（岩土工程专业论文）路基压实粉土动强度特性研究.pdf

中文摘要 粉土广泛分布于我国北方地区，是路基填料的一种主要来源，认清粉土的动 力特性对路基的施工质量有着重要的意义。本文从动荷载条件下压实粉土动力特 性出发，考虑压实度、含水量、频率和围压等因素的影响，在充分查阅和借鉴大 量既有成果的基础上，通过室内动三轴试验对饱和粉土和非饱和粉土进行研究， 探讨粉土的压实特性、动模量和动强度的影响因素和孔压发展模式，结论如下： ( 1 ) 引入空气体积率作为粉土的压实控制的辅助标准，并对其合理性进行了论 述。 ( 2 ) 粉土试样的动弹模量随应变水平的增长而减小；在相同的动应变水平下， 随围压、干密度的增大而增大，随初始含水量的增大而减小。对大应变条件下的 动模量变化曲线进行拟和，得到了历g 表达式。得到了不同围压条件下动阻尼比 随剪应变变化的关系曲线。 ( 3 ) 固结应力比越大，饱和粉土土的动强度也越大。同一固结应力比下，粉土 的动强度与破坏振次成反比，随着破坏振次，增加上，动强度减小。在相同振次 下，固结比越大，土的动强度越大，在同一固结比下，土的动强度随围压的增大 而增大。 ( 4 ) 推导了u ，吒与疋的关系曲线，二者大体呈线性关系。提出了指数孔压增 长模型u u ，= 口一b c 刖并进行验证，与试验点拟和较好。 关键词：粉土压实动模量阻尼比动强度孔隙水压力 分类号： a b s t r a c t s i l tw i d e l yd i s t r i b u t e di nc h i n e s en o r t h e r nr e g i o n i t so n eo ft h em a j o rf i l l e r r e s o u r c e so ft h es u bg r a d e f i n d i n go u tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es i l th a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rc o n s t r u c t i o nq u a l i t yo fs u bg r a d e t h i sp a p e rb a s e so nt h e d y n a m i cp r o p e r t i e so fc o m p a c t e ds i l t c o n s i d e rc o m p a c t i o n ，w a t e rc o n t e n t ，f r e q u e n c y a n dc o n f i n i n gp r e s s u r e , a n do t h e rf a c t o r s w i n lam a s so fr e l a t e di n f o r m a t i o na n d e x i s t i n ga c h i e v e m e n t s ，t h r o u g ht h es a t u r a t e da n d n o n - s a t u r a t e ds i l td y n a m i ct r i a x i a lt e s t , t h i sp a p e rc a r r i e so u tas t u d yo nc o m p a c t i o n , d y n a m i cm o d u l u s ，d y n a m i cs t r e n g t ha n d t h ep o r ep r e s s u r ed e v e l o p i n gm o d eo fs i l t ，t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) t a k et h ea i rv o l u m er a t i oo fs i l ta st h es u p p o r to ft h ec o m p a c t i o nc o n t r o ls t a n d a r d s ， a n dt h er e a s o n a b l e n e s si sa n a l y z e d ( 2 ) d y n a m i cm o d u l u so fs i l ts a m p l e sd e c r e a s ew i t ht h es t r a i ng r o w s i nt h es a m e l e v e l o fd y n a m i cs t r a i n , i ti n c r e a s e sw i t hc o n f i n i n gp r e s s u r ea n dd r yd e n s i t yi n c r e a s e i t r e d u c e sw i t ht h ei n i t i a lw a t e rc o n t e n ti n c r e a s e