黄土填料高填方路堤的工后沉降规律试验研究

太原理工大学硕士研究生学位论文黄土填料高填方路堤的工后沉降规律试验研究摘要随着经济的快速发展，高等级公路等设施的建设需求愈增，越来越多的公路需要在山区建设。在我国的西北地区，因自然条件和地理分布特征的制约与影响,黄土高填方路堤在山区高速公路建设中大量出现。对于高填方路堤，国内外已有研究多侧重于理论研究，数值模拟、反演；对于黄土填料的研究多侧重于室内土工试验和试验模拟。这些方法在实际工程应用中存在许多局限性。本文通过对山西省太原市东中环太行路工程阎家峰路段的黄土填料高填方路堤进行现场原位沉降监测，并结合室内土工试验，主要开展了以下几个方面研究并得出相关结论：1、对实际工程进行长期沉降原位监测，历时一年，得到的结论有：（1）高填方路堤总沉降的主体是填方体的沉降；填方体的工后沉降主要由未完成的固结沉降和蠕变形成，并受车辆荷载及季节性冻土冻胀融沉的影响。（2）填方体各层填土的沉降随时间呈现阶段性增长，并大约在工后240天之后趋于稳定。工后沉降后期，同一断面上的填方体出现差异沉降，沉降量基本符合西侧>中央>东侧。（3）填土高度是影响高填方路堤工后沉降的重要因素，填土高度越小，路基顶面总沉降越小，且总沉降中原地基所占的比例也越小；填土高度与填方体的平均沉降速率线性相关。（4）地形是I 太原理工大学硕士研究生学位论文填方体工后沉降的又一重要影响因素，位于槽型沟的填方体工后沉降量小于位于平缓地形的填方体。2、结合实测高填方沉降数据，对高填方数据进行回归分析并得到拟合曲线，结果表明：填方体工后沉降与时间呈对数关系，公式可以预测填方体的长期工后沉降，μ与填料性质和填筑方式有关，本工程可取。3在高填方监测路段采用人工开挖的方式取得回填黄土以及原状黄土，分别进行室内试验研究，得出的结论有：（1）黄土经过夯击后土体紧密程度和密实度有所提高，土体的力学性能有所改善。（2）原状黄土的压缩系数大于回填黄土，原状黄土经过回填压实后，压缩性明显降低。（3）经过击实，土样的密实度都得到了一定程度的提高，建议施工时将填料的含水率控制在12%~14%。关键词：高填方路堤，黄土，原位试验，沉降规律，回归分析II 太原理工大学硕士研究生学位论文TESTSTUDYONTHELAWSOFPOST-CONSTRUCTIONSETTLEMENTOFLOESS-FILLEDHIGHEMBANKMENTABSTRACTWiththerapiddevelopmentofeconomy,theneedofhighgradehighwayandotherinfrastructureconstructionincrease,moreandmorehighwaysneedtoconstructinmountainarea.InthenorthwestofChina,becauseoftherestrictionandinfluenceofnaturalconditionsandgeographicaldistribution,theemergenceofalargenumberofloess-filledhighembankmentforhighwayconstructioninmountainarea.Forthehighfilledembankment,thedomesticandforeignresearchmainlyfocusesontheoreticalresearch,numericalsimulation,inversion，etc;ForthefillerLoess，researchescustomarilyfocusedonthelaboratorysoiltestandsimulationtest.Thesemethodshavemanylimitationsinpracticalengineeringapplication.Inthispaper,in-situsubsidencemonitoringwasmadeonthebasisofaloessfilledhighembankmentprojectatTaihangRoadEngineeringYanJiafengsectionsinTaiyuancityeastcentralofShanxirovince,laboratorytestofloesswascombinedwithaswell.Thenthepapercarriedoutthefollowingresearch:1Duringalong-terminsitumonitoringofactualprojectforoneyear,III 太原理工大学硕士研究生学位论文someconclusionswereobtained:(1)thesettlementoffillersisthemainbodyoftotal;settlementafterconstructionofembankmentwasmainlyformedwithunfinishedconsolidationsettlementandcreep,thesettlementwasinfluencedbythevehicleloadandfrostheavingandthawsettlementofseasonalfrozensoil.(2)eachlayeroftheembankmentsubsidedwithtimetopresentthestagegrowth,andtendedtobestableafter240days.Inlate-stagesettlementobservation,thesamesectionsubsidesdifferently,thewestsidesubsidesmostandthenthemiddleandthentheeastside.(3)thefillingheightisoneoftheimportantfactorsthatinfluencingthehighembankmentsettlementafterconstruction,thesmallerfillingheightis,thesmallertotalsettlementis,andthesmallertheproportionofthefoundationinthetotalsettlementis;thereislinearcorrelationbetweenfillingheightandtheaveragesettlementrate.(4)theterrainisanotherimportantfactorforembankmentsettlementafterconstruction,thesettlementafterconstrctionoffillinglocatedinthegrooveplaceislessthanitinthegentleterrain.2Regressionanalysisandcurvefittingweremadeforhighfilledembankmentdata,basedonthemeasureddataofhighfilledsettlement.Thensomeconclusionswasknownthat:thereisalogarithmrelationshipwiththetimeandsettlementofembankmentafterconstruction,theformulacouldbe“.”.Long-termsettlementafter-constructioncanbepredictedwiththatformula,and“μ”wasassociatedwiththepropertiesoffillersandthewaytheyfilled,“μ”canvalue0.15%inthistypeofproject.IV 太原理工大学硕士研究生学位论文3Themethodofartificialexcavationwasusedinthehighfilledsectionstotakethefillingloessandundisturbedloessastwotypesofsoilsamples.Thetwotypesofloesswereusedtomakesoiltestrespectivelyinlaboratory.Someconclusionsweredrawnthat:(1)thecompactnessanddensityofloesswasincreasedafterdynamiccompaction,andthemechanicalpropertiesofthesoilwasimproved.(2)thecompressioncoefficientofundisturbedloessisgreaterthanthefillingloess,andthecompressibilityofloessdecreasedsignificantlyafterbackfillcompaction.(3)thecompactionofsoilsampleshavebeenimprovedtoacertainextentaftercompaction,theproposedwasmadethatthemoisturecontentoffillerwouldbebettercontrolin12%~14%whenconstruction.KEYWORDS：high-filled，loess，insitutest，settlementrules，regressionanalysisV 太原理工大学硕士研究生学位论文目录摘要..............................................................................................................................IABSTRACT..............................................................................................................................III第一章绪论..........................................................................................................................11.1研究背景......................................................................................................................11.2黄土高填方路基沉降规律研究现状..........................................................................31.2.1半挖半填路基研究概况....................................................................................31.2.2路基变形理论计算...........................................................................................51.2.3原位监测试验研究.........................................................................................131.2.4室内土工试验研究.........................................................................................151.2.5试验模型研究.................................................................................................161.3本文的研究目的及内容............................................................................................16第二章黄土高填方路基工程研究背景..............................................................................192.1阎家峰路段高填方路堤的工程特殊性....................................................................192.1.1施工方法的创新性.........................................................................................192.1.2施工条件及环境限制.....................................................................................212.1.3黄土填料特性.................................................................................................222.2阎家峰路段工程技术问题........................................................................................232.2.1高填方地基及边坡处理..................................................................................232.2.2湿陷性黄土处理..............................................................................................23第三章高填方路基工后沉降变形的原位试验研究..........................................................253.1工程概况....................................................................................................................253.2工程地质条件............................................................................................................253.2.1地质区域划分.................................................................................................253.2.2气象、水文条件.............................................................................................263.2.3挖方区料源条件.............................................................................................263.3高填方路基原位监测系统........................................................................................273.3.1监测目的.........................................................................................................273.3.2监测内容及布点情况.....................................................................................27VII 