（道路与铁道工程专业论文）红层软岩路堤的稳定与沉降分析.pdf

重庆交通学院硕士论文摘要 摘要 红层软岩在我国有广泛分布 尤以西南地区多见 在这些地区修建公路 红 层软岩有时不得不被用作路堤填料 大量的工程实践表明 红层软岩土石混合料 填筑的路堤常常出现失稳开裂 沉陷等病害 对红层软岩土石混合料工程特性缺乏系统研究以及对土石混填高路堤稳定与 沉降影响因素认识不清是导致红层软岩路堤出现病害的主要原因 本文通过室内 试验 研究了红层软岩土石混合料作为路基填料的路用性能 采用离心模型试验 手段研究了典型工况下红层软岩路堤边坡的稳定与变形问题 在此基础上 采用 简化b i s h o p 法 有限元法对红层软岩高填路堤稳定及沉降进行了进一步的分析 得出了有关因素对路堤稳定和沉降的影响规律 最后 以云南安 宁 楚 雄 高速公路斜坡地基上高填试验路堤为依托工程 通过试验路堤的修筑 对设计与 施工工艺进行了研究 通过本文的研究 比较清楚地掌握了红层软岩土石混合料的路用工程特性 以及红层软岩路堤的稳定与沉降变形规律 得出的成果对红层软岩地区路堤的设 计和旌工质量控制具有较重要的指导意义 关键词 路堤边坡 稳定与沉降分析 红层软岩土石混合料 工程特性 离心模 型试验 施工工艺 重庆交通学院硕士论文摘要 a b s t r a c t t h er e d b e d se x i s t s w i d c l yi n o u rc o u n t r y e s p e c i a l l yi nt h es o u t h w e s t i nt h e c o n s t r u c t e dr o a di nw h i c h s o m e t i m e s t h er e d b e d sf l e x i b l er o c k sa r eu s e da sf i l l i n g s t h r o u g h t h el a r g en u m b e r so f c n g i n e e r i n gp r a c t i c e i tc a nb ek n o w nt h a tc r a c k i n ga n d s e t t l e m e n td i s t r e s s e sa r ev e r y s e v e r i t y i nt h ee m b a n k m e n tw h i c hf i l l e dw i t ht h er e d b e d s m i x t u r ei n c l u d i n ge a r t ha n ds t o n e t h e r ea r em a n yf a c t o r st h a ti n d u c et h ed i s t r e s si nt h e r e d b e d s j e m b a n k m e n t a m o n gt h e m t h ef o l l o w i n gt w oa r et h eg r e a t t h e f i r s to n ei st h a tt h es t u d yo ft h e c h a r a c t e r i s t i co ft h er e d b e d se m b a n k m e n ti s i n c o m p r e h e n s i v e t h es e c o n do n ei st h a t t h eu n d e r s t a n d i n g t ot h es t a b i l i t yo ft h eh i g he m b a n k m e n ta n dt h ef a c t o rt h a ti n f l u e n c e s e m b a n k m e n t ss e t t l e m e n t i sn o te n o u g h t h r o u g ht h el a bt e s t s t h i sp a p e rs t u d i e st h e r o a dp e r f o r m a n c eo ft h er e d b e d se m b a n k m e n t t h r o u g ht h ec e n t r i f u g a lm o d e lt e s t t h e s t a b i l i t ya n d t h es e t t l e m e n to ft h er e d b e d se m b a n k m e n th a v eb e e ns t u d i c d o nt h eb a s e o f t h o s e t h es t a b i l i t ya n ds e t t l e m e n to f t h ee m b a n k m e n th a v eb e e na n a l y z i n gm o r e o n t h eb a s eo f t h eu s i n go f t h e b r i e f b i s h o p m e t h o da n dt h ef m i t ee l e m e n t m e t h o d t h e r e