s t h ep a p e rh a sf i n d so u tt h ee a 一- 6c u r v e u n d e rt h el a r g es t r a i n d a m p i n gr a t i oc h a n g e sw i t hs h e a rs t r a i nu n d e rd i f f e r e n tc o n f i n i n g p r e s s u r e t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h ec , - l l r v e s ( 3 ) t h ed y n a m i cs t r e n g t ho ft h es a t u r a t e ds i l ti sg r e a t e rw h e nc o n s o l i d a t i o ni sb i g g e r t h es i l td y n a m i cs t r e n g t hd e c r e a s e s 、衍t l lt h ed e s t r u c t i o no fv i b r a t i o ni n c r e a s e d a tt h e s a m et i m e - u n d e rc o n s o l i d a t i o nt h ed y n a m i cs t r e n g t ho ft h es i l ti n c r e a s ea sc o n s o l i d a t i o n g r o w s t h ed y n a m i cs t r e n g t ho ft h es i l ti n c r e a s e sw i t hc o n f i n i n gp r e s s u r ei n c r e a s i n g ， ( 4 ) d r i v e no u tt h ec u r v eo fuf | o a n dk cw h i c hi sn e a r l yt h el i n e a rr e l a t i o n s h i p 。p u t f o r w a r dt h ep o r ep r e s s u r ei n d e xm o d e lo fg r o w t hu | uf = n b c 砖f i t sb e t t e r w i t ht h et e s td a t a k e y w o r d s ：s i l t c o m p a c t i o nd y n a m i cm o d u l u sd a m p i n gr a t i od y n a m i c s t r e n g t hp o r ew a t e rp r e s s u r e c i a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：球寝 签字日期：乙册年6 月日 导师签名f 孙甾 签字日期： 衫年月孑e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：w 年月髟日 致谢 本论文的工作是在我的导师侯永峰副教授的悉心指导下完成的，侯永峰副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在侯永峰老师的 指导和教诲下，我不仅知识水平有所提高，而且动手实践能力也有了增长，在此 衷心感谢两年来侯老师对我的关心和指导。 刘建坤教授、陈立宏副教授、钱春香老师在学习上给予了我很大的关心和帮 助，在此表示衷心的谢意。 感谢彭丽云师姐对我试验工作的无私帮助，在实验室撰写论文期间，蔡炜、 朱轩、席连海、路威、徐东健等同学也对我论文中的试验研究工作给予了热情帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢硕士班的所有同学，两年的同窗生涯使我收获了真挚的友情。 最后深深感谢我的父母和家人，他们的理解和支持是我不懈的动力源泉。 1 1选题背景与意义 1 绪论 路基是铁路的重要组成部分，它是按照路线位置和一定技术要求修筑的带状 构造物，承受由路面传来的荷载，必须具有足够的强度、稳定性和耐久性。路基 的强度与稳定性，是保证轨面强度与稳定性的基本条件，路基填筑时的密实度是 提高路基的强度与稳定性的关键。因为压实可以充分发挥路基土的强度，可以减 少路基在行车荷载作用下产生的永久变形，还可以增加路基土的不透水性和强度 稳定性。压实的这几大作用对于增强路基路面的使用性能和延长寿命是非常重要 的圆。实践证明，以高标准进行路基填土的压实，是保证路基应有强度和稳定性的 一项最经济有效的技术措施。由于路基压实不足引起翻浆冒泥的现象屡见不鲜， 路基的压实对于铁路的稳定性和使用耐久性具有十分重要的意义。 基床翻浆冒泥是指含有一定比例黏粒和粉粒的基床表层土，受水浸泡和列车 振动荷载的重复作用，发生软化或触变，形成泥浆，经列车通过轨枕上下起伏， 泥浆受挤压和抽吸而通过道床向上翻冒的现象。