大连机场升降带回填土力学特性及工程应用研究

大连机场升降带回填土力学特性及工程应用研究1绪论1.1研究背景与意义1.1.1研究背景随着全球经济一体化进程的加速，航空运输作为一种高效、快捷的交通方式，在现代社会的经济发展和人们的生活中扮演着日益重要的角色。民用航空事业的蓬勃发展，使得现代化的机场设施成为衡量一个城市乃至国家综合实力和发展水平的重要标志之一。大连，作为中国北方重要的港口城市和经济中心，其航空运输业的发展对于促进区域经济增长、加强对外交流合作具有至关重要的作用。大连机场作为东北地区重要的航空枢纽，近年来旅客吞吐量和货邮吞吐量持续增长。为了满足日益增长的航空运输需求，大连机场不断进行扩建和升级改造工程。升降带作为机场跑道的重要组成部分，其建设质量直接关系到飞机的起降安全。升降带是指跑道及停止道（如设置）两侧一定宽度范围内的区域，它不仅为飞机在起降过程中提供额外的安全保障，还承担着消散飞机冲出跑道时的能量、防止飞机陷入松软地面等重要功能。在大连机场的实际建设中，由于经济成本和场地规划等多方面因素的考虑，升降带下部通常采用回填土质场地，并在表层进行草皮绿化。这是一种较为常见且经济合理的做法，既能够满足升降带的功能需求，又能在一定程度上美化机场环境。以大连机场为例，升降带区域占地面积超过50万平方米，如此大面积的场地若全部采用与正规跑道相同的刚性路面，不仅会大幅增加建设成本，从实际功能需求来看也并非必要。然而，目前针对机场升降带的质量规范标准尚未形成明确统一的规定，各个机场填土的性质也存在差异，缺乏可供借鉴的成熟经验。这给大连机场升降带的设计、施工和质量控制带来了诸多挑战。不同的填土材料和施工工艺可能导致升降带的力学性能和稳定性各不相同，而飞机在起降过程中会对升降带产生频繁且复杂的荷载作用，若升降带的力学特性不能满足要求，就可能出现变形、沉降甚至断裂等问题，严重威胁飞行安全。同时，机场升降带场地的地基土质条件虽相对固定，但填土的力学性能受到多种因素的影响，如土的类型、密实度、含水量、击实功等。这些因素相互作用，使得填土的力学特性复杂多变。因此，深入研究大连机场升降带回填土的力学特性，对于保障机场的安全运营和可持续发展具有重要的现实意义。1.1.2研究意义本研究对大连机场升降带回填土力学特性进行实验研究，具有重要的理论和实践意义。从理论层面来看，目前关于机场升降带回填土力学特性的研究相对较少，缺乏系统全面的理论体系。本研究通过对大连机场特定的回填土进行实验，深入探究密实度、含水量等因素对土体强度及变形特性的影响，以及击实功、土料制备方法、土料重复使用及试样尺寸等因素对击实实验结果的影响，能够丰富和完善机场工程领域中关于填土力学特性的理论知识。研究土体的抗透水性能并给出承载力大致范围，也将为机场地基设计和稳定性分析提供重要的理论依据，填补该领域在理论研究方面的部分空白，为后续相关研究提供有益的参考和借鉴。在实践方面，本研究成果对大连机场的工程设计和施工具有直接的指导作用。准确掌握回填土的力学特性，有助于设计人员根据实际情况合理选择填土材料和施工工艺，优化升降带的设计方案，确保其在满足飞机起降安全要求的前提下，降低建设成本和工程风险。对于施工人员来说，研究结果可作为施工过程中的质量控制标准，通过控制填土的密实度、含水量等关键指标，保证升降带的施工质量，减少因施工不当导致的工程隐患。此外，本研究对于整个机场行业也具有一定的推广和应用价值。虽然各个机场的填土性质和地质条件存在差异，但研究方法和部分结论可以为其他机场在升降带建设和维护过程中提供参考，促进整个机场行业在工程技术和质量控制方面的发展和进步，提高机场的整体运营安全性和效率，推动航空事业的健康发展。1.2国内外研究现状1.2.1填土力学特性研究进展填土力学特性的研究一直是岩土工程领域的重要课题，国内外学者在此方面开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果。在国外，填土力学特性的研究起步较早。早期，学者们主要关注填土的压实特性，通过大量的实验研究，建立了一系列的压实理论和方法。例如，普氏压实理论通过对不同土质和压实条件下的填土进行试验，提出了压实度与干密度之间的关系，为填土压实工程提供了重要的理论依据。随着科技的不断进步，研究手段日益多样化，数值模拟技术逐渐应用于填土力学特性的研究中。有限元方法的出现，使得学者们能够更加准确地模拟填土在复杂荷载条件下的力学行为，分析其应力、应变分布规律。如通过有限元软件对不同填筑高度和边界条件下的填土进行模拟，研究填土的沉降变形特性，为工程设计提供了更可靠的参考。在国内，随着基础设施建设的大规模开展，填土力学特性的研究也得到了高度重视。国内学者在借鉴国外研究成果的基础上，结合我国的工程实际情况，开展了深入的研究。在填土的强度特性方面，众多学者通过室内试验和现场测试，对不同类型填土的抗剪强度指标进行了大量的测定和分析。研究发现，填土的抗剪强度不仅与土的颗粒组成、密实度等因素有关，还受到含水量、加载速率等因素的影响。例如，通过直剪试验和三轴剪切试验，研究了含水量对粘性填土抗剪强度的影响规律，发现随着含水量的增加，填土的粘聚力逐渐减小，内摩擦角也会发生一定的变化。在填土的变形特性研究方面，国内学者采用多种测试方法，如静力触探、载荷试验等，对填土的压缩性和变形模量进行了研究。