（道路与铁道工程专业论文）高液限土地区公路路堤修筑技术研究.pdf

摘要 高液限土由于含水量高 强度低 压缩性大 容易产生修筑路堤的失稳 沉 陷和不均匀沉降等破坏 同时 还由于施工场地长期的雨 雪天气 很难正常开 展路堤修筑施工 因此 本着安全有效地利用该类资源 节约换填好土所带来的 经济损耗的目的 必须针对高液限土修筑路堤技术展开深入的研究 以保证路堤 的顺利修筑 同时也确保填筑路堤的稳定性 改善其变形特性 目前国内外在利用高液限土修筑路堤技术上的研究仍不完善 还有许多问题 需要进一步认真研究 因此对利用高液限土修筑路堤的技术及相应特殊施工手段 等进行系统研究和评价 既可以提高工程质量 降低工程成本 也可以做到合理 利用资源 减少过分开采所造成的环境破坏 因此 具有巨大的经济社会效益 本文结合石忠高速公路高液限土路段实际状况 有针对性地分析了高液限土 的各项物理力学及结构特性 并以此为依据 展开高液限土地区路堤修筑技术的 研究 首先分析了高液限土土质的改良及改良土填筑路堤的路用性及适用性 接 着分别从高液限土路堤填筑方案设计 高液限土路堤结构形式设计两个方面对高 液限土路堤修筑技术进行研究 并利用f l a c 数值模拟及土工离心试验等手段对设 计方案进行不同角度的验证 同时进一步分析高液限土路堤堤身填筑初期的沉降 情况和高液限土路堤在不利状况下的变形情况 并在分析验证过程中 进一步探 寻路堤变形的规律和特点并对处治方案进行修正 最后 结合高液限土路堤修筑 技术的研究成果 对高液限土修筑路堤的特殊施工方法 施工机具及工序工艺进 行总结和分析 本文得到了重庆市交通委员会2 0 0 6 年科技项目 复杂地质环境条件下路基修 筑技术研究 的资助 关键词 高液限土路堤 填筑方案 f l a c 数值模拟 土工离心试验 变形 沉降 施工方法 a b s t r a c t t h er o a de m b a n k m e n tc o n s t r u c t e dw i t hh i g hl i q u i dl i m i ts o i li si n c l i n e dt oc o l l a p s e h a v es e r l e m e n to rn o n u n i f o r ms e t t l e m e n tb e c a u s eo ft h eh i g hd a m p n e s s l o ws t r e n g t h a n dh i g hc o m p r e s s i b i l i t yo ft h i st y p eo fs o i l a tt h es a l l l et i m e i ti sd i f f i c u l tt or o a d e m b a n k m e n tc o n s t r u c t i o nd u et ot h eb a dw e a t h e ri nt h ec o n s t r u c t i o ns i t e t h e r e f o r e i t s n e c e s s a r yt od oi n d e p t hr e s e a r c ha b o u th i g hl i q u i dl i m i ts o i lf o rs a f ea n de f f i c i e n tu s e o ft h er e s o u r c e a n d t h e r e b yt h es t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o no ft h er o a de m b a n k m e n t f i l l e dw i t ht h i st y p eo fs o i lc a ne v e n t u a l l yc o n t r o l l e di nt h i sw a y n o wt h er e s e a r c hw o r ka b o u th i g hl i q u i dl i m i ts o i lu s e di ni ss t i l ln o tv e r y s a t i s f y i n gi nt h ew o r l d t h e r ei sm u c hw o r ks h o u l db ed o n ea b o u tt h er e s e a r c h s u c h t h a tt h er e s e a r c ha b o u tt h em a n a g e m e n ta n ds p e c i a lc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo fr o a d e m b a n k m e n tf i l l e dw i t hh i g hl i q u i dl i m i ts o i lw i l ln o to n l ya d v a n c ee n g i n e e r i n gq u a l i t y w i t hl e s s e re n g i n e e r i n gc o