太原理工大学硕士研究生学位论文3.3.3监测方法及仪器.............................................................................................293.4监测结果分析............................................................................................................353.4.1工后沉降组成分析.........................................................................................353.4.2填土内部沉降变化.........................................................................................403.4.3时间因素对沉降的影响分析.........................................................................443.4.4填土高度对沉降的影响分析.........................................................................483.4.5地形因素对沉降的影响分析.........................................................................493.5小结............................................................................................................................50第四章高填方路基的工后沉降反演分析及预测..............................................................514.1工后沉降曲线拟合.....................................................................................................514.2填方体工后沉降估算................................................................................................53第五章压实黄土变形指标的室内试验研究......................................................................575.1研究背景及问题提出................................................................................................575.2试验准备....................................................................................................................575.2.1样品的采集及种类.........................................................................................575.2.2样品物理性质指标测定.................................................................................575.2.3样品物理性质指标研究.................................................................................625.3变形指标试验及分析................................................................................................635.3.1试验原理及方法.............................................................................................635.3.2试验结果及分析.............................................................................................655.4室内击实试验............................................................................................................705.4.1试验原理及步骤.............................................................................................715.4.2试验结果及分析.............................................................................................715.5小结............................................................................................................................73第六章结论及展望..............................................................................................................756.1主要研究结论............................................................................................................756.2继续研究内容............................................................................................................76参考文献................................................................................................................................79致谢....................................................................................................................................85硕士研究生期间的主要学术成果........................................................................................87VIII 太原理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论1.1研究背景我国是一个山地占地范围比较广的国家，据统计，我国山地面积约占国家土地总面积的三分之二。而随着山区的开发和经济发展，高等级公路的建设必不可少，是山区发展的首要基础建设之一。1993年，我国公路运输线路里程仅有108.35万公里，2003年就达到180.98万公里，截止2013年底则达到了435.62万公里。据统计资料显示，近年来在铁路、公路、水运和民航为主要运输方式的客运和货运中，公路客运量和货运量分别占总运量的87.3%和75.1%以上。现在以及将来，公路都将是经济建设中重要而不可缺少，这就决定了高等级公路工程建设需要与之匹配的发展水平。在山区建设公路与在其他地貌如平原等相比，具有一些特点如：（1）高填方。山区地质一般是由历史上剧烈的地质构造运动形成的，包括山地、丘陵和崎岖的高原等，地面起伏，地表高程变化很大。由于这些地形、地貌以及公路建设选址等的限制，山区路基的高填深挖的这种现象的大量出现已经成为一种必然的趋势和选择，也就是说路堤的高填方施工形式成为一种常见的形式。（2）半挖半填。由于施工环境、生态环境、运输条件、弃土处理以及次生灾害等条件的限制，尽可能的减少自然地表挖填方的面积，故而路基一般采用半挖半填的方式，公路填料往往选则就地取材。这种类型的路基的一般情况下是由一半是自然地质的土体，一半是从坡地上削下来作为填料用土的土体构成的。（3）地质条件复杂。山区本身原始应力条件就较为复杂，工程地质条件差异性大，生态以及抗扰动性较差，易出现山崩、滑坡、泥石流等地质灾害。而在山区设计建设公路，本身就是对其地质环境的巨大扰动。尤其是半挖半填的高填方形式路基，还存在自然土体与填筑体的交接面问题，极易出现不均匀沉降等问题甚至影响路基的整体稳定。因此，不但在设计和施工中需要对工程环境以及路基稳定性评估分析，在工程竣工后，路基的稳定性仍然值得关注。黄土按构成时期迟早分为老黄土与新黄土两种。我国黄土的构成时期很长，贯通全部第四纪地质时期。老黄土是指早更新世构成的黄土（简称Q1黄土或午城黄土）和中1 太原理工大学硕士研究生学位论文更新世构成的黄土（简称Q2黄土或离石黄土）；新黄土是指晚更新世构成的黄土（简称Q3黄土或午城黄土）和全新世构成的黄土（简称Q4黄土）。在Q4黄土中大约在500年内构成的黄土称为新近聚积黄土。黄土构成年代愈久，土愈匀称致密，压缩性低而强度高，且湿陷性减小直至无湿陷性。黄土按时代迟早进行的地层分类详见表1-1表1-1黄土按时代进行的地层划分Table1-1Thestratigraphicdivisionofloessaccordingtothetime时代地层的划分说明一般具湿陷性,有大孔、虫孔,有全新世(Q4)黄土次生黄土黄土状土时有人类活动遗物,节理不发育新黄土或无节理一般具湿陷性,大孔发育,易产生晚更新世(Q3)黄土马兰黄土天然桥及陷穴,具垂直节理上部部分土层具湿陷性,有少量中更新世(Q2)黄土原生黄土离石黄土大孔,具柱状节理,抗侵蚀能力强老黄土不具湿陷性,无大孔,柱状节理发早更新世(Q1)黄土午城黄土育,土质紧密至坚硬注：全新世(Q4)黄土包括湿陷性(Q41)黄土和新近堆积(Q42)黄土黄土在全球范围内的分布都极为广泛，而中国的黄土面积是世界上黄土面积最大的。黄土在中国主要分布在山东西部，河南的北部、西部及西北部，山西的大部分地区，内蒙古伊克昭盟的南部和西部，陕西的中部和北部，甘肃的中部和东部以及辽宁山地一带。山西的地形地貌是典型的大面积黄土覆盖的山地高原。本文研究的黄土高填方路基以山西省太原市太行路阎家峰路段的原位试验为例，具有广泛的研究和实用价值。一般来讲，以黄土为主要路堤填料的高填方路基工程通常具有以下几个特点：（1）高填方。为了满足场地条件等，通常需要高填方和深挖方，这是山区建设公路不可避免的一个课题。（2）地形地貌复杂。黄土地貌地表往往支离破碎，沟壑纵横，梁、峁广布，地势起伏剧烈。（3）地质条件复杂。经历历史悠久的地壳运动和环境变迁，不同时期的黄土具有不同的特性，如湿陷性等。2 太原理工大学硕士研究生学位论文源自以上部分所述，黄土高填方路基的研究所主要解决的问题有以下几个方面：（1）高填方而产生的高沉降问题。（2）高填方路基的稳定性问题。（3）高填方路基工后沉降及不均匀沉降的问题。（4）挖填方交界处的处理问题。（5）黄土湿陷性所带来的影响。（6）黄土夯实技术问题。（7）环境问题。诸如此类，其中最迫切且引起工程技术人员广泛关注的是工后沉降问题。对于高填方路堤的沉降问题，国内外已有不少研究且取得一定成果，但是早期的研究对侧重于理论研究，后来的研究多侧重数值模拟、数值反演等。这些方法虽然可以进行不同工况的分析，但在实际工程应用中存在许多局限性。而对于高填方的路基填土黄土研究多侧重于室内土工试验和试验模拟如离心试验、压缩蠕变试验等方法且多局限于原状黄土。本文将在实际工程的基础上进行现场原位沉降监测，并结合压实黄土室内试验进行相关问题研究，为今后类似工程设计施工提供科学参考及依据。1.2黄土高填方路基沉降规律研究现状1.2.1半挖半填路基研究概况因山区公路的大量建设半挖半填路基工程，这类路基建造形式逐渐受到关注和重视，在这种发展过程中，工程技术人员和研究人员积累了一部分的工程经验和处理这类工程问题的方式方法。梁仕森[1]、曹映[2]等人在对大量已建成山区半挖半填路基工程进行详细调查研究后发现，以这种路基建造形式为主的大部分路基工程都已经出现了路基下沉、开裂，设置更严重的，路基的填方部分竟然沿着挖土和填土的交界面出现整体滑坡这样的严重灾害。同时这种病害之所以出现，究其原因还在于作为填方的这部分的土体强度和稳定性很难达到与挖方或者自然坡面土体相持平的水准，产生这种现象的主要原因是在于挖的那一部分和填的那一部分两者的强度和稳定性存在着不可忽略的差异。这就导致这种路基施工虽然已经在规范上明确规定了若干施工程序、填筑要求以及处理的措施，但是这种标准的要求太低，完全没有办法满足强度和稳定性等的相关要求。罗3 太原理工大学硕士研究生学位论文良繁，李永龙[3]等人大量而严谨的调查研究了此类工程的常规施工过程，并介绍了此类工程施工过程中包括测量、基底处理、填料选择、开挖、上路床施工、交界面处理、临时排水处理等等一系列的施工操作流程。谭继承[4]提出了一种高填方路基施工加固工艺，其中夹紧采用了单向的土工格栅，为了减少地基的差异沉降，在高填方的挖方和填方结合的地方使用了重锤夯击。韩字乐[5]等人介绍了一段位于广西一个地形复杂的山区的高填方路基，采用的是半填半挖路基。着这段不到5千米的路段中，切方超过20米的地方就不少于7处，填方超过10m的也有12处，整个过程采用了多种技术以及措施用于稳定高填方路基与山坡处的交界面，是一个非常典型的工程案例。