其后果是造成道碴脏污、板结， 丧失弹性，当基床填土以泥浆形式挤出时，道碴随之下沉，从而造成轨道状态不 良，轨道的几何状态变化频繁，需要经常进行线路养护。此外，由于翻浆冒泥引 起线路左右轨水平差距较大，可能导致钢筋混凝土轨枕因产生纵横裂纹而失效。 基床翻浆冒泥分土质、石质基面翻浆和裂隙泉眼翻浆床翻浆冒泥是指含有一定比 例黏粒和粉粒的基床表层土，受水浸泡和列车振动荷载的重复作用，发生软化或 触变，形成泥浆，经列车通过轨枕上下起伏，泥浆受挤压和抽吸而通过道床向上 翻冒的现象。其后果是造成道碴脏污、板结，丧失弹性，当基床填土以泥浆形式 挤出时，道碴随之。石质基面翻浆主要发生在软质岩的基床，这类岩质易风化， 水浸润后易软化，强度急剧降低，主要分布在缓丘垄岗地带，如：京广线、湘黔 线、襄渝线等。裂隙泉眼翻浆是裂隙水在列车动力作用下，冲蚀软化基床土而形 成的，这主要发生在山区或丘陵地区。土质翻浆冒泥一般具备条件是：黏粒和粉 粒占6 0 n 5 以上，塑性指数大予1 2 ，液限大于3 2 ，这类土包括裂隙黏土和一般黏性 土，它们受水的影响大，强度随含水量的增加而大幅度下降，因此每到雨季，基 床翻浆较为普遍。 当列车通过轨道时，由于动载的作用，轨枕下压，路基土中超孔隙水压力增 加，列车通过后，轨枕突然上升到正常位置，导致抽吸路基中细土，形成翻浆冒 泥病害；路基软化则是由于路基在水的长期浸泡下产生的结果。因此这两种病害 都与路基土、水、动载的作用等因素有关口1 。基床翻浆冒泥起因于铁路基床的不良 土质，在水和列车动荷载反复冲击作用下软化形成的泥浆。基床翻浆必须同时具 备下列四个因素才能发生h 1 。 ( 1 ) 土质是基床翻浆冒泥的内因。当基床土质不良，如膨胀土、高岭土、黏土、 泥质页岩、红砂岩、石灰岩等，是形成翻浆冒泥的主要原因。经调查表明，基床 翻浆冒泥地段的基床土普遍颗粒细、亲水性强，吸水后有较大的可塑性、粘滞性、 膨胀性且透水性差。 ( 2 ) 水是翻浆冒泥的诱因。水分地表水和地下水，地表水有降雨、降雪、水管 或灌溉虹吸管漏水、生活排污水等。地下水有裂隙泉眼、地下水位高等。当不良 土质充分吸收水份后由固态变为塑态、再变为液态。 ( 3 ) 列车动荷载是翻浆冒泥的主要外因。不良土质遇充足水量只能形成饱和 土，仍改变不了土质的形态，只有在列车动荷载传递给枕木的反复冲击下饱和土 才会变为液态土，即泥浆。 ( 4 ) 周界形成自然容器也是翻浆冒泥的必要条件。 粉土广泛分布于我国北方地区，是路基填料的一种主要来源，认清粉土的压 实特性对路基的施工质量有着重要的意义。粉土系介于粘性土和砂性土之间的一 类土，工程性质比较复杂，按照岩土工程勘察规范的规定：凡粒径大于0 0 7 5 r a m 、 颗粒含量小于或等于全重5 0 、且塑性指数小于或等于l o 的土为粉土，其粒组成分 中0 0 0 5 - - 0 0 5i l l m 和0 0 5 - - 0 0 7 5 舳的粒组占绝大多数。这类土既不同于粘性土， 又有别于砂土，水与土颗粒之间的作用明显异于粘性土和砂土，主要表现粉粒的 特征，随着颗粒组成的不同，其工程性质有转折性变化。粉性土作为筑路材料， 因含有较多的粉粒，干时虽稍有粘结性，但易被压碎、扬尘大，浸水时很快被湿 透，易形成流体状态。粉性土的毛细水上升高度大，在季节性冰冻地区更容易使 路基产生水分累积，造成严重的冻胀翻浆现象瞄1 。 研究表明，粉土具有独特的物理力学特性，饱和粉土在动力荷载作用下极易 液化，严重影响路基的整体稳定性，尤其是在路基填土较高且受到动力荷载作用 的情况下更为明显。我国线路基床翻浆冒泥病害较多，据近几年统计，每年均发 生2 0 多处约5 0 0 0 m 左右，严重威胁行车安全，目前养路部门常采用清挖道床方法， 既辛苦，效果又不佳。本论文从动荷载条件下压实粉土的压实特性、动模量、动 强度和孔压变化规律出发，探讨粉土路基的动力特性。 1 2 国内外关于路基压实土的研究现状 2 阮永芬等对饱和粉土的动力特性进行了试验研究1 ；冯秀丽等通过室内动三 轴试验方法研究了土的动强度并探讨了孔隙水压力发展变化的规律及海洋水动力 条件下粉土的响应模型口1 ；许国辉等利用室内周期循环加载试验研究了黄河水下三 角洲沉积物在循环荷载作用下土体中孔压变化阳1 。河北省电力勘测设计院的马有何 对饱和粉土的物理力学特征进行了研究，指出粉土系介于粘性土和砂土之间的一 类土。它与粘性土以塑性指数i 。= 1 0 为界，与砂土以粒径0 7 5 m m 、百分含量5 0 为 邻，工程性质较为复杂。其粒组成份中0 0 5 r a m 一0 0 7 5 m m 与0 0 0 5 0 0 5 r a m 的粒组占 绝大多数。这类土既不同于粘性土，又有别于砂土。水与土颗粒之间的作用明显 异于粘性土和砂土，主要表现粉粒的特征。随着颗粒的组成( 或者说塑性指数) 的 不同，其工程性质有转折性变化嘲。 北京建筑工程学院的刘肇生根据对粉质路基土在六种不同击实功作用下所得 击实试验数据的分析，论述了“经济击实功的存在，并对指导路基压实有现实 意义。