s tb u ta l s ou s et h en a t u r a lr e s o u r c em o r ea d e q u a t e l yw h i c h c a nr e d u c et h eo v e r e x p l o i t a t i o nd i s r u p t i o nf o rt h ee n v i r o n m e n t t h e r e s e a r c hw o r k p o s s e s s e sh u g ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t t h i sp a p e rh a st h es u b s i d i z ef o r mt h ep r o j e c t t h er e s e a r c ha b o u tt h er o a d b e d c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ei nc o m p l e xg e o l o g i cs i t e o ft h ec h o n g q i n gt r a f f i cr e s e a r c h c o m m i t t e e w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h er o a df i l l e dw i t hh i g hl i q u i dl i m i ts o i li n s h i z h o n gh i g h w a y t h i sp a p e rs p e c i a l l yh a sa n a l y z e dt h ep h y s i c a lm e c h a n i c sa n d s t r u c t u r a lp r o p e r t yo ft h eh i g hl i q u i dl i m i ts o i l a n dd os o m er e s e a r c hw o r ka b o u tt h e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo ft h es p e c i a lt y p eo fr o a de m b a n k m e n t f i r s to f a l l h i g hl i q u i d l i m i ts o i li m p r o v e m e n ta n dt h eq u a l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo ft h er e c l a m a t i o ne m b a n k m e n t h a v eb e e nr e s e a r c h e d t h e na f t e rt h eh i g hl i q u i dl i m i ts o i le m b a n k m e n tp r o g r a m m e d d e s i g n h i g hl i q u i dl i m i ts o i le m b a n k m e n ts t r u c t u r ed e s i g n t w oa r e a so fh i g hl i q u i d l i m i ts o i le m b a n k m e n tc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yr e s e a r c h c a r d e do u ta n df l a c n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dg e o t e c h n i c a lc e n t r i f u g et e s tm e a n sw e r eu s e df r o md i f f e r e n t a n g l e st ov a l i d a t et h ed e s i g np r o j e c ta n df u r t h e ra n a l y s i so ft h es e t t l e m e n to ft h eh i g h l i q u i ds o i le m b a n k m e n to w no nt h ei n i t i a lf i l l i n gs t a g e sa n dd e f o r m a t i o nu n d e ra d v e r s e c o n d i t i o n s b a s eo nt h ea n a l y s i so ft h ev e r i f i c a t i o np r o c e s s t h ep a p e rf u r t h e re x p l o r e s t h el a w sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h