宋继先[6]主要介绍了几种地基加固的方式方法，鉴于他认为高填方路基在路基的边缘处的压实度通常难以保证，或者根本达不到标准，其产生的过大的沉降会对过往的车辆产生影响。这是高填方路基难以避免的问题，有多重客观因素的影响。邓卫东[7]、张兴强[8]等人通过对挖填方路基进行弹塑性有限元分析，发现了沥青路面的受力性能会受到地基土的差异性沉降的影响，提出了在车辆荷载作用下，地基土由于物理、力学性能的差异会产生差异性沉降。在分析对比了车辆荷载单独作用和与土体固结共同作用两种工况下产生的差异沉降对沥青路面受力性能的影响后，最终得到一种可以计算沥青路面破坏时所达到的临界差异沉降值的方法，为今后的工程设计和施工提供理论依据和参照。郑治[9]等在调查多条高速公路所涉及的近百段填方路堤（其中七成以上是高填方路堤）基础上，发现高填方的沉降病害主要有以下几个方面的表现：首先表现在填方体的过大的沉降量和边坡失稳破裂等破坏；其次表现在地基的强度不达标准以至于产生上面所述的破坏；最后表现在地形变化引起挖方和填方交界的地方不均匀沉降从而导致路面出现开裂破损等情况。刘珊通过对重庆渝邻高速公路，山西太旧高速公路，贵州贵新高速公路，四川成雅高速公，四川成南高速公路的调查，对高填方路基设计施工中存在的问题进行了总结，初步得到高填方路堤沉降变形主要有填料压实度不足、地基中存在软弱土层、路基刚度差异过大、地基承载力不足、填料成份不均等五种基本模式。其引起灾害的主要原因大部分都可以归到地基未处理好，包括挖填方新旧交界处未处理好和地基边坡压实度不足等。辛平[10]在对近三百座高填方黄土路堤进行调查研究后发现，稳定性不足、存在病害的高填方路堤占所调查路堤的近一半左右，在这其中由于压实度不足和水作用的影响而产生病害的占了大半。李启[11]在通过对西宝高速病害调研后发现，病害路段较多且多发于高填方路段。在对施工资料进行整理分析后，统计路基含水量、实4 太原理工大学硕士研究生学位论文验测得最大干密度后计算发现，其压实度多不符合规范的要求。而路面的破坏情况出现沉降过量和侧向偏移等稳定性问题。这些都表明对于高填方路基，沉降问题和稳定性问题是非常值得关注的两大技术难题。1.2.2路基变形理论计算改革发展的进一步深化和中西部地区的经济发展对山区的高等级公路建设提出了更多的需求和更高的要求。就目前的公路建设发展而言，高填方路基是山区高等级公路建设的必然趋势和选择，但是对已建成的公路运营状况的调查研究表明，各种原因造成的公路病害频发，而其中沉降变形问题显得尤为突出，特别是不均匀沉降问题，对公路的破坏尤为严重。因而，各国的相关研究人员都极为关注沉降变形计算问题。1.分层总和法就当今对沉降的研究状况而言，学术界中已经就沉降的计算提出了多种计算方法，在这众多的计算方法中，应用最为广泛、被工程界认可度最高的方法是分层总和法。将压缩层内的土体分层，分别求出每一分层的应力，求出每一分层的变形量，将每一分层的变形量总和就是土体的最终沉降量。ee12SSiHi1e1（1-1）e式中，1为第i层土压缩前的孔隙比；e2为第i层土压缩后的孔隙比；Hi为第i层土的厚度。epelgpelgp分层总和法通常采用曲线以及曲线进行计算。曲线可以解决掉ep曲线的一个缺陷，就是考虑应力历史的方面，超固结、正常固结以及欠固结下的沉降均可以计算出[12]。p2eClgCp1（1-2）对于正常固结土：5 太原理工大学硕士研究生学位论文CHpSCilg2i1ep11（1-3）对于欠固结土：Hppi1SClgic1ep1c（1-4）对于超固结土：Hppi1SClgie当p＜pc﹣p1时，1e1p1（1-5）Hpppic1SClgClgiec当p＞pc﹣p1时，1e1p1pc（1-6）C式中，c为压缩指数；Ce为回弹指数；pc为前期固结压力。但是分层总和法是建立在变形为侧限条件的。因此这样的计算会比实际情况所得的沉降偏小。因此，黄文熙[13]提出了土在三向应力条件下的沉降沉降计算方法：neiSCKiHi11e0i（1-7）1ZK(1)12XYZ（1-8）H式中，i为第i层土层的厚度；ei为压缩前后土层孔隙比变化；e0i为初始孔隙比；为泊松比。但是上面所述的这种方法的基础理论是弹性理论，也就是说上述方法没有将由于偏应力而产生的体积变化考虑在内，因此这种方法也不够准确。其他方法如浙大经验公式法、规范法也属于分层总和法。用分层总和法计算沉降，6 太原理工大学硕士研究生学位论文比较容易，在工程中得到了比较广泛的应用。但是由于分层总和法是基于以上多个假定来计算沉降的，这就导致了理论计算和工程现场实测的沉降的差异。在理论前提的设定上，分层总和法在计算的时候是认为所承受的荷载是一次全部施加在土体上的，而对于实际高填方路基工程而言，路堤的填筑施工过程是分层填筑、分层夯实、碾压的，这样的施工方式中荷载也是分层逐级增大的，在沉降、荷载以及时间三者间存在一定的内在联系。这样看来，计算理论与实际工程就出现了一定的偏差。一般情况而言，分层总和法只考虑压缩变形的情况。但是在土体的实际变形沉降过程中，理论上是存在剪切变形的情况的。这种剪切变形会在剪应力增大的情况下使得土体的模量反而减小。此时，压缩变形会使得土体更加深入的固结，土体的模量则随之增加。故而，在沉降计算的过程中应该充分考虑这两种变形。2.应力路径计算沉降理论莱姆（Lambe）[14]提出了一种新的计算沉降的方法，就是在考虑应力路径的情况下对沉降值进行计算。这种方法的理论基础是弹性理论，并且结合了室内模拟实验，进而将参数确定，甚至可以对压缩量直接进行测量，然后根据试验的结果来计算沉降量的大小。该方法虽然使用比较麻烦，尚未被工程界使用，但对沉降的机理加深认识，深入了解沉降影响因素中侧向变形的影响，甚至对常规的沉降计算中可能会产生的误差等的分析，以及对这些误差的大小进行估算都是非常有帮助的。其计算步骤为[15]：（1）首先选择一点对其自重应力进行计算，然后在弹性理论的基础上对由于附加应力的存在而引起的竖直方向的应力、水平方向的应力进行计算；（2）对土样进行三轴试验，令土样在自重应力的作用下进行固结，下一步则对土样施加一定的附加应力，就可以得到施加附加应力前和施加附加应力后土样的应力应变的大小变化；（3）应变差乘以土层的厚度就是土层的沉降量。3.数值方法计算机技术的发展普及为沉降计算问题的解决带来了新的契机，用数值模拟计算来解决土工计算的问题成为可能，很多很复杂、难以解决的工程问题在计算机领域得到了解决的方法。目前得以应用到沉降计算中的数值方法主要有：有限/无单元法、差分法以及边界单元法等等。此领域的主流趋势是将有限单元法同边界单元法或者差分法相结7 太原理工大学硕士研究生学位论文合以解决实际工程问题或者作为参考。而有限元法较为基础的描述土体应力应变关系的模型是结合土体的变形特性的非线弹性、弹塑性、粘弹塑性[16-19]等模型，以及一些考虑土体本构关系的较为复杂的模型如粘弹塑性模型[20-21]，这种模型加入的考虑流变的因素。在当前的研究方法中，应用于次固结沉降计算的主要方法有:钱家欢-王盛源法[22]、ds三模式法[23]、规范法[24]以及法[25]。dt吴俊[26]等人主要采用的是ansys有限元的分析方法，以高填方路基为研究对象，假定高填方路堤和原地基作为一个整体进行沉降变形，探讨不同的宽度、坡度、材料系数等情况下，高填方路堤在中线、路肩上不同深度处的沉降变形量，其研究具有非常深远的现实意义并可以对实际工程进行指导，其主要得出的研究成果有以下几个方面：处在路基中心上的沉降点的变化显示沉降与深度是反相关的关系，即深度越大，沉降越小，也就是说在顶面处接近路面的地方的沉降量最大，路肩线上各点产生水平位移对中央有挤压作用力。路基的宽度和坡度对沉降的影响作用的大小不尽相同，前者影响较大而后者较小。另一方面，吴俊等人认为变形模量的变化同沉降变化成反比关系，即变形模量越大，沉降越小，且地基的变形模量比之填土来说，对总沉降量的影响力更大。故而对于原地基的处理就显得尤为重要，且可以作为减小沉降的一项重要举措。谷复光[27]等人以吉林省的高填方路基工程为研究基础，进行了长达三年的高填方沉降原位观测，并采集了大量的原始数据。在实际工程的基础上，还提取填土土样进行室内土工试验。之后又利用了ansys有限元软件模拟相关工程情况的沉降平面应变弹塑性分析，采用的D-P岩土类本构模型。模拟分析的过程中各种施工处理方法、填土填料情况、填土高低、边坡坡脚、材料压实等等方面的情况进行了影响因素分析。分析预测结果与实测数据的误差不大于10%，证明此类运算分析程序可用且效果良好。4.工程拟合的计算方法在路堤沉降的计算过程中，由于在沉降的理论计算方法中，对参数的选取有一定程度的局限性以及对于边界条件的过于理想化。所以，在工程实践中利用沉降的理论计算方法计算沉降变形具有局限性。在后来的工程实践和研究中，研究人员发现，通过工程中实测的数据与时间的曲线，此曲线的形状具有规律性。于是，研究人员提出了利用沉降与时间的关系曲线来拟合沉降的公式。通过对公式中参数的选取，然后再预测路堤的沉降量。在实际工程应用中，在实际工程现场测量的基础上，取得实测沉降数据，利用8 太原理工大学硕士研究生学位论文这些数据对高填方的后期沉降进行预测，是一种对工程界有重大影响的突破，对工后沉降预测有着重要的意义。沉降的预测方法主要有两种：一种是静态预测法，另一种是动态预测法。在工程中，用曲线拟合[28]沉降的方法就是静态预测法，常用的静态预测法主要有：双曲线法、指数曲线法、抛物线法、Asaoka法以及三点法。而动态预测法主要有：灰色理论预测法[29]、遗传算法[30]以及人工神经网络法[31]等。（1）灰色理论系统模型的基本模型就是GM(1，1)模型[32-33]，该模型建立的方法如下：有n个等时距的观测的数列：(0)(0)(0)(0)xx(1),x(2),…,x(n)（1-9）(0)k1,2,3,…,n式中：x()0k，上式是原始数据的一次累加，累加后的数列为：n(1)(0)x（k）=x(k)i1（1-10）(0)(1)(1)(1)zz(1),z(2),…,z()n（1-11）(1)1(1)(1)z(k)x(k)x(k1)2（1-12）k2,3,…，n式中：GM（1，1）模型的微分方程为：(1)dx(1)axbdt（1-13）式中：a－发展系数b－灰色作用量(1)(1)z(2)1x(2)(1)(1)z(3)1Yx(3)Baa(1)()1(1)参数列是：b，zn，x()n。按照最小二乘法可得：9 太原理工大学硕士研究生学位论文T1Ta(BB)BY（1-14）时间响应的解是：(1)bb(0)akx(k1)x(1)eaa（1-15）（2）常用的回归分析方法随着高填方工程建设数量的增多，在理论计算方法存在缺陷无法在短时间内解决工程雪需求的矛盾下，人们寻求其他简单途径来解决地基沉降量测算的问题，下面就是集中常用的用于地基沉降量估算的方法介绍，具体如表1-2所示。表1-2常用回归分析方法Table1-2Commonlyusedregressionanalysismethod方法名公式极限说明称、代表实际测量时的初始沉降值和双曲线初始时间，S、t则法代表时刻的沉降值和时间，、为曲线拟合的参数。、为曲线拟合的参数，分指数曲别代表线法时间对应的沉降量，且。10 太原理工大学硕士研究生学位论文二次多为拟合—项式法曲线参数泊松曲线法a、b、K为拟合曲（logisti线参数c或皮尔）抛物线a、b、K为拟合曲—法线参数GompertA、B、K为拟合参—z曲线法数曲线代表瞬时加载所产生的沉降量，K星野法代表沉降速率因子、A代表最终沉降系数Verhulsta、b、c为拟合曲曲线法线参数吴雄伟、宋彦辉[34-35]等人提出了一种全新的预测地基沉降的模型方法，泊松曲线法。也称为Verhulst模型法，源自于德国一位同名的生物科学专家，他提出的人口特征和生物繁衍的模型给了吴雄伟、宋彦辉等人灵感，这种模型的变化趋势是开始平缓增长，中间部分快速提升，后期部分逐渐趋于平稳，这种变化趋势基本与路基沉降随时间的变化规律是吻合的。石宜生、姚成焕[36-37]等人将回归分析方法应用在三峡机场的高填方路段，预测结果与实测数据吻合良好，是一次比较成功的预测分析灰色系统理论[38]主要应用于数据量较少，信息不确定性很多的统计情况下。首次被提出的时间在上世纪八十年代，由我国学者提出。它的优势是基于比较少的数据利用微11 太原理工大学硕士研究生学位论文分方程就可以建立相关的动态模型，借此可以深入分析其运行的机制机理，将所有的随机因素构建成一种以时间为自变量的灰色过程，很大程度上弱化了随机影响因素对于数据的影响，而将重点集中在数据的生成方法上。这样可以明显提高数据分析的可靠性和精准度。张仪萍[39]等认为Asaoka法与灰色模型进行沉降预测的理论在一定程度上是一致的，由此奠定了灰色理论在工程沉降预测应用上的理论基础。韩女才[40]将建立的GM(1，1)模型应用于深圳机场的地基沉降预测，其结果与实际工程现场实测值吻合良好，误差在5．05％左右。这种模型的理论基础是在灰色理论的基础上进行不等时距预测。吴大志等人[41]主要研究成果在于成功的使GM(1，1)模型在京珠高速的高填方路段的沉降预测中得到应用。石宜生等人[36]在三峡机场的高填方沉降预测中采用了回归分析方法，取得了与实际测量吻合度较高的结果。刘金升[42]等以实测路堤沉降量为研究对象，分别采用非等间隔序列GM(I，1)模型与灰色Verhulst模型来预测，以考察其可行性与精度，并得出非等间隔序列GM(1，1)模型与灰色Vcrhulst模型是一种有效的预测路堤沉降量的方法，同时指出非等间隔序列GM(1，1)模型与不等时距灰色Verhulst模型存在的局限性。常方强[43]等通过分析软基路堤沉降和Verhulst模型的特征发现，软基路堤沉降随时间的变化曲线与Verhulst模型曲线相似。根据泉州安吉路软基试验段路堤沉降观测值，采用Verhulst模型对其进行沉降预测，结果是实际测量的数据与预期估算的数值有一定的差距，但是随着时间的推移，二者是呈相互接近的趋势，故而认为这种模型可以用来对工后时间较长或者是最终的沉降量进行预测。而Verhulst模型的一大优势就是它具有非常好的数据适应性，可以对实测数据中不规则数据干扰进行一定程度上的削弱。同时，还对预测值与实测值的差异、观测历时对预测值的影响以及最终沉降量的推算等问题进行探讨。吕培印[44]等人提出了一种主要应用于动态数据的处理方法来解决高填方路基的沉降预测问题，就是忽略各种复杂力学因素对实测数据的影响，仅仅就统计学规律对数据进行分析处理。这种运用时间序列处理地基沉降观测数据的方法，选用ARMA模型，可以对地基沉降进行预测。诞生于上世纪40年代的人工神经网络方法在80年代末成功应用于土木工程领域，而这种方法是地基沉降预测领域的一大突破性成果。这种方法的核心理论是对生物脑神12 太原理工大学硕士研究生学位论文经系统的计算机处理模式进行模拟，由结构简单却高度互联的一系列处理单元组成[45-46]，在非线性问题的处理解决上，具有非常独到的优势，它用输入和输出模式替代传统意义上的自变量和因变量，用一种高维的非线性映射关系取代固定的函数映射关系。Flood[47]率先采用了人工神经网络方法解决施工工序问题，在高填方沉降预测方面，国内岩土方面较早从事神经网络研究的是石成钢等，李素艳、刘宏等人[48-49]等人将神经网络模型应用于实际高填方工程中进行沉降预测分析，取得了较好结果。1.2.3原位监测试验研究原位变形监测的目的是得到高填方地基的沉降控制指标和工后沉降的预测，就国内目前在这方面的发展研究而言，原位变形监测系统是以测量大地的常规监测为主要模式，兼具其他模式，并且发展方向有逐渐向自动化方向过渡的趋势[50-51]。而国外在相应方面的发展正在朝着可视化、多媒体化等“五遥一体”的网络监测技术方向发展。系统原位监测结果较少，在非饱和粗(巨)粒土的沉降计算上，仅有少数的经验公式[52]，如德国和日本的工后沉降计算公式(1-16)，劳斯和列斯特公式(1-17)，顾慰兹公式(1-18)。