西汉高速公路土石混填路基施工控制技术研究_刘保林.docx

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1、 Study on Subgrade Construction Control Technique of Xi-Han Expressway with Earth-Rock Mixtures A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate： Liu Baolin Supervisor： Prof.She Xuesen Changan University ， Xian, China 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做

2、出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果 D 本声明的法律责任由本人承担。 论 文 作 者 签 名 ： 冬 77年 |月 W曰 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 - (保密的论文在解密后应遵守此规定） 料 论文作者签名： 年 月 j曰 针对西汉高速公路沿线大量土石混合料填筑路基的情况，本文对陕南地区土 石混

3、合料的基本性质及分类、室内外试验、路基沉降变形、路基稳定性及土石混 填路基施工技术开展了较为深入系统的研究和探索，主要研究工作包括以下内 容： (1) 通过国内外资料调研及工程调査，总结了土石混填路基施工技术的研 究现状，提出了土石混填路基施工控制过程中存在的主要问题。 (2) 根据土石混合料的结构及强度形成特点，基于操作简便又能反映土石 混合料工程特性等原则，提出以岩性和粗颗粒含量作为分类指标，对土石混合料 进行了工程分类。 (3) 通过土石混填路基施工技术的室内足尺试验，提出了不同碾压遍数与 路基表面沉降、弯沉值、贯入量、回弹模量及压实度之间的关系。 (4) 在现场试验的基础上，结合国内外

4、资料调研及工程调查，提出了土石 混填路基填料的选用、施工机械选择与配套组合、现场摊铺和整平、压实施工工 艺、边坡码砌等施工技术；并对高速公路土石混填路基施工技术进行了总结。 (5) 针对土石混填路基的特点，提出了非等时距灰色理论 GM (2, 1)预测 路基工后的沉降模型。 关键词：土石混填路基；施工控制技术；工后沉降；稳定性；灰色理论 Abstract In view of the subgrade with a large number of earth-rock mixtures along the XiHan Highway. An in-depth and systematic st

5、udy was conducted on the essential nature and classification; the laboratory and field tests of the earth-rock mixtures in the south of Shaanxi Provience; Settlement and deformation; Stability of subgrade and earth-rock subgrade construction technology. The main contents were presented as the follow

6、ing: (1) According to the research on engineering and survey data domestic and abroad, a summary was given to the present situation of the research on the construction technology of the earth-rock subgrade. And the main problems in the construction controling process of the earth-rock subgrade were

7、put forward. (2) According to the structure and strength formation characteristics of earth-rock mixtures, based on the principles of simple orperating and reflecting engineering properties of earth-rock mixtures, the guideline of classification was put forward ,which was according to the lithology

8、and the content of coarse particles of earth-rock mixtures. And the engineering classification of earth-rock mixtures was also conducted. (3) Through indoor full-scale test on the earth-rock subgrade construction technology, relationships among the different rolling compaction times and subgrade set

9、tlement; deflection value; penetration volume; modulus and the degree of compaction were proposed. (4) On the basis of the field test, conbining the researches domestic and abroad and engineering survey data, Construction technologies were proposed on the stone filling selection; construction machin

10、ery choices and allocating combinations; the whole scene spreading and compacting process, the slope builds and so on. And the construction techniques of the highway earth-rock subgrade were also summarized. (5) In view of the characteristics of the earth-rock subgrade, non-and so on time curve grey

11、 theory (2,1) was proposed to forecast the subgrade settlement model. post construction settlement； stability； gray theory 目录 第一章绪论 . 1 1.1研究课题的提出及意义 . 1 1.2 土石混填路基施工技术研究现状 . 1 1.2.1 土石混合料的基本性质 . 2 1.2.2 土石混合料的分类 . 3 1.2.3 土石混合料压实特性的影响因素 . 4 1.2.4 土石混填路基施工工艺 . 4 1.2.5 土石混填路基沉降变形及稳定性分析 . 5 1.3主要研究内容及