ee m b a n k m e n td e f o r m a t i o na n dt r e a t m e n t p r o g r a m m e r sa r er e v i s e d f i n a l l y c o m b i n i n gt h eh i g hl i q u i dl i m i ts o i le m b a n k m e n t c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o d u c t i o n t h i sp a p e ra g g r e g a t e sa n da n a l y s i s e st h e s p e c i a lc o n s t r u c t i o nm e t h o d s c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya n dp r o c e s st e c h n o l o g yt oh i g h l i q u i dl i m i ts o i le m b a n k m e n t k e yw o r d s h i g hl i q u i dl i m i te m b a n k m e n t f i l l i n gp r o g r a m m e f l a cn u m e r i c a l s i m u l a t i o n g e o t e c h n i c a lc e n t r i f u g et e s t d e f o r m a t i o ns e t t l e m e n t c o n s t r u c t i o nm e t h o d s 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 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 学位论文作者签名 彳瓤 日期 细8 年3 月圬日 燧钡撕l 日期 l 孑年岁月 7 日 橘肌 孙 3 签 年 者 倒 潞 姗 娜 论 1l掣步 学 日 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 研究背景及意义 重庆石柱 分水岭 至忠县高速公路是交通部规划的 五纵七横 国道主干 线中沪蓉国道主干线重庆支线的一段 作为国家重点干线公路的重要组成部分 是西部开发中非常重要的东西通道之一 同时 也是重庆市高速公路骨架网的重 要组成部分 其中b 1 b 2 合同段位于渝东偏东南部位 属于西南山区气候 潮湿多 雨 而且路段地下水系发达 这里广泛分布着含水量较大的潮湿性土 它们多为高 液限粘土或高液限粉土 其含水量普遍达3 5 以上 并且分布较深 另外 我国 东南沿海湿热地区及西南潮湿地区的平原或山区丘陵地带也都广泛分布有这种高 液限黏土和粉土 这种土对于工程建设来说属于不良土壤 具有诸多不利的工程 性质 而这些地区由于常年阴雨潮湿 使得日常的交通基础建设中没有适当的路 基填料 常常需要远距离调配换填好土或石料 这样造价较高 而且不一定有足 够合适的土石料场提供路基填筑之用 为节省公路造价 充分合理利用各项资源 减少过多开采所造成的环境破坏 有时不得不把高液限土作为路基填料 因此存 在很多不利施工和运营的因素 首先是路堤稳定 路堤边坡失稳是路堤病害最严重的方面 所造成的危害程 度相当大 造成的损失也是不可估量的 由于高液限土土质含水量大 强度低 用于填筑路堤使得路堤整体强度不够 而且随着雨雪 行车荷载的反复作用 堤 身结构强度减弱趋势较其它填料路堤更为明显 一般表现为滑坡 坍滑 溜塌等 如云南鸡石公路 l 路堤采用高液限土填筑 由于高液限土浸水后强度大大降低 造 成一段长约2 5 3 0 m 的重力式挡墙垮塌 南昆铁路 1 百色段位于百色衙地高液限 土地区 其填方路堤采用高液限土填筑 在林逢车站附件 铁路路堤及浆砌片石 挡墙被挤裂垮塌破坏 其次是路基沉降 路基沉降是路堤病害的主要来源 无论对结构物还是路基 本身都是有很大的破坏性 而对于高液限土路堤工程的路基固结沉降显得尤为明 显 主要表现为路基整体下沉 桥头跳车 局部沉降以及路基的纵横向开裂等 如1 9 9 9 年建成通车的京秦高速公路河北段 l 由于路基填筑含水量过高 碾压密实 度不足 己经发生了长达几公里甚至长达十几公里的纵向裂缝 石黄高速公路 1 同样也出现了这样的问题 严重影响了高速公路的运营使用 而且 路基沉降的 研究主要集中于软土地基情况进行 并侧重于地基的沉降研究 而忽略了路堤本 身的沉降 填方路堤的出现或施工时填料含水量过大都会引起较大的堤身变形 另外高液限土路堤施工较困难且施工质量也难以保证 由于常年阴雨绵绵 日照时间少 在路堤施工中 填料含水量高会造成路堤填筑压实度低 或压实功 第一章绪论 2 率过大导致弹簧土现象 路堤填筑质量很难保证圆 如果把含水量高的土作为废料 处理 路堑开挖的大量土料需要场地堆置 造成水土流失和土地资源的浪费 如 果采用翻晒 掺加外加剂降低填料含水量的方法处理 