b y s o m ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es t a b i l i t ya n dt h es e t t l e m e n to ft h ee m b a n k m e n th a v e b e e ng o t a tl a s t t h r o u g ht h et r a i lr o a d t h ea n n i n g c h u x i o n gh i g h w a yo fy u n n a n p r o v i n c e t h ep a p e r a l s os t u d i e st h ed e s i g nm e t h o d sa n dt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i c so f t h e e m b a n k m e n t t h r o u g h t h es t u d i e si nt h i s p a p e r t h e r o a d p e r f o r m a n c e o ft h er e d b e d s e m b a n k m e n ta n dt h er u l e so ft h es t a b i l i t ya n dt h es e t t l e m e n to ft h ee m b a n k m e n th a v e b e e nm a s t e r e d d i s t i n c t l y t h e c o n c l u s i o n so b t m n e df r o mt h i s p a p e rh a v ei m p o r t a n t l e a d i n gm e a n i n g t ot h ed e s i g na n dt h ec o n s t r u c t i o no f t h er e d b e d se m b a n k m e n t k e y w o r d s e m b a n k m e n t a n a l y s i so fs t a b i l i t y a n ds e t t l e m e n t e a r t ha n ds t o n e m i x t u r eo ft h er e d b e d s e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c c e n t r i f u g a lm o d e l t e s t c o n s t r u c t i o nt e c h n i c s 重庆交通学院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 学位论文作者签名 卓静象 日期 a 舶上年3 月1 3 日 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 第一章绪论 卜1 问题的提出 我国红层的概念最早由李四光提出 一般是指侏罗系 白垩系 第三系的紫 红色 褐红色砂岩 泥岩 页岩互层岩层 因岩层主要呈红色而定名为红层 1 红 层在劐藓哪云南 四川 重庆 西藏等省市区最为普遍 其中云南以楚雄一昆明 为中心的滇中地区和兰坪一永平一思茅一带的滇西地区有大面积的 红层 分布 甘肃省广泛分布有第三系 甘肃群 和白垩系 河口群 红层 红层软岩 指红 层中性质较软的岩石 且红层中以软岩为主 高速公路穿越山岭丘陵区红层地带 为考虑环境和经济因素 路堤填料的主要来源是大量的山体开挖土右方和隧道弃 方 红层软岩是路堤填筑的主要填料之一 公路建设的实践表明 红层地区是公路地质灾害的多发区 路堤的开裂 沉陷 等病害经常出现 如已建的云南安楚二级汽车专用公路 楚太高速公路 四川成 雅高速公路 云南大保高速公路 渝黔高速公路 四川成南高速公路等均不同程 度受到这些工程病害的困扰 究其原因 除因地质条件复杂等自然因素外 对红 层软岩工程特性缺乏系统研究 对红层软岩长期性能认识不透 设计施工措施不 当 也是产生病害的主要原因之一 路堤的稳定与沉降始终是路堤所面l 晦的核心问题 红层软岩路堤也不例外 因此 结合红层软岩填料特点 开展路堤的稳定与沉降分析研究 有助于红层软 岩路堤修筑关键技术的解决 卜2 国内外研究现状与发展动态 专门针对红层软岩填料特性所开展的路堤稳定与沉降分析研究并不多见 但 从必需涉及到的红层软岩基本特性 边坡的稳定性分析 沉降的计算分析与预估 等方面来看 国内外的有关研究工作值得借鉴 1 2 1 软岩工程性质 随着工程建设规模不断扩大 在城乡建设 水电 交通 矿山 建筑 港口 以及国防军事等领域都涉及软岩问题 因此 软岩的试验研究与工程应用在不断 进展 试验研究方面 研究了软岩物质成分及微观结构 包括软岩生成条件 粒 度成分 矿物组成 化学成分 颗粒组构及分形结构模型 水岩作用规律 包括 膨胀性 崩解性 冲蚀效应 长期渗压水作用的演变趋势和稳定性 流变性 包 括蠕变速度的强度效应 因此 软岩工程的研究对象是多相 各向异性的裂隙岩 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 