12、技术路线 . 6 1.3.1主要研究内容 . 6 1.3.2技术路线 . 6 第二章土石混合料的基本性质及分类 . 8 2. 1 土石混合料的定义及基本性质 . 8 2.1.1 土石混合料的定义 . . 8 2.1.2 土石混合料的基本性质 . 8 2.2 土石混合料结构类型 . 8 2.2.1 土石混合料的结构连接方式 . 8 2.2.2 土石混合料的结构类型 . 9 2. 3 土石混合料的分类及工程分级 . 10 2.3.1 土石混合料分类指标 . 10 2.3.2 土石混合料分类界限的划分 . 10 2.3.3 土石混合料的工程分类 . 11 2.3.4 土石混合料分类简易鉴别法 . 1

13、2 2.4综合分析 . 13 第三章土石混填路基施工技术的室内足尺试验 . 14 3. 1试验概况与方案 . 14 3.1.1试验概况 . 14 3.1.2试验方案 . 16 3.1.3试验步骤 . 16 3.2试验结果及分析 . 17 3.2.1碾庄遍数与表面沉降量的关系 . 17 3.2.2碾压遍数与整体弯沉值的关系 . 19 3.2.3不同碾压遍数与贯入量的关系 . 19 3.2.4不同碾压遍数与回弹模量之间的关系 . 22 3.2.5不同碾压遍数与压实度的关系 . 23 第四章土石混填路基现场试验及工后沉降观测 .25 4. 1现场试验段概况 . 25 4.1.1试验观测段概况 .25

14、 4.1.2调查评价路段概况 . 26 4. 2现场试验方案及步骤 .27 4.2.1试验方案 .27 4.2.2试验步骤 .30 4. 3现场试验结果分析 .32 4.3.1试验观测段试验结果及分析 .32 4.3.2调查评价段试验结果及分析 .46 .4. 4 综合分 . 49 第五章高速公路土石混填路基施工技术总结 .51 5. 1施工准备及填料的选用 .51 5.1.1强度低、易风化类 .51 5.1.2强度高、抗风化能力强类 .51 5.1.3强度及抗风化能力中等类 .51 5. 2地基处理要求 . 52 5.2.1 土石混填路基的地基承载力技术要求 .52 5.2.2 土石混填路基

15、的土质地基处理要求 .52 5.2.3 土石混填路基对地基的排水要求 .53 5.2.4 土石混填路基对地基坡度的处理耍求 .53 5.2.5 土石混填路基对石质地基的处理要求 .53 5. 3压实机械选型与配套组合 .54 5. 4填料的摊铺、整平及压实 .54 5.4.1填料摊铺、整平控制要点 .55 5.4.2填料的压实工艺 .56 5. 5路基边坡施工技术 .57 5.5.1边坡的厚度与坡度 . : . 57 5.5.2边坡坡脚 .58 5.5.3边坡码砌方式 .58 第六章土石混填路基沉降变形与稳定性分析 .59 6_1山区土石路堤填料工程与力学特点 .59 6.1.1 土石料压实标

16、准的探讨 .60 6.1.2 土石路堤对地基、地形的要求 .60 6. 2 土石混填路基沉降及稳定性影响因素 .61 6.2.1地基的稳定性 .61 6.2.2空隙率 . 61 6.2.3路堤排水 . 62 6.2.4路堤的检测 . 62 6. 3 土石混填路基沉降分析模型的建立及验证 . 63 6.3.1灰色理论 GM(n， h)模型在路基工后沉降预测中的应用 . . 63 6.3.2非等时距沉降序列的等时距转换 . 64 6.3.3非等时距沉降序列 GM (2， 1)模型的建立 . 65 6.3.4模型精度检验 . 66 6.3.5实例计算分析 . 67 6.4 土石混填路基稳定性分析 .

