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风化千枚岩填筑路基湿化变形特性研究pdf

归档日期:06-25       文本归类:非零值      文章编辑:爱尚语录

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  Study on Wetting Deformation Characteristics of Subgrade Filled with Weathered Phyllite A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate:Zheng Xiaozhong Supervisor:Prof. Mao Xuesong Chang’an University, Xi’an, China 本文受到中央高校基本科研业务费专项资金项目(CHD2010ZD003 )和陕西省高速 公路建设集团公司科研项目联合资助。 Supported by both the special fund for Basic Scientific Research of Central Colleges (CHD2010ZD003) and project of shaanxi Highway Group. 摘要 十堰至天水高速公路安康东段穿越数十公里的风化千枚岩分布区域,风化千枚岩属 于劣质软岩,工程性质极差,遇水后强度衰减严重、易发生湿化变形,极大地影响路基 的稳定性。本文通过室内试验、现场试验、及数值计算等方法,对风化千枚岩填筑路基 的湿化变形特性进行了研究,取得以下研究成果: (1)通过磨片电镜试验和X 射线 标的软岩定性为风化千枚岩;风 化千枚岩原岩进行饱水无侧限抗压强度小于5MPa,可将其定性为劣质岩;其矿物成份、 耐崩解性、水稳定性试验结果均表明风化千枚岩的工程性质和水稳定性较差。 (2)风化千枚岩填筑路基属于软质岩石与其风化土的土石混填路基,其击实特性 与填料的风化程度和含石量等有关。最大干密度的峰值和最佳含水率的变化取决于击实 后的含石量大小,不同风化程度的风化千枚岩填料标准击实的最大干密度的峰值对应的 击实后的含石量在56%左右。 (3)以试验路为依托,进行了浸水承载板试验,分析了浸水量、浸水时间、水泥 改良对千枚岩填筑路基湿化变形的影响,揭示了风化千枚岩路基的湿化变形特性及回弹 模量随湿化变形的衰减特性;通过监测风化千枚岩路基内部含水率的变化,分析了路基 内部的水分变化特性。 (4 )模拟地表水和地下水对路基的影响,进行了试槽路基模型试验,分析了路基 回弹模量的变化过程;基于影响路基湿化变形的因素,阐述了路基湿化变形机理,并提 出了控制路基湿化变形的方法。 (5 )利用有限元法预测了风化千枚岩路基的固结沉降变形;基于现场湿化变形测 试建立了路基湿化变形的预测模型;在此基础上,考虑最不利因素预测了风化千枚岩填 筑路基可能发生的塑性变形。 关键词:路基;风化千枚岩;路用性能;湿化变形;试验研究 I Abstract The eastern An-kang section of the highway from Shi-yan to Tian-shui passes through dozens of miles where distributing weathered phyllite. Weathered phyllite is belonged to soft rock with poor engineering property. Its strength attenuations seriously and produces wetting deformation when mixing with water, which effects the stability of the subgrade filled with weathered phyllite badly. This article has a study on wetting deformation of the subgrade filled with weathered phyllite, based on laboratory test, field test and finite element method, etl. This article obtains the following research results: (1) The results of grinding slice of electron microscopy test and x-ray diffraction test confirm that the soft rock in 33th contract section is weathered phyllite. Saturated compressive strength of weathered phyllite is below 5MPa, which can determines that weathered phyllite is soft rock with poor engineering property. The results of mineral composition, disintegrating resistance test and water stability test all show that engineering properties and water stability of the weathered phyllite filling material is poor. (2) Subgrade filled with weathered phyllite belongs to subgrade filled with