式中，S为路堤的工后沉降量(m)；H为路堤高度(m)。式中，k、n、m是经验系数。随着经济的发展和社会的进步，我国对高等级公路的建设需求与日俱增，并且公路建设的场地逐渐由平原地带转战山区地形。这就对公路建设的路基工程提出了更高、更多的要求。由于高等级公路自身的建设需求和条件限制，山区高等级公路路基的高填深挖已经势不可挡。这种填挖路基的建设施工方式由于填料的自重原因，会给下层的路堤带来很大的附加压力，同时作为填筑体本身的受力、变形情况也是十分复杂的。对此，13 太原理工大学硕士研究生学位论文学术界还没有成熟的理论解释和完整的计算方法，一切都在探索中。故而，高填方路基沉降计算问题已经是山区在修建公路的施工过程中一个亟待解决的重要技术性难题。由于高填方路堤的沉降变形受种种现场因素影响，因此最为直接有效的方法是采用原位监测的方法。国内采用原位监测的高填方工程更多针对机场工程[53-55]，国外的高填方原位监测的填料主要是砂岩、泥岩、砂卵石等[56-57]，少见关于黄土地质的研究。孔祥兴[58]等人在研究湖南境内的数条高速公路的现场实测数据后，提出了多个猜想和理论预测模型，具体有：提出了发生、发展、成熟、极限的高填方路基沉降四阶段理论，并采用s型成长曲线模拟沉降与时间的关系，同时对沉降进行预测。提出了一种模糊预测方法，这种方法是采用组合多种沉降预测模型，对高填方沉降进行预测，实验结果表明，组合模型的预测效果在一定程度上要优于单一模型的拟合和预测效果，要更贴近实际工程结果。可以随着时间的发展不断的增加试验样本的选取并加入到原始样本中，这样可以有效的提高数据的精确度，优化预测效果。许永明[59]对沪宁高速公路进行了长期观测，大量的工后沉降数据显示了相关地基沉降的规律。施工结束后，荷载稳定后沉降量s与时间的对数lgt呈抛物线状。这样就可以既简单又能比较准确的预测出未来某个时间点的沉降量。其表达式是：2sa(lgt)blgtc（1-19）式中：s代表某一时间点的沉降量；a，b，c分别代表未知的参数，可通过优化的方法计算求得。谢春庆[60]在对贵州龙洞堡机场工程以及云南大理机场工程中的高填方路段工程进行地基沉降原位观测后，对所得数据资料进行了深入的、系统的总结研究，提出了一个估算公式如下式（1-20）所示：2hst323E（1-20）s式中：t代表t时刻高填方夯实地基的工后沉降量h代表填筑的高度E代表填筑体变形模量刘宏[61]等人的研究主要围绕多种回归模型在高填方路基工后沉降预测方面的应用，14 太原理工大学硕士研究生学位论文其原始数据来源是四川省九寨黄龙机场工程的原位监测数据，分析讨论后认为对数模型是最为贴近高填方工后沉降实际规律的一种模型，而其预测结果显示，介于高填方地基中上部填筑体和底部软弱地基填筑厚度极不均匀,工后差异沉降显著。1.2.4室内土工试验研究刘建民[62]等人在1994年经过钻研压实度和含水量对强度及强度参数的影响规律以后，提出了在现场施工时，取塑限含水量作为黄土压实工程施工的含水量最为的经济且有效。杨有海[63]等人在宝中铁路的黄土路堤上提取试样以便做试验，探讨含水量和压实度这两个因素对黄土抗剪强度的影响作用，为此类工程预防病害和整治管理供给了靠得住的依据和理论支撑。景宏君[64]等人在研究了压实度和含水量这两个因素对抗剪强度的影响和压实土的湿陷性和入渗对饱和度、入渗系数的影响的基础底子上，提出了要求严厉掌握作为填料的土体的含水量，而且在提高黄土路堤整体稳定性的过程中，提高路基的压实度标准是关键且重要的一步。陈存礼[65]等人的试验研究是对饱和击实黄土进行动三轴试验，主要的成果表明，动应力和应变之间的关系在适用于饱和击实黄土的情况下，双曲线的吻合效果最为良好，且双曲线模型中的固结压力、最大的动应力以及起始动剪切模量之间存在幂函数的数量关系，且动剪应力与固结围压成反比例关系，同固结比成正比例关系。周勤[66]经过一些列的室内试验诸如回弹、湿陷、动三轴、抗剪等等，主要探究压实度和含水量对相应试验模量的力学影响。结果发现，继续提高压实度仍然可以对压实黄土抗剪强度和回弹模量的增大产生积极的影响，并且在压实度大于90%后，就可以对其浸水后附加变形的消除产生有利的影响。张栋梁[67]等人主要研究的是压实黄土物理指标（干密度、含水量等）不同时同固结应力比进行耦合，试验通过GDS动三轴仪来进行，探讨压实黄土的动力特征随一些因素如振次、物理指标（干密度、含水量等）、固结应力等的变化趋势和规律。张贵发等[68]主要的成果是对压实触变的研究，具体而言黄土的湿陷性同龄期有正相关的关系（在含水量和干密度不变的情况下），这是在前后超过三百次的研究的基础上提出的，这种现象的本质是压实黄土的龄期越长，其本身的结构向絮凝状态发展的程度就越深，从而导致第一次浸水后的变形量就越大，这是一种土颗粒弹性效应的体现。沈波[69-70]等研究人员主要研究降雨冲刷的七大影响因素，并提出了可以应用于甘肃和西安黄土地质的一系列经验公式和临界值。对于坡面防护工程施工具有重要的指导意义。又在研究了人工降雨侵蚀试验后坡面冲蚀强度与坡长、坡脚、15 太原理工大学硕士研究生学位论文降雨历时、雨强、压实度等等诸多因素都有一定的关联性，高原二区粘性黄土冲蚀强度随时间增加而减小历程对坡面防蚀正面积极的影响,在得出用时1h降雨坡面平均冲蚀强度及长时间坡面侵蚀强度随时间变化的经验公式基础上,提出减小坡面冲蚀强度办法.首先考虑增加压实度减小坡面土体重力侵蚀来削减坡面整体侵蚀量;坡高h不发生变化时,坡角避开冲蚀强度最大的临界坡度为25.9°;在边坡比较稳定的情况下，其坡脚尽量避开15°～60°范围,大于70°或者小于15°的坡面冲刷很小,对于70°以上坡角尤为适应于直立性黄土坡面。1.2.5试验模型研究岳祖润[71]在研究了压实系数、荷载、填土高度等因素和沉降之间的关系的同时，用土样进行离心试验以获得应力-位移的分布数据。在这些研究的基础上，提出了一种新的预测路基沉降的方法。章为民[72]继承了岳润祖的研究理论，并加入了加速度这个因子，利用加速度的不断增加来重现坝体不断攀升的过程，这种从加速过程切入离心试验的方法意外的与实际工程中变形的分布情况取得一致，所得到的最大值也基本吻合。景宏君[64]主要采用的方法是离心模拟与三维数值解析相结合的分析方法，其以一69米的高填方路堤作为实验进行的承载对象，最终取得了土体内部应力-位移的变化趋势以及高填方整体的沉降特性。同时还提出了振动压实对于高填方土体的重要意义和影响。胡小明等[73]照黄土地区的工程实际情况，应用离心模型试验研究了黄土高路堤(H=30m和（H=63．8m)特征，主要的研究对象是不同的干容重情况下的高填方填料，讨论在各种情况（如边坡挡水、无水、淋水等）下的位移和应力变化状况。高校的学者们为了探究自重应力对黄土路堤沉降的作用机理，采用了模拟实验的方法，在实验室搭建了高度为4米作用的仿真黄土路堤模型，对其沉降过程进行观测分析，结果表明，矮路堤的沉降也需要接近一年的时间来完成，同时提高黄土的压实度能够有效的减少沉降量，最后得到了一个预测模型适用于填土高度和最大沉降量的关系预测。孟莉敏[74]等人以贵阳龙洞堡机场飞行区域后期扩建工程的高填方体施工部分为工程背景,探究了碎石土在刚性侧限前提下的压缩蠕变特性,结果显示加载后同一(或者不同)时刻的单位压缩量与荷载呈对数函数相关,进而可进行推算得出高填方体的终极压缩量和工后压缩量。16 太原理工大学硕士研究生学位论文1.3本文的研究目的及内容随着经济的快速发展，高等级公路等设施的建设需求愈增，越来越多的公路需要在山区建设。在我国的西北地区，因自然条件和地理分布特征的制约与影响,黄土高填方路堤在山区高速公路建设中大量出现。经过收集整理现有研究高填方路基工程的资料文献，可以发现，高填方路基稳定、沉降问题的研究由来已久。早在二十世纪五、六十年代，工程技术人员已经发现填土路基的稳定性问题，为了提高填土路基的稳定性，就对填土路基工程进行了大量的调研、分析。直到二十世纪八十年代之前，国内都少有高等级公路工程的建设施工，大多数国内的工程技术人员和相关专家学者对高填方路基的变形沉降问题的重要性还没有意识到，对高填方的填方体及其原地基的沉降作用机理的重要性也没有足够的关注。由于铁路建设部门对于路基沉降控制有比公路建设更严格的要求，所以铁路建设相关研究部门对于路基沉降问题的研究较早，早期的研究成果多出自于此。在九十年代之后，我国的高等级公路建设进入飞速发展的阶段，各种研究也层出不穷。这一阶段的研究主要着眼于数值计算及模拟如非线性有限元，试验模拟如离心模型试验，同时在定量分析方面在原有理论模型基础上建立土体本构模型，K-G模型、加载体积流变模型等，在原位试验研究方面也有了突破性、系统性的进展，为高填方沉降研究提供了准确、可靠的依据。与此同时，也有学者进行了大量的工程调研，对于高填方工程病害做了大量的研究，使人们进一步认识到高填方稳定性的重要性，促进了此类研究的更进一步的发展，也是高填方路基发展迅速的一个阶段。关于高填方的路基填土，由于高填方多是半挖半填的施工模式，有就近就地选择填料的特点，故而高填方填料有很大的地域性。作为世界上最大的黄土高原，以黄土为主要填料的高填方研究具有广泛的实用性。针对于高填方黄土，目前的研究有对压实黄土的直剪试验，单轴压缩试验，入渗试验、湿陷性试验和一维压缩试验等，对非饱和重塑黄土的变形特性等静力学方面的研究。动力学方面的研究主要有动荷载下黄土的工程特性和微观结构，GDS动三轴仪试验等。关于黄土的独特的工程性质湿陷性，对于原状黄土，国内外已经有了很多的试验研究，也是成果丰硕，但是研究多侧重于原状黄土，对于用于填土的重塑黄土，研究不多且在评价方面也没有达成共识。综上，对于黄土高填方路堤，国内外已有不少研究且取得一定成果，但是早期的研究对侧重于理论研究，后来的研究多侧重数值模拟分析如有限元、数值反演等以及试验17 太原理工大学硕士研究生学位论文模拟如离心试验、压缩蠕变试验等方法。这些模拟分析方法虽然可以进行不同工况的分析，但在实际工程应用中存在许多局限性如非饱和黄土、压实黄土等模拟效果就不是很理想。实际黄土高填方工程的工后沉降观测需要长期连续监测，故而在这方面的研究较少。当然在结合实际工程基础上进行的原位试验研究也有不少案例，但对各种因素对工后沉降产生的影响以及高填方内部沉降关注很少。事实上，由于高填方路堤的沉降变形受种种现场因素影响，因此最为直接有效的方法是采用长期原位监测的方法。国内采用原位监测的高填方工程更多针对机场工程，国外的高填方原位监测的填料主要是砂岩、泥岩、砂卵石等，而涉及黄土填料的高等级公路路基情况少见文献报道。本文通过对山西省太原市东中环太行路工程阎家峰路段的黄土填料高填方路堤进行现场原位沉降监测，结合室内黄土试验，主要开展了以下几个方面进行研究：（1）对实际工程进行长期原位监测，监测时间从2013年11月15日开始至2014年11月16日结束，沉降监测历时一年。在获得高填方路基沉降变形数据后，研究高填方路基原地基和填方体各层填土的沉降规律，并探讨各种因素对高填方沉降的影响。（2）结合实测高填方沉降数据，对高填方数据进行回归分析并拟合曲线。根据拟合的规律及工程经验，提出量化预测高填方工后沉降的方法，为指导类似工程提供可靠的试验数据及理论依据。（3）在高填方监测路段采用人工开挖的方式采取回填黄土以及原状黄土，分别进行室内试验研究，研究原状黄土以及回填黄土各项性质的差异与联系，可以给类似工程的黄土填料控制及处理作为参考。18 太原理工大学硕士研究生学位论文第二章黄土高填方路基工程研究背景本文以山西省太原市东中环太行路工程阎家峰路段的黄土填料高填方路堤为研究对象，而高填方施工路段阎家峰路段在工程施工上与一般路基施工有所差异，下面就阎家峰路段施工中的特殊性及工程技术问题做简单的介绍。2.1阎家峰路段高填方路堤的工程特殊性2.1.1施工方法的创新性传统的高填方路堤处理方法一般是采用振动、冲击压路机分层铺土、分层碾压，该类方法要求路堤在施工完毕后经过较长（一般是6至12个月）的预压沉降期才能进行路面铺筑，在工期要求紧张的道路工程中明显不能满足工期的要求。再者，这些传统的高填方处理技术，在处理超高黄土填方体时的效果并不理想，而且有些有效工艺在使用过程中，或受到场地因素等限制，不能满足设计要求。本工程采用一种可以消除或尽量减少施工后路堤沉降变形的用于黄土地区高填方路堤的综合压实方法。其具体实施步骤为：（1）土质地基表面清表30cm并超挖2m，超挖后土基采用重锤夯实处理下层地基，有效处理深度不小于1m；（2）夯实后的土基通长铺筑1m厚6%灰土并压实；（3）铺筑灰土后，素土分层填筑压实，每层填筑厚度不大于300mm，压实采用18t振动压路机以4km/h的走速碾压，压实系数不小于96%；（4）每填筑3m采用重锤夯实补强一遍；（5）素土回填至路床下1m处，路床下1m内回填6%灰土并压实。具体实施时，本发明对路基填料（6%灰土、素土）的使用应符合以下要求：1填料的强度和粒径，应符合表2-1的规定：19 太原理工大学硕士研究生学位论文表2-1路基填料最小强度和最大粒径要求Table2-1Theminimumstrengthandmaximumparticlesizeofsubgradefilling填料最小强度（CBR）（%）填料应用部位填料最大粒径高速公路、一级（路面底标高以下深度m）二级公路三、四级公路（mm）公路上路床（0～0.30）865100路下路床（0.30～0.80）543100堤上路堤（0.80～1.50）433150下路堤（＞1.50）322150零填及挖方（0～0.30）865100路基（0.30～0.80）5431002实施步骤（2）中铺筑6%灰土前，先对土壁松动土、植被进行清理，全面清理厚度不小于50cm。3步骤（3）素土填筑压实过程中，在填方区一层素土填料上料完成后，按层厚30cm的填筑厚度，采用大型履带式推土机初步摊平，对于机械无法到达的边角处人工找平，并在初步摊平后的素土填料上来回碾压，完成初步压实；每层初步压实完成后，形成路拱形成排水。4步骤（4）重锤夯实的遍数为3遍，前两遍为按梅花形布置的间隔点夯，最后一遍是满夯，同一点处的夯击数为5至6击。所述的梅花形布置如图2-1所示，第一遍夯击1号主夯点，第二遍夯击2号副夯点。具体实施时，重锤夯实两遍之间的间歇时间为3～7天（可取3、5或7天）20 太原理工大学硕士研究生学位论文图2-1夯点布置图Fig.2-1Tampingpointarrangementpicture这种专门适用于黄土地区高填方路堤的综合压实方法，在传统振动压路机压实工艺的基础上结合重锤补夯的施工工艺，不仅缩短了预压沉降期，还有效地消除了黄土的湿陷性，同时达到缩短工期、节约成本以及消除或尽量减小工后路堤沉降变形的目的，方法实用，效果明显，安全可行。2.1.2施工条件及环境限制太行路工程是典型的高填方路基工程，最大的填方高度达到了30米，而且场区内都是地基土和高填方填土都是湿陷性黄土，此工程的建设施工规模大，工程地质庞杂难处理，填方量高，工期要求紧急，工程建设难度大，具体表现体现在：1场区内地质条件复杂。本工程建设地处于黄土丘陵区域，梁、峁及冲沟纵横交织，很大可能有滑坡等地质灾祸发生，土层成因多样，沉积年代和沉积情况各异。为了公路建设需求，不得不进行深挖高填，进一步加重了工程地质条件的复杂性，因此不但存在差异性沉降、边坡稳定问题，而且可能因地形地貌的转变，使水文地质条件发生变更，若是处置欠妥，可能发生湿陷、冲刷、水毁等问题，应引起设计人员和工程技术施工人员的密切关注。2工后沉降变形问题。高填方地基必定存在地基沉降与不均匀沉降问题。本工程填方高、荷载大，原地基和填筑体本身的沉降均较大，加之湿陷性地基条件，沉降控制掌21 太原理工大学硕士研究生学位论文握难度极大。