很难保证工期 施工效率 低下 综上所述 目前在利用高液限土修筑路堤技术上的研究仍不完善 而且针对 高速公路建设缺乏针对性 还有许多问题需要进一步认真研究 结合石忠高速公 路高液限土地区建设项目 开展本课题的研究意在有针对性地深入细致分析山区 深层高液限土的材料特性 对利用其修筑路堤的技术及相应特殊施工手段等进行 系统研究和评价 既可指导依托工程建设 提高工程质量 降低工程成本 也为 今后高液限土地区公路建设事业提供一定的设计施工依据 因此 具有巨大的经 济 社会效益 1 2 高液限土范畴 高液限土大体上被定义为液限大于5 0 的细粒土 1 根据土的颗粒组成 高液 限土可细分为高液限黏土 含砂高液限黏土 含砾高液限黏土 高液限粉土 含 砂高液限粉土 含砾高液限粉土 详见表1 1 目前 高液限土主要包括软土 膨 胀土和红黏土 表1 1 高液限土的划分 t a b1 1t h ed e m a r c a t i o no fh i g hl i q u i dl i m i ts o i l 1 2 1 软土 我国交通部行业标准j t j 0 1 7 9 6 公路软土地基路堤设计与施工技术规范 将 软土定义为一种滨海 湖沼 谷地 河滩沉积的天然含水率高 孔隙比大 压缩 性高 抗剪强度低的细粒土 而建设部的j g j 8 3 9 1 软土地区工程地质勘察规范 规定 凡符合 外观以 第一章绪论 3 灰色为主的细粒土 天然含水率不小于液限 天然孔隙比不小于1 0 三个特 征即为软土 软土的工程性质有 颜色以深色为主 粒度成分以细粒为主 有机质含量高 容重小 天然含水率高且大于液限 一般为5 0 0 0 7 0 液限一般为4 0 0 o 6 0 天 然孔隙比大 一般大于1 0 渗透系数小 一般在l n l 0 8 c 州s 之问 水平向渗透 性大于垂直向 压缩性高 压缩系数a l 2 一般为o 7 1 5 m p a 1 最大可达4 5 m p a 1 且随着土的液限和天然含水率的增大而增高 抗剪强度低 快剪黏聚力小于1 0 k p a 内摩擦角小于5 0 固结快剪凝聚力小于1 5 k p a 内摩擦角小于l o o 灵敏度高 灵 敏度一般在2 l o 之间 有时大于1 0 并具有显著的流变特性 1 2 2 膨胀土 膨胀土是一种吸水膨胀 失水收缩开裂的特殊高液限黏土 颜色多以灰白 棕红 黄褐及黑色为主 其矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为主 在自 然条件下 多呈硬塑或坚硬状态 裂隙较发育 常见光滑面和擦痕 裂缝随气候 变化张开和闭合 并具有反复胀缩的特性 多出露于二级及二级以上的阶地 山 前丘陵和瓮地边缘 地形坡度平缓 无明显自然陡坎 主要特征有胀缩性 裂隙 性和超固结性 现有判别方法 c g b j l1 2 8 7 膨胀土地区建筑技术规范 中 对膨胀土采用综合评判法 即 将具有膨胀土工程特征且自由膨胀率晚乏4 0 的土 判定为膨胀土 交通部j t j 0 5 1 9 3 公路土工试验规程 中采用塑性图进行判别 膨胀土为 高液限土黏土 c h e 分布范围为6 0 l 5 0 塑性指数忿o 7 3 c o l 2 0 国内外的其他判别方法 1 反映土体天然结构和状态的指标 a 压实性指标k d e l e e l e e 1 0 e l e p e 分别为液限 塑限和实际状态的孔隙比 b 膨胀性指标k e e l e 1 e 0 4 e l a j l g s g w g g w 分别为土 水的相对密度 e 为实际状态的孔隙t f c 吸 水性指标k 0 l 肠 0 4 c o l 分别为液限和饱水状态的含水率 2 反映土的物质组成成分与水的相互作用的指标 a 自由膨胀率g e 庄 4 0 b 液限国l 4 0 c 塑性指数 o 1 8 d 活动性指数k a i d a 1 2 5 a 为粒径小于2 1 a m 颗粒的百分含量 前一类指标要求采用原状土样确定 后一类指标反映土的基本特性 用扰动 土即可测定 测定方法简便 易行 1 2 3 红黏土 红黏土是经红土化后形成的新生物 覆盖于基岩上 呈棕红 褐黄等色 其 主要是以胶体形式存在 以致红黏土的粒组构成是以细粒为主 其中胶粒含量冠 第一章绪论4 于中国第四纪黏土之首 小于2 1 a m 粒组含量多在5 0 以上 已见土中小于l p m 粒 组含量最高可达9 3 红黏土已经鉴定出的黏土矿物成分是以高岭石 伊利石 绿片石为主 土性特征是液限大于5 5 湿度状态的垂向变化有明显上部硬下部 软的规律 失水后具有较大收缩性 土体中裂隙发育等 已形成的红黏土 经后 期水流搬运 仍然保留着红黏土的基本特征 其液限一般大于4 5 称为次生红 黏土 红黏土的工程性质 物理特性 1 天然含水率较高 一般情况下接近塑限 范围一般为3 0 6 0 2 液限 塑限和塑限指数均较高 液限一般在5 0 0 o 8 0 之间 塑限一般 3 0 5 0 之间 塑性指数一般在1 6 3 0 之间 3 饱和度较大 一般在8 5 以上 4 天然孔隙比大 密度小 孔隙比一般大于1 5 颗粒细而均匀 黏粒含量 粒径小于o 0 0 2 m m 的颗粒含量 较高 一般在 3 0 6 0 之间 具有高分散性 6 液性指数一般较小 多数小于o 2 5 