17、 69 6. 5综合分析 . 71 第七章主要结论与建议 . 73 7.1主要结论 . 73 7.2几点建议 . 75 参考文献 . . 76 攻读学位期间取得的研究成果 . 80 鋪 . 81 第 一 章 绪 论 1.1研究课题的提出及意义 公路是国民经济的重要基础设施，它承担着经济建设繁重的运输任务。随着我国国 民经济的迅速发展，国内公路建设得到较大的发展，尤其是高等级公路的大量建设，对 新工艺、新技术、新设备的开发和引进之多前所未有。路基作为公路的基础，路基的质 量好坏直接关系到整个公路的使用 品质。通过多年实践我们认识到，提高路基的强度和 稳定性是保证公路交通运行的关键，而要达到这个目

18、的，必须对路基进行有效的压实质 量控制，增加路基填料的强度和稳定性，使路基在使用过程中不会由于进一步的压实而 产生有害的变形。 近年来，我国公路交通得到了大力发展，作为西部开发战略的一部分，我国将在中 西部地区修建大量高等级公路。我国地势西高东低，中西部多为山岭重丘区，在山区高 等级公路的建设中，普遍采用路堑或隧道开挖的土石混合料来修筑路堤。公路路基施 工技术规范 （ JTJ033-93) 1将土石路堤定义为 利用卵石土、块石等天然土石混合材料 修筑的路堤称为土石路堤 。在工程实践中，一般把用粗颗粒含量在 30% 70%之间的 填料修筑的路基称为土石混填路基，粗颗粒指粒径大于或等于 5mm的填

19、料。 在陕南山区高等级公路建设中，将会遇到大量采用不同类型和比例的土石混合材料 填筑路基的情况。这种情况在我国西部及中部各省区公路建设中也将普遍存在。各地土 体性质、岩体强度、风化程度及水稳定性存在差异。不同类型及比例土石混合材料的路 用性能以及路基施工技术是当前需要研究的重要技术课题。其中，包括填料的分类选用， 施工压实工艺和机具配套组合，施工质量控制技术，以及路基的稳定性和沉降规律等方 面的研究内容。对此，一些省也曾结合具体工程对施工工艺和施工质量控制技术开展了 一定的探索，但不深入，缺乏系统性，有关方面的设计和施工规范、标准尚需补充完善。 综上所述，为了总结西汉高速公路建设经验，指导西汉

20、高速公路以及陕西省内其它 公路建设，本文对土石混填路基的施工控制技术开展了系统研究。 1.2 土石混填路基施工技术研究现状 本文结合国内外已采用土石混合料填筑路基的一些工程实例，详细分析了土石混填 路基施工控制技术的研究现状，提出了 土石混填路基修筑技术方面存在的问题。 1.2.1 土石混合料的基本性质 土石混合料是由土和石组成的松散体，土的种类和石料的强度及两者含量不同，压 实成型后，其物理结构和力学特性亦不同。研究资料表明，以往人们对土石混合料的工 程力学性质研究主要集中在剪切特性和压实特性研究方面。 关于土石混合料的剪切特性，各个部门结合实际工程，通过三轴试验对其进行了较 为系统的研究。

21、 1997年云南公路研究所武明等人 W采用大、中型三轴仪对土石混合料进行剪切和压 缩试验，并建立了大、中型剪切试验结果之间的 统计关系。 1998年徐刚等人【 3，采用 lOOOkN大型电液伺服粗粒土动、静三轴试验机对 10组土石混合料进行动强度试验，并 利用双对数坐标求出动应力与破坏振次之间的关系。 1999年郭庆国 4，通过室内大型三轴试验，得到了土石混合料的强度破坏准则为： zf C + AP： ( IP： )B 式中：卜为抗剪强度； c为抗剪强度参数，对于无粘性粗粒土， c值反映了颗粒间的咬 合力，对于有粘性的粗粒土， c值为颗粒间咬合力和粘结力之和； a为法向应力； d、S为强度参数

22、。 2002年李振等人 采用 ZJ500-1型大型直接剪切仪对土石混合料进行直剪试验，得 到了干密度相同情况下，粗颗粒含量的变化对抗剪强度参数的影响规律，以及同一土石 混合料干密度变化时对抗剪强度参数的影响规律，其中内摩擦角与干密度之间近似为线 性关系。同年张林洪等人 6，通过三轴试验和资料整理，得到土石混合料的强度破坏准 则，并建立了土石混合料弹塑性增量本构模型。 关于压实特性研究方面，主要是配制不同粗颗粒含量的土石混合料进行大、中型击 实试验，建立土石混合料最大干密度和最佳含水量与粗颗粒含量之间的关系。 1996年武明参照水电部的标准，对土石混 合料进行大型击实试验，得出了土石混 合料最大

