超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究

分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究论文作者：冯雷学生类别：全日制专业学位类别：土木工程领域名称：交通运输工程指导教师：魏连雨职称：教授资助基金项目：河北省交通厅科技计划项目，项目编号2010048 DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterofEngineeringDegreeofCommunicationandTransportationEngineeringTHERESEARCHOFLARGESTONEFILLINGEMBANKMENTCONSTRUCTIONTECHNOLOGYbyFengLeiSupervisor：Prof.WeiLianyuOct.2014 原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（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：日期：导师签名：日期： 摘要山区路堤填筑材料缺乏，是目前山区道路修建过程中遇到的普遍问题。与此同时，开凿隧道和挖方产生的大量超大粒径块石由于粒径过大无法使用被弃置浪费，破坏生态环境。本文通过采用布放施工工艺研究超大粒径块石填筑路堤可行性，分析超大粒径块石布放的具体参数，确定了超大粒径块石的布放方案和工艺，并对其他施工工艺进行了优化。本文的主要研究内容和研究成果包括如下五个方面：（1）通过布放工艺研究超大粒径块石填筑路堤的可行性，通过实验和数值模拟研究超大粒径块石对路基压实的影响以及超大粒径块石位置对路基稳定性的影响。最终试验路现场检测和沉降观测证明含超大粒径块石路堤质量合格，超大粒径块石可用于路堤修筑。（2）通过分析室内试验和数值模拟数据得出结论，在控制超大粒径块石的间距大于夯实机具尺寸的情况下，可保证路基填料的压实。同时室内试验实验结果表明超大粒径块石周围并不存在难以压实的松散区域。（3）分析基于车辆动荷载下超大粒径块石的最小埋置深度。为保证含超大粒径块石路堤稳定性，通过研究车辆震动荷载对道路影响，确定基于动荷载影响下半刚性路面的路基工作区，来确定超大粒径块石布放时距离路基顶面的最小距离。最终确定在一般高速公路路面设计结构层情况下，超大粒径块石距离路基顶面最小高度为1.5m，即路基顶面以下1.5m范围内不能布放超大粒径块石。（4）研究超大粒径块石在路基中的布放参数，分析了超大粒径块石的最佳层位布放和填筑方式，探讨了超大粒径块石在路基中水平和竖直方向的位置关系；以边坡安全系数为指标，分析了边坡处超大粒径块石的位置对路基稳定性的影响。结合以上布放参数，在考虑施工便宜性的基础上，确定了超大粒径块石在路堤填筑中的布放施工方案。（5）针对超大粒径块石的特点，研究设计了超大粒径布放的施工工艺，优化了分层摊铺、整平和碾压等施工工艺，并对含超大粒径块石路堤施工质量的检测方法进行了研究。关键字：路基修筑，超大粒径块石，布放位置，稳定性，施工工艺I ABSTRACTItisacommonproblemduringtheconstructionofmountainousroadsthatthefillingmaterialofsubgradeinvillageislackcurrently.Atthesametime,thelargequantitiesoflargediameterrubbleproducedbytunnelingandexcavationaretoolargetobeused,hence,theyweredisposedofwasteandasaresultofcontaminatingtheecologicalenvironment.Thispaperisbasedonordinaryembankment,usingthelayingconstructionmethodstoexploretheapplicabilityoffillingembankmentinuseoflargeparticlesizerubble,andidentifiesareasonablepositionoflargediameterrubblelayingintheembankment,andproposedtheembankmentlayingconstructiontechnologyincludinglargediameterrubble.Themaincontentsandresultsofthisstudyincludethefollowingsixaspects:(1)Thestudydeterminesthefeasibilityoflargediameterrubbleforfillingembankment.ConstructionmethodsusingclothputthroughexperimentsandnumericalsimulationstudyontheimpactoflargediameterstonesubgradecompactionandtheimpactofthelargesizeofthelocationofthestoneembankmentstabilitytestingandfinalTestRoadsitecontaininglargegrainssettlementobservationproveddiameterstoneembankmentofacceptablequality,largediameterstonecanbeusedforembankmentconstruction.(2)Todrawaconclusionbyanalyzinglaboratoryexperimentandnumericalsimulationdata.Bycontrollingtheseparationdistanceoflargediameterrubblestobegreaterthanthesizeofcompactionequipment,canensurethecompactionofroadbedfilling.Theexperimentalresultsshowthatitssurroundingareadoesnotexistlooseregionwhichisdifficulttocompact.(3)Theminimumembedmentdepthanalysisofthelargesizeofrubbleunderdynamicloadonthevehicle.Toensurethestabilityofcontaininglargediameterstoneembankment,throughresearchvehicleshockloadsonroadsaffected,determinewhenundertheinfluenceofdynamicloadsonsemi-rigidpavementsubgradeworkareatodeterminelayinglargediameterstonedikefromtheroadsurfaceminimumdistance.Finalizethedesigningeneralhighwaypavementstructurelayer,thelargesizeofrubblefromtheroadsurfacetothetopII surfaceofaminimumheightof1.5m,notstonelayinglargediameterwithinthatrange1.5mbelowthetopsurfaceoftheroad.(4)Toresearchlayingparametersoflargediameterrubbleplacedintheroadbed.Afteranalysingthelayingpositionalrelationshipinverticalandhorizontaldirectionsoflargediameterrubbleembankment,andthenexplorethebestwayoflayingandfillingformsofthelargediameterstoneinconsiderationoftheconstructioneconomical.Weanalyzestheinfluenceofitsstabilityinslopepositionontheembankment.Byanalyzingthecharacteristicsofembankmentcontainingthelargediameterrubble,theauthorstudythestabilityoftheslopeinthecaseofincludinglargediameterones.Tocomparedthedifferentlocationsofthelargesizeofrubble,theauthordetermineultraolderstoneembankmentslopesliplineislayingitsbestposition.(5)Thispaperanalyzesthecharacteristicsoflargediameterrubbleanddesignitslayingconstructiontechnologytooptimizethestratifiedpaving,levelingandcompaction,etc.Thestudyalsoinvolveddetectionmethodsofembankment’sconstructionqualityincludinglargediameterrubble.KEYWORDS:roadbedfilling,largediameterrubble,layingpositionstability,constructiontechnologyIII 目录第一章绪论..........................................................................................................................11.1问题的提出.....................................................................................................................11.2国内外研究现状.............................................................................................................41.2.1超大粒径块石的工程应用及研究现状................................................................41.2.2土石混合料路堤和填石路堤施工技术研究现状................................................61.3研究意义和内容.............................................................................................................91.4研究思路和创新点........................................................................................................111.4.1研究思路..............................................................................................................111.4.2创新点..................................................................................................................131.4.3论文的主要工作和技术路线..............................................