土介质体 i 软硬岩的划分 从6 0 年代到9 0 年代初 关于软岩的概念在国内外一直争论不休 软岩定义多 达几十种之多 1 到9 0 年代末期 由中国原煤炭部软岩专家组和煤矿软岩工程 技术研究推广中心组织专家专题讨论 提出了地质软岩和工程软岩的概念 指出了 二者的区别和联系 并建议在软岩工程中应用工程软岩的涵义 地质软岩是指单 轴抗压强度小于2 5 m p a 的松散 破碎 软弱及风化膨胀性一类岩体的总称 该类 岩石多为泥岩 页岩 粉砂岩和泥质岩石等强度较低的岩石 是天然形成的复杂的 地质介质 工程软岩则是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体 何满 潮 1 9 9 1 国际岩石力学学会则将软岩定义为单轴抗压强度 0 c 在d 5 2 5 m p a 之 间的一类岩石 1 其分类的依据主要是强度指标 软岩的存在是客观的 而且所谓 软 弱 也是相对坚硬岩石而言的 工 程应用的分类标准不过是人为的便于工程设计施工应用的一种辅助标准 文献 6 给出了一些参考性的临界数字 表卜1 软岩的判别特征参数嘲 特征参数软岩硬岩特征参数软岩硬岩 单轴饱和抗压强度 3 0 m p粘聚力c o4 m p 普氏系数 f 3 内摩擦角由 3 5 岩石纵波速度v 2 5 0 0 s变形模量 e a 5 x o m pe 5 x1 0 m p 2 软岩工程环境效应 环境效应包含着极其丰富的内容 它的表现是复杂的 而且是双向的 以软 岩和环境的关系来说 时时刻刻都在变化的地球环境必然导致软岩工程性质一定 程度的变化 而相反 在软岩中进行的工程建设也会对其周围产生影响 我们所 要讨论的是前者 称之为 被动环境效应 简称为环境效应 软岩具有强烈的环 境效应 处于特定环境的软岩 岩体内保持一定的状态 密度 湿度等 有其特 定的力学属性 一般除了缓慢的风化作用等以外 与环境保持着相对的平衡 当 所处的环境改变时 如地下水的涨落 围压松弛及堆卸载导致应力场变化或渗流 场改变等 都会影响到软岩工程性质的变化 1 这种软岩性质与环境条件的依存 性现在还只能从现象学的角度 经验以及统计学分析的途径来估计 理论分析工 作还很少见有系统的报道 特别是关于环境因素的综合效应 可以说国内外的研 究认识至今还是一片空白 目前与软岩粗粒土填料填筑公路路堤有关的环境效应 主要表现在水对软岩的环境效应即软岩的遇水软化和遇水崩解特性 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 水对软岩的环境效应是使软岩软化 关于软化的概念在有关文献中的认识还 有着不一致的地方 工作实践中 人们对软化主要是指岩石浸水后渗入孔隙或裂 隙中的水引起岩石强度降低的作用 而日本的k e i j ik o j i m n 则用软化一词表述完 整岩石的水化或膨胀伴生的迅速崩解现象 软岩的软化性可用水化程度 崩解度和软化程度 软化系数 表征 1 水化程度 岩体碎块水化后的含水量 以w s l 表示 在工程实践中 一般 有w s l 或i s l 及表卜2 中的等级表示 w s l 为完整岩体在干燥与浸湿状态交替循 环试验中第一次循环的含水量 i s l 为水化指数 1 s l w s l w s a 1 w a w s a t 式中 w s a t 岩石软化过程中的饱和吸水量 w a 软化试验中岩石碎块完全化为泥浆状时的不变吸水量 表示岩石成 分的微粒在消除胶结性后所具有的潜在膨胀性 表1 2 软岩水化性分类 6 1 等级水化特征等级 水化特征 a泥浆状 完全崩解 d块状 b砂状 成l 5 m m 的碎块e非水化 c砾状 成5 l o m m 的碎块 式中分母表示当完全转变为泥浆状时吸水量的增加量 而分子则表示在水化试 验中吸水量的增加 当i s l 1 时表示岩块浸水迅速完全崩解 水化性等级为a 级 崩解度 先烘干样品后浸水8 小时 然后可按下表卜3 确定 表卜3 软岩崩解度分级 6 1 崩解度崩解特征崩解度崩解特征 a 级未有往何破坏1 3 缓崩解为小碎片 其中有些小碎片分解 b 级整体未破坏 但出现几条裂隙 e 级样品几乎全部分解为小颗粒 c 级里几个碎块f 级全部分解 呈泥水混合状态 软化程度 软岩浸水的软化程度常用软化系数a 表示 即 墨 量至堕塑坚查堕垫里堡鏖 一 岛 岩石饱和状态的抗压强度 软化主要是指岩石遇水后而引起的一系列亲水矿物和易溶性矿物 软化 造成 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 的抗压强度降低 而不应该包括岩石固有的孑l 隙和裂隙的影响 1 2 2 粗粒土土性参数试验方法 地基土性强度参数通常采用钻孔取样进行室内试验获得 已经有较为成熟的 试验手段和方法 面对红层软岩填料这类粗粒土 采用何种试验手段和方法能获 得比较合适的结果 国内外开展了一些研究 并取得了一定的成果 目前应用较为普遍的有直剪试验和三轴剪切试验两种方法 国内外就这两种 试验方法 试样尺寸对强度参数c 由值的影响进行过对比研究 加州大学用直径9 1 5 m m 3 0 0 m m 7 0 r a m 的三轴仪进行的试验结果表明 1 小直 径仪器的内摩擦角巾偏大 但3 0 0 r a m 仪器得出的内摩擦角比9 1 5 r a m 仪器仅大1 4 1 5 而7 0 m