earth-rock mixtures, But the compaction characteristics of weathered phyllite is more complicated than that of the common earth-rock mixtures, which relatives to the content of stone and weathering degree of phyllite. The content of stone after hit-solid determines the peak value of maximum dry density and the change of optimum water content. The content of stone after hit-solid correspond the peak value of maximum dry density of weathered phyllite at different weathering degree is about 56%. (3) We build field test road and have wetting deformation test, analyze the affect of the amount of water immersion, soaking time and cement improvement to wetting deformation of subgrade filled with weathered phyllite, and reveal the characteristics of wetting deformation and modulus of resilience attenuation of subgrade filled with weathered phyllite. Analyze the water content change characteristics of in subgrade by monitoring data. (4) We simulate the affect of groundwater and surface water, have a subgrade model test in testing groove, and analyze the change process of modulus of resilience. Based on the influencing factors of wetting deformation, analyze mechanism of the wetting deformation in II subgrade. And propose the methods of controlling wetting deformation. (5) The article forecasts the consolidation settlement deformation in subgrade filled with weathered phyllite by finite element method, and establishes forecasting model based on the field wetting deformation test. On the basis, considerring the most unfavorable factors, forecast the plastic deformation of the subgrade filled with weathered phyllite. Key words: subgrade; weathered phyllite; pavement performance; wetting deformation; experimental study III 目 录 第一章 绪论 1 1.1 研究的目的和意义 1 1.1.1 问题的提出 1 1.1.2 研究的目的和意义 1 1.2 国内外研究现状2 1.2.1 软岩的工程性质2 1.2.2 土石混填路基5 1.2.3 高路堤的稳定性6 1.2.4 路基在循环动力荷载下的永久变形7 1.2.5 研究现状分析 8 1.3 主要研究内容及技术路线 研究技术路线 第二章 风化千枚岩的工程性质 10 2.1 概述 10 2.2 风化千枚岩的物理力学性质 11 2.1.1 矿物成分 11 2.1.2 原岩无侧限饱水抗压强度 14 2.1.3 风化千枚岩的耐崩解性 15 2.1.4 风化千枚岩填料的粉化特性 17 2.1.5 风化千枚岩的结构特性20 2.3 风化千枚岩填料的路用性能22 2.3.1 风化千枚岩填料的压实特性22 2.3.2 风化千枚岩填料的承载比(CBR )25 2.4 小结26 第三章 风化千枚岩填筑路基湿化变形特性分析27 3.1 概述27 3.1.1 湿化变形的研究方法27 3.1.2 路基湿化变形的定义28 3.2 浸水前后承载板试验29 3.2.1 现场试验路状况29 3.2.2 路基湿化变形测试方案30 3.2.3 测试方法31 3.2.4 结果分析32 3.2.5 含水率测试35 3.2.6 路基湿化变形特性37 IV 3.2.7 湿化变形导致的路基回弹模量衰减38 3.3 风化千枚岩路基内部含水率监测39 3.3.1 埋设断面的选取39 3.3.2 埋设装置的布置方案40 3.3.3 含水率监测40 3.3.4 数据分析41 3.4 小结43 第四章 室内试槽路基湿化变形模型试验45 4.1 试槽路基湿化变形测试系统45 4.1.1 地下水和地表水补给装置45 4.1.2 试槽45 4.1.3 加载装置46 4.1.4 水分监测系统46 