属坚硬状态或半坚硬状态 7 有机质含量非常小 一般小于1 力学特性 1 最大干密度和最佳含水率 红黏土压实性差 在一定击实功能下 最大干容 重低而最佳含水率高 即使增大击实功能 干容重的增量也很有限 造成干容重 低的原因是这种土料具有稳固的团粒结构 在压实过程中粘结牢固 其内部的孔 隙不会改变 而且团粒之间也存在着孔隙 故压实干密度较低 一般在1 2 1 5 9 e r a 3 之间 有些甚至更低些 这种土料的天然含水率一般都很高 填筑时常需降低土 料的含水率 在做击实试验时 应尽量模拟实际的施工状态 正确调配土样的含 水率 2 压缩性 红黏土的压缩性一般都不高 按照分类标准 属中等或中等偏低压 缩性土 3 渗透性 红黏土的渗透性比较好 其渗透系数比分散性黏土的渗透系数相对 要大 4 抗剪强度 红黏土虽然天然含水率较高 干容重较低 孔隙比较大 但其抗 剪强度相对较高 胀缩特性 红黏土具有弱到中收缩性 部分可能具有强收缩性 第一章绪论 5 1 2 4 高液限土宏观定义 根据上述几类高液限土工程性质及评判方法的介绍 可以归纳高液限土具有 含水量高 孔隙比大 压缩性高 渗透性小 天然抗剪强度低 触变性高 具有 一定膨胀性等诸多不利的工程性质 因此 定义高液限土不能局限于上述某一类 土质或某几方面的特性 如液限 颗粒等 而应该全面把握高液限土各项工程特 性 只要土体含水量高 液塑限较高 孔隙比大 压缩性高 渗透性小 天然抗 剪强度低 触变性高 具有一定膨胀性等 均应该定义为高液限土 这样多方面 对其进行研究改善并用于工程建设才能真正消除各种工程隐患 真正做到合理利 用该项资源 也只有这样才适合逐步推广并用于今后指导相关工程 1 3 国内外研究现状及发展方向 为了探索高液限土进一步的性质及其处理技术 许多学者曾从不同角度开展 试验研究工作 在对高液限土土质研究方面 河北工业大学的杨书燕 3 曾通过数字图像技术 分析高液限粘土的微观结构并对其强度机理进行研究 同时采用分行理论对土体 强度进行判别 r i v a r d ej g o o d w i n t e 1 9 7 8 h 研究了压实土的地质特性与一 般土的关系 建立了粘质土最大干密度与最佳含水量之间的关系 同时利用粘土 粉质粘土和单点p r o c t o r 法确定最大干密度与最佳含水量关系 湖南高速公路建设 开发公司的杨伟华 5 结合衡枣高速公路地区高液限土情况 对高液限土矿物成分 工程特性等进行了试验研究 并进一步根据工程特性进行了科学的分类 在对高液限土改良的研究方面 中南大学的张平 胡毅夫 6 等人在利用石灰 改良高液限土土质方面进行了相关试验研究 得出了最佳掺量及相应土质特性改 良效果 长沙理工大学的钟敏雄 刘世武 柳厚祥 7 等在利用康耐固化剂改良高液 限土土质方面进行了相关试验研究 得出了土质物理力学性能及强度变化的规律 黑龙江工程学院的迟银龙 8 在土质含水量对工程危害方面进行了一定的分析 提出 了相应的降低土体含水量的工程措施 丁军华 陈景雅 9 等人根据沂淮江高速公路 路基高液限土的处理 比较了石灰 水泥 n c s 等材料在改良高液限土土质方面 的不同效果 在对高液限土路堤修筑技术的研究方面 z e b a l l o s m e g i a c c h i n o m 2 0 0 1 n 0 研究涉及粉质粘土道路路堤的地基 介绍了对阿根廷圣路易省内用黄沙粘土修筑 的路堤的试验 研究的这个土系不饱和土的性能以及变形等与土壤含水量之间的 关系 三航五公司的姜东亚 2 在利用高液限土填筑路堤技术上 根据高液限土的特 性 提出了设置排水砂层和排水砂井的高液限土路堤结构形式 加速了土体固结 过程 提高了堤身强度 同时也有利于路堤施工的压实控制 第一章绪论6 在对高液限土施工工艺方面 玉林公路局的秦义保 苏震 1 l 等人通过压实 状态 含水量 击实功 与高液限粘土稳定强度的关系分析 提出在改进施工工艺和 加强施工中质量控制的情况下 直接就地利用高液限粘土修筑高等级公路路基是 可行的 交通部公路科学研究所的吴立坚 1 2 等人结合福建某高速公路 对利用高 液限土填筑的压实度指标进行了室内试验 得出相应指标 并对现场碾压技术及 影响因素进行了一定研究 机械筑路处的罗文涛 结合厦漳高速公路工程实例 对高液限土掺拌固化剂改良的翻晒摊铺和路拌施工工艺进行了分析 目前国内外就高液限土路堤修筑技术方面已经有了一定认识 同时在材料改 良 设计 施工等方面也已进行了很多的实践 这些实践及研究虽侧重点不同 但均对深入认识高液限土性质及高液限土路基性状具有重要的参考价值 然而尽 管处治措施多种多样 但这个问题并没有很完善地得到解决 而且很多方法都建 立在常规经验上 缺乏更深入的分析和验证 特别是在路堤设计方法及其结构分 析上还存在很多不足之处 造成了很大程度上理论与实际的不符 而且不同地区 不同工程也具备不同的特殊情况 因此 必须综合分析总结已建工程技术措施 进一步提出更合理的路堤设计方案 并依靠更进一步的理论和试验分析来讨论高 液限土路堤的稳定和沉降变形等情况 确切地将理论应用于实际 确保工程的更 安全 更经济 并由此确立出一套完善的理论分析手段 更好地指导相关工程 1 4 本论文的研究内容及技术路线 我国部分地区广泛分布着高液限土 这类土一般不建议应用于公路路基修筑 