作效率。为达到这一目的，最好的方法就 是根据岩堆的物理力学特性结合公路的特点进行分级，建立相应的体系，为工程 建设服务。 1 3 1 研究思路 过去在岩堆地区修筑道路，主要从岩堆路基的整体稳定性和岩堆边坡对道路 安全造成的危害角度出发，从工程处理措施上提出解决方法。本研究是要解决岩 堆体作为道路工程地质条件和建筑材料时的分级参数和指标。 岩堆的特殊性主要源于它的生成方式由崩塌堆积形成，所以颗粒粗大， 离散是它的物理结构特点。在岩土材料中，巨粒土和粗粒土在结构性状上和岩堆 有相似之处，这两种土在工程上应用广泛、实践经验丰富、理论成熟，因此，在 岩堆的工程力学特性和分级标准的研究中，在客观条件相同时，可以参考它们的 第1 章绪论 l o 理论和研究方法。 鉴于本研究的主要目的在于解决工程中的实际问题，同时在岩堆的分类指标、 压实指标的确定和检测手段方面有所创新。因此，在研究过程中，以尽可能满足 施工中的可操作性为目的，既从理论上探讨岩堆路基的压实特性，也依据大量的 室内和现场试验，探讨道路工程中岩堆路基的特点，找出适用的分级参数和指标。 1 3 2 研究内容 1 首先要对岩堆定义，这是岩堆分级的基础。这里的定义不同于现有资料上， 从其成因的角度下的定义。 1 “，而要从工程分类和应用的意义上定义。 2 岩堆的工程勘察和试验级配。岩堆的现场勘测对岩堆地区工程的设计和施工 提供必要的参数，所以确定勘察内容十分重要；天然岩堆颗粒粒级大，必须对取 回土样的超径粒径处理后，才能使人工配制试验土样最大程度地近似于天然土样， 提高试验结果的可靠度。 3 通过现场试验和室内试验，对岩堆的颗粒分布、渗透特性、压缩性等物理特 性进行实验研究，根据研究结果，把岩堆初步分成粘性岩堆和无粘性岩堆，分别 研究它们的压实特性，提出了适合各自特点的现场压实方法和压实质量控制参数 及指标。 4 在上述研究的基础上，根据岩堆物理力学特性的研究成果，结合道路工程 的特点，选取对岩堆工程特性影响明显的因素，根据各自的重要程度，确定其在 分级综合指标中的影响系数，初步提出岩堆工程分级的依据和方法，并结合云南 省水麻高速公路区的岩堆地质情况，对该工程区的岩堆进行初步分级。 第2 章影响岩堆工程特性的主要因素 第二章影响岩堆工程特性的主要因素分析 岩堆和其它岩土材料不同的地方在于其生成方式的特殊性和组成成分的复杂 性，通常情况下岩堆是由石块、碎石、砾石和一定数量的砂土或粘土等物质组成 的混合物，单一成分的岩堆是很少的。组成岩堆的碎落块石的各种不同形状和大 小与下述因素有关：( 1 ) 岩石组成( 岩性、成分) ：( 2 ) 片理、层理和裂缝的程度； ( 3 ) 岩石的产状；( 4 ) 裂缝对风化表面的方向；( 5 ) 基岩破坏的情况。c r 维什 那科夫”1 认为岩堆的主要物理力学性质由碎落石块的岩性、大小、结构和分布来决 定。岩堆的工程特性是其物理力学特性在工程应用上的体现。 2 1 岩堆的生成 2 1 1 岩堆的定义 岩堆是指由于物理风化而形成的岩石碎块的堆积，这种岩石碎块自上而下的 运动主要靠重力的作用，其表面的坡度与该堆积物的安息角相符或近似；岩堆主 要分布在山岭区的陡坡上和山麓下。 岩堆颗粒粒径范围宽，当它作为工程地质环境或填筑材料的时候，根据公 路路基设计规范( j t gd 3 0 一2 0 0 4 ) 。”和公路土工试验规程( j t j0 5 l 一9 3 ) 对 路基土的分类标准( 表2 1 ) “，按粒径划分，岩堆颗粒主要分布在粗粒组和巨 粒组；按成分划分，岩堆包括了巨粒土、粗粒土和细粒土，且以前两种为主。 表2 1粒组划分 粒径 o oo o5o o 5 o0 7 4oo q 2 ( i i l i n ) 粒组巨粒组粗粒组细粒组 漂石卵石砾( 角砾)砂 粒名粉粒粘粒 ( 块石)( 小块石) 粗 中细 粗 中细 2 1 2 岩堆的分布和形成过程 地球上物理风化最强烈的地区是在热带、沙漠、高山和两极地区，那些地方 昼夜温差很大或冻结的风化作用非常强。