4.2 试槽路基模型试验47 4.2.1 试槽填筑方案47 4.2.2 补水测试方案47 4.2.3 试验结果分析49 4.3 路基湿化变形机理53 4.3.1 路基湿化变形的影响因素53 4.3.2 路基湿化变形机理54 4.4 小结56 第五章 风化千枚岩填筑路基变形预测58 5.1 路基塑性变形的分类58 5.1.1 按受力和变形原因分类58 5.1.2 按时间分类59 5.2 风化千枚岩路基变形影响因素59 5.2.1 填料的组成和结构构造59 5.2.2 填料的物理状况60 5.2.3 重复荷载61 5.2.4 围压61 5.2.5 应力历史61 5.3 路基变形预测61 5.3.1 路基固结变形有限元计算62 5.3.2 基于现场测试的路基湿化变形预测67 5.3.3 路基塑性变形预测值的确定69 5.4 风化千枚岩填筑路基变形控制建议70 5.4.1 设计方面70 5.4.2 施工控制71 V 5.4.3 其他方面71 5.5 小结71 第六章 结论与展望72 6.1 主要结论72 6.2 需要进一步研究的问题73 参考文献74 致谢 80 VI 长安大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 研究的目的和意义 1.1.1 问题的提出 [1] 在我国 《工程岩体分级标准》(GB50218-94 ) 和 《岩土工程勘察规范》 [2] (GB50021-2001) 中,将饱和单轴抗压强度小于 30MP 的岩石称为软质岩,并将饱和 单轴抗压强度小于5MPa 的岩石称为极软岩。软岩的工程性质划分应以地质成因研究为 基础,并结合土工试验和岩石力学试验结果进行综合判定。 软岩是一个庞大的体系,在岩性上通常有泥岩、砂质泥岩、泥质细砂岩、泥质粉砂 岩、泥质砂岩、红层砂岩、泥质或砂质页岩、泥质板岩等沉积岩以及经过风化的千枚岩、 泥质片岩、绿泥石等变质岩等。软岩相对于硬岩具有强度低、风化程度高、压实性好、 渗透性低、易产生二次破碎等特点。软岩在工程中属于性质不良材料,为保证工程质量, 一般都避免其作为工程建筑材料。 十堰至天水高速公路陕西境安康东白河县、旬阳县路段,有数十公里穿越秦巴重山 区风化千枚岩分布区域。该地段山岭高差悬殊,山大沟深,山势险峻,溪涧交错,水文 地质、地质条件异常复杂。在这种地形条件下修筑道路,不可避免地出现要设置隧道以 及深挖高填路段等情况,从而产生了大量的弃渣和借方。 考虑到工期和投资,纵向利用这些弃渣材料移挖作填是最佳的选择。但由于风化千 枚岩填料抗压强度低,填筑碾压后,表现出岩块破碎、原级配发生改变等现象。且风化 千枚岩填料工程性质变异性较大,软化系数小,对水敏感,当受到气候环境的变化(如 填料开采后受降雨、曝晒)后,出现崩解、软化、粉化等现象,其强度还会进一步降低。 因此,路堑挖方和隧道掘渣能否作为路基填料进行施工,是本文需要验证的课题。 风化千枚岩属于节理化岩石,具有典型的不连续、非均质等特征,同时其对环境干 湿交替和机械扰动的影响特别敏感。鉴于此本文通过室内试验、现场试验以及有限元分 析和计算等手段,针对风化千枚岩原岩和填料的水稳定性,以及风化千枚岩填筑路基的 湿化变形特性进行研究,预测风化千枚岩填筑路基的塑性变形,评价风化千枚岩填料作 为路基建筑材料的可行性。 1.1.2 研究的目的和意义 1)研究的目的 1 第一章 绪论 针对十天高速旬阳县ACD33 标的具体情况,进行如下研究: (1)通过对风化千枚岩原岩和填料进行室内试验,对其工程性质受水影响程度进 行研究; (2 )通过现场和室内路基湿化变形测试,分析风化千枚岩路基湿化变形特性及其 路基湿化变形机理; (3 )通过有限元分析和计算,预估风化千枚岩路基的湿化变形。 2 )研究的意义 十天高速安康东段所在地区雨水较多,地形复杂,地质和水文地质条件差,在保证 质量的前提下利用弃渣填筑公路路基,不但可节约大量投资,少占耕地农田;同时保护 了环境,减少了不必要的浪费,具有巨大社会效益、经济价值。 本文依托十天高速旬阳县ACD33 标段进行研究,研究成果在十天高速安康东的风 化千枚岩路段得到广泛应用。随着我国国民经济的飞速发展和路网的逐步完善,高速公 路建设已经全面进入山区,越来越多的山区高速公路工程中遇到软岩问题。因此,将面 临的类似问题会也越来越多,本文的研究将为类似问题的解决提供依据,为风化千枚岩 路基的修筑提供技术指南,具有重大的社会和现实意义。 1.2 国内外研究现状 影响软岩填筑路基湿化变形的因素很多,包括软岩的工程性质、高路堤的稳定性、 土石混填路基、路基在动力荷载作用下的稳定性等方面。 1.2.1 软岩的工程性质 目前对软岩工程性质的研究主要在路用性能、耐崩解性、路基湿化变形、路基边坡 的稳定性等方面进行。 (1)软岩填料的路用性能 早在20 世纪六十年代,日本在东名高速公路挂川段和中原国道的西宫段、庄原段 [3] 等 开始使用沉积软岩作为路基填料,但在道路运营过程中出现了大量工后不均匀沉 降。其主要原因是沉积软岩发生粉化和表面淋滤后,在行车动荷载作用下易于发生翻浆 冒泥。 [4] 近年来众多国内学者对软岩的路用性能进行了室内试验研究。冯宗禹 早在 1995 年就对软岩作填料问题进行了探讨,针对具体工程出现的问题,分析了路基下沉的原因, 2 长安大学硕士学位论文 [5] 得出软岩经过加工处理,并增加碾压遍数可以用来路基填筑。郑明新等 (2005 )针对 武广客运铁路专线沿线遇到的大量软质千枚状板岩和泥质粉页岩,在分析风化软岩基本 矿物成分、耐崩解性的基础上,结合风化软岩岩块力学强度和击实试验结果,初步判定 了风化软岩填筑路基的可行性,同时提出了软岩填筑路基可行性的初步判定方法。刘新 [6] 喜等 (2006)通过对强风化软岩压实特性试验研究表明,填料的承载比(CBR 值)随压 实度的增大而增大,填料具有良好的压实性能,可用于高等级公路路基填筑;针对湘潭 市昭山大道路基工程,提出了路基95 区换填、湿法填筑和提高90 区压实度等施工措施。 [7] 刘晓明 (2006 )在大量工程调研的基础上,通过室内和现场试验研究了红层软岩填料 的可压实性、强度特性以及荷载作用下的变形特性等,分析了红层软岩作为路基填料的 路用性;提出了红层软岩作为高速公路填料的可能性,并在此基础上提出了红层软岩材 [8] 料作为路基填料应达到的压实度水平。郑良飞 (2008)对恩施地区软岩从击实、CBR、 回弹模量、压缩、直剪及三轴等方面进行了室内试验研究,分析了软岩作为红官公路填 [9] 料的路用性能。伍剑奇 (2010)通过室内和现场试验对红砂岩在压缩性、压实性、崩解 特性、渗透性、CBR 等方面进行了研究,分析了红砂岩作为路基填料的路用性能,并 提出了针对红砂岩工程特性的施工工艺。 (2 )软岩填料的耐崩解性 [10] 软岩的耐崩解性反映了其遇水后抗软化的能力。刘长武等 (2000 )从泥岩的微观 结构及物质组成等方面入手进行研究,结合泥岩遇水后宏观物理-力学性质的变化规律, [11] 阐述了泥岩遇水的崩解软化机理。谭罗荣 (2001 )研究了粘土岩、泥岩等的泥化、及 开挖暴露后的吸水崩解现象,讨论了粘土岩等泥化及崩解的物理化学和力学作用机理, 系统深入地阐述了粘土岩的泥化、崩解机制。赵明华[12]~[13] (2003 )对红层软岩进行了 崩解试验,得出红层软岩完全崩解的时间为六个月,并提出了红层软岩作为路基填料的 [14] 施工建议。苏永华等 (2005 )在室内崩解试验和模拟大气条件的渐进崩解试验中,通 过跟踪崩解过程碎屑的颗粒级别变化发现,软岩膨胀崩解过程是一个多重分形过程。在 崩解达到一定程度后,崩解碎屑物的颗粒级别不再发生变化,软岩吸水膨胀崩解停止, [15] 此时崩解物的分数维亦达到一个不再变化的临界值。刘晓明 (2006、2008 )通过研究 软岩崩解物的粒度及其分形特征变化规律,根据分形概念建立了红层软岩崩解的数学模 型,模拟与实测结果的发展趋势基本相同,表明软岩的崩解过程是一个分形过程;根据 该成果,工程中可通过少量的崩解试验数据确定数学模拟模型的参数,从而计算得到软 岩崩解物的分数维不再变化的临界值,并可对更长时间后软岩的崩解分数维进行预测; 3 第一章 绪论 同时提出了评价红层软岩崩解程度的实用指标,以及控制红层软岩崩解的方法。 (3 )路基的湿化变形 道路是一种露天的结构物,它受地形条件和气候因素的影响很大。路基浸水后的湿 化变形是引起路基失稳的另一因素。早在1973 年,Nobari 和Duncna[16]首次对粗粒料湿 化变形进行了考虑,之后很多学者开始致力于湿化变形的试验、计算研究,比如 [17] [18]~[19] [20] [21] [22] [23] [24] Fumagalli 、Pinot 、Neves 、殷宗泽 、李广信 、屈智炯 、沈珠江 等。 [6] 刘新喜等 (2006)利用室内三轴剪切仪对强风化软岩进行干、湿双线平行试验和在复杂 应力状态下不同压实度的湿化变形试验,试验结果表明:湿化不仅产生较大的附加轴向 应变,而且还能引起相当大的附加体积应变和偏应变;随着压实度的增大,湿化变形随 之减小;强风化软岩用于高等级公路路基填筑时,压实特性和湿化变形特性是评价填料 [25] 性能的主要指标。王晓谋等 (2011)对相同密度强风化变质软岩填料浸水饱和后,进行 单线法、双线法和循环加载的室内大型压缩试验,结果表明:各种试验方法下试样均产 生明显的湿化变形,且湿化变形量随荷载增大呈递增趋势;双线法与循环加载作用下的 湿化变形量明显大于单线法所产生的湿化变形量,但总的压缩变形量都较小。 (4 )软岩路基边坡的稳定性 [26] 卢海峰 (2010 )以沪蓉西高速公路为依托,从巴东组软岩边坡岩体结构特点入手, 通过室内崩解试验、三轴压缩试验、室内直剪试验、结构面室内夹层试验、原位压缩和 原位流变等试验对巴东组软岩边坡岩体的工程特性进行了系统的分析和研究;并在此基 础上分别对巴东组软岩两种典型的破坏形式边坡—缓倾顺层边坡和反倾边坡的破坏机 理进行了分析探讨;基于改进的悬臂梁极限平衡模型计算和离散元数值模拟分析了巴东 [27] 组软岩边坡岩体的稳定性。丁王飞 (2010 )针对云南保山至腾冲高速公路遇到的滇西 红层软岩,分析了影响红层路堤结构抗震稳定性的内外因素,包括路堤结构特性与地震 特性;应用有限元分析了地震波参数和路堤结构参数对路堤抗震稳定性的定量影响,得 出了红层软岩路堤结构在地震作用下的动力响应规律;基于塑性区开展以及节点位移突 变的评判标准,对边坡体的抗震稳定性进行模拟,分析得出了滇西红层地区路堤结构在 不同的地震烈度、地震波入射角以及路堤坡度值条件下相应的临界边坡高度。任奋华[28] (2010 )以206 国道寻乌段强风化千枚岩高陡边坡滑坡稳定性研究为基础, 通过对滑坡 坡体结构及变形破裂特征进行分析,评价了该滑坡稳定性, 提出滑坡治理对策。申永 [29] 康 (2010 )结合某渡槽基础加固方案,利用ADINA 软件建立了考虑千枚岩倾倒体陡 坡地质与桩基受力耦合的复杂性桩的千枚岩三维有限元模型,分析研究表明,倾倒体滑 4 长安大学硕士学位论文 移对桩基变形,特别是水平变形影响很大。 1.2.2 土石混填路基 [30] 交通运输部2002 年设立“土石混填路基修筑技术研究”专项课题 ,由重庆交通 科研设计院作为项目负责单位进行课题研究。课题组在广泛收集国内外研究相关研究成 果和大量现场调查的基础上,针对土石混填路基修筑技术中的关键问题,从土石混合料 的组成特征出发,通过大量现场和室内试验、数值模拟、工程试验,研究了不同石质、 不同含石量、不同含水率的土石混合料的工程性质,开发了土石混合料级配图像自动识 别系统,提出了土石混合料的路用性能分级指标及方法,分析了土石混合料的 K-G 模 型和邓肯-张模型参数的影响因素和变化范围,建立了土石混合料强度与变形参数的预 测方法。