通过计算，分析击实功的提高引起土体有关物理指标的变化规律，强调饱 和度在击实及压实中的重要意义n 嬲。郑州市公路工程质检站的魏五洲等通过粉土 的物理力学特性的分析和讨论，指出了在粉土地区用粉性加固土做干线公路路面 基层造成的破坏机理和产生的主要路面病害。在此基础上，提出了适合该地区的 公路路面基层结构形式和基层类型n 1 1 。 循环荷载作用下粘性土性状的研究在国外已取得较多成果。早年研究循环作 用对土抗剪强度影响的方法是把直剪仪固定在振动台上，在不同振动参数( 频率、 振幅、加速度及其方向) 变化下进行单程( 非往返) 直剪试验，由此得到试件破 坏时的抗剪强度t ，作为土循环荷载作用下的抗剪强度。 s e e d 等( 1 9 5 5 年) 在研究车辆行驶重复荷载对公路路基土强度和变形影响的 工作中，开始采用了应力控制和重复加荷三轴试验仪，使试件轴向累积应变幺达 到某一定值如5 ，并将此时的重复加荷应力值c r r 与相应的重复次数，关系曲线 作为评价土在重复加载作用下强度的标志。 s a n g r e y ( 1 9 6 8 ) 、f r a n c e 和s a n g r e y 等人( 1 9 7 7 、1 9 8 0 ) 做了低速率下的循环三 轴试验，研究粘土中循环应力与应变的关系。h o u s t o n 等( 1 9 8 0 ) 通过对海洋粘土 施加双向和单向循环应力的应力控制三轴试验，分析了加载次数及循环应力比对 应力、应变的影响并指出了双向循环较单向循环更易引起粘土的循化剪切破坏。 m a t s u i 等人的研究则较多地关注孔隙水压力的发展变化，分析了残余孔压与 剪应变之间的相互关系以及循环荷载作用历史对剪切特性的影响n 羽。a t i l l a 和 a y f e r ( 1 9 8 9 ) 通过对正常固结粘土和重塑土进行了不同循环剪应力大小和不同循 环加载速率下的试验，研究对比了重塑土和原状土的循环剪应变。1 9 6 8 年 d a p p o l o n i a 第一次考虑了粉粒和粘粒含量的影响，随后l e e 和f i t t o n 、g u p t a 和 3 g a n g a d h y a y 先后提出了粘粒和粉粒对动强度的影响n 副。在国内，阮永芬、巫志辉 等通过振动三轴仪试验探讨了饱和粉土的动力特性受不同因素影响的变化规律 【1 4 】 o 关于不排水条件下正常固结土循环荷载作用后的强度问题已有比较一致的认 识，即伴随孔压上升，有效应力减小，土的不排水强度会出现衰减的现象。m a t s u i 等人对塑性指数，。= 5 5 的s e n r i 粘土进行了应力控制式的三轴双幅循环剪切试验， 所采用的频率为0 0 2 6 - 0 5 h z 。试验结果表明，孔隙水压力和轴向应变均随循环次 数的增加而增加，对于给定的循环次数而言，低频率荷载产生较高的孔隙水压力 和轴向应变。b r e w e r ( 1 9 7 2 ) 对i 。= 3 5 的粘土在频率为0 o l - - ，4 h z 下所做的试验也得 出类似的结论。y a s u h a r a 等对a r i a k e 粘土( i 。= 5 8 ) 进行应力控制式三轴试验的 结果也认为加荷频率( 0 i ，- - - i h z ) 对孔压有一定的影响n 习。但结论是，频率越高， 孔压越大，与上述结果有区别。然而，s h e r i f 的试验则表明，当频率在1 2 h z 之 间变化时，对给定的应力水平，频率对周期应变和孔压几乎没有什么影响。 针对粉土的动力学性质的研究国内外很早就已经展开，n i a h i l e s h 等研究了击 实粉土样的静动力学性质；e r t e n 等研究了粉土的不排水周期行为；s u m e r 在波浪 槽中观测了波浪作用下粉土的孔压变化曲线在粉质土海床上的移动；本文拟通过 室内动三轴试验方法来研究粉土的动强度，以探讨粉土的应力应变关系、孔压发 展模式及不同压实度和不同饱和度对粉土动力学性质的影响。 1 3 有关压实机理的研究状况 土的压实基本原理是指用一定的压实功能和压实方法压实时，土的干密度与 含水量的密切关系。当含水量低时，压实干密度随含水量的增加而增加，至某含 水量时，压实干密度最大，进一步增加含水最时，压实干密度随含水量的增加而 降低。上述土的含水量干密度曲线称为压实曲线或普氏曲线。干密度最大值称为 最大干密度。对应含水量称为最优含量。 上述压实曲线的形成过程十分复杂，普洛克特( r r p r o c t o r ，1 9 3 3 ) i t 6 ，霍金 吐根( c a h o g e n t o g l e r ，1 9 3 6 ) n 7 1 ，兰姆( t w l a m e ，1 9 6 0 ) n 7 1 ，西尔夫 ( i w h i i f ，1 9 5 6 ) n 7 1 ，奥尔逊( 0 1 s o n ，1 9 6 3 ) n 引，西特( s i d e s ，1 9 7 0 ) n 蝴等人曾试图 对压实曲线的机理作了各种解释。其中有普洛克特的毛管润滑说，霍金吐根的粘 着水解释，兰姆的颗粒定向理论，西尔夫、奥尔逊的有效应力理论解释和巴顿、 西特等结构解释。 