23、千密度及最佳含水量与粗颗粒含量之间的关系曲线，以及粗颗粒含量对击实后 粗粒料破碎率的影响规律。 此外， 2000年华北大学孙耀东等人 8 9对不同粗颗粒含量的土石混合料采用中型击 实筒进行了上置式表面振动压实研究，得出了不同粗颗粒含量的土石混合料的最佳振动 时间、频率及振幅等压实参数。 2001年马松林等人 |1C)也采用上置式振动装置对不同粗 颗粒含量的土石混合料进行了压实研究，总结出多土类、中间类及多石类三种结构类型 的土石 混合料最佳室内成型工艺，并得到了最大干密度和最佳含水量与粗颗粒含量之间 . 1广卜 一： 的线性统计关系： pdnai - 0.5006/* +1.9588 0sPs

24、70% R2 - 0.97 - -7.154PS +11.56 0 P5 s 70% R2 = 0.87 以上概括介绍了土石混合料剪切特性和压实特性方面的研究成果。其中剪切特性试 验及理论方面研究比较深入，总结出土石混合料抗剪强度的影响因素，并提出了土石混 合料的屈服准则及弹塑性增量本构理论。大量的试验研究成果表明，土石混填路基的密 实程度直接影响土石路基的施工质量控制，密实程度越高的土石混合料，其路基的稳定 性越好，变形量也越小。因此，本文结合施工过程中的试验和沉降变形与稳定性分析对 土石混填路基的施工进行有效的控制。 1.2.2 土石混合料的分类 对于土石混合料，从不同的角度可将其分为很多

25、种类，其中，公路工程方面的分类 研究现状主要如下： 国内方面，公路土工试验规程 （ JTJ051-93) 11根据粒组的含量大小将填料划分 成巨粒组、粗料组和细粒组（见图 1.1),再依据细颗粒含量 （ 2mm0.074mm)和类别 以及级配情况（不均匀系数、曲率系数）继续加以细分。此外，部分学者认为土石混合 料与沥青混合料相类似 12， 131,按照粗颗粒含量的多少可将其分为悬浮 一 -密实、密实 骨架和骨架 空隙结构。 200 60 20 5 2 0.5 0.25 0.074 0.002 (mm) 1 巨粒组 1 1 1 i 1 粗粒组 1 细粒组 漂石 ( 块石 ） 卵石 ( 小块石 )

26、 痛（角碌 ) 砂 粉粒 粘粒 粗 中 1 细 粗中细 图 1.1粒组划分图 国外方面，美国公路工作者协会主要是按承载力进行划分，其中粗颗粒分为 A1、 A2、A3三类；法国道路、堤坝压实规范中主要是按照各粒组含量进行分类，对于带细 颗粒的砂砾则必须结合塑性指数和含砂当量进行分类；澳大利亚道路研究局 （ ARRB) 道路技术委员会根据粗颗粒的最大尺寸和通过 0.075mm筛的颗粒含量等，将土石混合 料分为块石填方和不规则填方；日本道路公团对土石混合料的分类则是依据岩质的坚 硬、风化程度来划分的。 1.2J 土石混合料压实特性的影响因素 土石混合料的压实特性直接影响到路基的变形和稳定性，而路基的

27、变形和稳定性是 土石混填路基施工控制的主要方面。从现有研究资料来看，土石混合料压实特性的主要 影响因素有最大粒径、粗颗粒含量 （ d=5mm)、 级配及粗颗粒自身的物理性质等。其中， 粗颗粒含量对土石混合料的压实特性影响较大，当粗颗粒含量小于 30%时，混合料的压 实特性受细颗粒材料的影响较大，且含水量的影响也较为明显；当粗颗粒含量在 30%70%左右时，土石混合料经压实后最能形成密实 一 -骨架结构，强度最高，变形最 小，稳定性最好：当粗颗粒含量大于 70%时，容易产生架空和粗颗粒集中现象，施工过 程中应按填石路基要求进行压实。 1工 4 土石混填路基施工工艺 长期以来公路部门对填方材料的压