怎样采取有效而又经济的工程措施，减少地基沉降，控制工后残剩沉降，是本高填方工程建设的核心技术难题之一。必须联合试验段进行分析研究，对高填方地基的稳定性作出精确的评价，提出掌握高填方地基变形的工程措施及办法。3水文地质问题。天然状态下，场区工程范围范畴内虽然没有地下水，但黄土高原的地形条件表明，地表水及径流对黄土的水土保持和地基稳定具有关键性作用。必须研究地表水下渗和径流及其对工程的影响，研究黄土边坡降雨侵蚀规律及防排水技术、研究黄土边坡漫流侵蚀规律，研究针对性的工程防护措施。4环境问题。公路工程呈狭长带状，对周围影响范围大，涉及面广。而黄土高原本来植被生态环境情况恶劣，大规模的路基施工必将会对周围自然环境情况和人文环境情况造成影响。故而施工期间，一定要统筹兼顾，布置有效的措施，保证工程环境问题得到解决。2.1.3黄土填料特性湿陷性是黄土地基特有的工程地质特性，在工程建设中，如果我们对黄土湿陷性认识不足，未能采取很好的防水措施和地基处理措施，或缺乏正确、可靠的评价，致使地基一但浸水，会使某些工程项目出现事故，如：（1）地基产生不均匀沉降，使路面产生大量裂缝，影响路面的正常使用。（2）使路面沉降过大，影响了路面的外观及正常使用。（3）使地下管道破裂，地面下陷，产生地裂缝。（4）因浸水使黄土产生湿陷、造成黄土的强度降低，致使高填方体失稳，影响周边路面和地下管道的安全。（5）因地下水位上升使黄土产生湿陷、造成黄土的强度降低，引起黄土本身或它与下伏地层接触面上的滑坡，也能使原已稳定的边坡会重新产生滑坡，使边坡上的建筑物受到破坏，人员生命受到威胁。由此可见，因黄土湿陷会产生很严重的工程事故，会给国家和人民的生命财产带来无法挽回的损失。故而对于高填方填料黄土的湿陷性的研究和处理是重要也是很必要的，同时，在达到稳定性的前提下，还要尽量的节约工程造价，保证在施工期限内顺利施工。22 太原理工大学硕士研究生学位论文2.2阎家峰路段工程技术问题2.2.1高填方地基及边坡处理1纵向高填方路基新旧路基交界处处理方法如下：路基5米以下新旧路基交界处，旧路基陡坡向内切削1m厚，将表层虚土切除，分层填筑时，加强交界处碾压。重夯补强时，交界处3m范围内满夯，降低差异沉降。路基5.0米以上新旧路基交界处，纵向搭接长度不应小于2米；分层设置蹬搭茬，每级蹬蹬宽2.0m，蹬高0.6m，坡度3%（朝向旧路基侧），每级铺设一层4.0m土工格栅，上下级格栅竖向错开2m。路基顶铺一层5m土工格栅。土工格栅要符合规范要求的质量。2路基边缘压实度处理路基施工必须按要求进行超宽填筑，碾压宽度不得小于设计宽度，便于后期边坡的削坡；在碾压的时候，不同的碾压路线有不同的碾压方式，如果呈直线段，则采用从两边到中间的方式，如果是半径较小的曲线型，则采用由内而外，纵向进退的模式进行碾压施工，横向接头重叠0.4～0.5m（可取0.4、0.45或0.5m），纵向碾压轮迹重叠0.4～0.5m（可取0.4、0.45或0.5m），振动压路机初压时采用静压，后改为振动压实。一直重复如此施工过程一直到达到标准要求或者设计文件要求的压实程度方可停止。2.2.2湿陷性黄土处理我们之所以要对黄土进行湿陷性地基处理，是为了减少或者消除黄土地基因为浸水而产生的湿陷作用，提高黄土的力学性能，这是有别于其他地基处理的地方，当然这种地基处理往往会造成黄土压缩性的降低，承载力自然也随之提高。黄土的湿陷性直接关系到工程的造价和安全，可以通过一些地基处理方法，改善土的性质，减少黄土的压缩性、渗水性等，控制湿陷的发生。常用的方法有强夯法，有效消除湿陷性土层厚度可以达到3~6m；垫层法，因地制宜但是费时费工；碾压法，利用碾压产生的冲击波使土体碾压均匀密实，但是同强夯法一样，不适用与含水量较大的情况；挤密法，通过挤密周围天然土壤的方法达到消除湿陷性的目的，这种方法经济有效，适用经济不发达的地区；预浸水法，主要用于消除自重湿陷性，但比较费工费时，较难施展。23 太原理工大学硕士研究生学位论文表2-2常用的湿陷黄土地基处理方法Table2-2Thecommonlyusedtreatmentmethodsforcollapsibleloessfoundation一般可处理(可空透)基底名称适用范围下的湿陷性土层厚度(m)垫层法地下水位以上，局部或整片处理1～3夯实强夯sr＜60%的湿陷性黄土，局部或整片3～6法重夯处理1～2挤密法地下水位以上，局部或整片处理5～15桩基础基础荷载大，有可靠的持力层≤30III、IV级自重湿陷性黄土场地，6m可消除地面下6m以下全部预浸水法以上尚应采用垫层等方法处理土层的湿陷性单液硅化或碱一般用于加固地下水位以上的已有≤10，单液硅化法加固的液加固法建筑物地基最大深度可达20本工程则采用了一种可以消除或尽量减少施工后路堤沉降变形的用于黄土地区高填方路堤的综合压实方法。具体介绍见本章2.1.1施工方法的创新。24 太原理工大学硕士研究生学位论文第三章高填方路基工后沉降变形的原位试验研究3.1工程概况本次研究课题以实际工程为依托，项目为太原市东中环路工程，又称为太行路工程，其位于太原城市中心区外东部的东山地区，公路的路线走势呈南北走向，全长约10.65km，南低北高，地形起伏较大，海拨高度800~870m。场地所属地貌单元为东山山前黄土丘陵区，其路基原土为湿陷性黄土，最大湿陷深度可达21.7米。其中阎家峰路段（道路桩号K4+000~K4+360），场区地势变化较大，采用黄土为主要填料（个别土层为灰土）修建高填方路堤。太行路阎家峰路段采用高填方路基，处理方法为强夯垫层法，具体方法为分层碾压和重锤补夯相结合的综合施工方法将黄土填料分层压实。其最大深度为29m。太行路（南中环至北中环）道路施工桩号K1+400-K11+220，全长约为9.82公里，道路建筑红线宽50米，绿线宽110m。阎家峰沟位于调线后道路桩号K4+000-K4+360段，为高填方路段。场区地势变化较大，K4+000-K4+100段，路堤填方高度约27m；K4+100-K4+360段，路堤填方高度约17m。3.2工程地质条件3.2.1地质区域划分根据设计文件，勘查范围内地基土自上而下可分为4层，依次为：第①层；人工填土（Q42ml）根据组成成分不同，又分为两个亚层：第①1层；杂填土（Q42ml）杂色，主要由砖块、灰渣、煤渣等建筑垃圾混粉土等组成。均匀性差、力学性质较差。K3+120~K3+330段分布有该层，层厚1.0m左右。第②层：湿陷性黄土（Q3eol）褐黄色，以粉土为主，含云母、煤屑、氧化铁、少量钙质菌丝，呈稍湿、稍密状态，25 太原理工大学硕士研究生学位论文具中等~高压缩性；标准贯入试验实测锤击数介于5.0~10.0击之间，平均7.4击。［fa0］=100kPa第③层：湿陷性黄土（Q3eol）褐黄色，以粉土为主，局部地段混夹粉质粘土，含云母、煤屑、氧化铁、少量钙质菌丝，呈稍湿、稍密状态，具中等~高压缩性；［fa0］=120kPa第④层：粉质粘土（Q3al+pl）颜色呈褐黄色，其内含云母、氧化铁等物质，并且钙质菌丝及结核的含量很高。其状态为可塑状态，一般情况而言，其具有中等压缩性。［fa0］=160kPa3.2.2气象、水文条件太原市地处大陆内部，距东海岸线较远，属于暖温带大陆性季风气候类型。太原市的气候特征表现为典型的大陆性气候，降雨偏少导致气候干燥，同时昼夜温差明显。在季节性气候的表现也极为显著，春季温度提升很快，夏季气候湿润且降水较多，秋季温度可能会骤降，而冬季气候干燥寒冷且持续时间较长。这是季风和环流共同作用产生的后果，每年7月～8月是降水高峰期，降水量占全年总量的60％以上，多雨年雨量曾达749毫米。冬季干燥，雨雪稀少，整个冬季土壤完全封冻。太原市的地形除了南面，其余三面皆是群山环绕，中间地带形成了冲积平原的地形地貌，整体来说地形较为复杂，大气的垂直变化量比较大，从而导致本市的地形气候具有明显特征性，东部为海拔高度在1500米以上的山地，冬季长达220天，气候相当寒冷。太原市东山地区的地下水系统依靠降水渗入补给后向山前径流，并以基岩溶裂隙水为主，其中很大一部分的径流受到纬向和边山断裂带的影响，流到东山前的观家峪和杨家峪一带之后向东方向排入娘子关岩溶水系统，只有很少一部分侧向径流排入盆地之内。3.2.3挖方区料源条件料源区黄土主要构成是新黄土即Q3黄土（晚更新世形成的黄土）和Q4黄土（全新世形成的黄土），其物理性质见本文第四章4.3~4.7。26 太原理工大学硕士研究生学位论文3.3高填方路基原位监测系统3.3.1监测目的太行路的路基原土为湿陷性黄土，一般来说在湿陷性黄土地区进行填筑施工以构成高填方为路基的公路时,通常会在具体施工前为黄土的沉降固结预留足够多的时间，以期在这段时间内完成地基的沉降，而在这段时间内装置相关的监测仪器，对高填方路基的具体沉降变形过程进行实时监测，并将得到的数据与设计预期的估算量进行比对，如发现较大沉降或不均匀沉降等异常情况及时进行反馈，以便进行分析处理,避免大事故发生。本文通过对山西省太原市东中环太行路工程阎家峰路段的黄土填料高填方路堤进行现场原位沉降监测，监测时间从2013年11月15日开始至2014年11月16日结束，沉降监测历时一年。在获得高填方路基沉降变形数据后，研究高填方路基原地基和填方体各层填土的沉降规律，并探讨各种因素对高填方沉降的影响。结合实测高填方沉降数据，对高填方数据进行回归分析并拟合曲线。根据拟合的规律及工程经验，提出量化预测高填方工后沉降的方法，为指导类似工程提供可靠的试验数据及理论依据。3.3.2监测内容及布点情况1监测的内容主要分为三部分：（1）路基原土沉降监测；（2）高填方路基压缩量监测；（3）路顶沉降监测。2布点情况根据阎家峰路段具体情况，本工程设计布置路基原土沉降监测断面5个，监测孔15个，沉降工作基点（钢管标）4个，沉降测点约60个，分层沉降管共安装约350m，磁体数共计约60个。路顶沉降监测断面8个，监测点共计16个。在路段K4+050~K4+306（长256m）分别选取5个断面做现场沉降监测试验，每个断面布设3个测孔，具体平面布置如图3-1所示。图3-1中的K1D~K5D表示路段东侧路肩5个测孔，K1X~K5X表示路段西侧路肩5个测孔，K1Z~K5Z表示路段中央位置27 太原理工大学硕士研究生学位论文5个测孔，每个测孔由上至下分别布设4个不同深度的磁环，以此对土体内部进行分层沉降监测。同时，路面监测见图3-2的监测路段路面测点分布图，图中CD1~CD8表示路段中央偏东侧有8个监测点，其中CD1、CD2、CD3、CD5、CD8分别与K1D、K2D、K3D、K4D、K5D处于同一个断面，同理CX1~CX8表示路段中央偏西侧有8个监测点，其中CX1、CX2、CX3、CX5、CX8分别与K1X、K2X、K3X、K4X、K5X处于同一个断面。图3-3描述了工程地形及测孔断面位置，由图3-3可知，测孔K1（包括K1X、K1Z、K1X）的深度最大，为31.5m。图3-1太行路工程监测路段测孔分布图Fig.3-1MeasuringholesmapoftestingsectionatTaihangroadproject图3-2太行路工程监测路段路面测点分布图Fig.3-2MeasuringpointsmapoftestingsectionatTaihangroadproject28 太原理工大学硕士研究生学位论文图3-3工程监测路段地形及测孔断面位置Fig.3-3EngineeringterrainandSectionalposition3.3.3监测方法及仪器1地基沉降监测地基沉降监测采用埋设沉降管及沉降磁环的方法进行观测。（1）安装方法沉降管外径为53mmPVC管，每段长2m，用外接头连接，接头处密封不透水，沉降管的内径为45mm。分层沉降管采用钻孔埋设。钻孔分层沉降安装示意图如图3-4。钻孔法一般埋设步骤如下：①用Φ108的钻头进行钻孔，为了达到令监测沉降的pvc管子能够顺利完整地放到底部，一般而言，可能需要钻孔的深度比需要安装的深度要更加深一点，通常情况下的施工经验和惯例为加深百分之五，也就是说，没安装10米的则多加深0.5米，同理20米则为1米，以次类推。②安装管子的联接采用外接头。③在安装磁环的时候，需要现在磁环预定的位置上方套入定位环并用螺丝固定在沉降管上，然后再将磁环套入，这样可以避免磁环在随沉降管下放入测孔是位置的无法确定，同理安装其余磁环在预定的位置，直到达到测量需求。④考虑到磁环的间距不一定是2米或者2米的倍数，这就需要调整沉降管的长度来解决，同样参考步骤3，也可以用定位环的方法来解决，但是需要注意的是，必须保证29 太原理工大学硕士研究生学位论文磁环下沉的距离足够。⑤当沉降管下放到预定的位置后，将管口的顶帽盖上，就可以开始回填了，对于钻孔的回填需要注意以下几个方面：首先是回填填料的选择，遵守就地取材的就近原原则。第二关于填料粒径的方面，不能选择粒径过大甚至含有大块石子的填料，这样可能会卡在管子和孔壁之间，造成很大的孔隙。第三是回填速度的问题，不能速度过快，这样会形成堵塞并使得填土无法很好的填充下部的钻孔。填完后，需要对沉降管周围进行一定的保护措施，避免沉降监测设施被破坏的同时也是为了形成一个相对稳定的沉降环境。⑥管口应高出地平面50～100cm，并加以保护。⑦回填结束后待稳定一段时间，进行初次观测。首先测出管口高程，然后从管口用沉降仪进行首次观测，首次测试应进行2～3次，取这几次的平均值为原始数据，并做好记录。根据沉降仪的读数计算出各磁环的高程，此高程即作为该磁环的初始高程。图3-4钻孔分层沉降安装示意图Fig.3-4Thedrillinginstallationdiagramoflayeredsettlement30 太原理工大学硕士研究生学位论文（2）测点布置各测点具体布置位置见下表3-1所示。表3-1各监测断面测点布置表Table3-1Thelayouttableformonitoringsectionofmeasurementpoint填方高度桩号观测孔编号测点编号测点深度（m）测点数量（个）（m）D1-1-101D1-1-231K1-1D1-1-3161D1-1-4291D1-2-10130D1-2-231K4+050K1-2D1-2-3161D1-2-4291D1-3-101D1-3-231K1-3D1-3-3161D1-3-4291D2-1-101D2-1-231K2-1D2-1-3131D2-1-4231D2-2-101K4+08524D2-2-231K2-2D2-2-3131D2-2-4231D2-3-101K2-3D2-3-231D2-3-313131 太原理工大学硕士研究生学位论文填方高度桩号观测孔编号测点编号测点深度（m）测点数量（个）（m）D2-3-4231D3-1-101D3-1-231K3-1D3-1-310.51D3-1-4181D3-2-101D3-2-231K4+12019.5K3-2D3-2-310.51D3-24181D3-3-101D3-3-231K3-3D3-3-310.51D3-3-4181D4-1-101D4-1-231K4-1D4-1-3101D4-1-4171D4-2-101D4-2-231K4+19018K4-2D4-2-3101D4-2-4171D4-3-101D4-3-231K4-3D4-3-3101D4-3-4171D5-1-101K4+30618K5-1D5-1-23132 太原理工大学硕士研究生学位论文填方高度桩号观测孔编号测点编号测点深度（m）测点数量（个）（m）D5-1-3101D5-1-4171D5-2-101D5-2-231K5-2D5-2-3101D5-2-4171D5-3-101D5-3-231K5-3D5-3-3101D5-3-4171（3）观测方法磁环的沉降量用钢尺分层沉降仪进行观测，目前使用的仪器型号JTM-8000，生产厂家为常州金土木工程仪器有限公司。