普洛克特认为土粒周围的水膜由于表面张力产生毛管压力使土粒彼此拉紧， 当含水量比较小的时侯产生比较大的摩擦阻力，剪切强度较高。另外水膜还对土 4 粒表面起润滑作用，随着含水量的增加，土粒间的摩擦力减小，剪切强度降低， 压实土的干密度增加，直至最大值。以后再增加含水量，由于水分过多，增加了 孔隙体积，所以压实干密度反而降低；霍金吐根提出土粒表面有数层粘着水，土 粒接触间粘着水具有凝聚性和剪切阻力。含水量变化时，粘着水厚度的变化使土 的性状发生了变化；兰姆着眼于土的物理化学领域中的双电层理论，低含水量时， 孔隙水中电解质浓度高，顺粒间的吸引力大而斥力小所以呈现絮凝结构，不易压 实，增加含水量后，孔隙水中电解质浓度变小，双电层扩张，使粒间吸力减小而 斥力增大，形成分散结构，易于压实。这一理论的缺点是仅考虑了片状粘上顺粒、 不适用于含粗粒的上及含有非片状颗粒的土。 松尾、宋曾对大阪湾海底粘土不同含水量的击实试样，作了显微观察，指出 土的孔隙水中电解质浓度变化很小，对颗粒的排列没有那样大的影响。西尔夫、 奥尔逊试用有效应力解释压实曲线的机理。含水量比较小时，毛管压力较高从而 在土粒间产生较高的摩擦阻力，难于压实。随着含水量的增加，毛管压力变小， 减小了粒间摩擦阻力，此时孔隙是连通的，土的干密度增加。当土的干密度达到 最大值以后，再增加含水量，由于此时空气封闭在土中，在外力作用下产生很大 的孔压，减小了压实效应，因而使土的干密度降低。巴顿、西特进行了压实后的 非饱和的低塑性粘土的工程特性的试验研究，并力图使其研究与显徽镜直接观察 到的粘土结构联系起来。其结果指出，填土的结构受压实含水量的显著影响。压 实含水量低时，土团粒强度高，其间有大量空气充满了大孔隙，干密度低。如果 含水量增加，土团粒变湿，强度降低，易于发生崎变，孔隙相应减小，干密度增 加，直到大孔隙消失，以后再增加含水量，由于上粒之间的水层增厚，干密度降 低。 1 4 循环荷载作用下饱和粉土孔隙水压力性状试验研究 孔隙水压力在动荷载作用下的发展规律是土体变形和强度变化的重要因素， 是使用有效应力动力分析法分析问题的关键，因此，正确地预测不同条件下土中 孔压变化规律就显得极为重要。饱和砂土振动作用下的孔压变化规律较为成熟， 而粉土是一种具有特殊工程性质的土，它属于低塑性土，塑性指数j 。l o ，粒径 大于0 0 7 5 m m 的颗粒含量不超过权重5 0 9 6 。 河海大学岩土工程研究所曾长女，刘汉龙采用多功能静动液压剪切仪进行了 室内动力循环试验，研究了饱和重塑粉质土孔压变化规律嘲1 。该试验采用静动多 功能三轴试验仪，该仪器由计算机控制系统、饲服控制系统、量测系统、压力及 加载系统、三轴室及附属系统组成。该仪器通过计算机数字控制系统和模拟伺服 5 控制系统来控制试验进程，进行计算机自动数据采集。采用6 1 8 m m x1 4 0 r a m 的实心 样进行振动三轴试验，在垂直方向施加动载荷，试验功能与传统的振动三轴仪功 能一致，记录振动过程的力、位移、孔隙水压力数据。 试验在达到液化标准后继续施加动荷载直至孔压平稳为止，这个过程模拟了 液化后严重破坏情况以及孔压发展的完整过程。研究发现，粉质土孔压可以用一 一旦 个改进的指数形式来描述正= 口( 1 一p 。川) ，式中为振动n 次的振动孔压，吧为 试样的初始有效围压，l 为试验停止时的振动次数，a ，b 为曲线拟合参数，a 表示 为m 专0 0 时的孔压归一化后的值，可以理解为孔压稳定后u d 吒的值，由于最 终孔压值最大值可能等于围压，因此a 应满足条件a 1 。该表达式能拟合较多的前 人研究孔压成果，而且弥补了前人研究成果中可能出现的极限孔压比围压大的缺 陷。 1 5 本论文要做的工作 试验原理： 本论文主要通过室内动三轴试验研究压实粉土的强度特性，动三轴试验是从 静三轴试验发展而来的，通过对试样施加模拟的动主应力，同时测量试样在承受 动荷载作用下的动态反应。这种反应主要是动应力( 或动主应力比) 与相应的动应 变的关系( 一乃或q q 一气) 、动应力与相应的孔隙水压力的变化关系。根据应 力应变与孔压之间的相对关系，可以求出土的各项动弹性参数、粘弹性参数以及 土样在模拟某种实际循环应力作用下产生的性状。 各种动荷载作用的共同特点是它的大小随时间而发生变化，那么对动荷载在随 时间变化的过程中的两种效应就必须注意：一是速率效应，二是循环效应。对于 车辆产生的荷载是一种有限往返作用次数的随机荷载，这种荷载的方向是往返变 化的，每次脉冲的幅值是随机变化的，荷载往返作用次数是有限的。本论文以粉 质压实土在循环荷载作用下的强度特性为重点进行试验研究，了解其孔压发展变 化的规律性，探究其强度变化对路基翻浆冒泥等灾害的直接影响。 试验内容： 论文主要从以下几个方面展开： ( 1 ) 本文主要针对路基压实粉土，进行击实试验，对压实粉土的击实功和干密 度之间的关系进行试验研究。 6 ( 2 ) 在不同饱和度和压实度下，进行动力试验研究，在各种循环荷载作用下得 出其模量应变关系、动阻尼比影响因素、动强度影响因素。 ( 3 ) 在不同围压和含水量下，试样从开始加载到破坏，研究孔隙水压力发展变 化过程，得出孔压变化规律，提出孔压模型并验证。 