................................13第二章超大粒径块石的定义及稳定布放形态................................................................152.1工程沿线超大粒径块石的特点分析............................................................................152.2现有石料的分类情况及局限性....................................................................................162.3超大粒径块石的定义....................................................................................................192.3.1超大粒径块石尺寸界定......................................................................................192.3.2超大粒径块石岩性要求......................................................................................202.3.3超大粒径块石形状要求......................................................................................222.4超大粒径块石稳定布放形态........................................................................................232.5小结................................................................................................................................24第三章超大粒径块石布放间距研究................................................................................253.1室内试验准备................................................................................................................253.1.1实验材料选取......................................................................................................253.1.2室内试验压实效果检测方案的确定..................................................................283.2超大粒径块石布放间距分析室内试验........................................................................35IV 3.2.1实验目的及实验原理..........................................................................................353.2.2实验步骤..............................................................................................................353.2.3实验结果分析......................................................................................................373.3超大粒径块石布放间距研究分析数值模拟................................................................403.3.1数值模拟方案......................................................................................................403.3.2数值模拟结果分析..............................................................................................413.4小结................................................................................................................................43第四章超大粒径块石在路基中稳定性研究....................................................................454.1超大粒径块石稳定性研究............................................................................................454.1.1室内试验..............................................................................................................454.1.2实验结果分析......................................................................................................464.2超大粒径块石最小埋置深度........................................................................................484.2.1室内试验验证道路模型......................................................................................504.2.2现场观测车辆动荷载数据..................................................................................524.2.3汽车动荷载模型..................................................................................................534.2.4动荷载数值模拟..................................................................................................554.2.5超大粒径块石距离路基顶面的高度..................................................................574.3超大粒径块石边坡处布放位置....................................................................................584.3.1现有路堤边坡稳定性计算方法的局限性..........................................................584.3.2强度折减法分析路堤边坡稳定性......................................................................604.3.3含超大粒径块石路堤边坡稳定性分析..............................................................614.4小结................................................................................................................................63第五章超大粒径块石布放方案及施工工艺研究............................................................645.1超大粒径块石布放方案研究........................................................................................645.1.1布放位置和填筑方式..........................................................................................645.1.2超大粒径块石布放方案......................................................................................675.2超大粒径块石布放施工工艺........................................................................................715.2.1超大粒径块石的分选及数量统计......................................................................715.2.2超大粒径块石布放施工工艺及注意事项..........................................................725.3小结................................................................................................................................73第六章超大粒径块石施填筑路堤工工艺优化和检测....................................................75V 