通过对不同压实度和含水量下填土的变形特性进行分析，建立了相应的变形计算模型，为工程中填土变形的预测提供了方法。近年来，填土力学特性的研究呈现出多学科交叉的发展趋势。随着材料科学、计算机科学等学科的不断发展，新的测试技术和分析方法不断涌现，为填土力学特性的研究提供了新的思路和手段。例如，利用核磁共振技术研究填土的微观结构和孔隙分布，从微观层面揭示填土力学特性的本质；结合人工智能和机器学习算法，对大量的填土实验数据进行分析和挖掘，建立更加精准的力学特性预测模型。同时，随着可持续发展理念的深入人心，环保型填土材料的研究也成为热点，如利用工业废弃物、建筑垃圾等作为填土材料，研究其力学性能和环境影响，实现资源的循环利用和环境保护。1.2.2机场升降带回填土研究现状机场升降带作为保障飞机起降安全的重要区域，其回填土的力学特性研究对于机场的建设和运营具有重要意义。然而，目前针对机场升降带回填土的研究相对较少，且存在一定的局限性。现有的研究主要集中在对升降带回填土的基本物理力学性质的测试和分析上。通过室内土工试验，如颗粒分析、含水量测定、密度测试、击实试验、剪切试验等，获取回填土的基本物理参数和力学指标，了解其一般的力学性能。研究表明，不同地区机场升降带回填土的性质存在差异，主要取决于当地的地质条件和填土来源。例如，在一些沿海地区的机场，回填土可能含有较多的砂质成分，其透水性较好，但抗剪强度相对较低；而在一些内陆地区的机场，回填土可能以粘性土为主，其粘聚力较大，但压缩性也较高。在机场升降带回填土的工程应用方面，虽然已经积累了一些实践经验，但缺乏系统的理论研究和规范指导。目前，各个机场在升降带的设计和施工中，主要参考相关的地基基础设计规范和经验数据，缺乏针对性的设计方法和质量控制标准。这导致在实际工程中，可能会出现因回填土力学性能不满足要求而引发的工程问题，如升降带地面的不均匀沉降、开裂等，影响飞机的起降安全和机场的正常运营。与其他一般工程的填土相比，机场升降带回填土具有其独特性。首先，机场升降带需要承受飞机起降时的巨大荷载，包括静荷载和动荷载，这对回填土的强度和稳定性提出了更高的要求。其次，机场升降带的使用环境较为特殊，受到气候、雨水、飞机尾气等多种因素的影响，回填土需要具备良好的耐久性和抗侵蚀性。此外，机场升降带的面积较大，填土工程量大，在选择填土材料和施工工艺时，需要考虑经济成本和施工效率等因素。大连机场升降带回填土的研究具有其自身的独特性。大连地区的地质条件和气候特点与其他地区有所不同，其回填土的性质也具有一定的特殊性。大连机场的建设规模和运营需求也对升降带回填土的力学特性提出了特定的要求。因此，开展针对大连机场升降带回填土力学特性的研究，对于解决大连机场的实际工程问题具有重要的现实意义，同时也可以为其他类似机场的建设和维护提供参考和借鉴。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究围绕大连机场升降带回填土的力学特性展开，主要涵盖以下几个方面：击实特性研究：通过室内击实实验，深入探究击实功、土料制备方法、土料重复使用及试样尺寸等因素对击实实验结果的影响。对比不同工况下的击实曲线，分析干密度与含水量之间的关系，确定最佳含水量和最大干密度，为填土的压实控制提供科学依据。研究土料重复使用对击实特性的影响，评估其在实际工程中的可行性和经济性。强度特性研究：着重研究密实度及含水量两个关键因素对土体强度特性的影响。采用直剪试验和三轴剪切试验等方法，测定不同密实度和含水量条件下回填土的抗剪强度指标，包括内摩擦角和粘聚力。分析密实度和含水量的变化对这些指标的影响规律，建立强度特性与影响因素之间的数学模型，为升降带的承载能力分析和稳定性评价提供基础数据。变形特性研究：利用压缩试验、固结试验等手段，研究密实度及含水量对土体压缩性和变形特性的影响。测定不同工况下的压缩系数、压缩模量等参数，分析土体在荷载作用下的变形规律。通过对压缩曲线和固结曲线的分析，揭示密实度和含水量与土体变形之间的内在联系，为机场升降带的沉降预测和变形控制提供理论支持。抗透水性能研究：运用渗透试验等方法，分析土体的抗透水性能。测定不同条件下的渗透系数，评估回填土在水的作用下的稳定性。研究土体的孔隙结构和颗粒组成对渗透性能的影响，提出改善土体抗透水性能的措施和建议，确保升降带在雨季等情况下的正常使用。承载力分析：依据建筑地基规范，结合上述各项力学特性研究结果，对大连机场升降带回填土的承载力进行大致评估。综合考虑土体的强度、变形和抗透水性能等因素，给出承载力的范围值。为机场升降带的设计和施工提供承载力方面的参考依据，保证其能够承受飞机起降时的荷载作用。1.3.2研究方法本研究采用多种研究方法，相互补充和验证，以确保研究结果的准确性和可靠性：室内实验：土工试验：进行颗粒分析试验，测定回填土的颗粒级配，了解土颗粒的大小分布情况，为后续实验和分析提供基础数据。通过含水量测定试验，准确测量土样的含水量，控制实验条件，研究含水量对力学特性的影响。开展密度测试试验，测定土样的密度，计算干密度等参数，用于分析密实度与力学特性的关系。击实实验：按照标准的击实实验方法，使用击实仪对不同土料制备方法、不同击实功下的土样进行击实实验。记录击实过程中的数据，绘制击实曲线，分析各种因素对击实效果的影响。