随着我国公路建设事业的飞速发展以及高等级公路的普及 从经济效益和资源合 理利用的角度出发 高液限土路堤修筑技术势必解决 要真正实现这种土的利用 节省换填好土 石料的开支 无论是设计方案上的突破和创新 还是施工工艺的 配合都是必要的环节 为防止高液限土路堤失稳 不均匀沉降等破坏的发生 在 治理这类土质并利用其修筑路堤方面必须展开深入研究 并能够较好地提出一套 合理的设计方案和评价方法 这对于今后山区高液限土路堤修筑技术及其相关工 程有着较好的示范性和指导性 本论文研究内容如下 高液限土地区状况及高液限土特性研究 高液限土改良方法研究 高液限土路堤修筑方案设计 高液限土路堤稳定状况及其变形规律分析 高液限土路堤堤身沉降分析 第一章绪论 7 土工离心实体模型试验评价分析 高液限土路堤现场实体工程研究及施工工艺探讨 研究通过查阅大量的参考文献 从掌握该项目目前的研究现状和存在的技术 问题出发 在总结已建工程技术措施的基础上 根据依托工程现场情况分别研究 设计高液限土路堤的填筑方案 路堤结构形式以及防护形式 并通过有限元差分 数值模拟手段 土工离心大型模型试验和现场实体模型的辅助 对所确立方案进 行理论分析评价 并同以往传统方法进行比较 从而更进一步完善具体技术方案 同时 结合研究所得高液限土的物理力学特性以及相应的修筑技术 根据现场具 体环境提出相应的高液限土路堤合理施工工艺 第二章高液限土路段状况调查及其土质特性研究 8 第二章高液限土路段状况调查及其土质特性研究 2 1 高液限土路段现场勘察 2 1 1 路段气候状况 石忠路高液限土路段位于重庆石柱县境内 属亚热带湿润季风气候区 以多 雨 多雾 寒冷为特点 根据当地的气象资料统计 2 0 0 5 年6 月至2 0 0 6 年3 月 1 1 月就已进入了冬季 并且2 0 0 5 年1 1 月中旬该地段就已开始下雪 尤其是2 0 0 6 年1 月平均温度低于o o c 最低温度达到 1 0 0 c 根据气象部门和当地居民提供的 往年的天气情况资料 清明断雪 谷雨断霜 得知霜雪天气要持续到4 月中下旬 全 年霜雪期达6 个月 根据 公路自然区划标准 j t j 0 0 3 名6 f 1 4 二级区划的特征和 指标及自然区划图 同时由于该区域所属段落的海拔为1 5 0 0 米左右 可确认该区 所属段落与v 3 山西 贵州山地过湿区的气候特点相符 勘察区内地面l o e m 以下多年平均地温1 8 6 c 月最低平均低温7 1 0 c 不会出 现冷冻工程问题 与工程建设有关的灾害性气候天气主要为寒潮 暴雨 连续阴 雨以及霜雪 其中降雨量兰0 1 毫米的连阴雨最少8 天 最多可达1 6 天 对公路工 程建设影响最大 2 0 0 5 年6 月至2 0 0 6 年3 月中旬历时2 9 7 天 路堤填筑有效施工 天数3 3 天 月份统计如表2 1 所示 表2 12 0 0 5 6 2 0 0 6 3 高液限土路段天气状况统计表 t a b2 1t h ew e a t h e rc o n d i t i o n st a b o fh i g hl i q u i dl i m i ts o i ls e c t i o n sf r o m 2 0 0 5 6t o2 0 0 6 3 2 0 0 5 年2 0 0 6 年 月份 6 月7 月8 月9 月l o 月1 1 月1 2 月1 月2 月3 月 2 1 2 场地工程地质条件 该区地处四川盆地川东平行岭谷区 地形受地质构造控制 背斜成宽缓丘陵 谷地 构造线与山脊线一致 呈北北东向展布 该区位于忠县 丰都向斜s e 翼 属条形山间的丘陵地形 以深丘 潜丘为主 丘顶最高高程4 4 8 5 m 丘顶高程一般 在3 5 0 5 0 0 m 丘间谷地一般为31 5 3 5 0 m 相对高差3 0 1 0 0 m 属于构造剥蚀一 侵蚀中 潜丘地貌单元 第二章高液限士路段状况调奄及其十质特性研究 9 经地表调查及工程钻探揭露 场地内覆盖层主要为褐黄色的红粘土 挖方段 落的覆盖层达十儿米且为含水量过大 4 8 5 3 塑性指数不合格 3 2 3 5 的高 液限土 而且红粘土层在水平方向上厚度变化较人 未发现有裂隙发育 如图2 1 所示 覆盖层以下的岩石为液性指数偏高 塑性指数合格的软质泥岩 其含水量 仍达4 3 4 8 该种岩石的特点为遇水软化 雪融后翻浆 如图2 2 图2 3 所示 图2 1 现场挖方材料状况 f i g 2 1t h es i t u a t i o no fd i g g i n gm a t e r i a la tt h es c e n e 图2 2 遇水软化 f i g2 2w a t e rs o f t e n i n g 图2 3 雪融后翻浆 f i g2 3f r o t h i n ga f t e rm e l t i n gs n o w 第二章高液限土路段状况调奄及其土质特性研究 1 0 堇 k 0 5 9 0 k 0 6 9 0 段 基岩埋深较大 上覆红粘土层厚度9 1 0 1 9 6 0 m k l 4 8 0 k 1 9 8 0 段 k l 6 0 0 一k l 8 0 0 段地质条件较好 该段钻孔揭露深 度内均为基岩 其余地段上覆红粘土层厚度5 2 0 1 1 8 0 m k 3 2 0 0 飚 2 7 0 段 上覆红粘土层为4 