m 仪器的结果大的多 应力水平对内摩擦角的影响远比仪器尺寸大 墨西哥大学的m a r s a l 也同意加州大学的观点 认为采用3 0 0 m m 直径的三轴仪做常 规试验即可 我国水电部昆明勘测设计研究院用直径7 0 0 m m 3 0 0 r a m 1 0 0 m m 的三 轴仪对6 种粗粒料进行过类似的比较试验 得出与加州大学相类似的结论 1 小 试样比大试样大1 2 5 但大试样的c 值较大 现在国内外都以3 0 0 m m 直径 的大型三轴仪作为粗粒士抗剪强度参数试验的通用设备 1 大型直剪试验设备简单 操作容易 在早期做过大量试验 但适用的应力水 平较低 不超过i m p a 一般在0 5 b i p a 左右 不能反映高应力下的非线性特征 而 且试验时剪切盒的开缝宽度 保持剪切盒的水平运动 垂直压力的偏心等问题 都很难掌握 所以近年己基本不用 7 1 a 国内外都曾研制大型平面应变仪 进行过试验研究 得出结论比较一致 即 抗剪强度方面 平面应变大于三轴 应力应变关系两者相差较大 平面应变的曲 线多呈应变软化特点 不符合双曲线 1 2 3 边坡稳定分析 在土力学文献中 土坡稳定性受到的关注比其他任何课题都多 是岩土工程 学科中最古老典型的研究课题之一 经过一个世纪的发展 由于岩土力学特别是 塑性力学的发展与完善以及计算机在岩士工程中的应用 边坡稳定分析无论从理 论上还是方法上都日趋成熟 目前 研究边坡稳定性已有很多种分析法 1 归纳 起来主要有 极限平衡法 极限分析法 有限元法 和滑移线场法 极限平衡法 这是土力学中的一个经典的领域 其以莫尔一库仑的抗剪强度 理论为基础 将滑体划分为着干垂直土条 然后建立作用在这些垂直土条上的力 的平衡方程式 从而求解安全系数 极限平衡法没有像传统的塑性力学那样引入 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 应力应变关系来求解这个本质上静不定的问题 而是直接对某些多余未知量作假 定 使方程式的数量和未知数相等 在处理上 极限平衡法中的各种条分法还做 了以下几方面的假设 对滑裂面的形状作出假定 例如假定滑裂面形状为折线 圆弧 对数螺旋 线等 放松静力平衡要求 求解过程仅满足部分力和力矩的平衡要求 对多余未知数的数值或分布形状作假定 尽管以上三种假设条件对边坡稳定性计算结果有一定的影响 但是由于精确 合理的方法至今尚未成熟 所以在工程实践中几乎无例外地采用极限平衡法解决 实际问题 目前极限平衡法的主要方法有瑞典圆弧法 毕肖普法 陆军师团法 l o w e k a r a f i a t h 法 不平衡推力法 j a n b u 法 l 2 1m o r g e n s t e r n p r i c e 法 和s p e n c e 法 等 另外 陈祖煜教授在m o r g e n s t e r n p r i c e 法的基础上建立了具有普遍意 义的土体力和力矩平衡方程 1 6 1 提出在极限平衡分析中弓l 入的对土条侧向作用 力的假定必须满足的限制条件 以保证滑动士体端点的剪应力成对的原理不被破 坏 并论证了关于受物理合理性条件限制的各种假定下计算所得出的安全系数相 差不大 并且用最优化方法寻找具有最小安全系数的滑裂面 极限分析法 或称能量法 运动塑性力学上 下限定理求解边坡稳定问题 上限定理解即能量法 通常需要假设一个滑裂面 并将滑动土体分成若干刚性块 然后构筑一个协调位移场 为此需要假设滑移面的一部分为对数螺旋线或直线 然后根据虚功原理求解滑体处于极限状态时的极限荷载 临界坡高或安全系数 下限定理的应用是有限的 因为很难找到合适的静力许可的应力分布 只有极少 数情况下可用应力柱方法构造这种平衡静力场 获取下限解 极限分析法中最常 用的是上限定理 因此 极限分析法在多数情况下实际上是上限法 上限法需要 计算外力功与内能耗散功 并使它们相等 因此很多学者又将其称为能量法 极 限分析法的最大的缺点是需假定土体为理想刚塑性体 而不能考虑土体的非线性 应力应变关系 有限元方法 分析边坡稳定问题时可计算出边坡内部的应力 然后假定滑动 面 滑动面上的法向力和切向力直接从有限元应力成果上获得 这样 既可避免 人为的粗糙假定 又考虑了土的应力应变关系 比极限平衡法更为精确合理 但 是有限元分析不能直接与稳定性建立关系 需要定义合适的安全系数 才能使之 在计算时方便地利用有限元的结果 滑移线场法是土塑性力学的重要应用之一 严格来说也是一种极限平衡法 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 在不考虑土体的变形与强度硬软化情况下 将土体分成塑性区与刚性区 塑性区 具体范围待定 在塑性区内 连续介质力学中的应力平衡方程必须满足 另外应 力还必须遵守m o h r c o u l o m b 准则 二者结合起来 可以得到一组偏微分方程 在 简单的边界条件和土质分布条件下用特征线法可得有限的闭合解答 数学上的特 征线恰好是土力学中滑移线即两簇滑裂面 p r a n t d i 在1 9 2 1 年解决了条形地基下 滑移场解答 得到理论条件下地基承载力的精确解 后来s o k o l o v s k i 建立了非常 完整的极限平衡滑移线理论 不仅得到大量有用的解析解 而且还应用数值法获 取了许多滑移线场的数值解答 解决了一系列边坡 土压力 地基承载力问题 