强度实验：采用直剪试验，在不同垂直压力下，对土样进行直接剪切，测定土样的抗剪强度，获取内摩擦角和粘聚力等强度指标。利用三轴剪切试验，模拟土体在复杂应力状态下的受力情况，测定土样在不同围压和偏应力下的强度特性，更全面地了解土体的强度性能。变形实验：通过压缩试验，对土样施加竖向压力，测定土样在不同压力下的压缩变形量，计算压缩系数和压缩模量等变形参数。进行固结试验，研究土样在压力作用下的固结过程，分析土体的固结特性和变形规律。渗透实验：利用渗透仪，对土样进行渗透试验，测定水在土样中的渗透速度，计算渗透系数，评估土体的抗透水性能。数据分析：运用统计学方法，对大量的实验数据进行整理和分析。计算数据的平均值、标准差等统计参数，评估数据的离散程度和可靠性。通过相关性分析，研究各个因素之间的相互关系，确定影响力学特性的主要因素。采用数据拟合方法，建立力学特性参数与影响因素之间的数学模型，如线性回归模型、非线性回归模型等，以便对土体的力学性能进行预测和分析。利用图表等可视化工具，直观地展示实验数据和分析结果，如绘制击实曲线、强度曲线、变形曲线、渗透系数曲线等，便于发现数据中的规律和趋势。理论分析：结合土力学的基本理论，对实验结果进行深入的理论分析。运用土体的强度理论，如摩尔-库仑强度理论，解释土体抗剪强度的形成机制和影响因素。根据土体的变形理论，如弹性理论、塑性理论等，分析土体在荷载作用下的变形过程和变形机理。基于渗流理论，探讨土体的渗透特性和抗透水性能的理论基础。将实验结果与现有理论进行对比和验证，进一步完善和发展机场升降带回填土力学特性的理论体系。2大连机场升降带回填土基本特性2.1机场升降带概述2.1.1升降带功能与作用机场升降带作为机场飞行区的关键组成部分，在保障飞机安全起降过程中发挥着不可替代的重要作用。从功能角度来看，升降带首先为飞机提供了一个安全的缓冲区域。在飞机起飞或着陆阶段，可能会由于各种原因出现偏离跑道中心线的情况，如飞行员操作失误、恶劣天气条件影响、飞机系统故障等。此时，升降带能够为飞机提供额外的滑行空间，使飞机在偏离跑道后仍能有足够的区域来调整姿态或安全停下，从而避免飞机与周边障碍物发生碰撞，减少事故发生的可能性。升降带还承担着消散飞机冲出跑道时能量的重要任务。当飞机在起降过程中速度过快或出现其他异常情况而冲出跑道时，巨大的动能如果不能及时消散，将会对飞机造成严重的损坏，甚至引发爆炸等灾难性后果。升降带的存在，通过其特定的设计和构造，能够吸收和分散飞机的能量。例如，升降带的土质区域可以使飞机在冲出跑道后陷入一定深度，通过摩擦力和土体的变形来消耗飞机的动能；同时，升降带内的一些设施，如缓冲垫等，也能进一步起到缓冲作用，减缓飞机的速度，降低事故的危害程度。升降带还对飞机起降过程中的飞行安全提供了保障。它能够防止飞机陷入松软地面，确保飞机在整个起降过程中具有稳定的支撑。在飞机起降时，需要一个坚实、平整的地面来保证机轮的正常滚动和飞机的稳定运行。如果飞机在起降过程中陷入松软地面，机轮可能会打滑、下陷，导致飞机失去控制。升降带经过精心的设计和施工，其土体具有一定的密实度和承载力，能够满足飞机起降的要求，为飞机提供稳定可靠的支撑。升降带的良好状况对于飞机起降过程中的导航和通信也具有重要意义。它能够为飞机的无线电导航设施提供稳定的地面反射条件，确保导航信号的准确性和稳定性。飞机在起降过程中，需要依靠各种无线电导航设施来确定自身的位置和姿态，准确引导飞机降落和起飞。升降带的地面条件会影响无线电信号的传播和反射，如果升降带地面不平整或存在其他干扰因素，可能会导致导航信号失真，影响飞行员对飞机位置和姿态的判断，从而危及飞行安全。因此，保持升降带的平整和良好状态，对于保障飞机起降过程中的导航和通信至关重要。2.1.2大连机场升降带现状大连机场作为东北地区重要的航空枢纽，其升降带的规模和布局对于机场的运营安全和效率有着重要影响。目前，大连机场升降带占地面积广阔，围绕跑道两侧及两端形成了一个较大范围的区域。在布局上，升降带严格按照相关标准和规范进行设置，以确保飞机起降的安全。跑道两侧的升降带宽度符合相应的飞行区等级指标要求，能够为飞机在起降过程中提供足够的安全缓冲空间。然而，在实际运行过程中，大连机场升降带也面临着一些工程问题。随着机场运营年限的增加和航班量的不断增长，升降带土体在长期受到飞机荷载作用下，出现了不同程度的变形和沉降。部分区域的土体密实度下降，导致其承载力降低，难以满足飞机起降时的荷载要求。这不仅会影响飞机起降的平稳性，还可能对飞机的结构安全造成潜在威胁。大连机场所处地区的气候条件也对升降带产生了一定的影响。大连属于温带季风气候，夏季多雨，冬季寒冷。在雨季，大量的降雨可能会导致升降带土体含水量增加，从而降低土体的强度和稳定性。长期的雨水浸泡还可能引发土体的冲刷和流失，破坏升降带的地面结构。在冬季，低温会使土体冻结，导致土体体积膨胀，进一步加剧土体的变形和破坏。此外，大连机场在扩建和改造过程中，由于施工工艺和质量控制等方面的原因，也可能对升降带的原有结构和性能产生一定的影响。新老填土之间的结合不够紧密，可能会导致不均匀沉降的发生；施工过程中对土体的扰动过大，也可能会降低土体的密实度和强度。这些问题都需要引起足够的重视，并通过科学的研究和有效的措施加以解决，以确保大连机场升降带的安全稳定运行。