6.1含超大粒径块石路堤的地基处理................................................................................756.1.1土质地基的处理..................................................................................................756.1.2石质地基的处理..................................................................................................776.2含超大粒径块石路堤的分层摊铺和压实....................................................................786.2.1含超大粒径块石路堤摊铺、整平工艺研究......................................................786.2.2含超大粒径块石路堤压实..................................................................................796.3含超大粒径块石路堤试验段检测................................................................................806.3.1试验段瑞雷波检测..............................................................................................806.3.2试验段弯沉及承载板测试..................................................................................826.3.3检测结果对比分析..............................................................................................856.3.4含超大粒径块石路堤的沉降..............................................................................866.4小结................................................................................................................................90第七章主要研究结论和展望............................................................................................917.1主要结论.......................................................................................................................917.2进一步研究建议...........................................................................................................92参考文献..............................................................................................................................94攻读学位期间所取得的相关科研成果..............................................................................97致谢..................................................................................................................................98VI 河北工业大学硕士学位论文第一章绪论1.1问题的提出随着我国经济建设的不断发展，国家路网的建设也得到了长足的进步。仅2013年全年新建高速公路8260公里，改建339公里；新改建国省干线2.86万公里；新改建农村公路21万公里。同时在2014年两会期间中央明确指出确保农业投入只增不减，并提出改建农村公路20万公里的目标。高速公路是国家的重要战略资源，国家高速公路网的形成有利于加快建设全国统一市场，对发展生产力，增强竞争力具有十分重要的作用。我国地域广阔，是一个多山的国家，山区、山丘区面积约占全国总面积的70%。随着东南沿海地区高速公路建设的饱和，今后我国高等级公路建设的重点逐渐移向中西部等多山地区。我国山区地理条件复杂，在这种条件下修建高等级公路，在满足线形的前提下，不可避免的会出现大量的填挖方，而山区公路路基填料短缺也是多数山区公路修建中不可避免会遇到的问题。公路路基填料一般都是本着尽量就地取材的原则，故山区公路路基填料主要是挖方土石料、隧道弃方和石质弃方。所以对于山区来说，能否尽量用上挖方土石料、隧道弃方和石质弃方就显得尤为重要。因此，土石混合料路堤和填石路堤成为了我国山区高等级公路常用的路基结构形式。我国采用土石混填料和填石料修建山区高等级公路的时间不长，但随着施工技术的进步和机械工程的发展，各种先进的压实及检测技术的应用使得我国土石混合料路堤及填石路堤取得了一定的进步。2006年新修订的中华人民共和国行业标准公路路基施工技术规范（JTGF10-2006）中规定对填筑层松铺厚度，不做统一规定，强调要与工艺条件相结合，根据试验路段确定，这就给了山区高等级道路施工极大的自由，使得强夯加固等压实施工工艺迅速发展。同时规范中还规定填石路基填料粒径应不大于1 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究500mm，并不宜超过层厚的2/3，不均匀系数宜为15～20。路床底面以下400mm范围内，填料粒径应小于150mm。路床填料粒径应小于100mm。这种修订使得山区公路中大量的挖方土石料，隧道弃方及石质弃方得到了充分应用，不但节省了工程造价，也减少了弃方碓填对环境的破坏。但即使如此，山体挖方和隧道开凿也会产生大量粒径在500mm以上的石料。这些石料的常规处理方法是二次爆破解小后再用于工程施工。这些超大粒径块石产生的原因多是由于自身岩性坚硬，抗风化能力强，所以在隧道爆破及山体风化中以完整颗粒的形式保存下来，爆破解小往往难度较大，耗费工时。所以工程实际中往往出现弃置不用或是不经处理填入路堤中，造成环境污染或给路堤施工质量埋下隐患。论文研究依托工程为承赤高速承德段。承德市（东经115°54′至119°15′，北纬40°11′至42°40′）地处中国河北省东北部，山地较多，占全市总面积的80%。承德市山峦沟谷交错纵横，有高原和山地两种地貌，即坝上草原和冀北山地，总体地势西北高，程阶梯式向东南下降。承德市西北部与内蒙相接，为高原坝上地区。冀北山地从西北向东南下降依次为中山、低山、丘陵、盆地。承德南部地区属于山丘河谷河川平底地貌。承德市冀北山地在内蒙古地轴和燕山台褶带东段，褶皱断裂发育，岩浆活动频繁，由太古代至新生代各时代的底层出露较全，总厚度5.28-7.43万米，孕育着较为丰富的矿产资源。北部与内蒙古大兴安岭褶皱系为邻，构造形态以复式褶皱和断裂为主，构造活动具有长期性、继承性和多种复合的特点。东西向构造属于古亚洲断裂体系，生成时代较早，活动历史较长，奠定了本市基底构造形态。北东向构造属于太平洋断裂体系，丰宁—上黄旗构造岩浆带和平泉—喜峰口断折带均与东西向构造向斜接、交切，构成本市现今的构造格局。主要岩性为砾岩、石灰岩、花岗岩和片麻岩。承德市总体多山，道路建设难度较大，同时建筑材料也较为短缺。承赤高速公路是河北省高速公路网的重要组成路段，属于“五纵六横七条线”中的“纵一”，也是国家高速公路网中G45即大广高速（大庆-广州）的重要组成路段。承赤高速河北境内冀蒙界至承德段全长181.4公里，由主线和围场支线两部分组成。主线长111.2公里，起点为河北内蒙交界的隆化县茅荆坝乡，接内蒙古赤峰段，穿过承德隆化县、承德县、承德市内双桥区和双滦区，最终与京承高速对接。围场支线长70.2公里，起点同样为隆化县茅荆坝乡，终点与围场满族蒙古族自治县县城北国道G1112 河北工业大学硕士学位论文线相连。承赤高速承德段181.4公里中有176.4公里为新建路段，其中东营子至双峰寺5.0公里与承朝高速共线。承赤高速承德段项目总投资146.8亿元。主线采用高速公路标准建设，设计速度100公里/小时。其中，起点至东营子段68.9公里采用双向四车道，路基宽度26.0米；东营子至东园子段32.3公里采用双向六车道，路基宽度33.5米；东园子至终点段9.9公里采用双向四车道，路基宽度26.0米。同时建设围场支线，长度为70.457Km，设计标准为双向四车道高速公路，设计速度80公里/小时，路基宽度24.5米。项目全线共设隧道26座，隧道全长30676m。其中，特长隧道2座，共长8575m；长隧道8座，共长13688m；中隧道8座，共长5692m；短隧道8座，共长2721m。开凿这些隧道会产生大量石料，下表为部分标段路基填料超大粒径块石石料性质及含量调查汇总：表1.1部分标段超大粒径块石石料性质及含量最大粒径标段料源石料性质超大粒径块石含量尺寸1茅荆坝隧道洞渣凝灰岩50cm10%2挖方弃渣土石混合料60cm25%2过河口隧道弃渣凝灰岩110cm60%2过河口隧道弃渣凝灰岩110cm60%3岗子隧道弃渣花岗岩70cm15%3挖方弃渣土石混合料60cm15%8挖方弃渣土石混合料60cm20%11西平台隧道弃渣花岗片麻岩60cm20%12挖方弃渣土石混合料70cm40%13大庙隧道弃渣火山角砾岩120cm60%14挖方弃渣土石混合料60cm10%18李家营1号隧道弃渣火山角砾岩60cm15%18李家营2号隧道弃渣火山角砾岩100cm10%通过上述统计可以发现，大部分有隧道的标段都有超大粒径块石的存在，有些标段超大粒径块石数量可占总数的60%以上。通过调研可知，在修筑山区高速公路有大量挖方和开凿隧道时，会产生大量的超大粒径块石。修订的公路路基施工技术规范（JTGF10-2006）对填石路堤石料粒径规定放宽到500mm，但山区公路修建中是还有一部分挖方的石料和隧道爆破的石料粒径3 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究大于500mm，这些石料的常规处理方法是二次爆破解小后再用于工程施工。这些超大粒径块石产生的原因多是由于自身岩性坚硬，抗风化能力强，所以在隧道爆破及山体风化中以完整颗粒的形式保存下来，爆破解小往往难度较大，耗费工时。所以工程实际中往往出现弃置不用或是不经处理填入路堤中，造成环境污染或给路堤施工质量埋下隐患。本论文是在大量修建山区高等级公路的背景下，综合现有国内外填石路堤及土石混合料路堤等科研成果和工程实践的基础上，为了进一步充分利用山区石料而探究形成的新课题。目前国内外对于超大粒径的石料研究及工程应用鲜有研究，而本论文旨在通过创新的施工工艺直接使用超大粒径块石，进一步减少施工成本，保护山区环境。论文研究涉及超大粒径块石填筑路堤的施工方案，通过采用室内试验和有限元数值模拟的方法分析解决超大粒径块石在路基中各种布放参数问题，研究创新的施工工艺和强夯加固方法，同时还研究了相对应的路堤施工质量检测方法。1.2国内外研究现状1.2.1超大粒径块石的工程应用及研究现状建筑工程上对石料的运用有很长的历史，从早期整块石料用于建筑工程，桥梁工程以及路面建设，到近现代水泥混凝土出现，石料更是成为了整个土木工程领域不可缺少的建筑材料。由于现代建筑多用水泥混凝土作为主要建筑材料，石料的利用则多数集中在了经过破碎的粒径较小的石料上，在这方面的研究也较为深入。但随着越来越多山区公路的修建，面对可利用填筑材料较少的客观现实，如何能更加充分更加经济的利用石料进行路堤填筑则变得急迫。山区公路石料主要来源为山体挖方碎石和开凿隧道碎石，由于有些山石石料坚硬，整体性较好，会产生很多粒径在500mm以上的石料。规范中规定填石路堤最大可利用粒径石料尺寸为500mm，尺寸超标石料这要进行二次破碎或弃置。国内外现有道路工程中鲜有利用粒径超过500mm石料进行工程建筑的科研成果。通过查阅国内外文献，在抛石填海、堆石坝工程以及山区高填方工程的修筑中，有利用超大粒径块石作为建筑填料的相关研究。4 河北工业大学硕士学位论文[1]马彩霞，周锋川等学者对抛石填海区地基处理进行了研究，重点为块石强夯置换实验研究，通过珠海某港口强夯处理抛石填海的工程实践结果，提供了有效的强夯施工参数及施工方法。通过强夯进行置换，利用抛石自重和强夯冲击压力使块石落到硬土层上，将大部分淤泥挤走或部分留在石缝内，利用块石之间的相互接触来增强抗剪性，利用石料粒径一般为0.30~0.50m、最大达到1.20m。[2]高艳君等学者借助南非蓝派公司开发研制的以冲击压实原理为基础的一种新型压路机，对填海路基试验段采用了抛石挤淤、强夯及冲击碾压技术为一体的粗骨料置换施工工艺，使填海路基具有较好的加固效果。回填的石料采用坚硬不易风化的片石，片石的粒径不小于300mm，且小于300mm粒径片石含量不得超过20%，但块径不得小于150mm。[3]王志伟，詹金林等学者同样对高能级强夯地基处理问题进行研究，重点为抛石填海造陆地基在8000kNm~12000kNm高能级强夯下的通过动力触探试验、瑞雷波试验、平板载荷试验检测手段对油罐区内外的地基处理效果进行检测。通过研究表明高能级强夯适合填海造陆工程地基处理，处理效果明显，不仅工期短，而且造价低廉。[4]邱贤德，阎宗岭等学者研究堆石体粒径特征对其渗透性的影响，实验取样来自涪陵城区，为最大粒径达到800mm的移民迁建防护工程填土用料。