确定了不同形式的土石混填路基沉降变形发展变化规律及变形破坏机制,并建 立了沉降变形计算方法和预测模型,提出了土石混填路基施工期沉降、工后沉降与路基 高度、施工质量等影响因素间的关系。建立了采用土石混填路基质量无损检测的表面波 和附加质量法,确定了检测方法及相关参数。提出了采用分层强夯降低土石混填路基工 后沉降的方法及施工工艺。提出了土石混填路基排水系统的布置和设计方法以及设计标 准图,成功开发出了PST 抗冲刷剂和PST 抗冲刷剂喷播液两种土石混填路基边坡绿化 防护的新材料。 [31] 周志军 (2006 )在室内大型击实试验、无侧限抗压强度试验、CBR 及回弹模量 等路用性能试验的基础上,基于高斯散度定理等理论,分析了不同因素对土石混合料力 学性能的影响规律,对现有的检测方法和标准进行了评价,并提出了土石混填压实质量 的控制指标和相应的检测方法。 [32] 刘保林 (2007 )针对西汉高速公路沿线大量土石混合料填筑路基的情况,在总结 研究现状的基础上,根据岩性和含石量对当地的土石混合料进行了工程分类;通过室内 足尺试验和现场试验等研究,提出了适合西汉高速公路工程的较为系统的施工方法。 [33] 曹文贵等 (2010 )为了建立土石混填路基压实度确定的新方法,在研究土石混填 路基静力贯入变形力学机理的基础之上,提出土石柱压缩变形和柱端沉降的计算方法, 建立了贯入变形与路基初始孔隙率的分析模型;依据静力贯入的试验曲线,采用基于自 适应遗传模拟退火优化算法,建立了初始孔隙率反演分析的方法;根据初始孔隙率与压 实度的关系确定路基压实度,进而建立了基于静力贯入的土石混填路基压实度的新型确 定方法。 5 第一章 绪论 [34] 许锡昌等 (2010 )基于某大型场平工程填筑质量抽检结果,探讨了粗料含量(粒 径大于 5 mm 颗粒含量)、填料最大粒径以及填料级配情况对土石混合料现场压实特性 的影响,研究发现:干密度随粗料含量的增加而增大,但粗料含量达到 90%左右时, 干密度离散性较大;同样,干密度随最大粒径的增大而增大,但当最大粒径超过松铺厚 度(800 mm)的 30% 以后,干密度则又开始逐渐减小,且离散性较大;填料级配与压 实特性无明显的相关性,但级配应连续。 [35] 杨冰等 (2010 )以昆明新机场高填方中的土石混合体填料为研究对象,在三维颗 粒流程序中对特定的土石混合体试样的侧限压缩试验进行数值模拟,比较了不同级配条 件下土石混合体模型的微观结构及基本力学物理性能,提出了工程中采用的建议土石比 例区间,在颗粒流方法用于实际工程方面进行了有益的探索。 [36] 赵炼恒等 (2010 )对柔性加筋注浆技术处理台后回填土现场试验研究并结合室内 试验的方式,研究了柔性加筋注浆新技术处理湘西红砂岩土石混填台背的施工工艺特 性、加固实现机制和加固效果。 1.2.3 高路堤的稳定性 软岩高路堤的稳定性关乎整个道路结构的使用寿命和道路运行的安全。软岩高路堤 稳定性的影响因素很多,且对不同种类的软岩不同路堤填筑高度影响因素也不尽相同, 国内外工程技术人员和研究人员针对工程中遇到的具体软岩已进行了一些关于路用性 能方面的研究,但对软岩路基的长期稳定性方面的研究还很少。 对一般高路堤的路基稳定性研究多是从路基沉降方面进行的,沉降多用理论分析法 进行,在工程中常用的是理论公式法,理论公式法建立在Terzaghi 等人创立的经典土力 学基础上,其中引入许多简化假定,这类方法具有简便、直观、计算参数少且易取得等 优点,因而在工程中得到了广泛应用。目前,固结沉降计算以一维沉降计算公式计算地 基的最终固结沉降较为普遍,规范推荐分层总和法为首选。Baden[37] (1965 年)按有限差 分法对击实土进行了单向固结计算,Fredlund,D.G.[38] (1979 年)进行了非饱和土的固结计 算。 目前,由于监测设备的小型化和较多的使用,反分析方法已经越来越大规模使用。 除了公式拟合外,有关数值计算方法,特别是借助于有限单元法、边界单元法、有限差 分法、离散单元法和快速拉格郎日差分分析法等方法,这些方法在机场高填方、水坝等 沉降计算方面研究较多。 6 长安大学硕士学位论文 由于软岩的不均质性,软岩填筑路基沉降变形的研究手段目前应用最多的还是针对 [39] 具体的工程进行定期沉降观测。张哲 (2009 )对柞小高速的变质软岩路基进行了一年 沉降观测,并通过观测数据对路基的最终沉降进行了预测。 1.2.4 路基在循环动力荷载下的永久变形 土体在动力循环荷载作用下,动应力应变关系具有非线性、滞后性和变形积累(永 久变形)三个变形特性,土体的在动力循环荷载下产生的永久变形主要与针对相应的问 题所建立模型的阻尼有关。土的阻尼主要是滞回阻尼比,表示一个循环周期内土体损失 的能量和最大弹性能量之比。 [40] Hardin(1972)结合砂土室内试验结果,直接建立动模量与阻尼比之间的关系式 :  max 1 式中:  是动模量在理论上接近零值时的阻尼比。已知归一化模量比值 和  max max 就可以得到阻尼比值。从工程应用角度出发,Hardin 公式简便而且没有太大的偏差,但 的定义比较复杂。粗粒土的 一般小于砂土的 。    max max max [41]   n  Yasuda(1993)根据各种影响因素直接建立经验公式 ; L r 0   /   L r 式中: 是与孔隙比e 有关的系数, 定义为围压0.1MPa 时一定剪应变下 的比值。 Yasuda 指出阻尼比随着孔隙比的增大而增大,但是固结应力比对阻尼特性的影响 不大。 [42] 孔宪京 (1994)根据堆石料三轴试验结果,认为阻尼比不仅随着动应变幅的增大而 增加,而且还有围压和固结应力比有关;围压增大,阻尼比减小;在相同的围压和动应 变幅情况下,固结应力比增加而等效阻尼比减小。Kokusho(1994) 的试验结果也表明阻 [43] 尼比随着围压的增加呈递减趋势 。 Rollins(1998) 统计了 8 组粗粒土阻尼比试验数据,并给出均值的最佳拟合线  当剪应变大于0.1%时,曲线)提出的粗粒土阻尼比曲线的下限界。 