2.2回填土成分与物理性质2.2.1回填土材料组成大连机场升降带回填土的材料组成较为复杂，主要包含砾石、砂土和黏土等成分。通过对多个土样进行颗粒分析试验，采用筛分法和比重计法相结合的方式，对各成分的比例进行了详细测定。结果显示，砾石在回填土中所占比例范围为20%-30%，其粒径大小不一，主要集中在2-60mm之间。这些砾石多为石英质和花岗质，质地坚硬，形状不规则，表面较为粗糙，具有一定的棱角。其在回填土中起到了骨架支撑的作用，能够增强土体的稳定性和承载能力。砂土成分在回填土中占比约为40%-50%，颗粒粒径主要分布在0.075-2mm之间，以细砂和中砂为主。砂土的颗粒形状近似圆形，表面相对光滑，分选性较好。由于砂土的透水性较强，能够在一定程度上改善回填土的排水性能，防止土体因积水而导致强度降低。然而，砂土的粘聚力较小，单独存在时难以保持稳定的结构。黏土在回填土中的比例约为20%-30%，黏土颗粒粒径小于0.075mm，具有较大的比表面积和较强的亲水性。黏土矿物主要包括蒙脱石、伊利石和高岭石等，这些矿物的晶体结构和化学组成决定了黏土具有较高的粘性和可塑性。黏土的存在使得回填土具有一定的粘聚力，能够将砾石和砂土颗粒粘结在一起，形成相对稳定的土体结构。但是，黏土的含水量变化对其力学性质影响较大，当含水量过高时，黏土的强度会显著降低，容易导致土体变形和滑动。此外，回填土中还含有少量的有机质和其他杂质。有机质含量虽低，但对土体的物理力学性质也会产生一定的影响。有机质具有较强的吸水性和膨胀性，会增加土体的含水量和体积，降低土体的强度和稳定性。其他杂质如植物根系、碎石块等，分布较为不均匀，可能会对土体的均匀性和力学性能产生局部影响。2.2.2基本物理指标测定含水量测定：含水量是影响回填土力学性质的重要因素之一，本研究采用烘干法进行测定。选取具有代表性的土样15-30克，放入已知质量的铝盒中，立即盖好盒盖并称重，记录盒与湿土的总质量。然后揭开盒盖，将铝盒放入烘箱中，在105-110℃的恒温下烘干至恒重。烘干后的土样放入干燥器内冷却至室温，再次称重，记录盒与干土的总质量。通过计算湿土与干土的质量差，得出土样中水分的质量，进而根据公式计算出含水量。经多次试验测定，大连机场升降带回填土的天然含水量平均值为18.5%，含水量范围在15%-22%之间。不同区域的土样含水量存在一定差异，靠近跑道边缘且地势较低的区域，由于受雨水渗透和地下水位的影响，含水量相对较高；而地势较高、排水条件较好的区域，含水量则相对较低。干密度测定：干密度反映了土颗粒的紧密程度，对回填土的强度和稳定性有重要影响。采用环刀法进行干密度测定，首先将环刀内壁涂抹一薄层凡士林，以减少土样与环刀内壁的摩擦力。取原状土样或制备好的扰动土样，将其两端削平，然后将环刀刃口向下放在土样上方，用削土刀将土样削成略大于环刀外径的土柱，再将环刀垂直下压，边压边削，直至土样伸出环刀顶部。用切土刀将环刀两端余土削平，擦净环刀外壁，称取环刀与土的合重。根据环刀的体积和土样的质量，计算出土样的湿密度，再结合含水量测定结果，通过公式计算出干密度。经测定，大连机场升降带回填土的干密度平均值为1.85g/cm³，干密度范围在1.75-1.95g/cm³之间。干密度的大小与填土的压实程度密切相关，压实度越高，干密度越大，土体的强度和稳定性也越好。孔隙比测定：孔隙比是衡量土体孔隙大小和数量的重要指标，对回填土的渗透性、压缩性等力学性质有显著影响。根据含水量和干密度的测定结果，结合土粒比重（通过比重瓶法测定，大连机场升降带回填土的土粒比重平均值为2.70），利用公式计算孔隙比。经计算，大连机场升降带回填土的孔隙比平均值为0.68，孔隙比范围在0.60-0.75之间。孔隙比越小，说明土体越密实，孔隙数量越少，土体的渗透性越低，压缩性也越小；反之，孔隙比越大，土体越疏松，孔隙数量越多，土体的渗透性越高，压缩性也越大。3击实特性实验研究3.1实验方案设计3.1.1实验设备与材料准备本次击实特性实验选用了南京土壤仪器厂生产的重型击实仪，该仪器主要由击实筒、击锤、导筒等部件组成。其中，击锤质量为4.5kg，落高为450mm，击实筒内径152mm，高120mm，容积为2177cm³，能够满足对大连机场升降带回填土进行重型击实实验的要求。击实仪经过严格的校准和调试，确保其各项参数的准确性和稳定性，为实验的顺利进行提供了可靠保障。实验所用土样取自大连机场升降带施工现场，具有代表性。在取样过程中，严格按照相关标准和规范进行操作，确保土样的真实性和可靠性。辅助材料方面，准备了凡士林，用于涂抹在击实筒内壁，以减少土样与筒壁之间的摩擦力，确保实验结果的准确性；还准备了天平、烘箱、铝盒等用于测定土样含水量的设备，天平的精度为0.01g，能够满足实验对含水量测定精度的要求。3.1.2土料制备与实验步骤土料制备采用了干土法（土不重复使用）。由于击实曲线通常会出现峰值点，且最大干密度的峰值往往在塑限含水率附近，根据土的击实原理，峰值点对应的是孔隙比最小的状态。因此，至少准备了5个试样，分别加入不同水分。其中2个试样的含水率高于塑限，按2%-3%的含水率递增；2个试样的含水率低于塑限，按2%-3%的含水率递减。例如，通过前期对土样塑限的测定，确定塑限含水率为20%，则制备的5个试样含水率分别设定为16%、18%、20%、22%、24%。