通过调研和移民迁建防护工程的研究，发现土石坝工程较好的细颗粒含量在30%~40%。在这个配比条件下，土石坝有较强的防渗能力。大颗粒填料的通过合适的配比，在土石坝中起到了良好的填充料作用。表1.2我国山区一些高填方机场概况机场名最大填方高度/m主要填料性质主要压实方式填方量/m3攀枝花65砂、泥岩块碎石强夯约2400万龙洞堡54石灰岩大块碎石强夯约2400万大理30白云岩石渣强夯750万黎平30灰岩块碎石、红粘土强夯约720万昆明新54碎屑岩、石灰岩碎石强夯、碾压约13100万以及碎屑岩风化料九寨黄龙104含泥砂砾石强夯2763万从工程特性上最接近路堤填筑的是山区机场工程的建设。由于填方原始地基大多5 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究是山地、丘陵或沟谷，高低不平，为了满足机场场地条件以及飞机起飞降落的净空要求，飞行区一般要开山填谷、高填深挖，土石方的工程量十分巨大，利用的石料粒径也较大。下表为山区机场一些填方概况。抛石填海，堆石坝，山区超高填方工程和含有超大粒径块石路堤虽然有部分相似的地方，但其在使用功能上仍有一定区别，抛石填海从石料粒径上与含超大粒径块石路堤最为接近，但抛石填海主要是抛石挤淤，与超大粒径块石在路堤中的方式及稳定性要求不尽相同。而堆石坝的主要功能是筑坝拦水防渗，对于不同的坝体分区，其填筑要求不一样。山区超高填方工程如山区机场的修建，其填方高度可达百米以上，填筑材料中石料粒径也十分接近超大粒径块石。这些工程的共同点是施工中对石料的位置和形态没有精准的控制，主要采取混填压实的施工手段。这种施工手段最大的缺点是由于填料粒径和材料性质差异巨大，极易出现大颗粒填料间存在较大间隙的情况，后期可能出现较大规模沉降。本文介绍的超大粒径块石用于路堤填筑创新采用了超大粒径块石布放的工艺，使得超大粒径块石在路堤中以稳态分布，同时控制超大粒径块石间距，以达到不影响原有路堤整体性质的目的。1.2.2土石混合料路堤和填石路堤施工技术研究现状现有山区公路建设路基形式主要为土石混合料路堤和填石路堤。由于国内外对超大粒径块石用于筑路的研究很少，而含超大粒径的路堤主要也是置换原有路堤中的一部分填料。所以从某种程度上，含超大粒径块石的土石混合料路堤也是一种特殊土石混合料路堤，含超大粒径块石的填石路堤也是一种特殊的填石路堤。土石混合料路堤和填石路堤的施工技术与普通填土路堤也存在较大差别，国内外很多学者对其施工工艺进行了较为深入的研究。[5]林军，周红锋等学者通过试验路现场试验的方式，研究压路机的吨位、震动和碾压速率三者不同配合条件下的沉降差，最终建立了三者与沉降差的关系。试验现场结果表明，相比固体空隙率，通过沉降测试块的数据能更好的反应路基压实质量和沉降量的关系，给实际工程提供了指导参数。[6]周志军等学者通过引入细粒料最大干密度的校正系数、土石混合料的密度干涉系数、最佳含水量系数，在室内大型击实试验的基础上建立密度干涉系数、最佳含水6 河北工业大学硕士学位论文量系数与粗颗粒含量之间的双对数关系，从而得出了土石混合料最大干密度和最佳含水量的理论计算公式。100IPGc5dmaxwG最大干密度（1.1）dmax100PIPPwVc5dmax5100Vopt最佳含水量（1.2）ToptPF5opt[7]学者董云改进了大型直剪试验设备，研究发明了新的大型直剪试验系统，通过室内和室外试验探索影响土石混合料强度特性的各种因素。采用新的直剪实验系统对不同工况下的土石混合料进行了直剪实验，发现压实度和应力条件对实验结果有直接影响。实验结果对影响土石混合料强度趋势的各个影响因素进行了总结并建立了各指标对土石混合料强度的影响规律，同时实验发现土石混合料在高应力条件下抗剪强度有所下降，不在完全符合Mohr-Coulomb准则。另外，实验研究了土石混合料中石料对其强度的影响，硬质岩石更有利提高土石混合料强度，含石量在30%-70%之间土石混合料强度随含石量增加而增加。[8]杨荣尚，马小伟等学者对超大粒径土石混合料最大干密度进行研究，对采用相似级配法、等量替换法和剔除法等不同条件下的混合料，通过自行发明研制的大型击实仪进行击实实验，结果显示这些方法中等量替换法通过计算间接得到的结果最为准确。同时实验结果还表明，土石混合料为连续级配时，可以通过剔除法确定土石混合料不同最大粒径下的最佳含水量和最大干密度以及松装密度和干燥密度。[9]刘建锋，徐进等学者将密度、砾石含量和最大粒径这3个指标作为高速公路路堤室内试验的控制条件和计算分析的基础，进行一系列大型三轴试验研究及控制试验条件与抗剪强度关系的计算分析。试验和计算结果表明：土石混合料的骨架作用明显，抗剪强度主要受粗颗粒、细颗粒和粗细颗粒的共同作用影响；土石混合料的抗剪强度随试验干密度的增加有所提高，咬合力随砾石含量p5值的增加和最大粒径的增大而降低，当p5为50%～60%时抗剪强度最低，p5值的最佳范围为65%～70%；最大粒径最佳范围为40～50mm。[10]杜华，邢爱国等学者研究压实度与压路机碾压的轮迹沉降差的关系，通过现场试验控制压路机的碾压速率，震动和吨位，实验数据为现场沉降测试块的沉降量，并7 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究对数据进行了处理，得到了二者的回归经验公式。运用经验公式可以通过现场沉降量数据对土石混填路基的压实度进行较好的预测。其中回归方程为：K114.9776.775S0.792W（1.3）式中K为压实度，%；S为沉降差，cm；W为含水量，%。[11]蒋洋等学者对土石混合料的本构模型进行研究，采用大型三轴剪切试验机通过图解法确定切线剪切模量Gt和切线体变模量Kt的各个参数，并对Kt、Gt的线型表达式进行推导，对Naylor的K-G模型进行修正。通过实验得出以下结论：（1）以Naylor的K-G模型为基础修正的模型作为非线性的弹性本构模型，力学逻辑推导明晰，设计的各种参数便于取得；（2）给出了模型中各种参数的取得方法，即通过图解大型三轴剪切试验机实验数据取得。（3）在修正中充分考虑到剪应力下的体积变形模量，使得修正后的K-G模型具有更广泛的适应性。[12]许锡昌，周伟等学者主要研究土石混合料中石料最大粒径、粒径大于5mm石料含量以及级配情况对土石混填路基压实度的影响。通过实验发现，压实条件相同情况下，土石混合料干密度与粗料含量情况呈正相关，但其干密度在粗料含量达到90%以上时呈现较大的离散型，故最终建议粗料含量在60%～80%。同时实验还表明在一定范围内土石混合料干密度与粗料最大粒径呈正相关。当最大粒径超过松铺厚度的0.3倍后，干密度离散性逐渐变大，并且开始呈现下降趋势，故建议最大粒径不要超过松铺厚度的0.3倍。实验最后确定级配对压实度影响不明显。[13]曹光栩，徐明等学者主要研究土石混合料受压中长期变化趋势比如压缩、蠕变和湿化变形等特性进行研究。依托西部山区机场建设工程，使用自行研制的大型侧限固结仪进行试验，原料采用建设常用的土石混填料配比。最终得到以下实验结果：（1）在石料含量较高时（达到70%~80%），土石混合料密度较大，初始蠕变速率和压缩性都比较小。（2）相同配比的土石混合料在一定压力条件下，蠕变量与时间对数有线性规律，且蠕变速率与外围压力呈正相关。（3）围压较高的情况下，含水量对土石混合料会产生较大的影响，同时对土石混合料影响较大的还有混合料中细粒土的含量。[14]宁金成，孙久民等学者采用大型三轴试验的手段研究土石混合料的强度特性，着重考虑含石量、密度和围压这一系列因素对土石混合体强度特征的影响，结果表明：8 河北工业大学硕士学位论文密度对强度参数的影响明显，随着试样干密度的增长，碎石土的抗剪强度参数均相应增加。含石量相同时，围压越高，粗粒土抗剪强度越高。围压越大，应力应变曲线越陡，切线弹性模量越大，应力应变曲线的硬化特征越明显，峰值强度也越大。围压越大，对剪切破坏中颗粒移动的阻力越大，达到最大应力状态时的应变值越大，应力应变曲线多为应变硬化型。[15]贾学明，柴贺军等学者对不同含量不同岩性的土石混合料进行离散元的模拟研究，采用PFC3D工程模拟软件进行分析。分析结果表明，土石混合料的抗剪特性主要受到土石混合料含石量和石料岩性的影响。其中硬质岩摩擦角较软质岩大，差距最大时含石量为60%～80%。同时发现随着含石量变大，土石混合料剪切面不平滑程度变大。在模拟剪切实验时，软质岩与硬质岩表现不同。软质岩在剪切中以应变和动能为主，并产生软化现象，而硬质岩则是摩擦和动能为主，并且主要表现为剪胀和塑性。[16]胡其志，袁海峰等学者研究压路机碾压遍数对土石混合料不同工况下的各种沉降位移和应力变化情况，通过室外实验得出以下结论：土石混填路堤在压路机碾压下沉降量呈现先快后慢的特点，并且相同工况下沉降差随着碾压遍数而减少。同样的规律也出现在水平位移和基地竖向应力中，但数值远小于沉降量。现有对土石混合料路堤和填石路堤的研究主要集中在土石混合料配比对其各项性质指标的影响以及工程现场碾压沉降量与压实之间的关系，也有学者通过数值仿真对土石混合料的各项性能进行计算分析。填料中石料粒径和含量对土石混合料路堤和填石路堤性质影响较大，但现有研究普遍回避了土石混合料中粒径较大的块石。同时通过上述现状调查我们可以发现，对于粒径较大的块石大多采用混填的方式施工，并采用强夯加固的施工工艺。但是对于路堤施工，混填施工方式中块石与其他填料的关系并不清晰，施工效果难以控制。本文主要研究采用了布放施工工艺解决超大粒径块石填筑路堤的问题，并对施工中布放的各种参数进行深入研究，控制施工质量。1.3研究意义和内容由于山区路堤填筑材料缺乏，修筑山区公路主要采取土石混填路堤和填石路堤两种形式。土石混合料主要是山皮土和碎石土，填石料除了挖方碎石外还有一大部分来自山区隧道开凿出的碎石。在填筑材料缺乏的情况下，尽可能多的就近利用石料就显9 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究得格外重要。由于山区石料岩性不同，有些岩性坚硬的地区容易出现粒径较大的石料。对于这些石料，2006年新修订的中华人民共和国行业标准公路路基施工技术规范（JTGF10-2006）中规定最大可用石料粒径为500mm。对于500mm以上粒径的石料，需要采取二次破碎。但实际工程中由于超大粒径块石较多，而且其岩性坚硬，二次破碎成本较大，许多石料都被弃置。这种石料的弃置不仅浪费，也对山区的生态环境造成了很大的影响。对于山区道路的修筑，如果能解决超大粒径块石用于路堤填筑的问题，不但可以减少工程投入，提高工程质量，也有利于保护山区生态环境。在目前加强基础建设，山区道路快速发展的战略形势下，研究如何利用超大粒径块石进行路堤填筑，探索合适的含超大粒径块石路堤修筑的施工工艺和检测手段，为工程施工提供有效的技术支持有着重要的理论价值和现实意义。对于利用超大粒径块石填筑路堤，国内外现有的研究较少。对于修建路堤，最重要的是解决其压实和沉降问题，这样才能保证道路的修筑质量。填料性质复杂，体积较大，相应的压实就会困难，也容易出现不均匀沉降问题。同时，采用新的路基填料修筑路堤，相应的施工和检测技术都要进行改进。针对上述分析，本文的研究内容主要有以下几点：（1）超大粒径块石的工程特性及定义通过对道路沿线石料的调研，对超大粒径块石进行定义。并提出了采用布放的工艺解决超大粒径块石填筑路堤的施工工艺。（2）超大粒径块石布放的具体参数研究通过室内实验和数值模拟的方法，研究超大粒径块石在路基中布放的具体参数，如超大粒径块石的间距，在路基中布放位置，在边坡处布放位置等。（3）超大粒径块石布放的施工方案及施工工艺研究针对超大粒径块石的特点，研究设计了超大粒径布放的施工工艺，优化了分层摊铺、整平和碾压等施工工艺，并对含超大粒径块石路堤施工质量的检测方法进行了研究。10 河北工业大学硕士学位论文1.4研究思路和创新点1.4.1研究思路路基填料一般可以分为粘性土、非粘性细粒土、砾质土和填石4种类型。平原地区粘性土和非粘性细粒土是主要的路基填筑料，有很长时间的建筑使用历史。国内外道路研究学者对其物理及力学性质研究也十分深入，其道路系统规范和实验规程及实验设备都是基于细粒土之上，大量的实验研究及工程实际使得细粒土路基施工质量得到了保证。随着近几年山区高等级道路修建的增多，砾质土和填石路基研究得到越来越多的重视。但砾质土和填石属于等石质填料较多的路基填料，其石料粒径较大。由于试验方法、实验设备、检验指标和规范指导方面的滞后，工程实际中往往只能以表观指标来检验路基施工质量，如以震动碾压遍数来控制路基的压实程度等。近年来，国内外很多学者对土石混合料和填石料都进行了较为深入的研究，但由于室内试验设备及检验指标的限制，对于尺寸较大的石料整体性质方面一直没有突破和进展。