试验仪器与试验方案： 动荷载试验在m t s 8 5 8 2 t e s t s t a r 2 双向液压伺服土工动三轴仪上进行。仪器 由施压控制系统、实时控制系统、进排水系统、三轴室、各种传感器元件所组成。 配套系统有：电动机、空压机、计算机辅助系统。其中施压系统包括径向和轴向， 两个方向都可以施加动荷载，并可以选择采用应力或应变两种控制模式。加荷过 程由伺服双向反馈控制，并有各种错误检测功能( 提示、连锁、关机) 来避免意外 发生。围压由气压提供，并最终由水压来完成作用。整个试验过程由总控制箱来 控制。试验方案由计算机以比较友好的模式化程序输入，试验过程中产生的各种 试验数据( 轴向应变、径向应变、轴压、围压、孔压、时间) 以及经计算产生的 各种试验数据( 如有效应力、球应力等) 可由计算机自动采集储存。同时可以利 用计算机界面来跟踪试验进度，并绘出需要的试验曲线。 振动三轴试验采用矽3 9 1 m m x8 0 r a m 的实心样，在垂直方向施加循环荷载，试 验将振动过程的力、位移、孔隙水压力记录下来。试验所用土全部采用重塑土， 控制每个试样干密度和压实度、饱和度。重塑土样的制备采用多层湿捣法，分7 层 捣实。根据土样的含水量计算每层土料的质量，击实到相应高度，各层的接触面 处用刮刀刨毛，以保证上下层之间接触良好。粉土在抽真空饱和后，放在试验仪 器上进行固结，然后施加正弦荷载，待试样达到液化标准后，继续施加动荷载， 完整地记录动孔隙水压力发展数据。 7 2 1 前言 2 粉土压实特性研究 压实是提高土体的承载力，减小土体变形的有效手段，在工程实践中得到了 广泛的应用。特别是在路基工程当中，压实可以使松散的路基填料形成具有较高 强度与刚度的，能有效承担荷载作用的整体。而且一般情况下压实度越高，压实 土的强度与刚度也越大。在路基中，压实土承受着较大的交通荷载的作用，虽然 其强度和刚度都较大，一般在少量交通荷载作用下其变形表现为弹性，但是在长 期的交通荷载作用下，仍然会产生一定的塑性变形。压实土在一次荷载作用下的 弹性变形性质，对车辆行驶时的舒适性和安全性有重要影响，而其在长期交通荷 载作用下产生的塑性变形的大小则对路面和轨道等直接承受交通荷载作用部分的 受力性状、变形性状以及整条线路的使用状况有重要的影响。因此研究循环荷载 作用下的压实土的性质有重要的理论与实际意义。 本章采用土工试验规范中轻型击实方法进行室内击实试验。试验目的包 括以下方面：通过室内击实试验确定粉土的最佳含水量与最大干密度，找出最佳含 水量下击实次数与干密度或压实度的关系，制各不同压实程度的粉土试样，以进 行强度与变形试验。 2 2 最佳含水量与最大干密度 粉土广泛分布于我国北方地区，是路基填料的一种主要来源，认清粉土的压 实特性对路基的施工质量有着重要的意义。该类土塑性指数低，粘性小，干时呈 粉状，浸水时易成流体状态。其中我国京九线在通过山东境内的鲁西平原黄泛区 时，黄泛区内的粉土路基由于遭受雨水的破坏，导致各种路基病害频繁发生。经 技术分析，是由于粉土路基的压实不足或压实标准偏低，导致不均匀沉降，以及 粉土水稳定性差引起冻胀、翻浆，从而导致路面破坏的。 根据土工试验规范，对该粉土进行物理力学指标试验得到表2 - 2 ，进行粒径筛 分试验得到表2 - 1 和图2 一l 。 表2 - 1 粉土粒径分析结果表 t a b l e 2 - 1s i l td i a m e t e rs i z ea n a l y s i so f t h er e s u l t s 粒径佃哪 o 2 5o 2 5 0 0 7 5o 0 7 5 o 0 5o 0 5 0 0 lo o ln o 0 0 50 0 0 5 0 0 0 2 2 0 ，塑性指数 d 2 ，液限历 5 0 。按照分类标准，该粉土为含砂低液限粉性土，旧称粉土。其粒 径比较均匀，颗粒大多集中在0 0 0 5 0 0 7 5 r a m ，大于0 0 7 5 m m 的砂粒占2 6 5 ，小 于0 0 0 5m m 的砂粒含量为4 2 ，不均匀系数g = 3 9 ，属级配不良的均匀土。该类 土在碾压过程中，粉粒和砂粒间的空隙没有充足的细小粘粒填充，形不成紧密的 填充和嵌挤结构，因而压实性能差。另外，由于这种不紧密的结构，导致粉土中 空隙较多，相互连通成微型管道，纵横分布在土体中，形成毛细运动，土易吸水 也易蒸发失水。含水量较小时，水的吸附能力小，颗粒分散，导致碾压时出现起 皮和重皮现象；含水量大时，孔隙中充满水，碾压功能被水消散和承担，出现“碾 压弹簧 现象。含水量过低或过高时都不能将该类土压实。 按照土工试验规范，对采集来的粉土进行击实试验，预定7 个不同含水量， 依次相差1 2 ，且其中至少有两个大于和两个小于最佳含水量。按预定含水量 制备试样。应加水量可按下式计算： n 瓯= 1 + 址0 0 1 0 o 0 1 ( 国一q ) ) 9 式中：q w 所需的水量( g ) ； q 土样的质量( g ) ，其原始含水量为q ，即风干含水量( ) ； 国要求达到的混合料的含水量( ) 。 依照规范中的步骤分别对各含水量的土样进行击实试验。