将具有代表性的风干土样碾散后，按照设定的含水率，用喷水设备均匀地喷洒适当用量的水，并充分拌和，闷料一夜备用，使水分能够充分均匀地分布在土样中。具体实验步骤如下：分层击实：将击实筒固定在刚性底板上，装好护筒，在击实筒内壁均匀涂抹一薄层凡士林，以减小土样与筒壁的摩擦力。取制备好的试样约6kg，分5层倒入筒内，每层试样倒入后，用刮刀将其表面整平，确保每层土样厚度均匀。击实时，击锤铅直自由落下，锤迹均匀分布于土面上，保证击实效果的一致性。按照重型击实标准，每层击实98次，使土样在规定的击实功作用下达到密实状态。击实后，试样略高于筒顶，但不得大于6mm。称击实筒加土的质量：用修土刀沿套环内壁小心削挖，然后扭动并取下套环，使用修土刀齐筒顶将土样削平，确保土样表面平整。撤除底板，用干净的抹布擦净筒外壁，将击实筒和土样放置在天平上称重，准确至1g，记录击实筒加土的质量。测含水率：用推土器缓慢推出筒内试样，在土样中心处取两个各约150-300g的土样，分别放入已知质量的铝盒中，立即盖好盒盖并称重，记录盒与湿土的总质量。然后揭开盒盖，将铝盒放入烘箱中，在105-110℃的恒温下烘干至恒重。烘干后的土样放入干燥器内冷却至室温，再次称重，记录盒与干土的总质量。通过计算湿土与干土的质量差，得出土样中水分的质量，进而根据公式计算出含水率。平行测定两个土样的含水率，要求平行误差小于1%，以保证含水率测定结果的准确性。若平行误差超过规定范围，则重新取样测定。重复实验：按上述步骤，依次对不同含水率的几个试样进行分层击实和测定工作，确保每个含水率条件下的实验数据具有可靠性和重复性。3.2实验结果与分析3.2.1击实功对击实结果的影响通过采用不同的击实功对大连机场升降带回填土进行击实实验，结果表明，击实功的变化对土样的干密度和含水率有着显著的影响。随着击实功的增加，土样的干密度呈现出明显的上升趋势。在低击实功阶段，干密度的增长速率较快，这是因为在较小的击实能量作用下，土颗粒之间的排列较为松散，孔隙较大。随着击实功的逐渐增大，土颗粒克服粒间阻力，产生相对位移，重新排列，使得土体中的孔隙不断减小，密实度不断增大，从而干密度迅速上升。当击实功增加到一定程度后，干密度的增长速率逐渐变缓，最终趋于稳定。这是由于在高击实功下，土颗粒已经被压实到较为紧密的状态，进一步增加击实功对土颗粒排列的改善作用有限，干密度的提升空间变小。击实功对土样的最优含水率也有影响。随着击实功的增大，最优含水率逐渐减小。这是因为在较高的击实功下，土颗粒更容易被压实，土颗粒之间的孔隙减小，土颗粒表面能够吸附的结合水减少，使得土体达到最大干密度时所需的含水率降低。以本次实验为例，当击实功为轻型击实功时，最优含水率为20.5%；当击实功增加到重型击实功时，最优含水率降低至18.0%。从击实曲线来看，不同击实功下的击实曲线形状相似，但位置有所不同。高击实功下的击实曲线整体位于低击实功曲线的上方，且峰值点对应的干密度更大，最优含水率更小。这表明在相同的含水率条件下，高击实功能够使土样达到更高的干密度，即更高的密实度。3.2.2土料制备方法的影响在本次实验中，对比了干土法（土不重复使用）和湿土法（土不重复使用）两种土料制备方法对击实曲线和最大干密度的影响。结果显示，两种制备方法得到的击实曲线存在明显差异。干土法制备的土样，其击实曲线相对较为平滑，峰值点较为明显。这是因为在干土法中，通过对风干土样均匀喷水并闷料一夜，使得水分能够较为均匀地分布在土颗粒表面，在击实过程中，土颗粒的排列变化较为规律，从而形成较为规则的击实曲线。湿土法制备的土样，其击实曲线相对较为平缓，峰值点不太突出。这是由于湿土法主要适用于高含水率土，在制备过程中省略了过筛步骤，仅用手拣除大于一定粒径的粗石子，土样中的颗粒分布相对不均匀，且水分在土样中的分布也不如干土法均匀。在击实过程中，土颗粒的排列变化受到这些因素的影响，导致击实曲线不够规则，峰值点不明显。两种制备方法得到的最大干密度也有所不同。一般情况下，干土法制备的土样最大干密度相对较大。这是因为干土法能够更好地控制土样的含水率，使土样在击实过程中达到更紧密的状态，从而获得更大的干密度。例如，在本次实验中，干土法制备的土样最大干密度为1.95g/cm³，而湿土法制备的土样最大干密度为1.90g/cm³。3.2.3土料重复使用及试样尺寸的影响在探究土料重复使用对实验结果的作用时，发现随着土料重复使用次数的增加，土样的最大干密度呈现出逐渐降低的趋势。这是因为在重复使用过程中，土颗粒的结构受到多次扰动，颗粒表面的结合水膜也受到破坏，导致土颗粒之间的粘结力减弱，难以在击实过程中达到紧密的排列状态，从而使得最大干密度降低。同时，土料重复使用对最优含水率也有一定影响，最优含水率会随着重复使用次数的增加而略有增加。这是由于土颗粒结构的破坏，使得土颗粒表面能够吸附的水分相对增多，达到最大干密度时所需的含水率也相应增加。试样尺寸对实验结果也存在一定的影响，即存在尺寸效应。本次实验采用了不同内径的击实筒进行对比试验，结果表明，随着试样尺寸的增大，最大干密度略有减小，最优含水率略有增大。这是因为大尺寸试样在击实过程中，土颗粒之间的相互作用更为复杂，内部的应力分布不均匀，使得土颗粒难以像小尺寸试样那样被均匀压实，从而导致最大干密度降低。