（岩土工程专业论文）粉质土路基沉降机理与发展规律研究.pdf

硕一i 学位论义 摘要 本文从粉质土的工程特性和动力特性的试验入手，全面系统地探讨了粉质土 的动、静力学特性，紧密结合粉质土的各种力学特性，着重分析了粉质土路基的 沉降机理，从而提出了适用于粉质土地区路基的沉降发展规律。最后通过对濮阳 市某高速公路现场沉降观测试验的设计及其观测数据的整理和分析，并将理论计 算结果与实测结果进行对比和分析，进而印证了本文提出的粉质土路基沉降发展 规律。取得的主要研究成果如下： 通过标准击实试验、静力压实试验、直剪试验、渗透试验、单向压缩试验， 以及大应变条件下的动三轴试验等一系列试验，全面系统地认识了粉质土的工程 特性，得到了粉质土的静压力和渗透系数k 与孔隙比，动弹模与动应变，动剪应 力与动剪应变，抗剪强度与压实度、振动频率以及含水量之间，振动频率与l 临界 动应变、i 晦界动强度之间，压缩模量与压实度、含水量之间；压实的难易程度与 颗粒级配以及液限等物理量之间的变化规律；并提出了一种新的试样质量好而且 方便快捷制样方法，而且通过采取一定措施成功地预防粉质土遇水散化现象对试 验结果造成的影响。 紧密结合粉质土的工程特性，详细分析粉质土路基的沉降机理，提出了计算 粉质土路基最终沉降量的方法“改进的分层总和法”和“修正的邓肯一张模型”， 并依据一维固结法存在的不足以及粉质土渗透试验成果，提出了“改进的一维固 结法”用于计算粉质土路基沉降随时问的发展规律，从而为粉质土路基的沉降计 算提供了实用的计算方法及其理论依据。 关键词：粉质土；工程特陛；动力特性；沉降机理；沉降发展规律；现场试验 实测沉降 丝堡圭些苎堡堑! ! 些丝丝丝堡丝垒 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed a t ao ft h ep h y s i c a lm e c h a n i c a lt e s ta n dd y n a m i c a lt e s to fs i l t y s o i l p r o p e r t y ，a l lk i n d so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d f h e s e t t l e m e n tm e c h a n i s mo fs i l t ys o i ls u b g r a d ei se m p h a t i c a l l yd i s c u s s e da c c o r d i n gt o t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s am e t h o do fs e t t l e m e n tc a l c u l a t i o no fs i l t ys o i ls u b g r a d e h a sb e e np u tf o r w a r d t h em e a s u r e dd a t ao fs i l t ys o i ls u b g r a d es e t t l e m e n th a sb e e n c o l l e c t e db a s e do naf i e l ds e t t l e m e n to b s e r v a t i o ns c h e m eo faf r e e w a yd e s i g n e di n p u y a n gc i t y c o m p a r e dw i t ht h e s eo b s e r v e dd a t a ，c a l c u l a t e dr e s u l t f i t sw e l l t h e f o l l o w i n gm a i na c h i e v e m e n t sa r eo b t a i n e db ys t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o n as e r i e so ft e s t sh a v eb e e nc a r r i e do u t ，s u c ha ss t a n d a r di n d o o rc o m p a c t i o nt e s t ， s t a t i cc o m p a c t i o nt