特别是填石路基的研究大多数还集中在工程现场试验路数据分析等经验性研究方法，并不能在本构模型及强度形成机理上有普遍适用的成果，这也限制了填石路基等大粒径石料路基在高等级公路上的应用。而对于本论文所研究的超大粒径块石国内外更是鲜有学者研究，总结限制尺寸较大石料研究的原因主要有以下几点：（1）超大粒径块石体积巨大。超大粒径块石尺寸一般都在500mm以上，而工程上隧道开挖及山区路堑开挖也经常出现2000mm以上的块石。这种体积尺寸的石料所形成的路基填料通过整体性质实验或本构模型构建是一个巨大的挑战，现有的实验室设备很难完成，而研究制造新设备由于体积过大也不经济。国外有学者采用等比例缩小后用离心实验的方法对超大粒径块石进行研究，在堆石坝研究方面有所突破。但是对于还需要进一步研究其压实性质的公路路基，缩小模型的传感器灵敏度及抗冲击能力也成为了研究的瓶颈。同时，这种研究方法对设备的要求也十分苛刻，研究成本很大。故公路界在研究超大粒径块石的整体性质方面一直没有较大突破。（2）超大粒径块石外部几何形态复杂。由于超大粒径块石体积巨大，其外部几何形态就不能被忽略。通过对沿线工程情况的调查，多数由爆破产生的超大粒径块石由于整体性质较好，石质坚硬，没有按爆破孔预想破碎而造成体积巨大。这种石料一11 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究般都有一个或多个完整且较为光滑的侧面，形态也较为规范，类似四面体或六面体。深挖路堑时山皮土中尺寸较大的石料也是抗风化性质较好，形态较为规范的石料。但是仍有一部分石料形态怪异，过长或过扁，有些石料中间凹陷，还有些石料有潜在的破裂纹路。不论其形态较好还是形态怪异，由于其尺寸较大，如果不加控制与其他路基填料掺拌摊铺，超大粒径块石很难能与周围超大粒径块石或其他填料形成密实良好的几何接触，这也是现在填石路基严格控制粒径及级配的主要原因。（3）超大粒径块石性质异于路基中其他尺寸较小的填料。超大粒径块石在路基中个体性质突出，与其他填料相差较大。同样粒径的填石路基或填土路基其内摩擦角和土的粘聚力可以测定并且在一定范围内波动。但由于超大粒径块石尺寸巨大，无法与周边填料形成摩擦角，而是类似路基台背填方。这也在一定程度上限制了超大粒径块石在路基中的稳定性。（4）超大粒径块石没有相应的施工工艺。现有的摊铺及压实工艺主要都是从细粒土路基施工中演化发展而来，并没有针对超大粒径块石的施工进行优化。填石路堤施工使得震动压路机施工工艺上有所发展，高填方路堤促使学者在强夯加固施工工艺进行了研究，这些施工机具的发展和施工工艺的进步也给超大粒径块石作为路基填料填筑路堤的特殊施工工艺的实现成为了可能。综合以上原因，采用原有的实验仪器和实验方法难以研究超大粒径块石作为路基填料的可行性研究。同样，采用粗放式的摊铺填筑和压路机压实技术也难以解决含有含超大粒径块石路堤的施工问题。虽然超大粒径块石作为路基填料的研究有诸多困难，但仔细分析这些困难，并不是完全不能解决。超大粒径块石虽然体积巨大，但对山区高填方路堤整体来说，其是否会对路堤整体性质产生不利影响还有待研究。例如，在土石混合料路堤底层放置一块超大粒径块石，对土石混合料路堤几乎不会造成影响。如果能够如下图所示有规则的摆放多块并且保证超大粒径块石间的其他填料压实，从理论上这些规则布放的超大粒径块石也不会对路堤整体性质造成较大影响。这种置换式的解决思路在大体积混凝土浇注中已有应用。故论文需要确定超大粒径块布放位置及其他参数以保证加入超大粒径块石后路堤原有性质不受影响甚至强度有一定的提高，同时给这种新型路堤的施工工艺进行指导。12 河北工业大学硕士学位论文图1.1超大粒径块石在路堤中位置的横断面示意图为了解决超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究问题，本论文以超大粒径块石为研究对象，通过室内试验研究分析块石间距和位置对普通填料压实的影响情况。通过数值分析对超大粒径块石布放的各项参数进行优化。施工先布放超大粒径块石，再填筑其他路基填料，采用分层填筑碾压，多层强夯加固的工艺，并通过多种检测方式组合检测施工质量。1.4.2创新点本文通过分析超大粒径块石的特点，为了解决超大粒径块石填筑路基压实及稳定性问题，采用布放的施工方案，并在此基础上研究了超大粒径块石填筑路堤的施工工艺和检测手段，主要创新点如下：（1）对超大粒径块石进行了分析，总结了其工程特性，并进行了定义，为后文超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究打下基础。（2）通过室内实验和数值模拟的方法，研究超大粒径块石在路堤中布放的具体参数，如超大粒径块石的间距，不同粒径块石布放层位等，解决了超大粒径块石填筑路堤的主要问题。（3）结合超大粒径块石的布放参数和现场施工便宜性，研究设计了超大粒径块石布放的施工工艺，优化了分层摊铺整平和压实等施工工艺，并对含超大粒径块石路堤施工质量的检测方法进行了研究。1.4.3论文的主要工作和技术路线论文主要工作分为文献综述，室内外实验，理论分析，数值模拟计算、工程实例分析及论文编写等。论文试验包括的试验项目较多，主要包含以下内容：室内土石混13 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究合料物理性质试验；室内路基压实度检测实验，共计20组，近50个检测式样，36组土压力数据；室内超大粒径块石的静载实验；近百组数值模拟分析；现场试验路施工工艺研究；压实度检测及沉降观测等。论文技术路线如下：国内外超大粒径块石承赤高速承德段工程沿线超大工程应用调查粒径块石情况调查超大粒径块石特点及定义研究超大粒径块石布放参数研究通过数值分析研通过室内试验研究究超大粒径块石超大粒径块石对路布放参数基压实的影响超大粒径超大粒径块石布放块石填筑位置方式超大粒径块石布放施工方案及施工工艺研究图1.2技术路线14 河北工业大学硕士学位论文第二章超大粒径块石的定义及稳定布放形态由于超大粒径块石与普通的填土路堤的土料相比，工程特性迥异，与填石路堤和土石混填路堤对比也有较大的差别，因此在研究超大粒径块石填筑路堤相关问题之前有必要对超大粒径块石有一个清晰完整的认识。本章首先对工程沿线的超大粒径块石进行了调研，总结了超大粒径块石的特点。然后分析了国内外现有石料的分类情况，在此基础上研究确定超大粒径块石的定义。最后对超大粒径块石在路堤中的布放形态提出了要求，为后文研究其施工工艺做打下基础。2.1工程沿线超大粒径块石的特点分析通过对国内外石料分类情况的调查，可知现有石料定义并不适合超大粒径块石的分类，同时能够作为超大粒径块石进行路堤填筑的石料也并不仅仅只有粒径上的要求。本节通过对工程沿线超大粒径块石的调查，总结了超大粒径块石的特点，并针对超大立即石料的特点进行了超大粒径块石作为路基填料必须满足的特点，为下一节定义超大粒径块石做准备。承赤高速承德段所产生的超大粒径块石多数来自隧道爆破，石料多为坚硬类岩石，下图为在工程沿线采集的一些超大粒径块石图片：15 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究图2.1不同形态的超大粒径块石对于超大粒径块石来说，单体性质与填石料所用石料性质差别不大，最大的差别是其体积较大。在此基础上通过对工程道路沿线超大粒径块石的调查研究，针对超大粒径块石主要总结出以下特点：（1）由于山区产生的超大粒径块石多是开凿隧道产生的，正常布设爆破点的情况下爆破产生的超大粒径块石石料，原因多是石料自身强度较高，整体性较好。所以一般超大粒径块石的硬度较大，不易破碎。（2）由于这种超大粒径块石石料整体性较好，所以在超大粒径块石爆破形成的时候，一般会有一个或多个完整侧面，且侧面表面较为光滑。经观察发现绝大多数侧面存在于超大粒径块石较长边的一侧。（3）基于以上原因，几乎所有超大粒径块石都存在尖锐的折角，这些折角会对细料的填充造成一定的影响。所以在施工时超大粒径块石必须有一定间距，最小间距也会在下文的实验中研究确定。（4）超大粒径块石外形是不规则的，所以在施工中针对不同的石料要进行相应的摆放以保证超大粒径块石以最稳定的形态存在于路堤中。2.2现有石料的分类情况及局限性当前道路工程领域的石料分类与命名，由于各自的研究应用角度不同，侧重的工程特点不同，所以方法繁多，种类繁杂。为了方便后续研究和更好的对施工工艺进行针对性的指导，这就需要有一个形式简单、使用方便且统一的工程分类方法来反映超大粒径块石的基本工程特性，以确定不同条件下的含超大粒径块石路堤的施工工艺以16 河北工业大学硕士学位论文及检测指标，来满足公路工程的要求。对于本文介绍的山区高速公路采用的含超大粒径块石路堤主要是由开凿隧道产生的超大粒径块石按一定施工工艺布放后填筑山皮土形成。其中开凿隧道产生的石料要根据不同的山石进行采样研究，区分石料种类和强度。而山皮土主要由风化破碎岩石、砂粒以及风化残积土组成，用于填筑路堤时，强度较高，透水性较好，是一种较好的路基填料。含超大粒径块石的山区高速公路路堤中石料占的比重较大，石料的类型和粒径也较为复杂。现有规范中对土料的各种性质有着详细的区分和界定，但是在石料分类和定义上还不明确，以下是现有的分类命名调研情况。近几年土石混填路堤和填石路堤开始在高等级公路上采用，但其填料并没有专门的分类标准。根据《公路土工试验规程》（JTJ057-93）将填料颗粒分为细粒组、粗粒组和巨粒组（见图2.2）。对于填料总体，将试样中巨粒组填料占总质量50%以上的路基填料称为巨粒土；同理试样中粗粒组填料占总质量50%以上的路基填料称为粗粒土，具体细分则根据粗粒组中砂类土和砾类土各自类别和含量进行命名。图2.2粒粗划分图（单位mm）此外水利工程由于土石坝填料特殊性质，也有学者在填料粒径问题上进行了研究。水利工程上西北勘测设计研究院郭庆国取填料中粗粒（d>5mm）含量的两个界限值，即30%和70%作为影响填料工程特性的特征点进行分类，细分则根据填料颗粒中粗粒含量及粒径小于0.1mm的颗粒含量不同命名为各个亚类。这种分类方式也被某些科研项目借鉴使用，并得到了比较好的效果。作为路基填料，对于巨粒土来说，巨粒组填料决定土主要性质，在巨粒土中起骨架作用。在山区公路建设中，土石混合料多数属于巨粒土，其中有些土石混合料巨粒组质量占填料总质量的75%以上，这类土被称为纯巨粒土。当填料中巨粒组质量占填料总质量的50%~75%时，这类土也被称为漂（卵）石夹土。本文研究的超大粒径块石分类属于巨粒组的石料，含超大粒径石料路基则属于漂（卵）石夹土。但超大粒径块石在路基中的作用以及对路基的影响已经远远超出了骨架作用，同样将含超大粒径17 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究石料路基归类到漂（卵）石夹土路基也不能体现其特殊的施工工艺，这种分类和定义对于本文的研究超大粒径块石作为路基填料的适用性研究有着明显的局限性。国外科研机构和学者也对石料的分类问题进行了深入研究。美国公路工作者协会主要是按承载力划分，其中粗粒料部分分为A1、A2、A3三类，见表2.1：表2.1美国公路工作者协会粗粒土分类（AASHO）小于某一粒径含量（%）分类编号主要材料成分<2mm<0.42mm<0.075A0<50<30<15块石、砾石、砂A1<50<25块石、砾石、砂A2<35粉粘质砂A3<50<30细砂澳大利亚道路研究局（ARRB）道路技术委员会对道路材料中石料的划分主要依据填料粒径的最大尺寸，并对填料进行了块石填方和不规则填方的区分，区分规则如下：（1）粒径小于0.075mm的填料占总体填料的10%以下，且块石最大尺寸大于等于1000mm时，这种填料称为块石填方。（2）粒径小于0.075mm的填料占总体填料的10%~20%之间，且填料最大尺寸为500mm时，这种填料称为不规则填方。日本对粗粒料的分类则是依据岩质的坚硬、风化程度来划分的，见表2.2：表2.2粗粒料的分类分类材料特性备注不会因施工时水文气象等外部条件火成岩类(坚硬且耐久好性的岩石)变化以及施工时碾压造成破碎的岩硬岩花岗石、玄武岩、流纹岩、闪绿石，且块石尺寸较大，每层岩石的岩、石灰岩、石英斑岩等厚度可达30cm以上由于施工时碾压破碎，产生细粒化变质岩类(不属于硬岩和脆弱岩的中硬岩的岩石岩石）片岩、片麻岩、粘板岩等由于气象条件的变化(干湿作用)第三纪堆积岩类泥岩、页岩、凝灰脆弱岩而产生细粒化的岩石岩、砂岩由上文概述可见，超大粒径块石按照粒径及颗粒特征应属于巨粒组的填料，但我国现有的各种规程中主要研究粒径在0.075mm至60mm的道路材料，即粗粒组。对于粒径超过60mm的材料，虽然命名为巨粒组，但并没有进一步具体的分类。近年来由于机械设备不断改进，土石混合料路堤在山区得到普遍应用，实际工程中道路填料18 河北工业大学硕士学位论文包含大量的碎石，土夹石等粒径远大于60mm的石料。