除了以上几种方法外 我国学者对土坡稳定分析的改进也作了重大贡献 7 0 年代潘家铮提出了滑坡极限分析的两条基本原理一极大值原理和极小值原理 这 是对边坡稳定分析力学原理的最精辟总结和最重要的发展 1 9 7 8 年张天宝通过按 瑞典法建立的简单土坡稳定系数函数的数值分析 全面归纳了最危险滑弧的变化 规律 1 8 11 9 8 0 年 张天宝还通过对复合土坡稳定系数函数的分析和数值研究 阐 明了复合土坡最危险滑面分布的多极值规律 1 9 8 6 年张天宝论述了产生粘性土 土压力时的合理滑面形状 提出了求解粘性土土压力的凰弧滑面整体平衡法 1 9 8 1 年 孙君实在前人工作基础上 利用虚功原理 根据杜拉克 d c d r u c k e r 公设 证明了潘家铮的极大值定理 并利用模糊数学工具 建立了土坡稳定安全 系数的模糊函数和模糊约束条件 并与传统的安全系数和最小安全系数相对应 提出了安全系数的模糊解集和最小模糊解集概念 从而抛弃了在求解土坡问题时 关于土条侧作用力问题上假设的随意性 深刻揭示了土坡稳定分析的力学原理 推动了土坡稳定分析理论的发展 在进行边坡稳定性分析与研究时 寻求边坡的最危险滑移面成为问题的关键 所在 当滑面形状为圆弧时 利用现代微机不借助任何优化手段也能十分准确地 搜索到临界滑弧 当滑面为任意形状时 计算任务就艰巨地多 任意形状临界滑 动面搜索问题已成为近二十年岩土工程界研究的热门课题之一 潘家铮提出了滑移面搜寻的基本原理 安全系数的极大极小值 即对于特 定的滑移面 土坡发生破坏时 滑移面上的抗剪力达到最大 而对不同的滑移面 最危险滑移面为最小安全系数所对应的滑移面 在设计边坡时 需根据作用力和 抗滑力的各种组合 找出最小安全系数对应的滑动面 围绕这一主题 产生了许 多寻求边坡临界滑移面的方法 就圆弧滑移面而言 常用的 穷举法 是一种优 化方法 瑞典的f e l l e n i u s 靠一系列点的安全系数等值线求临界滑移面 阎中华 曾用黄金分割法 z 2 y 周文通曾用鲍威尔法 探讨过圆弧形和圆弧一直线型的最小 安全系数 孙君实使用复形法计算具有多个自由度的折线形滑移面的最小抗滑稳 重庆交通学院硕十论文第一章绪论 定安全系数 陈祖煜和邵长明基于改进的m o r g e n s t e r n p r i c e 法 利用单纯形 法和负梯度法及d f p 等优化方法 确定非圆弧滑移面问题 但是 i 临界滑移面一 般并不是孤立存在的 而是共存于一簇滑移面之中 根据最优化思想可避开极值 的区域性问题 优化法常需要假设一系列点 很容易造成人为误差 有学者采用 f e m 应力计算结果 限定状态点的区域 但由于本构关系的不成熟 这种方法仍未 得到青睐 1 2 4 沉降计算与预估 自从t e r z a g h i 1 9 2 3 年 的有效应力原理及其固结理论问世以来 沉降计算理 论已取得了长足的发展 主要的计算方法大致可分为三类 一类是基于弹性理论 结合t e r z a g h i 固结理论的理论公式法 一类是b i o t 固结理论结合多种本构模型 的数值分析法 另一类是基于实测沉降时间过程的经验推算法 这几种方法互为 补充 已成为地基沉降计算的主要手段 t e r z a g h i 一维固结理论 6 1 的推出 极大地促进了土力学理论的发展 强有力 地指导了土工建筑物的设计与施工 此后 r e n d u l i c 1 9 3 6 年 又将t e r z a g h i 的 一维固结理论推广到二维和三维情况 得出t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论 但关 于t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论 至今尚没有适用于一般情况的解析解 只能采 用有限差分解和有限元解 b o l t 1 9 4 1 年 直接从弹性理论出发导出了三维固结 理论方程 并于1 9 5 6 年完善了该理论 2 7 1 2 s l b o i t 固结理论也采用了t e r z a g h i 一 维固结理论的假定条件 但确保了土中应力和应变所满足的相容条件 所以被称 为真三维固结理论 然而 由于数学上的困难 即使采用级数和积分变换等手段 也只能对少数简单的边值问题求出解析解或半解析解 直到6 0 年代末 随着电子 计算机的发展以及有限元法的应用 它才得到工程界的关注 由于t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论比b o i t 固结理论简单 所以 在工程中 的应用也较多 s c h i f f m a n 1 9 6 9 年 指出 对于许多实际问题 例如 当底宽与 地基压缩层厚度之比大于0 5 时的路堤型荷载 t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论被 认为已足够精确 2 9 1 地基土层在自重作用下的变形一般趋于稳定 因此地基沉降发生的原因主要 是建筑物荷载在地基中产生的附加应力 在附加应力作用下 土层的孔隙发生压 缩变形 引起地基沉降 沉降计算分两部分内容 一是最终沉降量的计算 另一 个是沉降的时间过程 目前从计算最终沉降量的方法来看 大致可分为倾向于实 用的常规计算方法及倾向于研究的理论计算方法两大类 柚1 常规计算方法是目前 