e s t ，d i r e c ts h e a rt e s t ，p e r m e a b i l i t yt e s t ，a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ， d y n a m i c t r i - a x i a lt e s ti n g r e a t s t r a i ns t a t e s t a t i ca n dd y n a m i cm e c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i c so fs i l t ys o i lh a v eb e e ns y s t e m i c l yr e a l i z e d t h er e l a t i o n s h i p sh a v e b e e no b t a i n e do fs t a t i cp r e s s u r ev e r s u sp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ( k ) ，s t a t i cp r e s s u r e v e r s u sv o i dr a t i o ，d y n a m i cm o d u l u so fe l a s t i c i t yv e r s u sd y n a m i cs t r a i n ，d y n a m i c s h e a r i n gs t r e n g t hv e r s u sd y n a m i cs h e a r i n gs t r a i na n dd e g r e eo fc o m p a c t i o n ，v i b r a t i o n f r e q u e n c yv e r s u sw a t e rc o n t e n t ，c r i t i c a ld y n a m i cs t r a i na n dc r i t i c a ld y n a m i cs t r e n g t h ， m o d u l u so fc o m p r e s s i b i l i t yv e r s u s c o m p a c t i o nd e g r e e a n dw a t e rc o n t e n t ，t h e d i f f i c u l t i e so fc o m p a c t i o nv e r s u sg r a d a t i o no fg r a i na n dl i q u i dl i m i t ，a n ds oo n a l s o ac o n v e n i e n tn e ws a m p l em a k i n gm e t h o dh a sb e e np u tf o r w a r d ，w h i c hi sa b l et om a k e h i g h q u a l i t ys a m p l e s f u r t h e r m o r e ，c e r t a i nm e a s u r e sh a v e b e e nt a k e nt op r e v e n t e f f e c t i v e l yt h ei n f l u e n c et o t e s tr e s u l tb yt h ef a c to fs i l t ys o i ll o o s e n i n gw h e n e n c o u n t e r i n gw a t e r a c c o r d i n gc l o s e l yt ot h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs i l t y s o i l ，s e t t l e m e n t m e c h a n i s mi sa n a l y z e di nd e t a i lf o rs i l t ys o i ls u b g r a d e a na d v a n c e db y l a y e r s u m m a t i o nm e t h o da n dm o d i f i e dd u n c a