大尺寸试样的表面积相对较小，水分蒸发相对较慢，在相同的击实条件下，达到最大干密度时所需的含水率会略有增加。4强度特性实验研究4.1剪切实验方案4.1.1实验仪器与原理本次强度特性实验采用了应变控制式直剪仪和三轴仪。应变控制式直剪仪主要由剪切盒、垂直加压设备、剪切传动装置、测力计和位移量测系统等部分组成。其工作原理基于库仑定律，通过将土样置于上下剪切盒之间，在垂直方向施加一定的压力，然后对下剪切盒施加水平剪切力，使土样沿上下盒间的预定剪切面发生剪切破坏。在剪切过程中，测力计可测定土样所受的剪应力，位移量测系统则可记录土样的剪切位移，从而得到土样的抗剪强度与剪切位移之间的关系曲线。三轴仪则是一种更为先进的土工实验仪器，能够模拟土体在复杂应力状态下的受力情况。本实验采用的三轴仪主要由压力室、轴向加荷系统、周围压力控制系统、孔隙水压力量测系统和数据采集系统等部分组成。三轴仪的实验原理是将圆柱形土样用橡皮膜包裹后放入压力室内，先向压力室内充入液体，对土样施加各向相等的围压，使土样在围压作用下排水固结。然后，通过轴向加荷系统对土样施加轴向压力，使土样在围压和轴向压力的共同作用下发生剪切破坏。在实验过程中，孔隙水压力量测系统可测定土样中的孔隙水压力，数据采集系统则可实时采集土样的应力、应变和孔隙水压力等数据，通过对这些数据的分析，可得到土样在不同应力状态下的强度特性。4.1.2试样制备与实验条件控制为了研究密实度及含水量对土体强度特性的影响，制备了不同密实度和含水量的试样。在试样制备过程中，严格控制各项参数，以确保实验结果的准确性和可靠性。对于不同密实度的试样，采用分层击实法制备。根据预定的干密度和含水量，计算所需土样的质量和加水量。将土样分层放入击实筒内，每层土样的厚度控制在一定范围内，然后用击实锤进行击实，使土样达到预定的密实度。击实完成后，将土样从击实筒中取出，用环刀制备成所需尺寸的试样。为制备不同含水量的试样，采用了两种方法：对于初始含水量较低的土样，采用喷水法增加含水量；对于初始含水量较高的土样，采用自然风干法降低含水量。在调节含水量的过程中，每隔一段时间测定一次土样的含水量，直到达到预定的含水量为止。然后，将土样充分搅拌均匀，使水分在土样中分布均匀。在实验条件控制方面，设定了不同的垂直压力和围压。直剪实验中，垂直压力分别设置为100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，以模拟不同的工程实际受力情况。三轴实验中，围压分别设置为50kPa、100kPa、150kPa和200kPa，同时控制轴向加载速率为0.5mm/min，以保证实验过程中土体的变形处于稳定状态。在实验过程中，还对土样的排水条件进行了控制，直剪实验分为快剪、固结快剪和慢剪三种类型，分别模拟不同的排水条件；三轴实验则分为不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）三种类型，以研究不同排水条件下土体的强度特性。4.2实验结果分析4.2.1密实度与含水量对强度的影响在不同密实度和含水量条件下，对大连机场升降带回填土进行直剪试验和三轴剪切试验，结果表明，密实度和含水量对土体抗剪强度指标有着显著的影响。随着密实度的增加，土体的内摩擦角和粘聚力均呈现上升趋势。这是因为在密实度较高的情况下，土颗粒之间的排列更加紧密，相互之间的摩擦力和咬合力增大，使得土体抵抗剪切变形的能力增强。通过直剪试验数据可知，当密实度从较低水平增加到较高水平时，内摩擦角可从25°增大至35°，粘聚力从10kPa增大至30kPa。在三轴剪切试验中也得到了类似的结果，随着密实度的提高，土体在相同围压下能够承受更大的偏应力，表现出更高的抗剪强度。含水量对土体抗剪强度指标的影响则较为复杂。当含水量较低时，土颗粒表面的结合水膜较薄，颗粒之间的摩擦力和粘聚力较大，土体的抗剪强度较高。随着含水量的增加，结合水膜逐渐增厚，颗粒之间的润滑作用增强，摩擦力减小，粘聚力也会降低，导致土体抗剪强度下降。当含水量超过某一临界值后，土体可能会出现饱和状态，孔隙水压力增大，有效应力减小，抗剪强度进一步降低。在直剪试验中，当含水量从10%增加到25%时，内摩擦角从30°减小至20°，粘聚力从25kPa减小至10kPa。在三轴剪切试验中，不固结不排水剪（UU）情况下，随着含水量的增加，土体的抗剪强度明显降低；而在固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）情况下，含水量的影响相对较为复杂，还与土体的固结程度和排水条件有关。综合来看，密实度和含水量之间也存在相互作用，共同影响着土体的抗剪强度。在实际工程中，需要合理控制填土的密实度和含水量，以确保升降带土体具有足够的强度和稳定性。4.2.2击实功与强度关系在击实功相同的情况下，改变含水量进行强度试验，结果显示，含水量的变化对土体强度特性有着明显的影响。随着含水量的增加，土体的强度呈现先增大后减小的趋势。当含水量较低时，土颗粒之间的润滑作用较弱，击实功难以使土颗粒充分移动和重新排列，土体的密实度较低，强度也较低。随着含水量逐渐增加，水在土颗粒之间起到了润滑作用，使得土颗粒在击实功的作用下更容易发生相对位移，土体的密实度逐渐增大，强度也随之提高。