公路部门进行路堤地基沉降最常用的方法 如按e p 压缩试验曲线建立起的单向 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 分层总和法 应用布西奈斯克的竖向位移解答建立起的弹性理论方法计算最终沉 降量等 理论分析方法中采用的有 有限单元法 离散单元法等数值分析方法及 应力计算法 概率法等 计算沉降量与时间关系的方法有两大类 一类是根据固 结理论结合各种土本构模型计算沉降量的有限元法 如非线性弹性模型有限元法 弹塑性模型有限元法 弹粘塑性模型有限元法 结构性的损伤模型的有限元法 大变形固结有限元法等 此类方法的缺点是计算参数多 一般需要通过较为复杂 的试验确定 不同的模型由于假定不同 计算的结果也存在较大差异 在实际工 程中难以采用 第二类是根据实测资料推算沉降量与时间关系的预测方法 如指 数曲线法 双曲线法 高木俊介法 曾国熙 1 9 7 5 年改进的高木俊介法等 对于 目前常规的计算沉降与时间过程的固结理论 一般仍采用t e r z a g h i 的一维固结理 论 近几年来 随着计算机的普及应用 根据现场量测信息对路堤地基沉降随时 间发展的过程进行动态预报的分析方法也得到了发展 例如神经网络模型预测地 基沉降法 3 t l 基础沉降预测的v e r h u l s t 法 路堤地基沉降分析的灰色预测法 等 山区路堤一般高度较高 自重应力较大 填土虽经压实 但由于荷载大 仍 然会产生压缩变形 有研究资料表明 碾压作用相当于l o m 高路堤填土荷载下的 固结作用 建议超过l o m 高的路堤应考虑路堤自身的压缩沉降 对于堤身自身变 形 现有规范都没有方法可供使用 何兆益 周虎鑫m 1 根据试验室的试验成果 利用八节点六面体进行了不同土石组成 不同压实度的路堤自身沉降三维有限元 计算 计算结果表明 当填筑体的高度为3 0 m 时 路堤自身的瞬时沉降量达到了 3 0 7 0 c m 郝传毅 曾尝试过采用非线性有限元分析填筑体的变形 理论上虽然 有限元法方法计算填筑体的沉降能适应各种边界条件和几何形状的变化 并能处 理非均质材料 但从工程推广应用方面来说 这些方法都有其局限性 其中最主 要的是要求工程技术人员有较深的基础理论知识 这种要求对我国当前大部分交 通技术人员来说是不现实的 重庆交通科研设计院在 八五 期间 通过对高填 方路堤的研究 提出了适用于路堤自身变形计算的改进的分层总和法 1 该方法 采用e p 曲线指标 通过模拟实际加荷过程来计算路堤自身压缩变形 就目前而 言 该方法比较通俗易懂实用 卜3 本文主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 目前对于红层软岩作填料修筑路堤的材料特性 填筑技术及控制方法等方面 重庆交通学院硕 论文第一章绪论 的研究都不是十分完善 因路堤填筑质量不高而引起的路堤失稳 路基沉降 特 别是不均匀沉降量过大而导致的路面结构破坏问题较为突出 红层软岩路堤稳定性及不均匀沉降问题主要出现在斜坡路堤和软基上的高填 路堤 斜坡地段由于基岩或土基顶面倾斜 且倾斜面常常是地表水下渗和地下水 活动的通道 在斜坡路堤填筑过程中 经常发生路堤过大变形甚至失稳现象 在 公路运营过程中 也有斜坡路堤失稳现象 为了深入研究分析这些问题 同时为 工程合理的技术处理措施提供依据 重庆交通科研设计院承担了交通部西部交通 建设科技项目 红层软岩地区公路修建技术研究 中的分项目二 红层软岩地区 公路路堤修筑技术研究 本文是这一课题的一部分内容 主要包括 红层软岩土石混合料的工程特性研究 倾斜地基上红层软岩路堤稳定及沉降性状的离心模型试验研究 典型地基条件下红层软岩路堤的稳定性与沉降计算分析 红层软岩路堤的设计与旋工 1 3 2 研究手段及技术路线 通过对各种可能研究手段的对比 确定采用室内大型土工试验 室内离心模 型试验 边坡极限平衡法 有限元数值分析及依托工程试验路的修筑和测试等手 段来完成本文的研究工作 具体技术路线如下 1 通过岩块的岩性试验 了解红层软岩的性质 通过室内大型击实试验 大型三轴试验及大型压缩试验等 研究红层软岩土石混合填料的工程力学特性 通过长期变形试验 研究红层软岩土石混合填料的长期变形特性 2 利用离心模型试验 分别对不同坡度地基 不同边坡坡率 不同填筑宽 度 以及加筋和未加筋路堤进行对比研究 掌握典型条件下红层软岩路堤的稳定 和沉降变形性状 3 进一步利用边坡极限平衡法和有限元数值分析方法 对不同坡度地基条 件下的路堤进行计算 结合依托工程的观测 从更多的侧面弄清红层软岩路堤的 稳定与沉降变形性状 4 通过依托工程试验路的修筑 对红层软岩土石混填路堤的施工工艺进行 了研究 提出合理的设计与施工建议 云南省地处云贵高原 地形属于山岭重丘 地形 地貌条件复杂 在建的云南 安楚高速公路 全长1 3 0 6 8 2 7 4 k m 综合里程 有9 0 多公里穿越红层地带 地形 相对高差高达6 0 0 米以上 很多路段为高填深挖 拟作为本文研究的依托工程 重庆交通学院硕士论文第二章红层软岩十i i 灌合料1 1 n 特性的研究 第二章红层软岩土石混合料工程特性的研究 2 1 概述 公路路堤的填筑一般本着就地取材的原则 从就地取用的天然填料来看 路 堤填筑材料大致可分为细粒土 粗粒土及巨粒土三种类型 对于细粒土 包括粘 性土和非粘性士 的物理 力学性质的研究比较充分 