28、实特性、检测标准的试验和研究都是建立在细粒 土基础上，有关土石混填路基施工技术方面的研究比较薄弱。现行公路路基施工技术 规范（ JTJ033 95) 1】 中涉及土石混填路基的条目较少。目前，土石混填路基施工方面 的主要成果如下： 当土石混合料中所含石料强度大于 20MPa时，石块的最大粒径不得超过压 实层厚的 2/3;当所含石料为软质岩（强度小于 15MPa)时，石料最大粒 径不得超过压实层厚。 土石混填路堤均应压实并宜选用工作质量在 12t以上的重型振动压路机或工 作质量 2.5t以上的夯锤压（夯）实，填筑厚度不宜超过 40cm。 压实后渗水性差异较大的土石混合料应分层或分段填筑，不宜纵向

29、分幅填 筑。如确需纵向分幅填筑，应将压实后渗水良好的土石混合料填筑于路堤两 侧。 当土石混合料来自不同路段，其岩性或土石混合比相差较大时，应分层或分 段填筑。如不能分层或分段填筑，应将含硬质石块的混合料铺于填筑层的下 面，且石块不得过分集中或重叠，上面再铺含软质石料的混合料，然后整平 碾压。 土石混合填料中，当粗颗粒含量超过 70%时，应先铺填大块石料，且大面向 下，放置平稳，再铺小块石料、石揸或石屑嵌缝找平，然后碾压；当粗颗粒 含量小于 70%时，土石可混合铺填，但应避免硬质石块（特别是尺寸大的硬 质石块 ） 集中。 高速公路及一级公路土石混填路堤的路床顶面以下 30 50cm范围内应填筑

30、符合路床要求的土并分层压实，填料的最大粒径不大于 10cm。 1.2.5 土石混填路基沉降变形及稳定性分析 1.2.5.1沉降预测方法 以往工程中常用指数曲线法、双曲线法及星野法对路基工后沉降进行预测，多数资 料分析表明，传统的双曲线和指数曲线等模型存在一些不足之处，预测中的沉降误差比 较大。为此，近年来有关学者针对路基沉降特点，提出了基于各种理论基础上的沉降预 测模型。2001年，王国辉等人 141利用最小方差法对岩土工程中的变形问题进行了预测， 计算结果中预测曲线与实测曲线在预测初期比较接近，随着时间延长，预测曲线逐渐偏 离了实测曲线，预测精度降低。 2002年，张仪萍等人 151对 As

31、acoka法预测路基沉降进 行了计算和分析，计算时平均时间间隔心的取值对结果影响较大， &过小，拟合点的 波动性较大，相关系数较小； Af过大， 点过少，易产生较大偏差，且难以判断固结阶 段。 2003年，赵明华等人 161利用龚帕兹成长曲线沉降预测软土路基的沉降，龚帕兹曲 线不过原点，并存在反弯点，前期呈加速度增长，经过一段时间后增长速度变缓，趋于 一限值，其散点图好象一条压扁的 S型曲线，与软土地基沉降变化过程极为相似。 近年来，许多学者 im 191将灰色理论应用到路基沉降预测中，如灰色理论在路 堤沉降预测中的应用高路堤沉降分析的灰色预测 21等，灰色预测模型仅需掌 握短期的实测资料（一

32、般要求不少于 5个）就可建模，能减少长期观测工作量，且可靠 性好，具有较高精度。但以往的预测模型均为 GM (1, 1)灰色模型，根据 GM (m h) 灰色理论，阶次 n越髙，预测模型的精度越高，同时，求解也越困难。其中，灰色模型 原始数据选取时应遵循以下原则： (1) 每个数据是等时距的，若不是等时距，则应修正成等时距的数据； (2) 原始数据是每时间步长中的沉降增量，而不是该时刻的总沉降。 本文在灰色理论的基础上建立了 GM (2, 1)路基工后沉降预测模型，其中非等时 距实测沉降值采用拉格朗日多项式插值 函数转变为等时距沉降序列。 11S2 土石混填路基稳定性分析 一般路基是套用典型的