故采用的分类标准难以为实际工程需要提供有效合理的技术支持。目前对于路基填料的分类主要是依据颗粒特征和粒径进行划分的。但随着石料粒径的增大，其在路基中的结构特性也发生了变化，仅仅考虑以上两种并不足以对块石进行科学的分类。对于块石，其工程特性还主要受到其岩性、强度、抗风化程度以及吸水性的影响。路基工程填料来源复杂，通过调研发现，同样粒径的块石的风化条件和岩性差别较大，比如山皮土石料，材质多为泥质砂岩，强度较低（小于20MPa）；隧道开凿的石料，材质多为石英砂岩，强度较高（达到60MPa以上）。这个时候不能仅仅考虑石料的粒径而忽视石料的其他性质。超大粒径块石石料体积又十分巨大，如若在施工过程中对这些填料不加以分别对待，采取相同的压实工艺和检测方法，将会导致路堤发生不均匀变形，影响公路的长期稳定性。为了更为准确的描述和研究超大粒径块石，本章在后文中对道路沿线的块石特点进行了总结，在现有石料分类的基础上，结合现有的研究成果和块石的各种其他特征对超大粒径石料进行了定义。2.3超大粒径块石的定义本论文采用布放的施工工艺，以实现超大粒径块石作为路基填料进行路堤填筑。对超大粒径块石不仅有尺寸和岩石性质的要求，还要求超大粒径块石形态上要满足一定的条件，使之能稳定的存在于路堤中。本节分别从尺寸、岩性和形状三个方面对超大粒径块石进行了要求，以此为基础对超大粒径块石进行了定义。2.3.1超大粒径块石尺寸界定交通部西部交通建设科技项目“大粒径碎石路基施工控制技术的研究”（以下简称大粒径课题）中，针对填石路堤中石料粒径组成进行了大量研究。对于填石路堤来说，为了避免孔隙率过大带来的施工质量难以控制和路堤不稳定情况，填石路堤必须要有良好的级配。为此大粒径课题中通过实验研究多组不同粒径组成、不同填筑层厚的压实情况，得出以下结论：对于填石路堤，使用石灰岩类石料，施工摊铺厚度在20cm时，不均匀系数需达到15以上；施工摊铺厚度在80cm时，块石最大粒径不得超过19 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究45cm，不均匀系数需要达到20以上。同时粒径在2cm以下的填料须达到15%以上，粒径20cm以上的填料含量应在40%以下。当厚度一定时，不同岩性的填石料存在着较为合理的级配，这种级配下填石路堤可以得到最好的压实效果。本文所研究的含超大粒径块石路堤中开凿隧道所产生的石料源类似于上文的大粒径课题。大粒径课题中最终将石料允许最大粒径定为45cm，通过控制开凿隧道时爆破点的位置和填药量来实现。使得大量开凿隧道产生的石料可以用于路堤修筑。但实际情况是还会出现很多大于45cm的爆破碎石需要进行二次解小。由于产生这种超大粒径块石碎石的原因是由于碎石本身整体性较好，硬度很大，多数超大粒径块石碎石二次解小十分困难，最终只能作为废料推出路基，不但造成资源的浪费，还破坏了环境。本论文将这一部分超大粒径块石用于路堤填筑，由于这些石料本身强度很高，岩性稳定，在压实度达标的情况下，相比土料和土石料有更大的优势。为使含超大粒径块石路堤达到优良的施工质量，还要相应的改进施工工艺，采用优化的压实手段，才能充分的利用这些开凿隧道产生的超大粒径块石，变废为宝。交通部西部交通建设科技项目”大粒径碎石路基施工控制技术的研究”成果最终控制石料最大粒径为45cm。我国公路行业标准《JTGF10-2006公路路基施工技术规范》中规定：填石路基路基填料粒径应不大于500mm，并不宜超过层厚的2/3。综合现有科研成果及规范要求，本论文定义超大粒径块石为粒径大于50cm的石料，在实际工程应用中也可以直接使用尺寸较大无法用于填石路基修筑的石料。虽然超大粒径块石土石混填料中超大粒径块石定义为粒径50cm以上的石质填料，但由于隧道岩性不同，某些标段出现的粒径100cm以上甚至200cm的超大粒径块石，由于其岩性过软，也不能作为路基填料使用。另外，另外，石料的形状也对路堤稳定性有一定影响，某些形状不规则的块石也不适于用作路堤填筑。所以仅仅定义粒径50cm以上的石料为超大粒径块石过于宽泛并不足以指导施工，还要进一步确定超大粒径块石的岩性及石料形状等工程特性。2.3.2超大粒径块石岩性要求因为路基填料需要满足路基稳定性的要求，所以并不是所有尺寸超标的石料都能作为超大粒径块石填筑路堤。结合上文分析的超大粒径块石特点，在现行《公路土工20 河北工业大学硕士学位论文试验规程》（JTJ057-93）巨粒土粒径分类的基础上，要考虑石料的岩性、强度、风化程度以及吸水性等这些工程特性的影响，并结合超大粒径块石尺寸等因素来进行超大粒径块石分选工作，主要有以下几点：（1）石料的岩性和强度不同岩性的石料强度不同，岩性相同的石料也有一定的强度差异。对路堤填筑来说，特别是超大粒径块石进行路堤填筑，对块石稳定性要求很高。其中石灰岩、花岗岩、玄武岩等岩性岩石强度较大且破碎率较低，含水量对石料影响较小，作为超大粒径块石在路堤中有较好的稳定性。（2）石料的风化程度超大粒径块石由于其来源不同，其抗风化程度差别较大，超大粒径块石的的风化程度对含超大粒径块石路堤的稳定性有很大的影响。对于隧道开凿产生的超大粒径块石，基本不存在风化现象，故其自身稳定性较强，不但在使用时能够保有较好的自身强度，在路堤中也能保持长时间的稳定性；对于部分山皮土中的超大粒径块石，呈现出强风化特性，用其作为填料的路堤难以保持长期稳定，易发生崩解或碎裂，使得路堤产生沉降，造成路面破坏，影响道路运营和行车安全。（3）石料的吸水性对于含超大粒径块石路堤来说，超大粒径块石由于体积巨大，块石自身稳定性对路堤质量影响很大。一般来说，石料的吸水性越强，路堤的水稳性也就越差，路堤遇水膨胀开裂的可能性越大，所以应严禁将膨胀性岩石填料用于路堤填筑。表2.3超大粒径块石石料分类石料单轴饱水抗压主要岩性风化程度分类强度（MPa）闪长岩、辉绿岩、玄武岩、花岗岩、正长坚硬硬>60岩、安山岩、石英砂岩、硅质石灰岩、硅抗风化能力强类质质胶结的砾岩类次坚石灰岩、熔结凝灰岩、钙质胶结的砂岩、30~60抗风化能力中硬类白云岩粉砂岩、泥质砂岩、凝灰岩页岩、泥灰岩、软质类15~30抗风化能力弱砂质泥岩、千枚岩在参照公路隧道设计规范（JTGD70-2004）对围岩分类的基础上综合工程实际对21 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究石料特性进行如表2.3的分类。本文建议主要采用硬质类（包括坚硬类和次坚硬类）超大粒径块石进行路堤填筑，路堤最下层可以采用次坚硬类石料，不采用软质类石料进行路堤填筑。2.3.3超大粒径块石形状要求在本节第一小节中提出了超大粒径块石尺寸的定义：粒径在50cm以上无法用于填石路堤修筑的石料。但由于超大粒径块石尺寸较大，形状对其自身稳定性有较大影响，并不是所有的大体积石料都可以稳定存在于路堤中。为了保证路堤修筑过程中的压实效果和超大粒径块石在路堤中的稳定性，本小节研究了超大粒径块石形状分选的的一些控制标准。表2.4超大粒径块石分选建议表编号形状特点可否用于路堤填筑石料图片长边与短边比小于21有多个较平侧面可以形状接近6面体长边与短边比小于22有1个较平侧面可以形状接近4面体长边与短边比大于23有一个以上较平侧面可以且短边长度大于30cm长边与短边之比大于44不可以明显片状石料石料间有明显的薄弱5连接、裂缝或存在不可以大尺寸凹陷由于石料体积过大，无法通过筛分确定超大粒径块石，通过对工程沿线的调查研22 河北工业大学硕士学位论文究，我们拍摄了大量超大粒径块石的图片，通过总结归类，并综合考虑施工便宜性后，得出表2.4进行超大粒径块石形状控制。综合上文对超大粒径块石在尺寸、岩性和形状上的要求，最终将超大粒径块石定义为粒径在50cm以上或工程上尺寸较大无法用于填石路堤修筑且形状符合要求的硬质类岩石。2.4超大粒径块石稳定布放形态超大粒径块石施工中涉及到石料的布放，即要对超大粒径块石的位置和摆放形态进行控制。在路堤填筑过程中，对于可用的超大粒径块石，也存在最稳定的布放形态，这对施工质量控制有着重要意义。本节分别选取了上文中可用的三种形态的超大粒径块石加以分析，给出了其稳定的布放形态，如表2.5所示：表2.5超大粒径块石稳定布放形态编号石料图片形态特点布放方法优先考虑面积最大的较平面作长边与短边之比小于2为底面，如果有面积相近的平1有多个较平侧面面，取布放后超大粒径块石高度形状接近6面体较小的平面作为底面。长边与短边比小于22有1个较平侧面优先取较大平面作为底面形状接近4面体长边与短边比大于2优先取长边上较大面积平面作3有一个以上较平侧面为底面且短边长度大于30cm以上稳定形态的布放建议，对于后文超大粒径块石在路堤中的力学特点研究和含超大粒径块石路堤适用性研究有着重要意义，同时也对实际施工工艺具有指导意义。23 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究超大粒径块石在路基中以稳定形态存在，不仅有有益于路基压实，更对道路稳定性有着重要的意义。2.5小结本章在查阅国内外资料、近期科研成果的基础上，依托承赤高速承德段现场调研，分析研究得出以下结论：（1）总结分析出工程沿线超大粒径块石的特点：整体性好、强度高、有完整侧面和尖锐折角等。（2）超大粒径块石定义为粒径在50cm以上或工程上尺寸较大无法用于填石路堤修筑且形状符合要求的硬质类岩石。（3）为了保证超大粒径块石在路基中的稳定性，对超大粒径块石的布放形态提出了要求。超大粒径块石在路基中以稳定形态存在，不仅有益于路基压实，也有利于延长道路使用寿命。24 河北工业大学硕士学位论文第三章超大粒径块石布放间距研究第一章初步确定了通过布放工艺解决超大粒径块石填筑路堤问题，通过第二章对超大粒径块石工程特性和定义的总结，进一步确定了以布放为基本施工工艺的超大粒径块石填筑路堤的施工方式。布放，顾名思义，即为布置和摆放。前文已经对超大粒径块石的稳定布放形态进行了研究，即解决了块石的摆放形态问题。从本章开始进行超大粒径块石各项布置参数的研究，首先从超大粒径块石布放间距问题开始。超大粒径块石体积较大，与路基中其他填料有较大差异。对于超大粒径块石而言，能否稳定的存在于路基中，主要受超大粒径块石自身稳定性的影响和路基中其他填料稳定性的影响。而路基其他填料的稳定性除了其自身路用性能指标，在工程施工上最主要的控制指标是压实度的控制。研究含超大粒径块石路堤的压实问题，其根本问题是确定超大粒径块石对路基压实的影响因素以及如何避免这种影响可能对路堤修筑所带来的质量问题。由于超大粒径块石自身体积较大，如果超大粒径块石间距过近，会造成在路基填料压实过程中，压实机具被超大粒径块石架空，无法压实超大粒径块石间的填料。同样情况也会发生在强夯施工时，夯锤落下，主要夯击能被超大粒径块石承担并传递到下方路基，无法对石料间的填料产生压实作用。所以确定超大粒径块石的布放间距，对保证超大粒径块石填筑路堤时路基压实情况有重要意义。本章通过大量的室内试验来探求超大粒径块石的间距与其间填料压实度的影响关系，用以对实际施工进行指导。最后本章针对超大粒径块石对路基压实影响情况进行了数值模拟，进一步分析了实际道路尺寸下块石对路基压实的影响情况。3.1室内试验准备3.1.1实验材料选取25 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究为了完成室内试验，课题组制作了尺寸为218cm（长）×109cm（宽）×151cm（高）的试验箱，如下图所示：图3.1试验箱试验箱侧面设有透明玻璃，用来观察填料具体变化情况。室内实验选取的超大粒径块石取自承赤高速开凿隧道的石灰岩块石，如下图3.2所示。图3.2超大粒径块石根据第二章超大粒径块石的定义，选用的石料为坚硬类石料，其单轴抗压强度数据如下表所示：表3.1实验室超大粒径块石单轴抗压强度加荷点间距De强度指数I单轴抗压强度序号破坏荷载(KN)（mm）(MPa)（MPa）142.225.566.2990.63248.924.176.188.58247.825.746.6694.57453.224.435.9687.03由上表可知，其岩性和强度均满足硬质岩的要求。所选石料长边与短边比小于2，26 河北工业大学硕士学位论文有多个较平侧面，形状接近6面体，同时考虑到室内试验操作的可行性，实验选取粒径为50cm左右的超大粒径块石。除超大粒径块石外，对于普通路基填料的选取，分别有土料，土石料和填石料三种。由于路堤修筑就地取材的特点，山区公路修筑中利用土料的机会较少，而填石料对压实功要求较高，难以在实验室内达到较好的压实效果。故本章采用了土石混合料作为普通路基填料，这也是山区公路修筑中利用较多的路基填料之一。土石混合料取自工程沿线标段山皮土，原材料的筛分析试验结果见图3.2。通过图3.3我们可以看出，0.6mm粒径到9.5mm粒径颗粒和53mm以上石料在质量上占有较大百分比，具体筛分结果见表3.2。