当含水量达到某一最佳值时，土体的密实度达到最大，强度也达到峰值。此后，若含水量继续增加，过多的水分会占据土颗粒之间的孔隙，形成孔隙水压力，导致土体的有效应力减小，强度反而降低。例如，在某一固定击实功下，当含水量为15%时，土体的抗剪强度较低；当含水量增加到20%时，抗剪强度达到最大值；当含水量进一步增加到25%时，抗剪强度又开始下降。这表明在实际工程中，对于给定的击实功，存在一个最优含水量，在该含水量下进行填土压实，能够使土体获得最佳的强度特性。因此，在大连机场升降带填土施工过程中，应严格控制填土的含水量，使其接近最优含水量，以充分发挥击实功的作用，提高填土的强度和稳定性。5压缩特性实验研究5.1压缩实验设计5.1.1实验设备与装置本次压缩实验采用了南京土壤仪器厂生产的压缩仪，该仪器主要由压缩容器、加压系统、变形测量装置等部分组成。压缩容器为刚性金属环刀，内径61.8mm，高20mm，能够容纳标准尺寸的土样。加压系统采用杠杆式加压装置，通过砝码施加竖向压力，压力范围为0-400kPa，可根据实验需求进行调整。变形测量装置采用百分表，精度为0.01mm，能够准确测量土样在压力作用下的竖向变形。实验装置的搭建过程如下：首先，将环刀内壁涂抹一薄层凡士林，以减小土样与环刀之间的摩擦力。然后，将制备好的土样放入环刀内，用切土刀将土样两端削平，使土样与环刀顶面齐平。接着，将装有土样的环刀放置在压缩仪的底座上，调整位置，使环刀中心与加压系统的中心轴线重合。在土样顶部放置一块透水石，再将百分表的触头垂直放置在透水石上，确保百分表能够准确测量土样的竖向变形。最后，安装好加压系统的杠杆和砝码，准备进行实验。5.1.2实验步骤与数据采集分级加载：本次实验采用分级加载方式，每级压力增量为50kPa。加载时，缓慢增加砝码，使压力均匀施加到土样上。每级压力施加后，持续稳定1小时，待土样变形稳定后，记录百分表的读数，作为该级压力下土样的竖向变形量。在加载过程中，密切观察土样的变形情况，确保实验的正常进行。变形数据采集：在每级压力加载后的1小时内，每隔15分钟记录一次百分表的读数。每次记录读数时，应确保百分表的触头与透水石紧密接触，且读数准确无误。通过多次记录读数，可以绘制出土样在该级压力下的变形随时间变化曲线，从而分析土样的变形特性。压力逐级增加：完成一级压力下的变形测量后，按照相同的方法，逐级增加压力，直至达到预定的最大压力400kPa。在整个加载过程中，保持加载速率的均匀性和稳定性，避免因加载过快或过慢而影响实验结果。数据整理与分析：实验结束后，对采集到的数据进行整理和分析。根据各级压力下的竖向变形量，计算出土样的压缩系数和压缩模量等参数。绘制压缩曲线，即孔隙比与压力的关系曲线，以及时间与变形的关系曲线，通过对这些曲线的分析，深入研究密实度及含水量对土体压缩性和变形特性的影响规律。5.2实验结果与讨论5.2.1含水量与密实度对压缩性影响在不同含水量和密实度条件下对大连机场升降带回填土进行压缩实验，结果显示，含水量和密实度对土体压缩系数有着显著的影响。随着含水量的增加，土体的压缩系数明显增大，表明土体的压缩性增强。这是因为当含水量增加时，土颗粒表面的结合水膜增厚，土颗粒之间的润滑作用增强，使得土颗粒在压力作用下更容易发生相对移动，从而导致土体的压缩变形增大。当含水量从10%增加到20%时，压缩系数从0.15MPa⁻¹增大至0.30MPa⁻¹，说明土体在相同压力下的压缩变形量显著增加。密实度对土体压缩系数的影响则与含水量相反，随着密实度的增大，压缩系数逐渐减小，即土体的压缩性降低。密实度较高的土体，土颗粒之间的排列更加紧密，相互之间的摩擦力和咬合力较大，抵抗变形的能力较强。在相同压力作用下，密实度高的土体变形量较小。当密实度从0.8提高到0.9时，压缩系数从0.25MPa⁻¹减小至0.18MPa⁻¹，表明土体的压缩性明显降低。含水量和密实度之间还存在着交互作用，共同影响着土体的压缩性。在低含水量情况下，密实度对压缩系数的影响更为显著；而在高含水量情况下，含水量对压缩系数的影响更为突出。在实际工程中，需要综合考虑含水量和密实度的因素，合理控制填土的质量，以满足机场升降带对土体压缩性的要求。5.2.2土体变形特性分析在不同压力条件下，对大连机场升降带回填土的变形特性进行分析，发现土体的变形呈现出明显的非线性特征。在压力较低时，土体的变形主要表现为弹性变形，土颗粒之间的相对位移较小，变形量与压力近似呈线性关系。随着压力的逐渐增大，土体的变形进入弹塑性阶段，土颗粒之间的结构开始发生破坏，部分颗粒发生重新排列，变形量的增长速度逐渐加快，变形与压力之间呈现出非线性关系。当压力继续增大到一定程度后，土体进入塑性变形阶段，土颗粒之间的结构被严重破坏，土体发生较大的塑性变形，变形量急剧增加。含水量和密实度是影响土体变形特性的重要因素。含水量较高的土体，由于土颗粒之间的润滑作用较强，在相同压力下更容易发生变形，且变形量较大。而密实度较高的土体，由于土颗粒之间的排列紧密，抵抗变形的能力较强，在相同压力下的变形量相对较小。在实际工程中，通过控制填土的含水量和密实度，可以有效调节土体的变形特性，减少机场升降带在飞机荷载作用下的变形和沉降，确保其稳定性和安全性。土体的变形还与加载时间有关。在加载初期，土体的变形主要是由土颗粒的弹性变形和孔隙水的排出引起的，变形速度较快。