n c h a n gm o d e lh a v e b e e np u tf o r w a r dt o c a l c u l a t et h ef i n a ls e t t l e m e n tf o rs i l t ys o i ls u b g r a d e a n da c c o r d i n g t ot h e d i s a d v a n t a g e se x i s t i n gi nt h eo n e d i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya n dt h et e s tr e s u l t o fs i l t ys o i lp e r m e a b i l i t yt e s t ，o n e - d i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o nt h e o r yh a sb e e ni m p r o v e d t oe x p l a i nt h ed e v e l o p i n gr e g u l a r i t yo fs e t t l e m e n tf o rs i l t ys o i ls u b g r a d e a sar e s u l t ， t h ea p p l i e dc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h e o r yb a s i ct oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n tf o rs i l t y s o i ls u b g r a d eh a sb e e np r o v i d e d k e y w o r d s ： s i l t ys o i l ；e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ： s e t t l e m e n tm e c h a n i s m ；d e v e l o p i n gr e g u l a r i t yo fs e t t l e m e n t ；f i e l dt e s t ；m e a s u r e d s e t t l e m e n t i l i 粉赝1 ：路基沉降机埋o ，发展瑚律研究 插图索弓 图1 1 粒组划分图2 图1 2 土的工程分类图3 图2 1 濮阳市三种粉质土粒度成分累积曲线1 4 图2 2 濮阳市三种粉质土的标准击实曲线及饱和曲线17 图2 3 濮阳市三种粉质土的静力压实曲线18 图2 4 濮阳市三种粉质土的半对数静力压实曲线1 9 图2 5 粉质土达到相同压实度时压实功随含水量的变化曲线2 0 图2 6 粉质土达到相同压实度时静压力随含水量的变化曲线2 0 图2 7 三种粉质土在9 5 压实度下抗剪强度与含水量的关系图2 5 图2 8 三种粉质土在9 5 压实度下抗剪强度与法向应力的关系图- - 2 5 图2 9 三种粉质土在9 5 压实度下粘聚力随饱和度变化的关系图2 6 图2 1 0 三种粉质土在9 5 压实度下内摩擦角随饱和度的变化关系2 6 图2 11 三种粉质土的渗透系数与孔隙比的关系蓝线2 8 图2 1 2 三种粉质土渗透系数与制样时初始饱和度的关系一2 9 图2 ，1 2 原状粉土在逐级加荷持荷时间与沉陷量的关系3 2 图2 1 4 原状粉土在4 0 0 k p a 荷载下稳定后注水其沉陷量随时间变化关系图3 2 图2 1 5 原状粉土在逐级加载时各级荷载下沉陷量与持荷时间的关系3 2 图3 1 单双向激振三轴试验情况3 6 罔3 2 循环三轴试验图3 7 图3 3 土样一在大应变条件下动应变与动弹模关系曲线4 2 图3 4 土样三在大应变条件下动应变与动弹模的关系图4 2 图3 5 相同振动频率两种饱和粉质压实土动应变与动弹模的关系4 3 图3 6 土样一在不同振动频率下的动应力与动应变关系曲线4 4 图3 7 土样三在不同振动频率下的动应力与动应变关系曲线。