一系列的研究表明:影响粗粒土动阻尼比的因素主要有动应变幅、围压、固结应力 比、孔隙比和循环振次等。 7 第一章 绪论 1.2.5 研究现状分析 国内外对软岩进行了大量的研究,这些研究都是针对具体工程的,其中研究较多的 有红层岩、泥岩、泥质板岩等,对风化千枚岩作为路基填料的研究较少;目前对软岩的 研究的方向主要为软岩的工程性质、软岩边坡的稳定性等方面,同时结合土石混填路基、 高路堤、循环动力荷载作用下的路基永久变形等研究现状,尚不能解决十天高速安康东 ACD33 标存在的如下问题: (1)风化千枚岩路基填料的水稳定性; (2 )风化千枚岩及其风化土作为路基填料的击实特性; (3 )风化千枚岩路基遇水后的湿化变形特性。 1.3 主要研究内容及技术路线)风化千枚岩填料的工程性质:通过对风化软岩进行矿物成分分析、饱水无侧 限抗压强度试验、软岩结构特性分析、耐崩解试验、粉化特性试验等揭示风化千枚岩填 料的水稳定性。 (2 )风化千枚岩路基现场湿化变形特性分析:通过对现场路基进行浸水前后的承 载板试验,分析水分对路基力学性能的影响,揭示湿化变形特性。 (3 )室内试槽路基模型试验:为明确地下水和地表水对路基湿化变形的影响,在 室内填筑路基模型,进行补水后的承载板测试,对影响路基湿化变形的因素和路基湿化 变形机理进行研究。 (4 )风化千枚岩填筑路基变形预测:通过有限元分析预测路基的固结沉降变形, 依据风化千枚岩路基的湿化变形特性,提出路基湿化变形的计算方法,并确定路基可能 产生的塑性变形。 8 长安大学硕士学位论文 1.3.2 研究技术路线 研究技术路线 第二章 风化千枚岩的工程性质 第二章 风化千枚岩的工程性质 填料的工程性质直接影响路基的稳定性,明确风化千枚岩填料的工程性质对研究路 基的稳定性有重要意义。本章将通过室内试验分析风化千枚岩原岩的矿物构成、强度、 耐崩解性、粉化特性等物理力学性质,并对风化千枚岩填料的路用性能进行分析。 2.1 概述 十天高速公路属于国家高速公路网中的横向连接线,东起湖北十堰市,西至甘肃天 水市,走向与316 国道大致相同,途经湖北、陕西和甘肃三省。陕西白河至安康段于安 康市白河县,经旬阳县至汉滨区建民镇,与已建成的安康至汉中高速公路相接。路线 亿元。 安康市属亚热带大陆性季风气候,四季分明,雨量充沛,无霜期长。年降水量在 550mm~ 1600mm 之间。主要气候特点是:冬季寒冷少雨雪,夏季多雨并有伏旱,春暖 干燥,秋凉湿润并多连阴雨。 受地理和地形地貌的影响,十天高速沿线安康东段的降雨量在时间和空间上分布不 均,降水年际和年内变化较大,据安康和旬阳等气象站统计如图2.1 。各月份温度变化 较大,其中最高气温出现在8 月份,最低气温出现在1 月份,近年8 月高温平均值和1 月低温平均值的统计如图2.2 。 图2.1 十天高速安康东沿线 长安大学硕士学位论文 8月份平均高温 38 1月份平均低温 33 28 23 18 13 8 3 -2 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 图 2.2 十天高速安康东沿线历年高低温变化 十天高速安康东段沿线水系发育,属于长江流域汉江水系,主要河流有汉江及其支 流吕河、大金河、朱家河、水田河、白石河、店子河、红石河等,另外山间峡谷均有溪 流,常年流水。各江河径流量年内变化较大,一般4~5 月水量渐涨,6~9 月为汛期,10 月汛期结束。区域性的暴雨洪水时有发生,由于山间河道狭窄,泄洪能力不足,常常造 成严重洪水灾害,汛期河水中常带有大量泥沙,水流湍急,冲刷严重。 综上所述,安康地区降雨量较大,水系发达,在此区域修筑道路,必须考虑路基填 料的水稳定性。 2.2 风化千枚岩的物理力学性质 2. 1.1 矿物成分 十天高速安康东段ACD33 标有大量隧道弃渣和挖余弃方,这些石料破碎较严重,呈 细粒鳞片状,千枚状构造明显,色泽为黄褐色和灰黑色。为确定这些岩石的性质,首先 要对岩石进行定名,并明确其矿物成分。 1)取样方法 十天高速安康东段ACD33 标准备用隧道弃渣和挖余弃方作为路基填料,在路基填料 料场,随机对隧道弃渣和挖余弃方取样进行微观试验分析。 2)试验方法 采用X 射线)对所取试样进行X 射线衍射试验;采用电子扫描显微 镜 (图2.4)对所取试样进行磨片电镜试验。 3)岩石定名 X 射线 )表明:隧道弃渣和挖余弃方岩石所含组分一致, 11 第二章 风化千枚岩的工程性质 两种弃渣属于同种岩石。 岩石样本中含量最多的几种组分的化学分子式分别有:KAl (AlSi O )(OH,F) (白 2 3 10 2 云母)、SiO (石英) 、K(Mg,Fe) (AlSi O )(OH,F) (黑云母)、(Ca,Mg)(Al,Fe)(SiO ) (石 2 3 3 10 2 4 3 榴石)、(Mg,Al,Fe) [(SiAl) O ](OH) (绿泥石)等。 12 8 20 16 图2.3 X 射线 隧道弃渣的X 射线 挖余弃方的X 射线] 工程地质 中对千枚岩矿物成分和表观特征的描述为:主要为粘土矿物及绢云母、 12 长安大学硕士学位论文 绿泥石、石英等,但从肉眼难以辨认,多为黄绿、灰黑、青褐等色,岩石致密,一般具 有细粒鳞片变晶结构,表面具有明显的丝绢关泽,千枚岩构造明显,而绢云母在风化作 用下会转变为白云母和一些其它物质,这恰好表明进行 X 射线衍射试验的样本为已风 化千枚岩。 4 )矿物成分分析 图2.7 隧道弃渣电镜磨片图 图2.8 挖余弃方电镜磨片图 表2.1 千枚岩矿物成份组成表 矿物名称 质量百分比/% 石英 41~43 白云母 46~49 黑云母 3~5 石榴石 3~5 不透明铁矿 2~3 电镜磨片试验结果与X 射线衍射试验结果一致,由千枚岩矿物成分组成表(表2.1) 可以看出:该岩石主要由云母和石英构成,其中白、黑云母约占50%,石英约占42%。 