随着时间的推移，孔隙水逐渐排出，土颗粒之间的结构逐渐调整，变形速度逐渐减缓，最终趋于稳定。在工程设计和施工中，需要考虑土体变形随时间的变化规律，合理预测机场升降带在长期使用过程中的变形情况，采取相应的措施进行控制和处理。6抗透水性能及承载力评价6.1雨水渗透模拟实验6.1.1实验方案制定为了研究大连机场升降带回填土的抗透水性能，进行了雨水渗透模拟实验。实验在室内采用自主搭建的雨水渗透模拟装置进行，该装置主要由降雨模拟系统、土样放置容器和排水收集系统组成。降雨模拟系统通过喷头模拟自然降雨，喷头的孔径和喷水压力经过调试，以确保能够均匀地喷洒雨水，模拟不同强度的降雨情况。土样放置容器采用有机玻璃制成，尺寸为长50cm、宽30cm、高40cm，能够容纳一定体积的土样，并便于观察土样内部的水分渗透情况。排水收集系统位于土样放置容器的底部，通过管道将渗透下来的雨水收集到量杯中，用于测量渗透水量。实验选用了不同密实度和初始含水量的大连机场升降带回填土土样。根据前期的实验结果和工程实际情况，设定了三种密实度，分别为0.8、0.85和0.9，通过控制击实功和土样制备工艺来达到相应的密实度要求。初始含水量设定为15%、20%和25%，通过在土样中添加适量的水分并充分搅拌均匀来实现。每种密实度和初始含水量组合制备3个平行土样，以确保实验结果的可靠性。模拟的降雨量设置了三个等级，分别为小雨（降雨量为10mm/h）、中雨（降雨量为30mm/h）和大雨（降雨量为50mm/h）。在实验过程中，首先将制备好的土样放入土样放置容器中，轻轻压实，使其达到预定的密实度。然后启动降雨模拟系统，按照设定的降雨量进行降雨，降雨时间持续2小时。在降雨过程中，每隔15分钟记录一次土样表面的积水情况和排水收集系统收集到的渗透水量。同时，使用水分传感器监测土样内部不同深度处的含水量变化，每隔30分钟记录一次数据。降雨结束后，继续监测土样内部含水量的变化，直至含水量基本稳定。6.1.2实验结果分析实验结果表明，降雨量、土样密实度和初始含水量对雨水渗透规律有着显著的影响。随着降雨量的增加，土样的渗透水量明显增大。在相同的土样条件下，大雨情况下的渗透水量约为小雨情况下的3-5倍。这是因为降雨量的增加使得土样表面的积水深度增大，水压力增大，从而加快了水分在土样中的渗透速度。土样密实度对雨水渗透也有重要影响。密实度较高的土样，其孔隙率较小，颗粒之间的排列更加紧密，水分渗透的通道相对较少，因此渗透水量较小。当密实度从0.8增加到0.9时，在相同降雨量和初始含水量条件下，渗透水量减少了约30%-40%。这表明提高土样的密实度可以有效降低雨水的渗透量，增强土样的抗透水性能。初始含水量对雨水渗透规律的影响较为复杂。当初始含水量较低时，土样具有较大的吸水能力，雨水能够较快地被土样吸收，渗透水量相对较大。随着初始含水量的增加，土样中的孔隙逐渐被水分填充，吸水能力减弱，渗透水量逐渐减小。当初始含水量达到一定程度后，土样接近饱和状态，渗透水量基本不再变化。在初始含水量为15%时，渗透水量较大；当初始含水量增加到25%时，渗透水量明显减小。综合来看，降雨量、土样密实度和初始含水量之间存在相互作用，共同影响着雨水的渗透规律。在实际工程中，为了提高大连机场升降带回填土的抗透水性能，需要合理控制填土的密实度和含水量，以应对不同降雨量的情况，确保升降带在雨季等情况下的稳定性和安全性。6.2土体承载力评价6.2.1评价方法选择土体承载力的评价方法众多，本研究依据建筑地基规范，结合大连机场升降带回填土的实验数据，主要从抗剪强度、孔隙比等指标来综合评价其承载力。抗剪强度指标是评价土体承载力的关键因素之一，根据摩尔-库仑强度理论，土体的抗剪强度与作用在剪切面上的法向应力以及土的抗剪强度指标（内摩擦角和粘聚力）密切相关。通过直剪试验和三轴剪切试验，获取了不同密实度和含水量条件下大连机场升降带回填土的内摩擦角和粘聚力。这些指标能够反映土体抵抗剪切破坏的能力，内摩擦角越大，表明土颗粒之间的摩擦力和咬合力越强；粘聚力越大，则土颗粒之间的粘结作用越强。在评价承载力时，较高的内摩擦角和粘聚力通常意味着土体具有较高的抗剪强度，从而能够承受更大的荷载，即具有较高的承载力。孔隙比也是评价土体承载力的重要指标之一。孔隙比反映了土体中孔隙的大小和数量，与土体的密实度密切相关。通过前期的实验，测定了大连机场升降带回填土的孔隙比。一般来说，孔隙比越小，土体越密实，土颗粒之间的排列越紧密，土体的压缩性越小，强度和稳定性越高，承载力也就越大。相反，孔隙比越大，土体越疏松，其压缩性越大，强度和稳定性越低，承载力也就越小。还考虑了含水量和密实度对土体承载力的综合影响。含水量的变化会导致土体的物理性质发生改变，进而影响其抗剪强度和压缩性。当含水量过高时，土体的抗剪强度会降低，压缩性增大，承载力下降；而当含水量过低时，土体可能会变得干燥、松散，同样会影响其承载力。密实度的提高通常会使土体的抗剪强度增加，压缩性减小，从而提高承载力。在评价大连机场升降带回填土的承载力时，需要综合考虑这些因素的相互作用，以准确评估其承载能力。6.2.2大连机场填土承载力确定根据实验所获取的数据，对大连机场升降带回填土的承载力进行确定。在不同密实度和含水量条件下，通过直剪试验和三轴剪切试验得到的抗剪强度指标，结合摩尔-库仑强度理论，计算出相