使用的方法是将测量尺的金属探头从管口放入，逐渐下降到底部后，慢慢向上拖拉尺身，在金属探头经过有磁环的位置时，其报警器会发出长鸣，若在环境噪音干扰较大的情况下，还可以根据测量尺上电压表的突变来测定磁环距离管口的位置远近。每测点应平行测定两次，读数误差不得大于2mm。测量前需要用水准仪定位管口处的高程，然后根据测量的每个磁环的相对位置，换算出各个磁环的此次绝对高程。（4）计算方法计算公式式中：ho―管口的高程，m；△h―某磁环到管口的距离，m；33 太原理工大学硕士研究生学位论文h―该磁环的高程，m；磁环的高程变化即为该位置土体的沉降量，精确到1mm。2路顶沉降监测路顶沉降监测采用中纬数字水准仪ZDL700、条码尺、尺垫等，以三等水准精度要求施测（基点校核时采用二等水准）。由水准工作基点引测各沉降测点高程，监测点初始高程应取两次测量均值，一定时段内测点高程的变化即该时段内测点沉降量，每次观测测点高程变化时，应该固定测站。二等水准测量每千米高差全中误差为2.0mm，闭合差限差应≤4L（L为水准路线长度），三等水准测量每千米高差全中误差为6.0mm，闭合差限差应≤12L（L为水准路线长度）。3监测仪器（1）原地基变形监测：竖向位移（即沉降）监测采用ZDL700数字水准仪。（2）内部变形监测：竖向位移（即沉降）监测采用JTM-8000分层沉降仪结合JTM-H8800A沉降磁环及PVC沉降测管测量。（3）路顶变形监测：竖向位移（即沉降）监测采用ZDL700数字水准仪。监测用主要仪器及型号见表3-2和图3-5.表3-2主要仪器设备情况Table3-2Themaininstrumenttable仪器编仪器名称型号单位数量生产厂家号1数字水准仪ZDL700台1中纬2分层沉降仪JTM-8000台2常州金土木3沉降磁环JTM-H8800A个若干常州金土木4沉降测管PVC管根若干常州金土木34 太原理工大学硕士研究生学位论文（a）数字水准仪（b）分层沉降仪（c）沉降测管（d）沉降磁环图3-5主要原位监测仪器Fig.3-5Themainmonitoringinstruments3.4监测结果分析3.4.1工后沉降组成分析1纵向对比（沿K4+050-K4+306方向）高填方路堤工后总沉降S可以认为由原地基工后沉降S1和填方体工后沉降S2组成，即S=S1+S2。本次高填方路堤工后沉降原位监测从2013年11月15日开始至2014年11月16日结束，沉降监测历时一年。现监测路段路段K4+050~K4+306上五个断面中央测点得出沉降监测结果如图3-6的（a）~（e）图所示，沉降量为“-”表示土层向下发生沉降位移。表3-3列出各个断面的最终（2014年11月16日）沉降结果。35 太原理工大学硕士研究生学位论文（a）K4+050断面（填方30米）（b）K4+085断面（填方24米）36 太原理工大学硕士研究生学位论文（c）K4+120断面（填方19.5米）（d）K4+190断面（填方18米）37 太原理工大学硕士研究生学位论文（e）K4+306断面（填方18米）图3-6路基沉降随时间变化图Fig.3-6Foundationsettlementcurveovertime表3-3最终沉降位移值Table3-3Thefinalsettlementvalue原地基沉降量/总断面总沉降量/mm填方体沉降量/mm原地基沉降量/mm沉降量/%K4+05030.6127.493.1210.19%K4+08525.6223.242.389.29%K4+12020.2618.391.879.23%K4+19016.2314.721.519.30%K4+30613.4412.041.410.42%从表3-3的统计结果可以看出，填方30米的K4+050断面上原地基沉降量占总沉降10.19%左右，填方24米的K4+085断面上原地基沉降量占总沉降9.29%左右，填方19.5米的K4+120断面上原地基沉降量占总沉降9.23%左右，填方18米的K4+190断面和K4+306断面原地基沉降量约占总沉降分别是9.30%和10.42%，可见对于工后沉降而言，填方体的沉降占地基总沉降的90%以上，造成总沉降的主体为填方体沉降。38 太原理工大学硕士研究生学位论文从图3-6的（a）~（e）图中曲线的变化趋势可以看出，填方体随时间的沉降速率总体上呈先大后小的特性，大约在240天后沉降值逐渐趋于稳定。从图3-6和表3-3的曲线和数据中还可以看出，填方高度对工后沉降有较大影响，填土高度越小，路基顶面总沉降越小，且总沉降中原地基所占的比例一般也越小。简单来说，土体的主要沉降来自于土体自身的固结沉降和由蠕变产生的沉降，填土高度越高，产生的自重应力就大，沉降自然越大。2横向对比（沿X-Z-D方向）本次测量在K4+050~K4+306路段方向上共取了五个断面，每个断面设三个测点，分别是KiX，KiZ，KiD，i代表某个断面，X，Z，D分别代表西侧路堤，中部路堤和东部路堤，三者基本处于一条水平线上。下图3-7~3-8分别是K4+120断面和K4+190断面上的横向对比图。图3-7K4+120断面（K3）横向对比图Fig.3-7ThetransversecomparisonchartofK4+120section(K3)39 太原理工大学硕士研究生学位论文图3-8K4+190断面（K4）横向对比图Fig.3-8ThetransversecomparisonchartofK4+190section(K4)从3-7~3-8图中可以看出，工后沉降初期，西侧、中央和东侧路堤填方体沉降量相差不多，没有明显的差异。但是到工后沉降后期，可以明显看出，填方体沉降量有西侧>中央>东侧的趋势。这说明，即使路堤的填方量等因素都相同，还是有可能出现差异沉降。3.4.2填土内部沉降变化K4+050断面是监测路段填方高度最大的一个断面，其填土高度达到30米。以下以K4+050断面的监测数据为例，研究高填方路堤各土层的沉降规律，并就其产生的原因及影响因素进行分析。图3-9为监测用PVC沉降管及沉降磁环的布置图，图中第一层填土是指原地基和最下方磁环间的填方土体，其余以此类推。为了更好地比较各土层的沉降效果，针对K4+050断面分别计算出路堤各土层的单位沉降量（单位厚度的沉降量）。40 太原理工大学硕士研究生学位论文图3-9分层监测装置布置图Fig.3-9Layoutofthelayersettlementmonitoring1各土层沉降变化图3-10绘出该断面K1D、K1X、K1Z三孔处各土层的单位沉降量随时间的变化曲线。通过对图3-10中各孔处的沉降数据进行比较，同一个断面上发生最大沉降的是中心路堤（对应孔K1Z处）。从图3-10中数据可以明显看出，各孔处第二层和第三层填土的单位沉降量普遍偏大，这两层填土平均距离路面分别为10米和23米。由于路堤是分层填筑压实的，可以认为第二、三层填土偏大的工后沉降主要是由尚未完成的固结沉降和蠕变组成。相对的，第四层和第一层填土的单位沉降量则较小。究其原因，第一层填土由于处于最下层，在较大的自重应力作用下该土层的固结沉降在施工期间已基本完成，则表现为工后沉降较小。同理，第二层填土的的固结完成度要大于第三层填土，同时由于深度的原因，受外界附加应力影响也要小于第三层填土，故而造成第三层填土的单位沉降量最大，第二层填土次之的结果。而第四层填土处于最上层，土层厚度仅3米，由于施工工艺的需要，第四层填土的顶部是由含有6%生石灰的灰土混合填料来进行回填的。在压实度相等的情况下，灰土的压缩模量会明显高于素填土（黄土），因而第四层土亦表现出工后沉降较小的现象。正因如此，第四层和第一层填土的单位沉降变化曲线也较为平缓，没有明显的阶段划分。41 太原理工大学硕士研究生学位论文（a）K1D路堤（b）K1Z路堤42 太原理工大学硕士研究生学位论文（c）K1X路堤图3-10各土层单位沉降量随时间变化图Fig.3-10Theunitsettlementofeachsoillayerovertime2土层沉降曲线特征分析图3-10中的四层填土尤其是第二、第三层土的单位沉降量曲线，明显可以分为四个阶段，分别是第一阶段（约25天~90天）、第二阶段（约90天~150天）、第三阶段（约150天~240天）和第四阶段（约240天~365天）。第一、三阶段曲线明显下降迅速，第二阶段则趋于平缓略有下降，第四阶段曲线趋于平缓。第一阶段是道路开始通车的阶段。东中环道路车流量非常大，行车速度约在60千米/小时。车辆荷载对路基的沉降计算影响深度一般在6~10米，且车辆行驶速度越大，车辆荷载影响深度越小。第三层填土恰好在深度影响范围内，在车辆荷载作用下土体中的残余应变以及车辆荷载这种可变荷载引起的孔压消散产生的固结变形是第一阶段曲线形成的主要原因。所以第一阶段曲线明显下降主要是由于车辆荷载的影响。第二阶段恰处于太原的冬季，测量时发现地表土有冻结，第三阶段则已逐渐消融。据悉，太原市当年冬季降水较多，图中曲线第二阶段平缓中微有下降应该是土中水分结成冰后填充了层间孔隙，扩大了土颗粒的间距，导致土颗粒的相对移动，宏观则表现为路堤填土下沉平缓甚至有微量的上涨（由其它测点可知）。在第三阶段中，土中冻结冰的融化增加了土中的含水量，导致超静孔隙水压力作用，而后在自重和外荷载作用下由43 太原理工大学硕士研究生学位论文于固结而产生比较剧烈的沉降，在此固结过程中，土中水会渐渐排出。总之，第二和第三阶段的曲线特征应该分别吻合季节性土的微冻胀、解冻固结现象。第四阶段的测量时间距离竣工有近一年，固结沉降和蠕变引起的沉降都基本完成，在外部环境因素比较稳定的条件下四层填土的该阶段曲线基本都趋于水平。第四阶段涵盖了太原市的雨季，在此阶段填方体的四层填土都没有明显的沉降，证明该分层碾压和重锤补夯相结合的综合压实方法可有效降低黄土填料（个别土层含灰土）高填方的工后沉降，且大约在工后240天以后（即第四阶段以后）趋于稳定。3.4.3时间因素对沉降的影响分析对照图3-6与图3-10中的数据，高填方路堤整体、填方体以及各层填土的沉降均随时间呈现阶段性增长，并最终趋于稳定。假设在时间段内，发生工后沉降，则定义沉降速率。下图3-11描述了K4+050~K4+306断面沉降速率随时间的变化。从图中可以看出，高填方路堤整体和填方体的沉降速率随时间的波动很大，总体趋势是早期沉降速率较大且不稳定，大约在工后240天之后逐渐趋于稳定。且二者的沉降速率随时间波动规律基本一致，原地基的沉降速率则比较稳定，在靠近0值的附近波动，即高填方路堤整体的沉降速率是由填方体主导的。再者，填方高度较大的K4+050断面沉降速率比K4+190断面的沉降速率波动要剧烈很多，可见填方高度与沉降速率随时间波动的振幅呈正相关。44 太原理工大学硕士研究生学位论文（a）K4+050断面（填方30米）（b）K4+085断面（填方24米）45 太原理工大学硕士研究生学位论文（c）K4+120断面（填方19.5米）（d）K4+190断面（填方18米）46 太原理工大学硕士研究生学位论文（e）K4+306断面（填方18米）（f）K4+050~K4+306断面47 太原理工大学硕士研究生学位论文（g）K4+050~K4+306断面图3-11工后沉降速率曲线Fig.3-11Post-constructionsettlementratecurve3.4.4填土高度对沉降的影响分析结合图3-6、表3-3中各测点数据可知：路基总沉降、填方体沉降、原地基沉降以及原地基沉降占地基总沉降的比例四者与填土高度皆成正相关关系。设平均沉降速率为，填土高度为，以K4+050~K4+306路段的五个断面中央路堤的平均沉降速率为例，对填方体的平均沉降速率与填土高度进行线性拟合，拟合线性相关系数R2=0.9874，拟合度极高，拟合趋势线结果如下图3-12所示。由此可知，填方体的平均沉降速率与填土高度线性相关，填方体的平均沉降速率与填土高度的关系可以用下式（3-2）描述：式中，s代表高填方路堤填方体的平均沉降速率，单位为mm/d，H代表高填方路堤填方体的填筑高度，单位为m。48 太原理工大学硕士研究生学位论文图3-12s-H拟合曲线Fig.3-12s-Hfittingcurve3.4.5地形因素对沉降的影响分析K4+190和K4+306断面在施工条件、工艺、填土高度等条件基本相同的情况下，填方体的工后沉降量有所差异，如图3-13所示。K4+306断面的填方体工后沉降量比K4+190断面的要小18.21%，经分析认为是二个断面所处的地形不一样导致了工后沉降的差异。如图3-3的高填方地形图所示，K4+190断面处于较为平缓的斜坡上，这种地形会产生较大的水平侧向位移，导致沉降较大；K4+306断面则处于槽型沟中，且两侧壁较陡起到“围箍”作用，从而限值了水平侧向位移，其沉降也较小。故而，地形也是对高填方工后沉降产生较大影响的一个重要因素。49 太原理工大学硕士研究生学位论文图3-13沉降量随时间变化图（H=18m）Fig.3-13Settlementchangesovertime（H=18m）3.5小结结合实际工程，对黄土填料高填方路堤进行现场原位沉降监测试验，研究了高填方路堤的沉降规律及影响因素，结论如下：（1）造成高填方路堤总沉降的主体是填方体的沉降；填方体的工后沉降主要由未完成的固结沉降和蠕变形成，并受车辆荷载及季节性冻土冻胀融沉的影响。（2）填方体各层填土的沉降随时间呈现阶段性增长，并大约在工后240天之后趋于稳定。工后沉降后期，同一断面上的填方体出现差异沉降，沉降量基本符合西侧>中央>东侧。（3）填土高度是影响高填方路堤工后沉降的重要因素，填土高度越小，路基顶面总沉降越小，且总沉降中原地基所占的比例也越小；填土高度与填方体的平均沉降速率线性相关。（4）地形是填方体工后沉降的又一重要影响因素，位于槽型沟的填方体工后沉降量小于位于平缓地形的填方体。50 太原理工大学硕士研究生学位论文第四章高填方路基的工后沉降反演分析及预测4.1工后沉降曲线拟合由前文分析可知工后沉降量随时间并不是简单的线性关系，且高填方路堤的整体沉降是由填方体的工后沉降主导的，因此以K4+050断面数据为例分别采用线性、指数、对数和幂函数的回归分析对实测填方体的工后沉降进行曲线拟合，各拟合曲线见图4-1的（a）~（d），拟合结果见表4-1。表4-1拟合曲线模型及参数Table4-1Fittingcurvemodelsandparameters模型数学表达式回归参数线性y=ax+ba=0.0752，b=6.2816指数y=keaxk=6.5641，a=0.0053对数y=aln(x)-ba=10.064，b=29.76乘幂y=kxak=0.384，a=0.7694(a)线性拟合曲线51 太原理工大学硕士研究生学位论文（b）指数曲线拟合（c）对数曲线拟合（d）乘幂曲线拟合图4-1填方体工后沉降与时间关系拟合曲线Fig.4-1Fittingcurveoffillingaboutpost-constructionsettlement52 太原理工大学硕士研究生学位论文从图4-1的（a）~（d）可以看出，以K4+050断面数据为例的四种曲线拟合拟合误差各有不同。线性拟合随时间一直保持一定速率增大，明显不符合填方体沉降规律，这也是在前文已经验证过了的。对数曲线是四种拟合曲线中最贴近实测数据的一种，R2值最小，对数拟合前期曲线较陡，变化量大，后期逐渐趋于平稳，不在有大的变化。指数拟合曲线形状与对数拟合曲线相类，变化规律却相反，随着时间的推移，变化量会越来越大。乘幂拟合曲线虽然在前期与实测数据较为贴近，但后期变化趋势与实测数据不符，也不能作为对高填方体工后沉降变化的预测参考。也就是说，对于高填方体，对数曲线与实测值最为近似且变化规律与实际相符，即填方体工后沉降与时间呈对数关系，其能近似描述填方体的沉降趋势，为初期沉降较大，且变化较快，后期沉降逐渐变小且将趋于平稳。