从电子显微镜下岩样结构 (图2.7 和图2.8)可以看出:石英和白云母分别集中呈不规 则团块状分布;在石英集合体团块中混有少量黑云母和大致定向白云母,石英呈粒状变 晶结构,无方向性,粒径0.1~0.4mm;黑云母呈片状,粒径0.5~ 1mm,似变斑晶,具褐 红—浅褐多色性,白云母集合体呈鳞片变晶结构;白云母大致定向排列并呈揉皱构造, 粒径0.1~0.5mm,粒间混有少量石英和不透明金属矿物。 [46] 已有研究资料 表明:白云母浸水后处于游移状态时,易于剥离,路基容易发生松 弛,可见白云母的含量及所处状态对千枚岩的性质产生较大的影响。石英本是一种稳定 的矿物成分,其含量越高,岩石就越稳定,但是通过样本在电子显微镜下的结构看出, 石英与云母分别集中分布,且呈不规则的团块状结构,这就造成了风化千枚岩的不稳定 13 第二章 风化千枚岩的工程性质 性,特别是水稳定性差。 2. 1.2 原岩无侧限饱水抗压强度 对风化千枚岩原岩进行无侧限饱水抗压强度测试,分析风化千枚岩遇水后强度衰 减。 1)取样方法 在33 标随机选择3 处取样,用钻石机在垂直风化千枚岩原岩层理方向制作直径和 高度均为50mm 的试件,每组6 个,3 个用于测试天然状态下风化千枚岩原岩的抗压强 度,另外3 个测试饱水状态下试件的抗压强度,取平均值进行分析。 2)测试方法 天然状态下,按岩石的性质,选择合适的压力机,将试件置于压力机的承压板中央, 对正上下压板,不得偏心。以0.5MPa/s 的速率加载直至破坏,记录破坏荷载。取三个 试件的均值作为结果。浸水48h 后,按以上方法测试饱水试件的无侧限抗压强度。 a 试验仪器 b 成型试件 图2.9 无侧限饱水抗压强度试验 3 )结果分析 表2.2 千枚岩的单轴抗压强度  / MPa  / MPa 天然状态试件的抗压强度 c 饱水状态试件的抗压强度 sc 软化 试验 系数 编号 单值 平均值 单值 平均值  1 18.51 17.45 17.83 17.93 4.67 4.62 4.53 4.61 0.26 2 16.22 14.68 15.02 15.31 4.35 3.88 4.65 4.29 0.28 3 17.87 16.92 18.43 17.74 4.62 4.24 4.81 4.56 0.26 由表2.2 可见,千枚岩的软化系数在0.3 之下,小于0.75,软化性强,无侧限饱 [47] 水抗压强度在5MPa 以下,由《岩石与岩体鉴定和描述标准》(CECS 239:2008) 可知, 属于劣质岩,软化效应强烈,受水影响大,浸水极易软化,容易破碎。 14 长安大学硕士学位论文 2. 1.3 风化千枚岩的耐崩解性 耐崩解性是评价其工程性质稳定性必须考虑的一个指标,在十天高速安康东段所处 的环境中,风化千枚岩作为路基填料保持其强度和稳定性尤为重要。 按照 《公路工程岩石试验规程》(JTG E41-2005),要求进行试验的岩石为浑圆状, 风化千枚岩不符合进行耐崩解试验的条件。安康地区有伏旱和暴雨等灾害,为了测试风 化千枚岩在干湿循环作用下的耐崩解性,对风化千枚岩进行了室内干湿循环试验。 1)试验方法 将试样在105℃烘干至恒重,在干燥器内冷却至室温后,过2mm 孔筛,再用毛刷仔 细将岩石表面的浮土清除,称重,然后将岩块放进清水浸泡24h,再将试样烘干至恒重, 在干燥器内冷却至室温后,过2mm 孔筛,用毛刷仔细将岩石表面的浮土清除后称重,此 为1 次循环。根据需要确定循环次数,然后按照公式(2-1)进行风化千枚岩崩解率的 计算: P 1I (2-1) dn dn m m I n 0 100% (2-2) dn m m s 0 式中: P —岩石(n 次循环)崩解率 (%); dn I dn —岩石(n 次循环)耐崩解性系数(%); m0 —2mm 筛的干重(g); ms —2mm 筛与原试样烘干质量的和(g); mn —2mm 筛与第n 次循环的后残留试样烘干质量的和(g)。 2)实验方案 在ACD33 标的路基料场随机取风化千枚岩块状试样9 组,每组质量约2kg,各组按 照试验方案(表2.3)进行试验。各组同时开始试验,A1 组耗时两周,每隔两周完成一 组,A9 组耗时18 周。将两周作为一个试验阶段,进行试验结果分析。 15 第二章 风化千枚岩的工程性质 表2.3 试验方案 组别 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 循环次数/次 7 14 21 28 35 42 49 56 63 3)结果分析: 由干湿循环试验结果 (图 2.10)可以看出:由于所取的样品具有变异性(包括风 化程度以及胶结种类和胶结状态等),各组风化千枚岩的崩解率变异较大,但是总体上, 随着试验的进行,风化千枚岩崩解率是在不断增大的。结合各阶段耐崩解率数据(表 2.4),可以得出如下结论:风化千枚岩的崩解速率呈开始慢,中间快,后期又慢的趋势, 在表中用灰色标出的崩解速率较快的几个阶段的值,这些值都居于中间阶段;经过6 个 阶段的试验,A6-A9 组崩解率均达到60%以上,6 个阶段试验以后,崩解速率开始变慢, 试验时间最长的A9 组达到89.1%。 100% A1 90% A2 80% A3 70% A4 率 60% A5 解 50% 崩 40% A6 30% A7 20% A8 10% A9 0% 0 10 20 30 40 50 60 70 循环次数/次 图2.10 干湿循环试验结果 表2.4 各阶段崩解率/% 阶段 1 2 3 4 5 6 7 8 9 组别 A1 6.7 - - - - - - - - A2 7.1 20.3 - - - - - - - A3 4.7 17.5 29.7 - - - - - - A4 7.2 25.1 37.9 58.1 - - - - - A5 7.4 25.4 34.9 48.9 61.0 - - - - A6 3.7 17.3 30.5 46.8 57.2 67.0 - - - A7 5.0 16.1 31.9 50.7 63.3 71.6 80.9 - - A8 3.7 10.8 19.8 30.4 40.7 56.4 65.9 79.0 - A9 3.8 14.6 27.3 35.1 49.2 64.7 73.4 81.0 87.1 风化千枚岩完全崩解的时间较长,一般在6 个月以上,很难对风化千枚岩填料在填 筑前进行预崩解处理,风化千枚岩的崩解发生在路基填筑完成以后,将会导致路基发生 16 长安大学硕士学位论文 较大变形。