33、横断面进行设计，无需加以论证和验算。一般边坡路基稳定 性分析方法较多，按其理论基础和分析原理分为如下几类 22:极限平衡分析法、极限分 析法、随机理论分析法、数值分析法还有另外其他方法 （ 变分法、运动单元法、模糊理 论分析法、神经网络模型法等 )，以上各种方法在分析边坡稳定性时有其各自的优缺点。 2003年，钟守宾等人 23利用简化极限平衡法中的通用条分法的求解过程，并结合现代 优化方法，提出了一种新型的混合演化算法对高填石路堤的稳定性进行分析，近年来， 许多学者从码砌边坡、内部填料、地基等的力学作用与力学特性出发，导出了填石 路基稳定性计算公式，通过不同的施工措施，对如何提高路基稳定性进行

34、了探讨。 1.3主要研究内容及技术路线 L3.1主要研究内容 本文在国内外资料调研及工程调査的基础上，结合西汉髙速公路建设，对陕南地区 土石混填路基施工技术开展了较为深入系统的研究。主要研究工作包括以下内容： (1) 土石混合料的定义及基本性质； (2) 土石混合料的分类及工程分级； (3) 土石混填路基施工质量控制技术； (4) 土石混填路基的压实机械配套组合及施工压实工艺； (5) 土石混填路基的沉降变形及稳定性分析。 13.2技术路线 图 1.2研究技术路线 第二章土石混合料的基本性质及分类 2.1 土石混合料的定义及基本性质 2.1.1 土石混合料的定义 土石混合料是由岩石和表层土经外

35、力作用而形成，尤其在山区工程中，经爆破等手 段而形成；在河流沉积地段，也会形成砾石与土的混合料。土石混合料目前来说还没有 明确统 一 的定义。如法国道路压实规范将 d0% =100% 一般不宜采用此类材料填筑路基。 碾压前，多次洒水让石块千湿循环 后发生充分崩解；摊铺时采用大型 推土机进行反复耕耙以破碎超粒 径颗粒，最大粒径不应大于压实层 厚；压实时宜采用振动羊足碾或凸 块振动压路机与光轮振动压路机 相结合的办法。其中松铺厚度和碾 压遍数根据试验段确定。 粗颗粒经过充分 处理后，并严格按 照试验段路基施 工工艺填筑，路基 强度可满足要求。 II 强度及 抗风化 能力中 等类 主耍包括 :泥质

36、砂 岩 、 泥 质 砾 岩、泥板岩、凝 灰岩。抗压强度 介于 15MPa 30MPa之间， 抗风化能力较 强，吸水后有不 同程度软化，但 不崩解。 70% 参照填石路基施工工艺，即最大粒 径不超过松铺厚度的 2/3、分层填 石分层嵌缝，以碾压遍数为控制指 标。 如按填石工艺施 工，强度均能满足 要求。 2J.4 土石混合料分类简易鉴别法 土石混合料分类现场简易鉴别法是用目测代替筛分法确定粗颗粒含量及其特征；用 手捻定性法代替用液塑限联合测定伩测定细粒土的塑性；用铁锤敲击浸水后的岩石代替 抗压强度试验来测定岩石的强度。 (1) 选择有代表性的土作为试样，摊在一平面上，记录试样中的最大粒径； (2) 用铁锤敲击石块，估计岩石的强度等级；将岩石放入水中浸泡一段时间后， 再次用铁锤敲击石块，估计浸水后岩石的强度及变化情况。 (3) 从试样中剔除大于 60nnn的颗粒，并估计被剔除颗粒所占的重量百分数。剔 除大颗粒后，余下的全部试样用于粗 、细颗粒的鉴别。 (4) 肉眼鉴别以 5mm为界的粗、细颗粒含量，分别属于不同的种类。 2.4综合分析 (1) 在工程实践中 ，一 般把用粗颗粒含量在 30% 70%之间的填料称为土石混合 料，粗颗粒指粒径大于或等于 5mm的填料。 (2) 目前，土石混合料主要依据粗颗粒含量岩性及最大粒径进行了分类。但由于 分类指标单一及