现行技术规范 试验规程 仪器设备等基本都是建立在细粒土之上的 对于粗 巨 粒土填料 由于试验方 法 仪器设备等方面的限制 公路部门较少开展其工程特性的试验研究 红层地区的路堤填料一般来自于路堑开挖的土石混合料 如按现行 公路土 工试验规程 j t j 0 5 1 9 3 的分类方法 大多为粗 巨粒土 与一般的粗粒料相 比 其最大的不同之处在于填料本身的特殊性 红层多由软岩与硬岩互层组成 般软岩成分较高 软硬层性质存在较大的差异 一般将红层问题作为软岩问题 研究 因此红层地区路堤所用填料大部分为红层软岩土石混合填料 由于红层软岩具有强度低 变形大的特点 对于红层软岩土石混合填料修筑 的路堤而言 本文关心的是填料中软岩岩块的性质及存在的比例对填料的压实特 性以及压实后的路堤整体的力学性质的影响 红层软岩还具有强烈的赋存环境效 应和时间效应 而环境水是路堤修筑过程中影响最大的因素之一 因此尚需考虑 路堤成型后水对路堤综合性质的影响 以及路堤综合性质随时间的变化 即考虑 这些条件下红层软岩土石混合填料性质的变化 为开展相关研究 本文从云南安 楚高速公路路堤施工现场取样 进行了红层软岩土石混合填料的大型击实 三轴 压缩 长期蠕变试验以及相应的软岩岩性试验 结合工地现场观察 对该填料的 工程特性进行了研究分析 2 2 填料中岩块的基本特性 岩块的工程性质包括物理性质 水力学性质和力学性质三个方面 工程上常 用的岩石性质指标 主要有密度 比重 含水率 吸水率 孑l 隙率 抗压强度 抗剪强度 软化系数 耐崩解指数 变形模量 弹性模量 泊松比等 这些指标 与其岩性及岩石风化程度有关 红层软岩土石混合填料的岩块试验选自于云南安楚高速公路9 标段填方用料 取样有两种 紫红色砂岩 细粒结构 局部含方解石脉线 暗色条纹 局部有小 孔洞 紫红色砂质泥岩 网状微裂隙发育 局部含d f l 洞 这些岩块的岩性试验 结果见表2 1 2 5 图2 一l 图2 6 岩性试验目的在于对岩石类型进行区别 在所有试验中 最重要的指标是岩石的单轴抗压强度 软化系数及耐崩解程度 重庆交通学院硕 论文第二章红层软岩士x i 混合料 i 科特性的研究 表2 1岩块的物理指标试验结果 岩石岩样编 比重 重度 k n m 3 含水率吸水 璀孔隙牢 名称号 a s 烘干 自然以惭儿 镰l致2q 2 6 72 5 4 1 32 5 6 0 12 5 7 1 00 7 4 01 1 6 82 9 2 7 2 6 62 5 1 7 l2 5 3 7 22 55 0 80 7 9 91 6 6 83 3 3 6 砂岩 12 6 62 5 4 3 42 5 5 8 82 56 9 40 6 0 61 0 2 l2 5 4 8 2 6 72 5 2 0 92 5 4 4 72 5 5 9 00 9 4 41 5 1 03 7 8 3 2 6 72 54 1 72 5 6 2 5 7 0 60 7 6 61 1 3 72 8 4 8 25 62 39 5 62 4 1 2 22 4 3 9 20 6 9 41 8 2 34 3 5 4 2 5 62 3 6 6 z2 3 9 8 22 4 2 2 81 2 2 62 3 8 95 6 6 6 砂质 22 5 72 3 6 0 52 3 9 1 22 4 2 2 01 3 0 32 6 0 66 1 7 4 泥岩 2 5 32 3 1 4 12 3 5 0 92 3 7 9 21 5 8 72 8 1 16 5 3 6 2 5 42 3 3 2 52 3 6 7 22 3 9 5 81 4 9 0 2 7 1 5 6 3 5 9 表2 2岩块单轴抗压强度试验结果 岩石名 岩样编号 饱和抗压强度a m p a 自然抗压强度o l o m p a 软化系 称 单值均值单值均值 数 4 6 86 2 6 砂岩 l4 3 34 2 35 2 55 4 90 7 7 3 7 04 96 1 7 5 砂质 21 9 01 8 4 泥岩 1 8 6 表2 3岩块的三轴强度试验结果 岩块 岩样编号 抗拉强度 m p a 抗剪强度参数 c m 口a 名称 图解法二乘法 相关系备注 单值均值 t g p c l f 据9 g 数 6 9 7 饱和 砂卷l5 6 15 8 91 1 9 1 0 21 2 68 7 50 9 6 1 状态 50 8 2 2 5 自然砂质 2l9 320 01 7 62 6 41 8 32 4 40 9 5 3 泥岩状态 l8 l 表2 4岩块变形特性试验结果 试验应变 1 0 1 变形模弹性模 岩块岩样 应力 纵向应横向应弹性应 量岛量e 泊松比 备注 名称编号 口 变晶 变岛变tm p am p a h p a 41 4 9o 3 4l3 42 6 8 9 12 9 9 0 70 2 3 饱和 砂岩l40 7 6o 1 606 55 2 4 5 96 0 3 7 70 2 0 状态 61 6 5o 3 51 5 l3 6 3 6 43 9 6 6 902 l 1 23 8 3o 9 333 83 1 3 7 33 5 5 5 60 2 4 自然砂质 21 24 8 51 2 44 4 52 4 7 4 22 6 9 6 60 2 6 泥岩状态 1 24 1 51 0 43 7 22 8 9 1 63 2 2 1 5o 2 5 重庆交通学院硕士论文第二章红层软岩土石 抛合料 i 程特一陛的研究 两种岩块试样的试验曲线如图2 1 