按下式计算击 实后各点的干密度： 岛= 丽p ( 2 - 2 ) 式中： 岛干密度，g c m 3 ；户湿密度，g c m 3 ； 国含水量，。 试验得到粉土的干密度和含水量之间的关系，绘出含水量与干密度的关系曲 线，如图2 - 2 。 表2 3 击实曲线数据 t a b l e 2 3d a t ao f c o m p a c t i o nc u r v e 含水量( ) 4 0 36 0 98 1 21 0 0 91 1 9 81 3 8 21 6 1 3 干密度( g c m 3 ) 1 。7 91 8 21 8 41 8 61 8 71 8 11 7 8 譬 巴 q 。 7 。- v i - 、 ， l ，tx 、 j 二ri 、 l i 图2 - 2 击实曲线 f i g 2 - 2c o m p a c t i o nc u r v e 由击实曲线可以看出： ( 1 ) 曲线有一个驼峰，最佳含水量1 1 9 8 ，最大干密度为1 8 7 9 c m 3 。 ( 2 ) 右侧含水量变化范围较窄，左侧含水量变化范围稍宽。当含水量在4 一- - 1 2 变化时，干密度变化较缓，超过后下降迅速。 ( 3 ) 击实曲线偏离饱和曲线( 睁o ) 较远，说明粉土中孔隙气体体积较大，土并 1 0 未达到真正的密实。 击实功的影响也可以通过室内试验进行研究，改变击实功( 即改变每次的击数) 进行击实试验，得到击实功和干密度的关系。共分三组，在轻型击实试验的基础 上，击实次数分别为2 5 、5 0 、7 5 三组，对应的击实功分别为5 9 2 2 k j m 3 、11 8 4 4k j m 3 、 1 7 7 6 6k j m 3 ，图2 3 是粉土在不同击实功作用下得到的最大干密度与含水量关系 曲线。( 图中数字为击实次数) 2 0 0 1 粥 1 1 ，9 4 1 9 2 1 量：兰 c 1 1 8 2 图2 3 改变击实功的击实试验曲线 f i g 2 3c o m p a c t i o nc u r v ew i t hc h a n g i n gc o m p a c t i o ne f f o r t 可见随着击实功的增加，最大干密度增大，最优含水量降低。绘制最大干密 度和击实功的关系曲线，可以得到一条近似的直线( 如图2 - 4 ) 。 图2 4 击实功一最大干密度曲线 f i g 2 - 4c u r v eb e t w e e nc o m p a c t i o ne f f o r ta n dm a x i m u md r yd e n s i t y 增大击实功的影响随土的类型不同而有所变化，一般来说塑性越大的土，差 异越大。在实际工程中，不但压实功而且压实的方法( 动力的还是静力的) 对压 实土的性能也会有影响。另外在实际工程中采用什么样的击实指标也需要根据实 际的压实功来确定，一般来说对于高速公路、铁道、或机场面层部分的碎石层的 压实一般采用重型击实指标，而对于小型坝、城市道路的垫层及回填土则常用标 准击实指标。 2 3 空气体积率 空气体积率是英国、日本等国的土质路基的压实控制方法：以粒径( 0 0 7 5 咖) 为划分标准，对0 0 7 5m m 筛通过量在2 0 以上的土( 相当于粘土和粉土) 用空气体积 率圪控制，对0 0 7 5 哪筛通过量不足2 0 的土( 相当于砂性土) 用相对密实度雅制。 其中相对密实度法与我国砂土的相对密实度试验方法相同，与我国不同的是空气 体积率法。 空气体积率法的计算公式为： 圪= 1 0 0 - p a ( 1 0 0 p , + w p w ) 1 0 0 ( 2 - 3 ) 式中：圪空气孔隙率，；岛土的干密度，g c m 3 ；a 水的密度， c i i l 3 ；土的含水量；只土的颗粒密度，c m 3 。 空气体积率随含水量变化曲线见图2 - 5 。可以看出，随着土样含水量接近最佳 含水量，空气体积率逐渐降低，土样的干密度也逐渐增大，达到最佳含水量后， 土样中空气的体积接近最小值，土样的密度也达到最大干密度，此时如果含水量 继续增大，土中孔隙被过多的自由水占据，压实时水不能压缩也不容易被挤出， 土的干密度反而逐渐降低。 1 2 3 0 2 8 2 6 2 4 2 2 2 0 1 8 装1 e 皇1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 - 、 、 i - 一 图2 - 5 空气体积率随含水量变化曲线图 f i g 2 - 5c u r v eo f v o l u m er a t i oo f a i r 诵md i f f e r e n tw 表2 _ 4 空气体积率计算结果 t a b l e 2 - 4c a l c u l a t i o i lr e s u l t so f v o l u m er a t i oo f a i r 由公式( 2 3 ) 和图2 - 5 可见，空气体积率不仅与土的干密度有关，而且与土的 含水量有关，干密度和含水量越大，空气体积率就越小。由此可见含水量在控制 粉性土路基压实和稳定中具有相当重要的作用。