岩堆就主要分布于物理风化占主要地位 的高山地区，在这种条件下母岩风化崩解后便形成活动的粗岩屑崩解产物：岩块、 碎石、砾石、石屑等，有时伴有少量的粘土。例如。1 ，在高加索山主脉，有一种黑 色的类似千枚岩的页岩，当气温为3 8 时，岩石增热至4 6 ，而在炎热的季节当 气温达4 5 5 0 时，黑色页岩页片热得连手都不能碰了。夜晚时温度急剧下降至 l o 至5 ，这样的温度急剧下降或冷雨降落在这样热的岩石上便促使岩石碎裂。 第2 章影响岩堆工程特性的主要因素 还有一种在高山地区和两极附近常出现的是冻结风化现象，它对粗碎屑的堆积起 特别巨大的作用。 山坡位置和植物覆盖层的发达情况对风化强度有影响。阳坡山坡的风化比阴 坡的风化强烈( 图2 一l 中的a ) 。植物发达的地方因根茎的楔子作用使岩石发生物 理分裂，并且经过成土作用，植物使岩石变为由碎屑物质粘性土。根系的作 用在陡峻的山坡上，尤其使岩层急剧倾斜的地方表现得最为明显( 图2 1 中的c ) 。 在某些情况下盐类的结晶作用也有一定的意义，因为盐类能对岩石起一种挤开的 作用。 裂缝、片理( 劈理) 和层理能使岩石的崩解作用加速许多倍，它们是风化作 用得以容易深入的通路，并使岩石崩解为许多碎块，即崩解为各种不同形状大小 的单个岩石上裂缝( 明缝或暗缝) 越多，那么岩石的崩解也就越快，因此在遭受 了强烈断层作用的变质页岩、石灰岩和砂岩的地区，岩堆的形成就很迅速( 图2 1 中的b ) 。除此以外，粘土页岩、泥灰岩还能大量吸水，并在冻结或爆干时分 裂为小块。所以裂缝、层理、片理以及风化难易不同的硬岩和软岩互层盼隋形( 图 2 1 中的d ) ，对岩堆的形成有很重要的意义。 麓縻荔雾 图2 1 岩堆的形成 c d 崩塌是岩堆的主要来源，从母岩上崩落下来的单个岩块的体积范围极广：从 砾石、碎石到巨大岩块；大岩块常常达到几十立方米甚至于有达到几百立方米的。 从悬崖上崩落下来的岩块在坠落时进行旋转运动，初时运动甚慢，但一经冲击到 悬崖壁后运动就加速起来。前进旋转运动的动能能促进岩块克服阻力而继续 运动。由于所经路程的长度和阻力以及岩石碎块形状和大小的不同，碎落物在到 达岩堆体时其剩余的动能就各不相同。当岩堆表面没有很大的障碍物( 植物、岩 块、细谷等等) 时，成圆形多面体或成扁圆形的石块能滚动到岩堆基底，甚至滚 出岩堆范围以外。平面式的或柱状的碎块以及尺寸不大的碎块由于岩堆表面的阻 力的阻滞通常都停留在离开坠落地点不远的地方。它们向下运动，可是当受到温 度变化的影响时就移动得很慢，而当岩堆表面的平衡遭到各种偶然的破坏时，移 第2 章影响岩堆工程特性的主要因素 动就进行得比较快。 个别比较大的石块，若石质不够坚硬的话，在往岩堆前进的路途上和岩堆表 面上，由于与障碍物相冲击，就会破碎。每冲击一下，岩块就变得更碎一些，因 此在到达岩堆的时候，岩块已变成为碎石和砾石。有资料显示脚，极向直径约为o 5 m 的千枚岩岩块，从高达3 0 5 0 m 的悬崖上坠落下来，当与岩壁撞击而破碎后，到 岩堆时则成为小岩块和碎石了；若这些碎块再沿岩堆表面继续滚动时，那它们还 将继续碎裂。极大部分页岩岩堆的基底内，岩块的含量很小，甚至没有，这就是 巨大岩块在运动的路途中被破碎为较小颗粒的结果。， 除了崩塌外，碎落( 落石) 是岩堆的另一个来源。从图2 2 可以看到，岩堆 的堆积必须有与该碎落物质的安息角大致相等的斜坡( 供给区和支承区) ，以及能 支持岩堆的平缓台地( 岩堆基准面) 。 l 一岩堆基准面( 基底) ；2 一支承区：3 一供给区与搬运区 图2 2 岩堆床的纵断形式 流水的强烈侵蚀作用是形成陡坡的主要原因，这种侵蚀作用就是在山岭地区 形成很深的河谷；山坡的高度往往为几百米，有时甚至能达到一两千米。山坡上 有很多冲沟和山沟，这些冲沟和山沟便是最适合于碎落石块堆积的地方。山坡的 坡度与碎落物位移之间的关系用图2 3 来表示。从图