4 4 图3 8 振动频率对饱和压实土样一动应力与动应变骨干曲线的影响一4 5 图3 9 振动频率对饱和压实土样三动应力与动应变骨干曲线的影响4 5 图3 1 0 粉质压实土样一剪应变与剪应力之比与剪应变的关系曲线4 6 图3 1 1 粉质压实土样三剪应变与剪应力之比与剪应变的关系曲线4 6 图3 1 3 饱和压实土样三动剪应变与阻尼比的关系曲线4 7 图3 13 饱和压实土样三动剪应变与阻尼比的关系曲线4 7 图3 1 4 饱和粉质压实土动应力与动应变滞回圈发展变化示意图+ 4 8 图4 1 单向压缩条件下的e 一盯关系5 l 删。】：学位论义 图4 2 原状粉质土压缩试验曲线与拟合曲线对比5 7 图4 3 路堤荷载分布示意图5 7 图4 4 填料自身压缩与填高和时问关系示意图6 3 图5 1 基于人工观测的改进的溢水式水管式沉降仪示意图6 8 图5 ，2 沉降观测断面布嚣图6 9 图5 3 断面一土层内原状土7 l 隙比与法向应力关系曲线7 2 图5 4 断面二土层内原状土孔隙比与法向应力关系曲线7 3 图5 5 地基表面荷载大小与其沉降观测数据之间的关系图7 4 图5 6 断面一和断面二地基表面沉降随时间发展过程7 4 图5 7 断面一分层总和法及其改进模型计算结果与实测数据之间的对比图7 6 图5 8 断面二分层总和法及其改进模型计算结果与实测数据之问的对比图t7 6 图5 9 断面一邓肯张模型及其修正模型计算结果与实测结果对比图7 6 图5 1 0 原状粉质土固结不排水应力应变关系曲线7 7 图5 1 l 一维固结法及其改进模型计算结果与试验数据对比图7 8 竺星：塑苎鎏墼! ! 些! 垒堡丝堡塑耋 附表索弓 表2 1 路基钻孔柱状表 表2 2 濮阳市三种粉质土的粒度组成及粒度指标 表2 3 不同砂粒直径标准相应粒组含量表 表2 4 濮阳粉质土与省外粉质土各粒组含量对比 表2 5 濮阳市三种典型粉质土土粒比重试验结果 表2 6 土样一达到同一压实度时压实功随含水量的变化表 表2 7 土样二达到同一压实度时压实功随含水量的变化表 表2 _ 8 土样三达到同一压实度时压实功随含水量的变化表 表2 9 土样一在9 5 压实度下剪切强度与含水量对照表 表2 1 0 土样二在9 5 压实度下剪切强度与含水量的对照表 表2 1 1 土样三在9 5 压实度剪切强度随含水量的变化关系 表2 1 2 土样一在1 4 2 含水量压制时试样的压实度与渗透系数关系 表2 1 3 土样一在9 0 压实度下压制时的试样含水量与渗透系数关系 表2 1 4 土样二在9 3 含水量压制时试样的压实度与渗透系数关系” 表2 1 5 土样二在9 5 压实度下压制时的试样含水量与渗透系数关系 表2 1 6 土样三在1 1 1 含水量压制时试样压实度与渗透系数关系 表2 1 7 土样三在9 5 压实度下压制时的试样含水量与渗透系数关系 表2 18 土样一在9 0 压实度下法向应力与压缩模量关系表 表2 1 9 土样一在9 5 压实度f 法向应力与压缩模量关系表 表2 2 0 土样二在9 0 压实度下法向应力与压缩模量关系表 表2 2 l 土样二在9 5 压实度下法向应力与压缩模量关系表 表22 3 土样三在9 0 压实度下法向应力与压缩模量关系表 表2 2 4 土样三在9 5 压实度下法向应力与压缩模量关系表 表31 动三轴试验所用土样的物理性质指标 表3 2 路基压实度( 重型) 表3 - 3 试样预定状态及误差控制标准 表3 ，4 动三轴试验方案 表3 5 土样一在不同频率作用下土体强度指标变化表一 表3 6 七样三在不同频率作用下土体强度指标变化表- 表4 1 濮阳地区粉质土在最优含水量下正常压力范围内的饱和度一 表5 1断面一路基钻孔勘察试验表- 表5 2 断面二路基钻孔勘察试验表 v l 1 3 - 13 1 4 15 1 6 2 0 2 l 2 l 2 4 2 5 2 5 2 7 2 7 2 8 2 8 一2 8 2 8 - - - t 3 0 3 l 3 l 3 l - 3 l 3 l 3 7 3 8 3 8 4 0 t - - - 4 4 4 5 - - - - 6 4 7 l 7 2 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：色缀勇日期：知癣4 月s 日 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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：赵扬岛 导师签名：镳甏争 日期：弘d 珲印月，日 日期：j 年牛月。j 日 1 1 概述 第1 章绪论 路基变形机理及其发展规律主要取决于两个方面：一、地基土的工程性质及 工程地质条件；二、上部荷载的大小、性质以及分布状况。