而利用现行压实度的控制理论不 能反映这一点。从标准击实曲线( 图2 - 2 ) 可以看出：在同一压实度下，对应的含水 量不同。如在k = 9 8 时，对应的控制含水量为7 和1 3 ，按规范取值范围为7 ，- - - 1 3 ， 但是如此取值并没体现出含水量对压实度的影响，显然是不合适的。 如果在含水量较低时进行压实施工，因为土质粘性小不易碾压成型，即使压 实也难以粘聚致密，且密实度较低。施工完成后路基含水量过低，空气体积率较 大，仍可以大量吸收水分，造成强度降低，产生翻浆、唧泥等病害，造成高等级 公路未达到使用年限即产生早期破坏。该类粉土细粒成分多，不宜在含水量较小 的情况下压实，由两个含水量计算的空气体积率，含水量大的所得结果较小，也 就是说在含水量较大时进行压实相对有利于路基的稳定。由以上分析可见：对于 粉土来说，压实度指标并不能准确反映哪个含水量对路基的水稳定性更为有利。 将空气体积率作为压实度控制指标的辅助标准进行的压实控制能很好的做到这一 点。 图2 6 是空气体积率随压实度的变化曲线，从图中可以看出：空气体积率在压 实度9 0 9 3 变化较大，说n 9 0 的压实度区具有较大的可压缩性。路基在自身恒 载作用下，随土的性质和土层原有密实度与含水量的不同，势必要产生固结变形。 而9 0 的压实度显然是不够的，由图2 6 空气体积率的变化也说明可压缩性较大， 应适当提高压实度标准。 8 89 0 9 2 9 49 b9 8 ，( 图2 _ 6 空气体积率与压实度的关系 f i g 2 - 6c u r v eo fv o l u m er a t i oo fa i r 谢t l ld i 妇鼢e n tc o m p a c t i o n 当压实度k = 1 0 0 时岛= 1 8 7 9 c m 3 ，c o = 1 2 ，圪= 8 3 3 ，当压实度尽= 9 8 时， 岛= 1 8 3 9 c m 3 ，彩= 7 , - - - 1 3 ，圪= 7 9 4 1 6 9 1 这说明按现行的压实方法控制 粉土路基，标准偏低，且相同压实功在高含水量下压实，得到的空气率指标较小。 粉土的空隙较大，难以压实，这可以从粉土的颗粒分布与级配上得到解释。粉土 粒径比较均匀，生成条件单一，颗粒主要集中在粉粒和砂粒上，粘粒含很少，即 粉粒含量占粉土总颗粒含量的5 5 8 ，砂粒含量占4 1 1 ，粘粒含量约占4 。粉土 颗粒分布存在着严重不足，砂粒和粉粒之间的空隙没有更多的细小粘粒来填充， 形成了所谓“搭积木式的构架，达到一定的压实度后，土粒和水之间的空隙中 充满空气，而水不能压缩，传统静力击实不能有效地将空气排出因而造成粉土压 实困难的问题。由结果知，即使在最佳含水量下，压实到最大干密度，其空气体 积率仍为8 3 3 ，这表明土的吸水空间较大，可达5 左右( 一般最小空气体积率为 4 左右) ，这对土的稳定性极为不利。 我国多年来一直采用压实度指标来控制路基施工质量。压实度越接近于1 0 0 ， 土的压实度越好。但是，其中仍咖确定最为关键。目前国内有关规定均采用室内 标准击实试验获得，但是随着压实填土机械的更新换代，越来越多的超重型振动 碾压设备得到广泛应用，其单位面积上的击实功远大于标准击实的击实功。因此， 1 4 孙 约 伸 ” 仃 侣 壤二f 传统的标准击实试验推求的质量控制标准，与此不匹配。用单一指标压实度控制 土的压实质量存在不确定特征，不能真正体现压实土的内在质量。因此，从试验 结果分析来看，单纯以标准击实所得的干密度作为控制标准不能完全反映路基长 期使用性能。 现有的对压实度控制方面，主要是按照室内标准击实所得的最大干密度作为 标准，如前所述，在现场施工不可能达到室内标准击实所得的最大干密度，主要 是因为含水量难以精确控制在路基施工技术规范中规定了“细粒土、砂类土和 砾石土无论采用何种机械，均应在该土的最佳含水量的2 内压实 。很显然， 即使在室内试验时，粉土在最佳含水量下增加2 的含水量都难以压实，现场不可 知的因素以及粉土路基的排水措施不当，都可能造成粉土路基的大规模失去强度， 导致路基失稳。 由以上分析可知，现行的压实标准对粉质土存在一些不适应性：( 1 ) 压实标准 偏低；( 2 ) 压实度不能体现含水量对土稳定性的影响；( 3 ) 最大干密度的确定受人 为因素影响大。若采用空气体积率作为压实的控制标准，则拥有以下优点：( 1 ) 能 有效的控制路基的压实状况，真正反映土的密实程度；( 2 ) 体现出含水量和干密度 对路基密实和稳定性的影响；( 3 ) 空气体积率是由现场测得的干密度和含水量代入 公式计算求得，受人为因素影响小。 参照日本的压实标准，对应于我国的压实度标准，如压实度9 5 ，提出空气 体积率标准为k 8 作为压实控制指标，如最佳含水量c o = 1 2 ，并令睁8 ，可求o , 得相应的干密度岛= 1 9 1 9 c m 3 ，大于最大干密度岛= 1 8 7 9 c m 3 。证明空气体积率 标准要高于压实度标准。 2 4 本章小结 ( 1 ) 击实曲线为单峰曲线，最佳含水量1 2 ，最大干密度为1 8 7 9 e r a 3