5 0 6 2 0 m 至 k 3 9 4 0 左幅道路中心线 该孔上覆红粘土层厚8 2 0 m 且7 0 0 8 2 0 m 有 土洞发育 2 1 3 水文地质条件 线路通过区主要地表水系为龙河 为长江一级支流 在石柱县西沱镇汇入长 江 龙河发源于石柱县冷水乡 由北东至南西流经测区 在测区龙河枯水季节宽 一般1 0 1 5 m 水深0 2 加 4 m 洪水季节溪沟宽一般1 5 2 0 m 水深1 5 3 0 m 流 速较快 流量约9 7 m 3 s 其余地表水系为龙河次级支流 多为山间溪沟和冲沟 垂直补给龙河 龙河在冷水乡河源村转入地下径流 在响水洞流出地表 线路通过区地下水类型主要为松散岩类孔隙水 碳酸盐岩类岩溶裂隙水和碎 屑岩类裂隙水三种类型 松散岩类孔隙水赋存于斜坡残坡积层和崩坡积层中 碳 酸盐岩类岩溶裂隙水赋存在三叠系嘉陵江组灰岩 白云质灰岩中 且埋藏较深 碎屑岩类裂隙水赋存于三叠系须家河组砂岩中 其中碳酸盐岩岩溶水动态较稳定 地下暗河常年有水 洪水期水量增大 碎屑岩裂隙水和松散岩类孔隙水动态变化 受大气降水影响明显 泉流量和地下水水位变化较大 枯水期水量小 少数泉甚 至断流 区内地下水接受大气降水补给 地下水的运动受地形地貌 区域地质构造 地层岩性的控制 区内地下水总的流向从北东向南西迳流 碎屑岩类裂隙水和碳 酸盐岩类岩溶裂隙水具有顺层流动向龙河排泄的规律 如太平槽岩溶水顺槽谷向 南西下渗在响水洞形成地下暗河出口 洪水期最大流量可达1 0 0 m 3 h 以上 碎屑岩 裂隙水主要是顺层 沿构造裂隙风化裂隙下渗 向低处龙河排泄 补给 迳流途 径短 具有就地补给 就地下渗排泄的特点 多在斜坡中部和坡脚以下降泉形式 排泄 松散岩类孔隙水补给途径短 含水层厚度薄 地下水水量较小 与季节有 关 具间歇性泉水的特点 即降水泉流量大 天旱时泉流量小甚至干涸 2 2 高液限土土质特性研究 2 2 1 高液限土常规物理力学指标测定 为进一步查明石忠路高液限土物理力学性质 同时考虑到高液限土填筑路堤 在复浸水不利情况下的结构相似性 分别在不同路段路堑基底钻取原状土样2 5 组 进行土工常规测试得到主要设计参数如表2 2 所示 第二章高液限土路段状况调查及其土质特性研究 1 1 表2 2 高液限土的物理力学性质测试数据统计分析表 t a b2 2t e s t e dd a t as t a t i s t i c a lt a bo f t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so nh i g hl i q u i d l i m i ts o i l 第二章高液限 十路段状况调查及其土质特性研究 1 2 通过测试统计所得石忠路高液限土含水率约为3 3 9 2 天然密度约为 1 8 4 9 c m 3 孔隙比约为1 0 2 3 饱和度约为9 2 1 5 液限约为4 4 8 6 塑限约为 2 5 1 9 抗剪强度 固结快剪 黏聚力c 取2 6 3 k p a 内摩擦角妒取1 3 2 0 压缩系 数约为0 2 9 m p a 1 按 岩土工程勘察规范 0 5 可知这类高液限土属于红黏土 但在此基础上又 具有抗剪强度偏低 压缩性偏高的特殊性 大体来说仍符合高液限土的宏观范畴 通过计算含水比仅w 含水率 液限 o 7 5 6 按 岩土工程勘察规范 表6 2 2 1 划分 红黏土的状态为可塑状 按 岩土工程勘察规范 表2 2 2 3 划分红黏土的复浸水 特性属i 类 即收缩后复浸水膨胀 能恢复到原位 2 2 2 高液限土路堤填料压实度控制指标测定 路堤施工时压实度的主要控制指标是最大干密度和最佳含水量 针对不同填 料一般通过室内试验来测定其相应的指标 对于高液限土 其土粒成分主要为细粒土 根据 公路土工试验规程 l 6 j t j 0 5 1 9 3 中的标准击实试验 t 0 1 3 1 9 3 通过干土法来进行试验 干土法的土料 制备过程如下 将土样风干或在5 0 c 温度下烘干 取6 5 k g i 样放在橡皮板上用圆 木棍碾散 然后将碾散的土过筛 最后均匀喷水 充分拌和 并闷料一夜备用 将以上土料按照要求数量分3 5 次倒入击实简 分层按重型i i 法进行击实 击实后 测出试件的湿密度及含水量 即可求出一个试件的干密度 重复以上步骤进行其 它含水量试件的击实试验 最后绘制干密度与含水量关系曲线 并找出峰值点的 纵横坐标 就是该土样的最大干密度和最佳含水量 取石忠高速公路高液限土路 段现场挖方土样 所做的室内标准击实试验结果如图2 4 所示 由此可得出该土样 在最佳含水量1 5 下可得最大干密度1 8 0 k g c m 3 彷 昌 3 鲻 龆 悱 含水量 图2 4 最大干密度及最佳含水量图 f i g2 4m a x i m u md r yd e n s i t ya n dt h eo p t i m u mm o i s t u r ec o n t e n tc h a r t 由于施工现场所填筑的土来源不一 同一处所取的土体也随开挖从外到内风 化程度逐步减弱 填筑的土体的颗粒相当不均匀 甚至随着取土开挖深度的加深 第二章高液限十路段状况调查及其土质特性研究 1 3 而大颗粒土壤比例逐渐增加 而室内标准击实试验 要求试验用土样要过3 8 m m 的 筛子 取3 