4.2填方体工后沉降估算根据上述分析可知，填方体工后沉降量与时间呈对数关系，结合工程经验，可用下式对填方体的工后沉降进行估算与预测：式（4-1）中，t0为竣工时间，令竣工后时间，时间段内发生的工后沉降量为S，填土高度为H，μ为常数，μ的取值与填料性质和施工时填筑方式有关。53 太原理工大学硕士研究生学位论文（a）（b）图4-2工后沉降与时间的关系Fig.4-2Relationshipbetweenpost-constructionsettlementandtime由前文所述，可以认为填方体工后沉降量与时间呈对数关系，在如图4-2（a）中，分别取填方体工后沉降量和时间对数作为横坐标和纵坐标对数据进行线性分析。本工程中填方体（以K4+050断面数据为例）的工后沉降量S与时间对数线性相关，且，相关性非常良好。再在如图4-2（b）中，分别以填方体工后沉降量与填方高度的比值S/H和间对数作为横坐标和纵坐标对数据进行线性分54 太原理工大学硕士研究生学位论文析，可以看出，沉降量与填方高度比值S/H与间对数之间存在线性相关函数。由此可以认为，式（4-1）基本成立，同时参考国内外多个高填方工程检测数据，可以取。因此，式（4-1）可作为填方体工后沉降的预测公式，可为类似工程提供参考下面以监测结束的日期作为一个界限，将推测公式（4-1）的变形式（4-2）作为预测公式，计算监测结束日时的计算沉降量与实测沉降量进行对比。下表4-2记录了K4+050~K4+306各个断面在2014年11月16日时的计算沉降量和实测沉降量值。表4-2各断面沉降量Table4-2ThesettlementofEachsection断面K4+050K4+085K4+120K4+190K4+306实测填方体沉降量/mm27.4923.2418.3914.7212.04计算填方体沉降量/mm27.9022.3218.1416.7416.74从表4-2中的实测值和计算值对比来看，断面K4+050~K4+120的误差很小，都低于3%，而断面K4+190和断面K4+306的误差则较大。这说明本公式具有一定的实际意义，可以用来对黄土高填方路堤沉降值进行预测，结果较为准确，但缺点是公式无法涵盖到地形因素的影响，致使部分断面的计算沉降量不是很准确。可以采用建立地形影响因素数据库的方法，采集各个地形条件下高填方的沉降量，结合本公式导出地形影响因子，此后，可以根据不同的地形选用不同的影响因子，修正公式在不同地形条件下对填方体工后沉降量预测的偏差。55 太原理工大学硕士研究生学位论文56 太原理工大学硕士研究生学位论文第五章压实黄土变形指标的室内试验研究5.1研究背景及问题提出由于高填方多是半挖半填的施工模式，有就近就地选择填料的特点，故而高填方填料有很大的地域性。作为世界上最大的黄土高原，以黄土为主要填料的高填方研究具有广泛的实用性。针对于高填方黄土，目前的研究有对压实黄土的直剪试验，单轴压缩试验，入渗试验、湿陷性试验和一维压缩试验等，对非饱和重塑黄土的变形特性等静力学方面的研究。动力学方面的研究主要有动荷载下黄土的工程特性和微观结构，GDS动三轴仪试验等。关于黄土的独特的工程性质湿陷性，国内外已经有了很多的试验研究，也是成果丰硕，但是研究多侧重于原状黄土，对于用于回填的重塑黄土，研究不多且在评价方面也没有达成共识。本章的试验研究是在高填方监测路段采用人工开挖的方式采取回填黄土以及原状黄土，分别进行室内试验研究，研究原状黄土以及回填黄土各项性质的差异与联系，重点在压实黄土变形指标试验研究，可以给类似工程的黄土填料控制及处理作为参考。5.2试验准备5.2.1样品的采集及种类本次实验研究所采集样品种类主要有两类：原状黄土和填方后的黄土。原状黄土的作为试样Ⅰ，其主要构成是新黄土即Q3黄土（晚更新世形成的黄土）和Q4黄土（全新世形成的黄土），其性质就是填料的性质；回填黄土作为试样Ⅱ，是通过人工开挖探井的方式取土，由于填方土经过夯实和碾压故而性质有所变化，可以认为是高填方路基土的性质。两类试样均取自阎家峰高填方路段K4+050~K4+306，均有样品若干。5.2.2样品物理性质指标测定土的物理性质可以一定程度上反应土的组成物性质和三相比例指标（固相颗粒、液相水和气相气体），又能在一定程度上决定土的力学性质，是土的一项基本工程特性。57 太原理工大学硕士研究生学位论文土的物理性质指标又有两种方法获得：一种是由室内试验直接测定，如含水量、密度等；一种是由试验测定指标通过换算得到，如孔隙比、干重度等。5.2.2.1试验原理及步骤本次准备试验测定土的物理性质指标主要含水量试验、密度试验以及液塑限含水量试验，含水量试验采用烘干法，密度试验采用环刀法[75]，液塑限含水量试验采用联合测定仪法。1含水量试验实验原理：含水量是指土中的水的质量与土的质量的比值，即土样在维持105℃的烘箱内烘至恒重时所失去的质量与恒重时干土的质量之比，并用百分数的形式表示，就是含水量。可以用下式（5-1）计算土的含水量：式中，w代表土样的含水量，代表湿土质量，单位为克（g），代表烘干后干土质量，单位为克（g）。试验步骤：（1）称取铝盒质量记为m，取适量的土样装入铝盒内，盖好盒盖后称重，其质量记为ms，铝盒与土样的质量减去铝盒的质量就是湿土质量，即m1=ms﹣m；（2）将铝盒盖打开置于盒底，然后将装着土的铝盒置于烘箱中，烘箱温度设置为105℃~110℃，烘至恒重，本试验所用黄土属于粉质粘土，一般10小时~12小时烘干即可；（3）将铝盒取出烘干箱，并盖好盒盖，冷却至室温后称重，记为m2，此时的铝盒加干土的质量减去铝盒的质量就是干土的质量，即m0=m2﹣m。注：本实验所用称重器精确度为0.001g。本试验至少进行两次平行试验，误差在允许范围内。2密度试验本次密度试验所测密度包括土的天然密度和干密度。试验原理：单位体积的土的质量就是土的密度。将土样充满给定的容器（如环刀），平整后记为体积V，然后称量该体积V的土体质量，采用下式（5-2）来计算土的天然58 太原理工大学硕士研究生学位论文密度：式中，代表土样天然密度（湿密度），单位为g/cm3，m1代表环刀和土样的质量，单位为克（g），m0代表环刀的质量，单位为克（g）。土的干密度是单位体积土颗粒（固相）的质量。可以用下式（5-3）来计算土的干密度：式中，代表土样的干密度，单位为g/cm3，代表土样天然密度，单位为g/cm3，w代表土样含水量。试验方法：（1）取标准圆环刀一枚，称取其质量记为m0，在环刀内壁均匀涂抹一薄层的凡士林；（2）平整土样表面，将环刀刀口朝下置于土样之上，徐徐削去环刀外围的土，一边削一边压，使土样保持天然状态充满环刀内，直到土样上表面高于环刀顶部，将环刀带土取出，使土样上下表面均高于环刀两侧，最后将两端多出的土样削平；（3）将环刀外侧壁擦拭干净，称取环刀与土样的重量，记为m1。注：本次试验采用的环刀为不锈钢材料制成，内径为61.8mm和79.8mm，高度为20mm。采用的称重仪器精确度为0.001g。本试验至少进行两次平行试验，误差在允许范围内。3液塑限试验试验原理：在不同的含水量条件下，土的物理性状有所不同，抗剪强度也有所不同，二者都有含水量存在某种联系，前者以搓条法为代表，而后者以液塑限联合测定仪为代表。自Hansbo[86]在1957年总结在锥角和质量不同的条件下，锥入深度与土体不排水剪切强度之间的的关系。可以对比剪切强度和含水量的关系，从而得到锥入深度和含水量的关系，最终得到土体的液塑限值。试验设备：光电式土壤液塑限联合测定仪及其示意图如下图5-1所示，测定仪的结59 太原理工大学硕士研究生学位论文构包括8个主要构件，1)底脚，2)底座，3)升降座，4)螺杆，5)圆锥仪，6)光学系统，7)机架，8)读数窗。当装好土样的试杯防在升降座上，提上圆锥仪，旋转螺杆使升降座上升，土样表面和锥尖刚好接触时，指示灯亮，锥体自行下沉。圆锥仪上有玻璃刻线，经光学放大系统投射到读数窗屏上，即可读出锥入深度。图5-1光电式液塑限联合测定仪及示意图Fig.5-1Thedeterminationofphotoelectricliquidplasticlimitanditssketchmap试验步骤：（1）将土样过孔径为0.5mm筛子，分盛入三个器皿中，加入不同量的蒸馏水，用刮土刀充分搅拌均匀，加盖塑料纸密封后静置18h以上；（2）充分调匀后装入试样杯中，用刮土刀将杯口表面刮平整；（3）将圆锥仪吸附于仪器的磁铁下，并在圆锥仪侧面涂抹少量的凡士林。将装好的试样杯置于联合测定仪的升降台上，调整螺旋杆使得圆锥仪尖端接触土样表面，此时仪器灯亮；（4）使圆锥仪自由下落，5s后记下仪器读数，然后取下土样，将土样挖去凡士林后用烘干法测量其含水量；（5）至少进行三个测点的试验，使其圆锥仪的锥入深度尽量分别在15～17mm、7～9mm以及3～4mm之间。60 太原理工大学硕士研究生学位论文5.2.2.2试验结果及分析1试验所得曲线液塑限试验所得圆锥锥入深度与含水量的关系曲线如下图5-2~5-3所示，在曲线上纵坐标2mm的点对应的横坐标含水量即为塑限含水量图5-2试样Ⅰ圆锥锥入深度与含水量的关系曲线Fig.5-2Therelationcurvebetweenconepenetrationandmoisturecontentforthesample1图5-3试样Ⅱ圆锥锥入深度与含水量的关系曲线Fig.5-3Therelationcurvebetweenconepenetrationandmoisturecontentforthesample22试验结果分析讨论通过以上含水量试验、密度试验和液塑限含水量试验的研究，将所得数据和图表进61 太原理工大学硕士研究生学位论文一步处理后得到土样的物理性质指标如下：试样Ⅰ（原状黄土）：含水量为9.0%~10.9%，天然密度为1.42g/cm3~1.49g/cm3，干密度为1.28g/cm3~1.36g/cm3，孔隙比为1.0~1.1，塑限含水量为20.41%，液限含水量为24.95%。试样Ⅱ（回填黄土）：含水量为10.6%~13.5%，天然密度为1.67g/cm3~1.90g/cm3，干密度为1.51g/cm3~1.80g/cm3，孔隙比为0.6~0.8，塑限含水量为18.81%，液限含水量为24.09%。原状黄土经过挖填方，重锤强夯和碾压后，含水量有所增大，天然密度和干密度都有显著的提高，孔隙比则明显降低。由此可以看出，黄土经过夯击后土体紧密程度和密实度有所提高，土体的力学性能有所改善。从试验数据上可以看出，原状黄土和回填黄土的液塑限含水量变化不大，总的来说，回填黄土的液塑限含水量比原状黄土的略小，但小的非常有限。5.2.3样品物理性质指标研究本次研究以试样Ⅱ的5个土样为研究对象，土样1~土样5取自太行路K4+050~K4+306处各路堤，埋深1.5~2m。分别选择干密度和含水量为x值，以工程观测中各路堤顶部的最大单位沉降量为y值，绘制了二者的散点关系图，并对其进行线性拟合，拟合结果如图5-4~5-5所示。并且用回归分析的方法，求的x，y的相关系数r和相关指数R2，列于下表5-1中。62 太原理工大学硕士研究生学位论文图5-4最大单位沉降量与干密度相关关系曲线Fig.5-4Correlationcurveofthelargestunitofsettlementanddrydensity图5-5最大单位沉降量与含水量相关关系曲线Fig.5-5Correlationcurveofthelargestunitofsettlementandwatercontent63 太原理工大学硕士研究生学位论文表5-1干密度/含水量与单位沉降量相关性指标Table5-1Correlationcoefficientofdrydensity/watercontentandthelargestunitofsettlement干密度与单位沉降量关系含水量与单位沉降关系相关系数r相关指数R2相关系数r相关指数R2-0.970.940.930.86从表5-1中可以看出，干密度与最大单位沉降量的相关系数为负，呈负相关，而含水量与最大单位沉降量则是正相关，且二者|r|>0.8，相关性很强。从以上图表中可以看出干密度和含水量与路堤顶部的最大单位沉降量具有良好的线性相关性。故而，在施工中可以通过填筑体顶部的干密度及含水量来预测其最大单位沉降量（主要针对高填方路堤顶部，不包含原地基部分），并通过合理调整填筑体的干密度及含水量来控制路堤顶部的沉降量。5.3变形指标试验及分析5.3.1试验原理及方法室内固结压缩试验试验原理：土的压缩性是指土在压力作用下体积变小的一种性能，室内测定土的压缩性指标压缩系数和压缩模量Es，在侧限条件下测定每一级加载变形稳定后的Hi，结合前面试验所得到的数据，可以根据下式（5-4~5-7）来计算试样的初始孔隙比和各级压力下的孔隙比，继而得出压缩系数和压缩模量Es。压缩系数用下式（4-6）来计算：压缩模量用下式（4-7）来计算：64 太原理工大学硕士研究生学位论文上列式中，代表土样的初始孔隙比，代表各级荷载压力下的孔隙比，、、和则是其他试验所得出的参数，分别代表比重（相对密度）、含水量、天然密度和水的密度，，代表土样的初始高度，代表土样在各级荷载压力作用下稳定后的压缩量，代表土中的原始压力，代表土中的最终压力，、则分别代表、作用下压缩稳定后的孔隙比，代表压缩系数，单位是，Es代表压缩模量，单位是。试验设备：本试验所用的主要仪器设备固结仪主要由环刀、护环、水槽、透水石和加压盒盖组成，如图5-6所示。（a）单杠杆固结仪（b）固结仪示意图图5-6固结仪Fig.5-6Theconsolidationapparatusanditssketchmap其中，环刀为内径61.8mm的小环刀，内壁保持洁净和光滑，最好涂抹一薄层的凡士林。固结仪上连接的变形测量设备为精确度为0.01mm的百分表。试验方法：（1）按本章节第二部分所述环刀法取土；（2）依次将下透水石、下滤纸、装有试样的环刀放入护环并小心置于固结仪的盒中，在其上依次放置滤纸、上透水石护环和加压盒盖，调整仪器，并将加压框架对准放入加压盒盖凹孔内，调整表分表接触仪器且读数尽量偏大；65 太原理工大学硕士研究生学位论文（3）施加一定的预加力使得试样与仪器，仪器与仪表之前接触良好，并记下初始读数；（4）分级施加各级压力，压力等级为50、100、200、300、400、800、1200、1600kPa；（5）施加各级压力荷载，待百分表读数稳定后，记下各级压力荷载作用下的Hi，施加各级压力后，土样变形每小时小于0.01mm时，可以认为土样变形稳定。5.3.2试验结果及分析1绘制曲线压缩固结试验中，各级不同的压力下土样的孔隙比也不同，根据试验数据及式子（5-4~5-5），得出各级压力荷载下的孔隙比，绘制了孔隙比与压力的关系曲线即e-p曲线如下图5-7~5-8所示。(a)h=1米66 太原理工大学硕士研究生学位论文(b)h=2米(c)h=3米图5-7试样Ⅰ（原状黄土）e-p曲线（h表示土样的取样深度）Fig.5-7Thee-pcurveofSample1(Undisturbedloess)（hindicatethesamplingdepth）67 太原理工大学硕士研究生学位论文(a)h=1米(b)h=2米68 太原理工大学硕士研究生学位论文(c)h=3米(d)h=4米69 太原理工大学硕士研究生学位论文(e)h=5米(f)h=6米图5-8试样Ⅱ（回填黄土）e-p曲线（h表示土样的取样深度）Fig.5-8Thee-pcurveofSample2(Fillingloess)（hindicatethesamplingdepth）2试验结果试样Ⅰ（原状黄土）的e-p曲线如图5-7的（a）~（c）所示，其压缩系数为0.11~0.37，属于中压缩性土。试样Ⅱ（回填黄土）的e-p曲线如图5-8的（a）~（f）所示，其压缩系数为70 太原理工大学硕士研究生学位论文0.10~0.18，属于中压缩性土。试样Ⅰ和试样Ⅱ虽然同属于中压缩性土，但原状黄土的压缩系数明显大于回填黄土，也就是说原状黄土的压缩性比回填黄土的大。