这两方面是岩土工程 人员研究和解决路基变形问题最基本的立足点，也是本文研究粉质土路基沉降机 理及发展规律的着眼点。 土是岩石风化的产物或再经各种地质作用搬运、沉积而成的，土粒之间的孔 隙由水和气体所填充，因此，土是一种由固态、液态和气态物质组成的三相体系。 与各种连续体( 弹性体、塑性体、流体等) 比较，天然土体具有一系列复杂的物理 力学性质，而且容易受到环境条件变动的影响。现有的土力学理论虽是指导我们 从事岩土工程实践重要的理论基础，但还难于模拟、概括天然土体在外荷载作用 下所表现出的各种力学性状的全貌，因而还须通过实验、实测并紧密结合实践经 验进行合理分析，才能求得实际问题的妥善解决。 我国地域辽阔，由于自然地理环境的不同，分布着多种多样的土类。即便同 一种土类，在不同的地理历史环境中也会表现出某些特殊的工程性质。因此，本 文拟以现有的土力学理论为基础，通过实验、实测等手段，并紧密结合实践经验， 对粉质土地区路基的工程性质、路基沉降机理及发展规律等方面进行系统地研究， 并提出适合粉质土路基沉降发展规律的实用的计算方法，以及现场质量控制标准， 为粉质土地区公路设计和施工提供初步的理论依据和实践经验。 1 1 1 土质分类及其依据 土广泛地分布于地壳表面，其性质随形成过程和自然环境的不同而有所差异。 就其成因来说，它是由岩石经过物理风化、化学风化及生物风化作用后的产物， 是由各种大小不同的土粒按各种比例组成的集合体。土粒之闯的孔隙由液体和气 体充满，因此天然土是由固相、液相和气相三相物质组成，三相之间的相互比例 不同，土的工程性质也有所不同。因此，在进行工程建设时，必须结合土的实际 性质进行设计和施工，否则会影响工程的经济合理性和使用的安全性。 为了有效地研究和合理地利用土料，势必要有一个行之有效的分类方法，也 就是土质分类。统一合理的土质分类不仅为广大工程人员选择土料、利用土料或 评价土性提供方便可靠的依据，而且便于彼此间交流土工经验，因此成为从事岩 土工程的最基本要求。既然对土质进行统一合理的分类有诸多优点，那么，分类 标准是什么就成为广大工程人员普遍关心的问题。 粉质叶：路娃沉降机理j 发胜规律研究 就工程研究和工程应用方面来讲，粒度组成这一重要的物理性质指标对不同 土质的影响也不尽相同。现今土力学和土质学的研究结果表明，粗粒土的工程性 质在较大程度上由粒度和级配特征来决定，同时还要考虑细粒含量指标的影响。 凶为随着粗粒土中粉粒和粘粒等细粒含量的增多，土的亲水性和粘聚性也显著增 强。然而对于不同成因的细粒土来说，即便是粒度组成相近似的土，其工程性质 也可能相差悬殊。这是因为，影响细粒土工程性质的不仅是它的粒度组成，而更 重要的是它的矿物成分、交换阳离子的成分及其水化能力。细粒土与水相互作用 所表现出来的特性之一塑性便是细粒土理想的性能指标。塑性指数( 耳) 这一 反映细粒土具可塑性的含水量变化范围的指标，在数值上与土中弱结合水的渗透 吸水量大体相当，亦可粗略地反映土粒与水作用形成双电层的厚度。塑性指数愈 大，土所呈现的塑性愈强。因此塑性指数理所当然地成为细粒土分类的重要依据。 另外，土中有机质的存在情况，对细粒土的物理力学性质也有不同程度的影响。 因此，塑性指标、颗粒组成特征以及有机质的存在情况成为我国土质分类的主要 依据。 统观美国、英国、德国、日本、瑞士、法国、俄罗斯等国土质分类情况，可 以看出尽管各国土类的分类方法不尽相同，但分类原则基本相同，差异仅仅表现 在他们划界指标的数值方面【1 l 。我国公路用土应依据图1 1 所列粒度范围划分粒 组【2 1 。 2 0 06 02 0520 50 2 50 0 7 40 0 0 2 巨粒组粗粒组 细粒组 漂石 卵石 砾( 角砾)砂 ( 块 粉粒粘粒 小石块 粗 中细粗中细 石) 图1 1 粒组划分图 之所以以o 0 0 2m m 作为粘粒和粉粒的划分界限，是因为原生的长石等矿物 经风化变成的最小颗粒一般在o 0 0 4m m 0 0 0 3m m 范围内，小于0 0 0 2m m 的极 为少见，也就是说0 0 0 2m m 是原生矿物和粘土矿物含量比率的变化界限。前苏 联m 麦尔尼克夫的资料同样表明：小于0 0 0 5m m 的颗粒才开始具有塑性，o 0 0 3 m m 0 0 0 2m m 大小的颗粒所呈现的塑性较弱，0 0 0 2m m 0 0 0 1m m 大小的颗粒 所表现出来的塑性亦不是很强，小于o 0 0 1m m 的颗粒方具有较强的塑性。