8 m m 筛下的土样留用作为试验用土样 因此 当施工现场填筑土体中大 于3 8 m m 超尺寸颗粒土的含量在3 3 0 的时候要用式 2 1 2 2 t 1 6 进行校正 岛一 l 1 一o o l p p f o o l p q 2 1 q 1 0 0 1 p o 0 1 p 0 2 2 2 式中 p 拥口广 校正后的最大干密度 e c e m 3 p r 粒径小于3 8 m m 的土样试验所得的最大干密度 g e m 3 r 粒径大于3 8 m m 颗粒的百分数 g 卜粒径大于3 8 m m 颗粒的毛体积比重 计算至0 0 1 广校正后的最佳含水量 国l 粒径小于3 8 m m 的土样试验所得的最佳含水量 r 粒径大于3 8 m m 颗粒的吸水量 对于土体含石率较高或是专门选择掺拌碎石 片石等来改善高液限土路堤填 料性质时 需要专门测定土石混填层的最大干密度和最佳含水量 因为石料在标 准击实过程中会出现反弹的现象 采用标准击实试验时 很难真正击实土石混填 层 因此 室内确定其最佳含水量和最大干密度时应采用振动台法或表面振动压 实法 不仅可以避免击实冲击下石料的反弹 同时比较接近现场振动碾压的实际 情况 根据 公路土工试验规程 j t j 0 5 1 9 3 16 中的表面振动压实试验 t 0 1 3 3 9 3 一节 同样按照干土法来进行试验 干土法的填料制备过程同标准击实试验 之 后将制备好的填料按三层分别装入试筒 放下振动器 每层振动6 m i n 最后求取 试样干密度 同标准击实试验 在比较多组含水量压实干密度之后 找出该填料 的最大干密度和最佳含水量 另外 通过试验发现 随着碎石层厚度的增加 即 碎石比例的增加 填料的最大干密度逐渐增大 最佳含水量逐渐减小 以之前所 取高液限土土样为例 当采用土石混填时 其最大干密度和最佳含水量同土石比 例的关系如表2 3 所示 表2 3 含石率与压实度控制指标关系 垒坠兰 兰 塾竺堡 垒垡竺坠 塾 p 垒竺垒 竺竺坠 塾竺垦 垒 垒旦堕 q 望 巳垒竺鱼竺墨 竺q 里 里壁 p 垒 璺坐竺 含石率 1 02 03 04 05 06 07 08 09 0 根据上表 可以发现含石率与最大干密度 最佳含水量之间大致呈二次多项式 关系 因此 利用e x c e l 软件中二次幂函数作为基函数对这两组关系进行拟合 得 第二章高液限土路段状况调奄及其十质特性研究 1 4 到含石率与最大干密度之间的关系式如式 2 3 所示 含石率与最佳含水量之间的关 系式如式 2 4 所示 y 2 e 0 5 x 2 0 0 0 5 4 x 1 7 5 2 4 2 3 y o o 0 0 7 x 2 o 0 1 5 1 x 1 4 7 2 4 如图2 5 2 6 所示 利用这两组关系 在进行高液限土路堤施工时 可以正确地 针对施工现场不同地区 不同土石比的具体情况而了解其不同的压实性能 从而 可以选用合理的压实机具并采取有效的压实方法 彷 目 弋 3 趟 蜘 h k 蟥 2 04 06 08 01 0 0 含石率 叻 图2 5 含石率与最大干密度关系 f i g2 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e kr a t ea n dm a x i m u md r yd e n s i t y 余 删 钿 巡 蛹 2 0 1 5 1 0 5 0 o2 04 06 08 01 0 0 含石率 图2 6 含石率与最佳含水量关系 f i g2 6t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e kr a t ea n dt h eo p t i m u mm o i s t u r ec o n t e n t 2 2 3 高液限土结构特性研究 土的结构性是指组成土结构的最基本要素即结构单元体 单粒 颗粒聚合体 和孔隙的大小 形状 排列以及它们之间的接触和联结关系的总称 1 7 从土力学的角度 土结构性研究的根本目的不在于看到土结构性及其变化的 坫 j 2 口 陆 墙 2 色 2 乙 l l l l 第二章高液限士路段状况调查及其土质特性研究1 5 形象 而在于发现土结构性及其变化的力学效果 土的结构势可以通过土保持其 原有的结构不被破坏的能力 结构可稳性 和土原有的结构一旦开始破坏时土发生 迅速强度降低和大量突然变形的能力 结构可变性 来反映 1 7 长期以来 由于没有 找到一个合适的结构性定量化指标 结构性的影响常只能隐含在土性参数之中 或由微观形态学或矿物学和化学分析的结果对土性规律的变化特性作出一些定性 上的解释 例如 黄土的湿陷系数 软土的灵敏度 膨胀土的膨胀系数 饱和砂 土的抗液化剪应力等 也都是土力学广泛承认的 反映结构性变化的定量指标 高液限土包含膨胀土 软土 红粘土等 主要特征有高压缩性 大渗透性 低抗剪强度等 物理力学特性比较复杂 要想反应其结构性 必须以综合的指标 来参考但又不仅仅局限于个别指标 高液限土土体结构破坏主要是由于浸水 扰动 荷载等 分析其结构演变规律 及参数 需要综合以上多种影响因素 使这些因素同结构参数均能很好地结合起 来 究其根本 高液限土结构组成应考虑其自身土质 含水量以及孔隙率 而外 部条件的改变 主要是促使含水量和孔隙率的变化 这些变化最