图3.3分级筛余质量占总质量百分比曲线试验结果表明：土石混合料中5mm以上颗粒（简称为粗料）与5mm以下颗粒（简称为细料）大致比例为（50%～60%）:（40%～50%）。土石混合料中细料部分主要是由粘土、砂粒和风化的碎石屑组成，碎石密度小、强度低。表3.2不同筛孔颗粒百分含量（%）＞38mm5～38mm＜5mm20.334.745.0将土石混合料中的碎石进行吸水率和密度实验，实验结果见表3.3。表3.3土石混合料中碎石吸水率和密度实验结果毛体积密度（g/cm3）视密度（g/cm3）吸水率(%)2.5522.6461.4027 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究将土石混合料中粒径小于5mm的土料进行有机质含量和液限塑限实验，实验结果见表3.4，通过实验结果可知，土石混合料中小于5mm土料为低液限黏土。表3.4土石混合料中细料有机质含量和液塑限试验结果液限ωL（%）塑性指数Ip有机质含量（%）28.97.60.57对土石混合料中粒径小于38mm混合料进行重型击实试验，通过实验结果可知土石混合料的最佳含水量为7.4%，此时测定混合料最大干密度为2.063g/cm。3.1.2室内试验压实效果检测方案的确定选择合适的压实度检测手段对实验结果有着重要影响，工程中评价路基体压实质量的指标有很多，按其判定依据不同主要可分为四类：物理状态评价指标、力学性能评价指标、经验评价指标和物探方法评价指标。含有超大粒径块石路堤一般填方较高，所以在实际工程中物探法最为合适，但对于室内试验研究，物探法并不适合。如果采用力学性能指标进行试验，又会因为超大粒径块石的原因而产生较大的数据波动，最终室内试验还是采用了密度检测法。对于超大粒径块石室内试验，难点在于如何准确的测量土石混合料的压实效果。现有的工程多采取置换法或是公式法测量土石混合料中粒径小于38mm的混合料最大干密度，然后通过修正得到最终的最大干密度。这种方法在工程上被较多采用，但对于实验室检测，数据可能出现偏差。同时，实验室由于超大粒径块石石料间距研究尺寸限制，取样的土石混合料体积不可能很大。这就造成了取样土体中石料的离散性很大，非常容易出现样本中含有大块石料导致测量密度出现较大偏移。为了避免这种情况的发生，必须要设计一种新的压实度检测实验，来保证测量结果的准确性。在合理布放超大粒径块石位置的情况下，路基整体在一定程度内还是保持原有性质，这也给室内试验以及施工工艺提供了思路，即采用同样的压实功，分别对土石混合料和含超大粒径块石的土石混合料进行压实，对比分析来判断超大粒径块石对路基填料压实度的影响。在这个思路的基础上，实验设计了一个新的压实效果检测方法，并辅助以土压力来保证实验数据的准确性。这种压实效果检测方法具体实验思路类似于最大干密度实验方法，只是击实实验28 河北工业大学硕士学位论文在上一章提到的试验箱中完成。同时由于试验箱强度和击实手段限制，含水量取上节中最佳含水量，保证现有压实机具压实条件下使得混合料体积不再收缩，并保证击实功相同。然后取土样测量密度，筛分出38mm以上石料质量与土样质量比值——含石量，作为影响土样密度的影响因素。取所有土样密度的平均值作为类似最大干密度的标准密度，将土样的含石量对土样密度影响的曲线进行回归计算，并与标准密度对比换算，得到不同含石量下土样密度的换算表。通过测量土样密度及土样含石量后进行密度换算来减少含石量对压实效果检测结果的影响。由于土石混合料属于弹塑性体，压实效果与内部结合料压力有良好的线性关系。所以实验还采用了水平布置的土压力盒来辅助检测土样内部土压力，来保证压实效果检测结果的正确性。3.1.2.1确定标准夯击次数实验采用了铸铁夯锤，夯锤底部直径为23cm，重量为33kg，如图3.4所示：图3.4夯锤图片首先实验要通过不同夯击次数下的沉降量来确定标准的夯击次数，实验步骤及简要解释如下：①在试验箱中填筑60cm的土石混合料，控制含水量在7.4%左右，人工整平，保证与箱体侧面60cm高度线一致。60cm土石混合料主要考虑到加入超大粒径块石后，超大粒径块石上下都有一定高度的土石混合料，避免超大粒径块石与箱底及夯锤刚性接触，产生较大震动，影响压实效果。②在土石混合料表面打方格，方格边长18cm，每一格作为一个夯击点。方格边29 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究长的计算应保证土石混合料表面都能得到压实。夯锤为圆形，故夯锤圆形底部直径计算得出，即L/2。③沿试验箱长边方向每2个方格分为一组如下图3.4，各组每格分别夯击5，10，15次等，做两组实验以此类推至60次，夯击高度为30cm。这一步主要目的是为了通过不同夯击次数下沉降量的变化来确定最终的夯击次数。由于夯锤质量有限，土石混合料在一定压实功作用之后，混合料在相同重击下的体积压缩将会变得缓慢，我们取这个时候的压实次数作为标准夯击次数。夯击高度是由人工夯击时工人最容易操作控制的高度决定的，最终定为30cm。侧门顶视图第一组第二组第三组第四组第五组第六组51015202530图3.5测量夯击沉降分组示意玻璃④观察每组夯击完成后的沉降情况，用水平仪测量不同夯击次数下的沉降情况，填表绘图，确定标准夯击次数。沉降数据如下表所示：表3.5不同夯击次数下沉降数据夯击次数初始高度夯击高度沉降差组别（次）（cm）（cm）（cm）1组560.5357.413.122组1060.4555.225.233组1560.5153.976.544组2060.4753.137.345组2560.5352.997.546组3060.4952.837.667组3562.1354.427.718组4062.0654.317.759组4562.1754.397.7810组5062.1954.387.8111组5562.1454.327.8212组6062.0954.257.8430 河北工业大学硕士学位论文由实验可知，随着夯击次数增多，土石混合料被压实，沉降差不断增大。但由于夯锤质量较小，在土石混合料稳定后，压实功不足以使得土石混合料继续重新分布下沉，沉降减缓，如图3.6所示。所以从夯击30次开始，沉降差趋于稳定，确定夯击30次为标准夯击次数。图3.6不同夯击次数下的土石混填料总沉降量（cm）3.1.2.2测定标准夯击下土石混合料土样密度及含石量在确定了标准夯击次数后，开始测定标准夯击下土样的土石混合料密度。具体实验步骤及简要解释如下：①在试验箱中填筑60cm土石混合料，人工整平，保证与箱体侧面60cm高度线一致。其中在如图3.6所示红线中间位置距顶面25cm处埋入压力盒，并对压力盒初始数据进行测量，数据记录至表格。压力盒沿红线方向摆放，即测量试验箱长边方向水平向的土压力。第一组第二组第三组第四组顶视图图3.7排水法测土石混合料密度及压力盒埋置位置示意图31 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究②与上一组实验相同，在土石混合料表面打方格，每方格分别以30cm高度夯击30次，夯击结束后对土压力盒进行最终值测量，将数据记录至表格。同时沿长边方向每3个方格分为一组，如图3.7所示。③用排水法检测土石混合料的密度，每组取两个土样进行检测。去除表面10cm土石混合料后取土，取土体积约为20cm×20cm×20cm，位置如图3.6中叉号所示。土样总体积称量结束后筛分出孔径大于38mm的石料单独称重。④记录每个土样的质量体积及孔径大于38mm石料的质量，填入表格。土样数据如下表所示：表3.6标准夯击下土石混合料密度及含石量坑槽体积含石量密度编号土重(g)石重(g)土石重(g)33（dm）（石重/总重）(g/dm)15.06765797886350.11170624.5257565998117540.51260034.065835374595790.39235944.52672791876450.12169155.4681474304124510.35228065.0874482955104030.28204874.8070113764107750.35224586.2291438787179300.49288395.3878932727106200.261974104.386775135581310.171856114.6670523347103990.322232125.1676364253118890.362304134.807215261998340.272049144.907265204193060.221899154.8875043181106850.302190164.2661264727108530.4425483.1.2.3计算含石量因素影响的密度修正表通过表3.5可知16个经过标准压实的土样的密度及38mm以上粒径石料质量占土样总质量的百分比——含石量。根据表格数据绘制图3.8如下，并对数据进行分析。32 河北工业大学硕士学位论文3图3.8标准夯击次数下不同含石量土石混合料密度（g/cm）由上实验可知，在标准夯击次数下，土石混合料密度随着含石量增加而增长，通过以上16个不同坑槽的土石混填料密度得到的平均密度2.179g/cm3作为标准密度值，通过线性回归得出土石混填料含石量与密度的线性关系方程为：Y=2.6865x+1.352，将标准密度与回归方程得出的不同含石量下的密度的比值作为修正系数得到修正表如下：表3.7含石量密度修正系数表含石量修正系数含石量修正系数含石量修正系数0.171.200.340.960.510.800.181.190.350.950.520.790.191.170.360.940.530.780.201.150.370.930.540.780.211.140.380.920.550.770.221.120.390.910.560.760.231.110.400.900.570.760.241.090.410.890.580.750.251.080.420.880.590.740.261.060.430.870.600.740.271.050.440.860.610.730.281.040.450.850.620.720.291.020.460.840.630.720.301.010.470.830.640.710.311.000.480.820.650.700.320.990.490.820.660.700.330.970.500.810.670.6933 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究后续试验中测得密度依照含石量查表乘以修正系数后与标准密度的比值即为其压实效果值，通过这种方式来减少取样体积较小而产生的石料质量对密度检测数据的影响，得到更准确的压实效果数据。3.1.2.4土压力盒数据分析在得到土石混合料含石量密度修正表后，继续对辅助矫正实验测量结果的土压力盒数据进行分析。标准夯击实验一共进行了两组，取得土压力盒数据六组，数据如表3.8所示，其中土压力值计算公式为公式3.1所示：22土压力（kPa）=k×（结束值-初始值）(3.1)其中k值为土压力盒自身计算系数。表3.8标准夯击下土压力盒数据编号压力盒编码k值标定初值初始值结束值土压力（kPa）1028911.62E-0710051001.51021.16.422025601.54E-0710141013.81034.26.433021391.74E-0710541034.91052.66.434028911.62E-0710051001.71021.46.465025601.54E-0710141013.91034.46.476021391.74E-0710541034.81052.66.43通过表3.8可以绘制图3.9。图3.9标准夯击次数下不同位置的土压力值（KPa）如图3.9可以发现，在相同的压实功作用下，土压力有着较好的一致性，平均土压力为6.44KPa。在这种情况下，土压力值可以作为辅助数据观测压实效果情况，结34 河北工业大学硕士学位论文合上文的修正表，可以最大程度的降低土石混合料中石料造成的压实效果检测误差。路基填料的压实是保证路堤施工质量及路基使用稳定性最重要的一项检测指标。本节首先分析了现有压实度检测的方法，并确定了实验室检测方法。对于超大粒径块石对路基压实影响研究，在不能采用现有检测仪器的基础上，类比重击实验设计了标准夯击实验。同时通过含石量修正系数以及土压力数据修正来确保实验数据的准确性，为下节超大粒径块石室内试验提供了有力的支持。3.2超大粒径块石布放间距分析室内试验3.2.1实验目的及实验原理实验首先进行超大粒径块石间距对路基压实影响的研究。