但天 然土中的粘土颗粒，很少处于分散状态，大多彼此团聚而成团聚体，只有采用分 散剂才能使团聚体分散开来。因此就工程实际而言，以o 0 0 5m m 为粉、粘粒界 限值已足以满足工程实际的要求，所以在工程实际中也可以以0 0 7 4m m o 0 0 5 m m 粒度范围内的土粒定义为粉粒i 。而采用分散剂时的试验研究，其粒度在o 0 7 4 m m o 0 0 2m m 范围内定义为粉粒。粒度小于粉粒的便是粘粒了，由此可见粉粒 是介于粘粒与砂粒之间的过渡粒组。由此可将土分为巨粒土、粗粒土、细粒土和 特殊土，分类体系珊。图1 2 。 图1 2 土的工程分类图 细粒土的塑性与其粘粒的分散程度有关，并随胶体颗粒含量的增多而增强。 液限值随粘粒含量的增多而增大，随砂粒含量的增大而减小。因此细粒土应根据 以液限为横坐标、以塑性指数为纵坐标构成的塑性图分类。 1 1 2 粉质土在我国的分布状况及濮阳粉质土的成因 建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 对粉土是这样定义的：粉土是介 于砂土和粘土之间，塑性指数昂小于等于1 0 ，且粒径大于0 0 7 5m m 的颗粒含量 不超过总重的5 0 。文献 2 】根据粗粒组的含量和液限点构高低，又把粉质土分为 高( 低) 液限粉土和含砂( 砾) 高( 低) 液限粉土。即粉质士中租粒组的含量少于总质 量的2 5 时，粗粒零星散布，对土的性质影响不大，故称粉土；土内粗粒组的含 量为总质量的2 5 5 0 时，粗粒己能起到部分骨架作用，对土的性状也有相当 的影响，因此称为含砂( 砾) 粉土。 由于成因类型不同，粉质土所表现的工程性质相差很大。按成因类型粉质土 分为风成粉质土、水成粉质土和残积粉质士【3 1 。风成粉质士是由于风力的携带、 沉积作用，形成的含有较大孔隙的土，习惯上称为黄土。残积粉质土是岩石经过 风化作用一部分被风和降水搬运带走，一部分由于重力堆积作用未被搬运而保留 在原地的粉质土，其物理性质、工程性质与黄土相似，称为次生黄土。黄土、次 生黄土中粉粒占优，砂粒和粘粒含量较少，多表现为粉土、粉质粘土、含砂粉质 粘土。水成粉质土土粒是在水力作用下，经搬运、沉积而形的，广泛分布于冲洪 积平原、河流三角洲、沿海平原、湖积平原，土中水多为自由水，极易振动液化、 地基承载力低，是工程建设经常遇到的士类之一。此类粉质士经长途搬运磨圆， 扮质1 j 路捧沉降机理，发j 接娥律研究 粒度成份单一，粉粒占绝对优势，大于0 0 7 5m m 的粗粒组很少，小于0 0 0 5m m 的粘粒较少，颗粒级配曲线较陡。因此粉质土在我国分布非常广泛，在大多数省、 市、自治区、直辖市均有分布。 由于黄河流域降雨比较集中，加上上游黄土高原上黄土独特的物理性质，因 此黄河成为我国历史上洪涝灾害最频繁的河流，以善淤、善决、善徙而闻名于世， 因而黄河中下游地区是我国粉质土分布较为广泛的地区之一。有史书记载4 】：自 郑州花园口以下，不断决口改道，河道在天津到江苏的滨海县间来回摆动，自公 元前6 0 2 年到1 9 3 8 年的2 5 4 0 年中，决口泛滥1 5 9 0 次，平均“三年两决口”，改 道2 6 次，而大的改道就有6 次。就濮阳市内就有两次大的改道，第一次大的改道 是在春秋中叶周定王五年( 公元前6 0 2 年) ，河书，沟洫志中有记载：“定王五 年河徙。”自河南浚县、滑县、濮阳一带再经清丰、内黄、南乐进入河北入卫河， 北经沧州、静海、天津入海。庆历八年( 1 0 4 8 年) ，黄河在商胡埽( 今濮阳东北) 大 决口，造成第二次大改道。黄河自濮阳经山东北部入今卫河，由天津入海。由于 黄河携带了黄土高原上大量的泥沙，泥沙不断沉积，鉴于黄河不断决口改道，造 成其中下游地区沉积大量的粉质土。濮阳市是黄河多次决口改道的地区，因此粉 质土在濮阳市大部分地区均有大量的分布。 1 2 粉质土的研究现状及存在的问题 由于粉质土干时无胶结，干土块用手轻压即碎；潮湿时呈流动的溶解状态， 且潮湿时将土搓捻、摇动时易使土球成为饼状，不能搓成细土条，因此，粉质土 填筑路基为最差的筑路材料。其原因主要由于粉质土含有较多的粉粒，干时虽稍 具粘结性，但易被压碎、扬尘大、浸水时很快被湿透，易成流体状态( 稀泥) 。并 且粉性土的毛细水上升高度大，在季节性冰冻地区更容易使路基产生水分集聚， 造成严重的冬季冻胀，春季翻浆。因此，采用粉质土大规模填筑路堤的公路并不 多，相关报道则更少。