说明原状黄土经过回填压实后，可压缩性明显降低，土的性能明显提高。5.4室内击实试验本次试验主要是为了研究土的压实性，采用轻型击实的方法，全部试验包括含水量试验、密度试验、液塑限试验和击实实验。含水量试验、密度试验和液塑限含水量试验方法及步骤如本章5.2试验准备所述。5.4.1试验原理及步骤轻型击实试验试验原理：土的压实度可以通过测量干密度的变化来反映，采用标准击实试验用轻型击实筒容积947.4cm3，击锤质量2.5kg，落高305mm，分三层击实，每层25击，用不同含水量的土样试验后分别测得土样相应的含水率及干密度，并绘制其击实曲线。对于同一土样，在一定击实功能作用下，只有当土的含水量为某一适宜值时，土样才能达到最密实，因此在击实曲线上必然会出现一峰值，峰值点对应的横坐标和纵坐标则分别是土样的最优含水量和最大干密度。试验后可以用下式（5-8）来计算土的压实度。式中，代表土的压实度，用百分数来表示，代表现场土质材料压实后的干密度，代表标准击实实验测得最大干密度。试验步骤：（1）将土样过孔径为5mm筛，并根据测得的土样塑限含水率为中心，分别调制两个大于塑限、两个小于塑限以及一个接近塑限，且相邻两个土样含水量差值为2%的五个土样，每个土样约700g~800g；（2）检查仪器并将仪器置于平整坚硬的地面上，在击实桶内部涂抹一薄层凡士林；71 太原理工大学硕士研究生学位论文（3）连接好仪器，分三层填土击实，每层25击，单位体积击实功为592.2KJ/m3，试样高度每层大致相等，且击实前刨毛两层交界处的土面；（4）取下击实桶，用刮土刀修平后，擦拭干净击实桶表面，将击实桶并土样称重，可以计算当前土样的天然密度；（5）将土样推出击实桶，取若干代表试样测定含水量，依次测试完不同含水量的土样后，绘制击实曲线。5.4.2试验结果及分析试样Ⅰ（原装黄土）的击实曲线如下图5-9所示，试样Ⅱ（回填黄土）则取三份天然密度和含水量都不相同的土样，做三次击实实验，击实曲线如图5-10所示。图5-9试样Ⅰ击实曲线Fig.5-9ThecompactioncurveofSample172 太原理工大学硕士研究生学位论文图5-10试样Ⅱ击实曲线Fig.5-10ThecompactioncurveofSample22试验结果分析讨论通过上述击实试验以及图5-9~5-10的击实曲线分析可知：试样Ⅰ击实后土样的最大干密度为1.71g/cm3，最优含水率则为12.99%。试样Ⅱ击实后土样的最大干密度处在1.83~1.9g/cm3，最优含水率则在10.5%~11.65%。对比本章5.2节所测的击实前土样的数据，可以很明显的发现经过击实，土样的密实度都得到了一定程度的提高。从图5-9~5-10的击实曲线图中可以看出，含水量过大或者过小，土的干密度都会降低。当土的含水量过大时，土中的孔隙被水分占据，这些水分既不能排出又一般不能被外力压缩，动荷载就可能被这些孔隙水压力承担，形成有效应力，导致击实效果变差。而在土的含水率过小的时候，颗粒分散，不易将相邻的土颗粒挤密，土就不容易被击实。图5-9~5-10可以明显发现，几条击实曲线以各自的峰值点为分界线，左右两边并不是对称的，而是呈现出“左陡右缓”的趋势。这就表明，当土的含水率小于最优含水率时，会更加不易被压实。因此，在填筑强夯施工中，土体的含水量不宜过低。综合考虑沉降控制，施工工序，日晒等因素，建议施工时将填料的含水率控制在12%~14%。对于含水率远大于塑限含水率的填料，应在施工前安排一定的晾晒或排水，对含水率过小的地方也要进行增湿作业。在8~10月份雨季期间，填料含水量增大，超过最佳含水率73 太原理工大学硕士研究生学位论文较多时，需要在周围做好排水工作，必要时可以暂停施工。在1月份冬季较寒冷时，填料含水量和施工质量都难以保证，也可以暂时停止填筑施工。5.5小结本章通过准备试验（包括含水量试验、密度试验和液塑限试验）、室内压缩固结试验和室内击实试验等试验，主要得出以下结论：（1）原状黄土经过挖填方，重锤强夯和碾压后，含水量有所增大，天然密度和干密度都有显著的提高，孔隙比则明显降低。由此可以看出，黄土经过夯击后土体紧密程度和密实度有所提高，土体的力学性能有所改善。回填黄土的液塑限含水量比原状黄土的略小，但差距有限。干密度和含水量与路堤顶部的最大单位沉降量具有良好的线性相关性。在施工中可以通过填筑体顶部的干密度及含水量来预测其最大单位沉降量（主要针对高填方路堤顶部，不包含原地基部分），并通过合理调整填筑体的干密度及含水量来控制路堤顶部的沉降量。（2）原状黄土和回填黄土虽然同属于中压缩性土，但原状黄土的压缩系数明显大于回填黄土，也就是说原状黄土的压缩性比回填黄土的大。说明原状黄土经过回填压实后，可压缩性明显降低，土的性能明显提高。（3）经过击实，土样的密实度都得到了一定程度的提高。含水量过大或者过小，土的干密度都会降低，不利于击实。研究还发现，当土的含水率小于最优含水率时，会更加不易被压实。在填筑强夯施工中，土体的含水量不宜过低。建议施工时将填料的含水率控制在12%~14%。对于含水率远大于塑限含水率的填料，应在施工前安排一定的晾晒或排水，对含水率过小的地方也要进行增湿作业。74 太原理工大学硕士研究生学位论文75 太原理工大学硕士研究生学位论文第六章结论及展望6.1主要研究结论1结合实际工程，对黄土填料高填方路堤进行现场原位沉降监测试验，研究了高填方路堤的沉降规律及影响因素，并提出填方体的长期工后沉降预测公式，结论如下：（1）造成高填方路堤总沉降的主体是填方体的沉降；填方体的工后沉降主要由未完成的固结沉降和蠕变形成，并受车辆荷载及季节性冻土冻胀融沉的影响。（2）填方体各层填土的沉降随时间呈现阶段性增长，并大约在工后240天之后趋于稳定。工后沉降后期，同一断面上的填方体出现差异沉降，沉降量基本符合西侧>中央>东侧。（3）填土高度是影响高填方路堤工后沉降的重要因素，填土高度越小，路基顶面总沉降越小，且总沉降中原地基所占的比例也越小；填土高度与填方体的平均沉降速率线性相关。（4）地形是填方体工后沉降的又一重要影响因素，位于槽型沟的填方体工后沉降量小于位于平缓地形的填方体。（5）填方体工后沉降与时间呈对数关系，公式可以预测填方体的长期工后沉降，μ与填料性质和填筑方式有关，本工程可取。2通过准备试验（包括含水量试验、密度试验和液塑限试验）、室内压缩固结试验和室内击实试验等试验，主要得出以下结论：（1）原状黄土经过挖填方，重锤强夯和碾压后，含水量有所增大，天然密度和干密度都有显著的提高，孔隙比则明显降低。由此可以看出，黄土经过夯击后土体紧密程度和密实度有所提高，土体的力学性能有所改善。（2）原状黄土和回填黄土虽然同属于中压缩性土，但原状黄土的压缩系数明显大于回填黄土，也就是说原状黄土的压缩性比回填黄土的大。说明原状黄土经过回填压实后，可压缩性明显降低，土的性能明显提高。（3）经过击实，土样的密实度都得到了一定程度的提高。含水量过大或者过小，76 太原理工大学硕士研究生学位论文土的干密度都会降低，不利于击实。研究发现，当土的含水率小于最优含水率时，会更加不易被压实。在填筑强夯施工中，土体的含水量不宜过低。建议施工时将填料的含水率控制在12%~14%。对于含水率远大于塑限含水率的填料，应在施工前安排一定的晾晒或排水，对含水率过小的地方也要进行增湿作业。6.2继续研究内容由于各种原因，本文只是黄土高填方课题的部分研究，无论是深度还是广度都远未完成，在目前研究的基础上，可以深入的研究的有以下几个方面：1大型剪切剪切试验包括直接剪切试验和大型直接剪切试验，抗剪强度是土体的一个非常重要的指标，而现有的研究成果表明，强度有尺寸效应存在，也就是说在进行剪切试验的时候，得到的抗剪强度的准确性会受到土颗粒粒径与仪器尺寸之间的比例（比尺）的影响，在比尺较小的时候，所得的强度值可能会偏大。但是当比尺足够大的时候，它对强度的影响微小就可以忽略不计[76-79]。在本文所进行的的初步大型直剪试验中，竖向荷载为100kPa，本次试验只取了试样Ⅱ（回填黄土）为对象做试验，土样在开始剪切后27.5min被剪坏，最大抗剪强度为98.89kPa，由于本次试验采用应变控制，步速为0.8mm/min，故而在破坏时剪切位移为22mm，具体情况如下图6-1所示。对比直剪试验与大型直剪试验的数据结果，同样在竖向荷载为100kPa的条件下，试样Ⅱ在直剪试验中测得的抗剪强度明显大于大型直剪试验中所测得的值。验证了抗剪强度受比尺效应的影响，在比尺比较小（直剪试验）的情况下，测得的抗剪强度偏大。77 太原理工大学硕士研究生学位论文图6-1剪切位移与剪应力的关系曲线图6-2剪切位移与竖向位移的关系曲线Fig.6-1RelationcurvesofsheardisplacementandshearstressFig.6-2Relationcurvesofsheardisplacementandverticaldisplacement如下图6-2所示剪切位移与竖向位移的关系曲线，随着剪切位移的匀速增大，竖向位移逐渐变小，也就是说在剪切位移增大的过程中，土块体积在竖向方向上增大了，发生了剪胀现象。剪胀现象的发生源于剪应力使得土颗粒之间的相互位置发生变化，在重新排列的过程中，使得土颗粒间的孔隙增大从而令土的体积增大。在现有的研究成果中：从Reynolds[80]发现并指出剪胀现象的存在，Casagrande[81-82]在试验的基础上验证土体摩擦角对剪胀的影响，并提出了临界孔隙比的概念，Rowe[83]又提出了应力-剪胀理论。之后，由于可以记录位移的大型剪切仪器的缺乏，Matsuoka[84]、Liu[85]等人的研究多停留在定性的描述上，此方面十分具有深入研究的价值。2水平位移高填方的位移不仅有竖向位移即沉降，还有侧向位移即水平位移。这种位移的产生是由于土体内部的孔隙和附加应力作用下的固结压缩作用并对周围的土体产生挤压的应力作用，从而导致侧向位移的发生。而客观上来说，在外部荷载的作用下，使得土体78 太原理工大学硕士研究生学位论文本身的应力状态发生了变化，从而发生了竖向位移和水平位移。在这种情况下，可以采用测斜仪来对高填方路基的水平位移进行长期监测。测斜仪可以对不同深度的土层侧向位移进行监测，得到水平偏移量以及偏移速率，探测不同深度土层可能存在的侧移滑裂面以及未来的滑移方向。利用这些数据和结论可以预估高填方可能的滑动面并指导施工填土速率，以便最大程度的降低侧移的可能和侧移量，为高填方路基稳定提供数据支持和指导。在此方面的研究实际意义重大且经验很少，非常值得深入研究。3其他方面当然黄土高填方路基问题可深入研究的方面远远不止这些，比如试验模拟的离心试验，压缩蠕变试验等和实际工程结合，探讨其中的联系，又比如利用有限元分析的方法，拟合尽可能多的参数贴近实际工程的各种工况等等。在工后沉降的公式计算方面也有很多研究工作可做，如此种种，都依赖后来的研究者努力了！79 太原理工大学硕士研究生学位论文参考文献[1]梁仕森.保证土质公路路基压实度的探讨.广西交通科技,1996，21(3)：20-23.[2]曹映.公路路基施工应注意的质量问题.露天采煤技术，2002,(5)：19-21.[3]罗良繁,李永龙.半填半挖路基的施工.水运工程,2003，(8)：69-70.[4]谭继承.半挖半填高填方路基加固施工技术.山西建筑，2004，30(3)：106-107.[5]韩字乐.沟谷高填方路基施工质量的控制.广西交通科技，1997(增刊)：31-32.[6]宋继先,姜涛,牛树伟.处理高填方路基下沉的措施.黑龙江交通科，2003,(6)：19-20.[7]邓卫东,张兴强,陈波等.路基不均匀沉降对沥青路面受力变形影响的有限元分析.中国公路学报,2004，17(1)：12-15.[8]张兴强,陈波,闫澎旺等.路基不均匀沉降对沥青路面受力变形影响的有限元分析.中国港湾建,2000，12(6)：41-44.[9]郑治,曾忠.西部地区高填方路堤沉降病害调查与分析[J].公路交通科技,2005:111-114.[10]辛平．黄土高填方路堤稳定性研究[D]．西安：长安大学，2000(5).[11]李启，张蓬勃．西宝高速公路路基病害处治分析[J]．山西交通科技．2005(3)：9-1l.[12]殷宗泽等．土工原理(第二版)[M]．北京：中国水利水电出版社，2007：60-61．[13]黄文熙．土的工程性质[M]．北京：中国水利水电出版社，1984．[14]LambeT．W．，Methodsofestimatingsettlement[J]．J．SoilMech．Found．Divison，ASCE，1964，90(5)：43-67．[15]高大钊，袁聚云．土质与土力学[M]．北京：人民交通出版社，2001．[16]罗晓辉．粘性土地基沉降计算方法分析[J]．武汉城市建设学院学报，1996，13(3)：67-72．[17]BiotM．A．．Generaltheoryofthree-dimentionalconsolidation[J]．J．ofAppliedPhys．，1991，V01．12：2-18．[18]SchiffmanR．L．，ChenA．T．F．，Ananalysisofconsolidationtheories[J]．J．ofS．M．andF．Division，SCE，1969，V01．95，No．SMl：50—70．[19]DuncanJ．M．，LimitmionsofConventionalAnalysisofConsolidation80 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太原理工大学硕士研究生学位论文致谢此时论文即将付梓，我特别真诚地想要感谢我的导师一太原理工大学巨玉文导师。硕士研究生三年以来，导师给予的关怀和帮助让我在学术和工作上皆有所得，巨老师对我的帮助也远远超出了这篇论文的范畴，因为在我成长的每一个足迹都深深地渗透着老师的辛勤的劳动和热切的关怀。自我去年小论文的完成过程中，巨老师就曾一遍一遍不厌其烦的给我指点和修改，每一次的批注中无处不渗透着巨老师的心血，严谨的科研态度和勤奋的工作作风，渊博的学术积累和远见卓识，这些都是我们终生学习的榜样。课题开始之初，是在施工现场做现场调研工作，在这里要感谢北京市政建设集团有限责任公司第三工程处对我们课题的支持。在长达一年的监测时间内，也缺少不了孙老师的帮助，在这里特别感谢孙老师，对每一次数据都极为认真的处理。在室内试验阶段，得到了贺老师的支持，让试验进行的比较顺利，对贺老师义务管理试验室的行为表示敬佩。在这里对建筑与土木工程学院的所有传道授业的老师们深鞠一躬，表示对他们无尽的谢意！这三年的学习、生活和工作中，有了老师的引导和指点，才有我一点一滴的进步，而且更明白了许多待人接物和为人处世的道理。感谢我的同门师兄师姐和师弟师妹们，在课题完成中，师兄师姐和师弟师妹都给予了很大的帮助，没有大家的支持，这个试验也不可能完成。更重要的是，同门之间团结友爱的人际关系，有一种团队在一起奋斗的感觉，在此表达我由衷的感谢。最后，向所有关心帮助我的老师、同事、同学、朋友表示由衷地感谢！86 太原理工大学硕士研究生学位论文硕士研究生期间的主要学术成果主要参与课题：黄土地区高填方路堤的重锤补夯压实技术及其相关沉降变形规律的研究主要发表论文：【1】胡颖，巨玉文，王文正，郑雪梅.高填方路堤顶部沉降及黄土填料试验研究[J].科学技术与工程,2015,15(10):235-238.【2】Y.Hu,Y.W.Ju,W.Z.Wang,X.M.Zheng,"StudyonSettlementafterConstructionfortheHighLoess-FilledEmbankment",AppliedMechanicsandMaterials,Vols744-746,pp.613-616,Mar.2015.87