因此,完全崩解时间较长是风化千枚岩作为路基填料的一个潜在隐患。 4)耐崩解试验建议 试验结果表明在风化千枚岩在前5 次干湿循环时崩解率非常小,如果按照试验规程 进行评价,就可以将其评定为耐崩解性良好的岩石。但是试验证明:随着干湿循环次数 的增多,当循环次数达到10 时崩解速率开始增快,一般在崩解到50 次左右时,崩解速 率又开始降低,经过 60 次以上的干湿循环后,风化千枚岩的崩解率达到 80%左右,从 而可以判定风化千枚岩的耐崩解性很差。 《公路工程岩石试验规程》(JTG E41-2005)中建议的试验次数为5 次或以上,且 要求进行试验的岩石为浑圆状,这对较多软弱岩石具有很大局限性;规程对岩石的耐崩 解性无确定的评价指标,仅是一种评价岩石在干湿交替作用下稳定性的试验手段,因此 对所有的岩石都是适用的。岩石的崩解会改变岩石的结构,用作路基填料会导致路基变 形。因此对岩石耐崩解性的指标提出如下参考建议:(1)经过 10 次干湿循环岩石的崩 解速率没有显著提高,经过60 次干湿循环岩石的崩解率仍很小,这样的岩石耐崩解性 良好,可以用于路基填筑;(2)岩石的崩解速率很快,经过少于5 次的干湿循环就能完 全崩解,这样的岩石经过预崩解后可以作为路基建筑材料。 2. 1.4 风化千枚岩填料的粉化特性 风化千枚岩的耐崩解性试验分析了粗颗粒在干湿循环作用下的崩解破碎状况,在现 实情况下,路基内部的填料往往不是处于干湿循环状态,而是处于饱水状态,因此,对 风化千枚岩进行饱水状态下的稳定性测试也是很有必要的。为了评价风化千枚岩填料的 饱水下的稳定性,引入抗粉化系数,抗粉化系数是指风化千枚岩处于饱水状态中发生粉 化后,过2mm 筛的剩余质量与原质量的比值,按照公式(2-2)进行计算。 为了分析荷载对其影响,按是否加载状态分为两类:无荷载浸水饱态和荷载作用下 浸水饱态。 1)状态介绍 (1)无荷载作用浸水饱态 十天高速安康东段沿线水系发达,浸水饱态是通过岩石浸水状态下发生的变化来分 析浸水岩石和浸水路堤的水稳定性。 (2)荷载作用下浸水饱态 安康地区降雨量较大,在经历过一个或几个雨季以后,路基内部土体将处于饱水状 17 第二章 风化千枚岩的工程性质 态,且路基内部土体还要受到外荷载以及其上部土体重力作用,因此测试风化千枚岩在 荷载作用下饱水状态的水稳定性对评价用风化千枚岩作为填料填筑的路基的稳定性有 很现实的意义。 2)试验方法 天然状态下的各小组风干过筛(过2mm 筛,并清除表面风化土)称重后暴露在室外 空气中,各组根据方案规定的时间定期风干过筛(过2mm 筛,并清除表面风化土)称重; 浸水饱态下的各小组经风干过筛(过2mm 筛,并清除表面风化土)称重后浸入水中,按 照方案规定的时间定期风干过筛(过2mm 筛,并清除表面风化土)称重;浸水饱态(荷 载)下的各小组经风干过筛(过2mm 筛,并清除表面风化土)称重后浸入水中,并施加 一定荷载,按照方案规定的时间定期风干过筛(过2mm 筛,并清除表面风化土)称重。 并按照公式(2-3)计算其粉化率。 P 1I (2-3) fn fn m m I n 0 100% (2-4) fn m m s 0 式中: P —岩石(n 个阶段)粉化率 (%); fn I —岩石(n 个阶段)抗粉化系数(%); fn m0 —2mm 筛的干重(g); ms —2mm 筛与原试样风干质量的和(g); mn —2mm 筛与第n 个阶段后残留试样风干质量的和(g)。 3)试验方案 从ACD33 标,随机取相同破碎状态下的风化千枚岩分3 大组进行试验,每组取样9 小组,每小组取风化千枚岩2~3Kg,以供不同阶段进行对比试验,试验方案见表2.5。 18 长安大学硕士学位论文 表2.5 试验方案 试验时间 14d 28d 42d 56d 70d 84d 98d 112d 126d 天然状态 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 浸水饱态 (无荷载) C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 浸水饱态(荷载) D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 图2.11 风化千枚岩粉化特性试验 25% 风化率 率 20% 无载下粉化率 ) 荷载下粉化率 化 15% 粉 ( 10% 化 风 5% 0% 0 20 40 60 80 100 120 140 时间/d 图2.12 三种状态下试验对比 在天然状态下,风化千枚岩主要在大气温度、湿度、太阳辐射以及风力的作用下发 生风化作用,作用强度较弱,在表面粉状物全被清除的情况下,岩石表面又出现新的粉 状物,并兼有胶结物的脱落,在过筛时轻微的振动作用会产生少量的小于2mm 的风化碎 屑。 在浸水饱态下,岩石粉化、泥化严重,岩石表面出现一层稀泥,胶结结构破环较为 严重,特别是泥质胶结的岩石。在风干后过筛时,胶结物脱落较多,部分岩石甚至出现 层理分开情况,在振动作用下,岩石破碎较为严重,产生较多的小于2mm 的粉化岩石碎 屑。总之,在浸水饱态下,风化岩石的结构会发生一定的变化,岩石的胶结状况变化较 19 第二章 风化千枚岩的工程性质 大,这说明风化千枚岩受水影响较大,在水的浸润作用下,风化千枚岩的胶结状况发生 改变,进而致使岩石的结构发生变化,进而产生

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