近年来，我国沿江、沿海一带高速公路建设迅速发展，由 于高速公路的填方工程量很大，带动了粉质土研究的进展。我国的江苏、河北、 上海、黑龙江等地开展了一些采用粉质土作为公路路基和铁路路基的研究，并取 得了一定成果。粉质土在国外也有广泛分布，很多国家也进行过一定程度的研究。 国内外具有代表性的成果有： 粉质土的结构性强：粉土和含砂粉土在相等的孑l 隙比和初始应力状态下，原 状土样和重塑土样在不排水应力一应变一强度关系中存在很大反差。原状土样具 有膨胀性和良好的延展性，然而除了少部分土样外重塑土样在相同密度和应力状 态情况下常出现体积收缩现象，不排水强度降低，脆性增强”】。在取土过程中粉 质土的结构容易受到破坏，难以得到原状土样，运输过程中常震动致密，使孔隙 比减小：流塑或软塑状态的粉质土，更难测定孔隙比。因此，粉质土具有很强的 坝j 二学位论义 结构性，从而决定很多试验必须在现场进行，而现场试验又常常受到很多条件的 限制，以及环境的影晌。 粉质土的力学性能：粉质土的力学性能除取决于粒度成分、颗粒级配、含水 量大小外，也与其成因类型、矿物成分组成、沉积年代、所处地理历史环境和空 间分布等密切相关。但总的来说，粉质土的粘聚力低，成型质量较差，渗透性好， 保水性差，路基压实施工工艺和过程控制困难。在室内剪切试验时，在竖向压力 作用下比粘性土易排水固结，快剪的内部应力接近慢剪的有效应力，因此得到的 内摩擦角偏大，内聚力偏小。与此同时，粉粒的含量对粉质土的强度和弹性模量 也有很大影响【6 j 。尽管粉质土与砂土有着相似的破坏应力水平和整体应力发展趋 势，但粉质土的体积收缩性显著高于砂土的体积收缩性，而且粉粒的含量对粉质 土的体积变化情况产生显著影响 7 1 。 粉质土的稳定性：低液限粉质土是公路建设中常见的一种土，其粘粒含量少， 塑性指数低，稳定性差，因而成为工程界非常关心的问题。然而，粉质土往往不 存在一定的稳定界限，不同的初始孔隙比将会有不同的稳定界限。有关研究表明 松散状态的粉质土在高应力约束的情况下能够保持稳定，而高密实度粉质土却在 低围压下产生液化，在不排水条件下随围压的减小而呈现膨胀现象【8 j 。因此，粉 质土的稳定性也非常复杂。许多工程实践表明：在以粉质土作为基础持力层时， 由于施工方法不当，结构受扰动，常使建筑物失稳；在水下深基础开挖中，易产 生侧向滑动或流砂失稳现象。在以粉质土作为路堤填筑材料时，由于低塑性粉质 土中蒙脱石、伊里石等粘粒含量低，与水胶结作用能力差，颗粒间联结强度低， 土体渗透系数较高，粘聚力低，抗冲刷性差。当汛期雨强达到某一定值时，首先 雨滴连续冲击破坏粉质土颗粒间脆弱的联结；当降雨在坡面形成水流时，又因水 流冲击并带走粉砂土颗粒，在路面、坡面形成道道冲沟；在强降雨、暴雨作用下， 产生水位差，在水力渗透作用下易产生流砂，直接使原有薄弱的路基破坏加剧， 形成潜蚀破坏，基床陷穴常因此而引起【9 1 。为了增强粉质土路基的稳定性，各地 根据粉质土的成因及物理性质的不同往往采用不同的方法进行路基改良，主要掺 a - - 灰土【1 们、水泥【l i 】、生石灰 1 2 , 1 3 j 等常用材料进行路基改良。 粉质土的承载性能；由于粉质土取样困难，且易扰动失水，造成试验数据分 散，可靠性差，因此粉质土地基承载力的确定一直存在诸多问题。粉质土地基承 载力的评价也就成为工程勘察的重要课题，港口工程地质勘察规范( j t j 2 4 0 一9 7 ) 提供了两种方法，一种是利用天然含水率和孔隙比两个指标进行查表获得地基承 载力；另一种是对标贯击数n 小于等于3 0 击的粉土用标贯击数直接查表获得地 基承载力。但是，前者的查取值比后者往往要大许多。另外，岩土工程勘察规范 ( g b 5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) 给出了按孔隙比评价粉土密实度的方法，然而实际上要采取到质 量很好的土样，测定出其真正的天然孔隙比，却是很困难的事情，对饱和的含砂 粉质十路毓沉降机理发腱规律研究 粉士来说就更困难了。由此看来，我固有关的新老规范都没有很好的解决粉土承 载力标准问题。近年来许多学者及工程人员在粉土承载力评价方面不断地探索， 取得了一定的成绩，在不断确认原位测试是评价粉土承载力的重要而有效的手段 外，还从相关的物理力学指标上进行了一定的探讨。