2 6 图2 1砂岩应力应变曲线 01 加瞄 45 图2 3砂岩三轴试验强度线 图2 5 砂岩三轴试验摩尔应力圆包线 图2 2砂质泥岩应力应变曲线 f 皇 p r 矧 i 菲 图2 4砂质泥岩三轴试验强度线 2 4 l t 8 j 3 t l 1 2 缔 占 一1 0 0l o2 03 04 0 5 l 正应力o 肿 图2 6 砂质泥岩三轴试验摩尔应力圆包线 从上述试验结果来看 砂质泥岩的强度偏低 其单轴自然抗压强度仅为 1 8 4 m p a 软化程度较高 单轴饱和抗压强度无法测得 远低于软硬岩的划分标准 单轴饱和抗压强度为3 0m p a 属软质岩 砂岩单轴自然抗压强度为5 4 9 m p a 单轴饱和抗压强度为4 2 3m p a 属硬质岩 岩块遇水崩解的情况对路堤成型后的工作状念有极大的影响 因此室内测试 了该填料中岩块的崩解度 取样品若干 尺寸为8 c m 8 c m 1 0 c m 先烘干样品后 重庆交通学院硕士论文第二章红层软岩士 i 泡台料 稳特性的研究 浸水8 小时 然后按下表2 5 确定 表2 5软岩崩解度分级 1 捌解度崩解特征崩解度崩解特征 a 级米有任何破坏d 级崩解为小碎片 其中有些小碎片分解 b 级整体来破坏 但出现几条裂隙e 级样品几乎全部分解为小颗粒 c 级呈几个碎块f 级全部分解 里泥水混台状态 试验结果为砂质泥岩浸水时间2 小时后崩解为小碎块 其中有些小碎片分解 8 小时以后 外表看起来无变化 碎块用手一碰即散架成小颗粒 颗粒大小为0 5 0 i c m 见方 崩解等级应为e 级 砂岩浸水2 小时后整体未破坏 但样品四周出 现一些裂缝 8 小时后呈几个小碎块 碎块大小约为3 c m x 3 c r u xc m 用手轻轻捏 可捏成约 c m x c r u xi c m 小碎块 崩解度应为c 级 以上岩块试验结果表明 云南安楚高速公路9 标段所用的红层软岩土石混合 填料中的泥岩强度偏低 无法测得饱和状态下的抗压强度 并且极易崩解 同样 砂岩也比一般硬岩强度偏低 崩解度也较高 因此 岩块的特殊性对整体填料的 性质有着不可忽略的影响 2 3 红层软岩粗粒土填料的工程特性 2 3 1 填料的级配设计 填料的级配对填筑体的工程性质有着直接的影响 一般来说 粗粒土填料的 级配几乎都是呈连续型的 描述颗粒级配特性两个重要参数分别为不均匀系数q 和曲率系数e 其定义为 c 等 2 1 1 0 q 挚錾 2 2 1 0 式中 d 小于某粒径的土重含量为6 0 时 相应的粒径称为控制粒径 d 6 0 d 小于某粒径的土重含量为1 0 时 相应的粒径称为有效粒径d o d 小于某粒径的土重含量为3 0 时 相应的粒径称为d 不均匀系数c 反映粒径曲线坡度的陡缓 表明土粒大小的不均匀程度 工程 上把巳 5 的土称为均匀土 反之则称为非均匀土 曲率系数c 反映粒径分布曲 线的整体形状及细粒含量 研究表明 e 3 0 的土级配也不连续 细料含量小于3 0 故c l o 3 0 时土粒大 小级配的连续性较好 因此 在工程上对路基填料良好级配的判定为 累积曲线 呈凹面朝上的形式 坡度较缓 粒径级配连续 粒径曲线分布范围表现为平滑 同时满足c 5 及c 1 o 3 0 的条件 为使室内试验结果更加接近实际工程 室内试验填料级配设计前在安楚高速 公路9 标段进行了碾压前后的筛分试验 获得了表2 6 的结果 从表中可以看出 施工现场级配一填料碾压前5 m m 颗粒含量p 为8 5 6 碾压后p 5 含量降低为7 0 4 级配组成发生了较大的变化 该红层软岩土石混合填料在碾压作用下颗粒破 碎较严重 j 由于室内试验选择的仪器所允许的最大粒径均不超过6 0 m m 因此 采取了等 量代替法处理现场筛分级配 为对比现场筛分所得级配 增加了一种级配 室内 试验采用的填料级配见表2 7 表2 6红层填料现场实际筛分结果 粒径 情况 序号 5 0 2 0 6 05 2 02 5o 5 2 6 02 0 6 05 2 02 5o 5 2 6 02 0 6 05 2 02 50 5 2 1 0 r 0 9 9 4 2 4 f d i 文献 4 0 4 l 还用公式对混合料最大干密度进行修正 结合粗粒料干密度 也可得出土石混合填料的最大干密度理论值 可按下式计算 让 1 乓 旦 2 胡 以 q 2 岛i 式中 历 土石混合填料最大干密度理论计算值 g c m 3 p 粗粒料含量 以小数计 g 2 粗粒料千密度 g c m l 重庆交通学院硕十论文第二章红层软岩士i i 混合料一 程特性的研究 岛 细料用标准功能单独击实的最大干密度 g c m 3 风 水的密度 g c m 最优含水量则按以下公式计算 屹 1 e m 只 2 6 式中 土石混合填料的最优含水量计算值 w 幺 细粒土试验所得最优含水量计算值 w 粗粒吸着含水量 文献1 4 0 1 的研究表明 当p s 含薰较低时 徐村与水城两坝料的计算值历 与 细料实测值岛 一较为接近 但随着p s 的增大 计算值逐渐偏离并大哥实测值 相 比之下 用击实后p 5 含量计算误差较小 从式 2 6 的计算 0 与实测细料 0 比较看 丽坝料用击实后p 5 含量计算与实测值较为吻合 但计算的力 在p s 含量 较高时仍存在较大误差 不同研究者对土五混合填料最大干密度的理论公式进行了研究 并提出了各 自的看法 但均没有明确砾石含量是击实试验前还是击实试验后数值 且对砾石 的5 m m