具有代表性的有：曹右生强 调粉土地基的容许承载力眯】、地基承载力标准值磊与塑性指数矗的相关性h l ； 孟毅探讨了低塑性粉土标贯击数与承载力标准值之间的回归关系【”】；袁灿勤等根 据静力载荷、标准贯入、静力触探、剪切波速及室内土工试验等测试成果，分析 统计了南京城区河漫滩相浅层粉土的有关试验指标和承载力之间的相关关系【1 6 】； 杨鸿钧则用孔隙比修正的方法查取粉土的容许承载力，将查承载力表法和公式计 算法这两种计算结果进行对比修正粉质土的孔隙比，然后将修正后的孔隙比按岩 土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 对粉土的密实度进行了评价【17 1 。 粉质土路基压实方面：曹婧通过多年的工程实践，从粉质土的特征，机具选 择、压实标准、到现场施工方法系统地阐述了如何保证粉质土路基施工质量1 1 8 】。 中爱琴等邯郸一临清公路工程中含砂低液限粉土的物理、力学性能及振动压实规 律进行了较为全面的试验研究和理论分析，探索了粉性土填筑路基的压实机理及 影响因素，提出了一套行之有效的粉性土路基压实施工工艺d 9 | 。王维桥等通过可 塑性试验、级配试验、击实试验和压缩试验，指出液、塑限和塑性指数不宜作为 评价黄泛区粉砂土工程性质的标准，以空气体积率作为该类土的压实控制标准比 压实度更为合理，建议取消9 0 区压实度标准，把下路堤压实度提高到9 3 ，上 路堤压实度提高到9 8 1 2 0 l 。 动力特性：吴德纯对低塑性粉质土，在动循环荷载作用下，易使土体内孔隙 水压力累积上升，导致液化破坏，特别是粘粒含量小于1 0 ，塑性指数小于8 的 松散饱和粉土，在地震作用下，大部分地段均有可能产生中等甚至严重程度液化 1 2j 】。牛琪瑛等对不同千重度、不同粘粒含量的熏塑粉土样进行了振动三轴试验， 得出了粉质土的动剪应力比随粘粒含量呈抛物线形变化，最低点在粘粒含量为9 左右，而且其抗液化强度随干重度增大而增强【2 2 】。郭天强等通过粉土和粉质粘土 的液化性能试验研究，发现粉土和粉质粘土的液化势不但受到粘粒含量、塑性指 数和孔隙比的影响外，还受到土质结构、历史年限和其它因素的影响，因而这类 土的液化势没有一个明确的标准1 2 ”。 粉质土单元土体的强度在列车动荷载作用下衰减，动应力随着车速的不断提 高而增大 当抗剪强度小于剪应力时，导致基床中某单元土体发生剪切破坏，从 而产生裂隙，汛期因暴雨沿裂隙下渗，使裂隙周围土体含水量增加并趋于饱和， 而饱和粉土易发生震动液化，当粉土震动液化时，孔隙水压力上升，有效应力下 降：当有效应力为零时，土骨架被破坏，粉砂土颗粒处于悬浮状态。发生震动液 化的自由水具有较高水压力，对周围粉土有渗透破坏和劈裂破坏作用，从而破坏 硕| ：学位论文 了粉土颗粒间的联结。同时承压水在寻找水路径以消散孔隙水压力。当出水路径 形成后，自山水流出路堤边界，并带出粉土颗粒；当自由水在陆地中渗流通路逐 渐形成，路基开始遭受侵蚀破坏，道床中雨水开始定向汇集成集中水流，集中水 流的冲蚀作用得以不断增强，粉土颗粒大量流失，最后导致基床陷穴引。 也有文献认为一般粉质土的密实度与天然孔隙比有关，孔隙比p 0 9 时，为 稍密，强度较低，属软弱地基；0 ，7 5 e 0 9 ，为中密；e 0 7 5 ，为密实，其强 度高，属良好的天然地基。粉土的湿度状态可天然含水量划分，当w 2 0 ， 为稍湿；2 0 w 3 0 ，为很湿。粉土在饱水状态下易散化与结构软化，以 至强度降低，压缩性增大【2 4 1 。 由此可见，尽管国内外对粉质土工程性质的研究已经取得了一定的进展，但 目前对于粉质土工程性质方面的研究还远远不够，急需解决的基本问题包括以下 四类： 首先，粉质土的基本力学特性。从前缺乏大规模的工程实践，只存在一些零 碎的单一方面的研究，目前的工程实践需要在粉质土地区进行大规模的高速公路 及高等级公路建设，因此，为指导不断发展的工程需要非常有必要对粉质土的基 本力学特性进行系统的研究。 其次，基本的工程性质和路用性能。在目前已经施工的工程中，公认粉质土 水稳定性差，工程性质差，在压实过程中，常出现“橡皮土”、“弹簧土”现象，但 机理认识不清，研究成果甚少，因此对基本的工程性质和路用性能的研究有待迸 一步加强。 第三，对于这种筑路材料，由于工程实践少施工工艺和工艺参数难于控制， 因此，非常需要研究其合适的施工工艺，指导工程旌工。 第四，粉质土路基的稳定性和沉降规律。关系到投资效益，公路运营和使用。 由于基本的力学性质和路用性能研究不够，所以对这类条件的路基沉降和稳定性 研究基本是一片空白。 1 3 路基及粉质土路基沉降机理与发展规律研究现状 随着现代科学技术的发展，高速公路路堤的稳定性往往在设计时就已经得到 很