超大粒径块石在路基中规则布放是保证路基稳定性的前提，但对于具体工程施工，更要优先保证路基能够得到充分压实。如果超大粒径块石间距过近，压路机碾压及强夯加固的压实功不足以使得石料间路基填料压实。所以本节主要实验确定不影响路基压实的超大粒径块石最小间距。实验原理是将超大粒径块石摆入试验箱，控制超大粒径块石的间距，进行标准夯击后检测不同间距下土石混合料的压实效果来判断超大粒径块石对路基压实效果的影响。同时在超大粒径块石间放入土压力盒，测试夯击前后的土压力数据。3.2.2实验步骤①在试验箱中填入15cm土石混合料，整平后与试验箱侧边刻度线找平。摆入3块超大粒径块石，控制超大粒径块石间距为20cm，35cm，50cm。三块石料稳定摆放后高度在30cm~36cm左右。②继续填入土石混合料20cm，并在超大粒径间距中心埋入土压力盒，形式如下图所示。35 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究图3.10水平向压力盒埋置位及取土位置示意图③再填筑25cm土石混合料后与试验箱侧面刻度线找平，测量土压力盒初值。绘制夯击格，按标准夯击次数夯实。试验现场如下图所示：（a）压力盒图片（b）方格网划分图3.11实验现场图片④夯击完毕后对土压力盒结束值进行测量。⑤挖去10cm表层土，对超大粒径块石间的土石混合料进行排水法检测密度，同时测量土样的含石量，通过修正系数得到最终密度及压实效果值。试验现场如下图所示：图3.12实验现场图片36 河北工业大学硕士学位论文⑥将所有数据记录后进行下一组实验。分别继续检测超大粒径块石间距为65，80cm，95cm时标准夯击后石料间土石混合料密度及夯实前后土压力盒数据。每个间距进行三组实验，以保证实验数据的准确性。3.2.3实验结果分析将压实效果实验数据整理后得到表3.9。表3.9不同超大粒径块石间距下压实效果数据坑槽体积密度修正后编号石重土石重含石量3（dm2）（g/dm）压实效果20-12.53488.824317.400.111706.480.7420-22.262999.215877.010.512600.450.8220-32.031872.384789.700.392359.460.7835-12.26458.823822.400.121691.331.0435-22.732152.206225.640.352280.450.9935-32.541477.595201.620.282047.880.9550-12.401882.155387.650.352244.851.0050-23.114393.698965.020.492882.640.9950-32.691363.675310.040.261973.990.9865-12.19677.644065.330.171856.320.9965-22.331673.525199.450.322231.521.0365-32.582126.495944.250.362303.970.9780-12.401309.414916.930.272048.721.0280-22.451020.514653.170.221899.250.9480-32.441590.515342.530.302189.561.0495-12.132363.585426.710.442547.751.0195-22.441590.515342.530.302189.560.9995-32.132363.585426.710.442547.751.07由实验数据可知，随着超大粒径块石间距的变化，经过标准夯击后超大粒径块石间土石混填料的压实效果有明显变化。其中超大粒径块石间距在20cm时，土石混合料没有得到完全压实。从超大粒径块石间距为35cm开始，土石混合料压实效果较好，稳定在1左右，如下图3.13所示：37 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究图3.13不同超大粒径块石间距下土石混填料压实效果情况对土压力盒数据整理如表3.10所示：表3.10不同超大粒径块石间距下土压力数据编号压力盒编码k值标定初值初始值结束值土压力20-1028911.62E-0710051001.51021.13.1020-2028911.62E-0710051001.61021.96.6920-3028911.62E-0710051001.71021.46.4835-1025601.54E-0710141013.81034.26.5735-2025601.54E-0710141013.71034.56.4735-3025601.54E-0710141013.91034.46.4350-1021391.74E-0710541034.91052.66.5150-2021391.74E-0710541034.81052.86.5950-3021391.74E-0710541034.61052.76.6765-1028911.62E-0710051001.51021.16.4965-2028911.62E-0710051001.71021.46.4765-3028911.62E-0710051001.71021.46.5180-1028911.62E-0710141013.81034.26.4380-2028911.62E-0710141013.91034.46.4780-3028911.62E-0710141013.81034.66.5195-1028911.62E-0710541034.91052.56.5095-2028911.62E-0710541034.81052.66.4495-3028911.62E-0710541034.81052.66.45通过土压力实验结果分析可知，超大粒径块石间距在20cm时，石料间的土石混合料没有得到充分压实。随着间距增大，土压力在间距35cm时达到最大值，随后略有下降，平稳落在6.5kPa左右，如下图所示：38 河北工业大学硕士学位论文局部放大图图3.14不同超大粒径块石间距下土石混填料土压力情况及局部放大图通过对实验压实效果数据及土压力数据的分析，我们可以得出以下结论：1、超大粒径块石间距在20cm时土石混合料不能得到很好压实。2、超大粒径块石间距在35cm以上，土石混合料压实质量较好，稳定在1左右。同时也表明在同样的压实功下，土石混填料在有超大粒径块石的情况下也可以达到同样的样式效果，甚至压实质量好于没有超大粒径块石的情况。3、土压力数据在超大粒径块石间距35cm时达到最大，随后略微减小，稳定在6.5kPa，同时也略高于不含超大粒径块石时土石混合料标准夯击后的土压力6.44kPa。分析超大粒径块石间距在35cm以上时土石混合料能够压实的主要原因是夯锤直径为23cm，击实间距为20cm土石混合料时，夯击能主要被超大粒径块石所吸收，土石混合料不能得到很好的压实。所以只要超大粒径块石间距大于夯锤直径，就能保证超大粒径块石间的土石混合料得到压实。同时考虑到超大粒径块石在路基中是错位分层布放的，压实功都是由硬质的超大粒径块石向下传递到其他路基填料，所以同时要保证超大石料粒径间距大于超大粒径块石自身尺寸。在施工现场具体超大粒径间距还要结合其他影响因素和施工便宜性，具体分析可见第五章布放方案的研究。同时通过实验数据还发现加入超大粒径块石后，土石混合料压实后密度及土石混合料的土压力都略大于不加超大粒径块石时的情况。这主要是因为两个超大粒径块石相互形成了一个侧限，使得夯击能量更为集中向下传导而不是像无侧限时还向四周传导，从一定程度上实现了更好的压实效果。两个超大粒径块石形成的侧限更明显的体现在了土压力盒测试数据上，虽然超大粒径块石在路基中规则分布从表面上破坏了路39 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究基的整体性质，但是通过上一章理论分析以及本章实验数据表面，规则布放的超大粒径块石不仅保证了路基的整体性质，还由于超大粒径块石矩阵错位布置使得超大粒径块石间的路基填料在侧限的作用下更好的固结，使得路基更加稳定。3.3超大粒径块石布放间距研究分析数值模拟通过室内试验可知，超大粒径块石间距对路基压实效果的影响与强夯加固的夯锤直径有关。如果间距小于夯锤直径，则超大粒径块石间的路基填料难以得到压实，但这也并不是说超大粒径块石间距越大，对路基压实越有利。本节通过数值模拟计算现场工况下不同间距对路基压实的影响来进一步研究指导现场施工的超大粒径块石的合适间距。3.3.1数值模拟方案通过数值模拟研究超大粒径块石间距对路基压实影响的主要思路是模拟实际现场情况下改变超大粒径块石间距后，采用相同的夯锤对路基进行强夯加固，提取夯击后不同间距下的路基夯沉数据。在相同条件下，路基夯沉量越大，说明夯击能吸收越集中，路基压实效果越好。模拟方案示意见图3.15。图3.15数值模拟方案图中超大粒径块石体积设为2000mm，H取值为1000mm，夯击位置取L中点，模拟计算随L从0增大到6000mm时超大粒径块石中间填料位移变化。数值模拟采用abaqus有限元计算软件，模拟假定路基为各向同性的均质体，其他详细参数见表3.11。40 河北工业大学硕士学位论文表3.11主要物理、力学参数应力初始屈初始屈服网格土体弹性模摩擦泊松土体初始密时间步流动服塑性凝聚力-3尺寸量E/MPa角/°比μ度ρ/kg·m距/s率K应变εpc/kPa/m8044.910.33015023001.00.001夯锤的实体照片如图3.16所示，将夯锤简化成刚性圆柱体，其尺寸为R＝1.8m，锤重为20t，夯击能取2000KN·m。夯锤的有限元网格划分如下图所示，共划分成180个单元。图3.16夯锤实体及模型3.3.2数值模拟结果分析建立数值计算模型，如图3.17所示。选择超大粒径块石上方填筑厚度H为1m。取L为0m、1m、2m、3m、4m、5m和6m进行计算分析，得出超大粒径块石中间位置土体的夯沉值。图3.17数值计算模型41 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究在不同超大粒径块石间距下，进行强夯后路基变形云图如3.18所示。提取如图所示的超大粒径中心位置的路基夯沉数值，得到超大粒径石块间距和夯沉量的变化规律，如图3.19所示。a、L=0mb、L=1mc、L=2md、L=3me、L=4mf、L=5mg、L=6m图3.18土体的位移云图42 河北工业大学硕士学位论文图3.19超大粒径块石间距和夯沉量的变化规律通过图3.19可知，夯沉量在超大粒径块石间距为2m时达到最大，之后随着间距增大夯沉量变化不大。间距L=2m时，其数值略大于夯锤直径；当超大粒径块石间距小于夯锤直径时，路基填料难以得到压实。在间距大于夯锤直径后，随着石料间距增大，夯击能越发分散，强夯压实效果也会有一定程度的下降，但下降并不大。这说明控制好超大粒径块石的间距，不但能够保证路基填料的压实，还能从一定程度上提高压实质量。3.4小结本章通过室内试验和数值模型两种方式讨论了超大粒径块石间距对路基压实的影响。通过分析各种压实度检测手段的适用性选取了合适的实验室检测方法，为了保证实验的准确性。在现有检测手段的基础上创新设计了新的检测方案并用土压力数据辅助保证实验结果的准确。研究得到以下结论：（1）室内试验和数值模拟计算都表明，为保证路基填料的压实，超大粒径块石的间距必须大于夯锤的直径。（2）超大粒径块石间距也不是越大越好，随着超大粒径块石间距的增大，相同压实功下路基填料的压实效果略有下降。但通过室内试验数据可知，其压实效果仍略高于不含超大粒径石料时的土石混合料压实效果。（3）通过室内试验数据对比，含有超大粒径块石时土石混填料的压实效果在相43 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究同夯击能夯击情况下比不含超大粒径块石略高。说明超大粒径块石在合适的间距下不仅不影响路基压实，在一定程度上有助于施工得到更好的压实效果。44 河北工业大学硕士学位论文第四章超大粒径块石在路基中稳定性研究上一章研究了超大粒径块石间距对路基压实的影响，以保证含超大粒径块石路堤在施工中得到很好的压实。超大粒径块石在路基中如何布放，不仅仅对路基压实有影响，对其自身的稳定性和路基的稳定性都有着重要的影响。本章通过研究分析超大粒径块石在路基中的稳定性来确定其布放的各项参数，如超大粒径块石自身的稳定性，超大粒径块石在路基中的最小埋置深度以及超大粒径块石在边坡的布放位置等。这些布放参数的确定，给超大粒径块石填筑路堤实际施工提供了重要指导。4.1超大粒径块石稳定性研究超大粒径块石自身能否稳定存在于路堤中，对路堤自身的稳定性有重要影响。由于超大粒径块石自身强度较大、岩性稳定，所以其稳定性主要取决于块石是否能稳定存在于路堤中。通过第二章稳定布放形态的研究可知，一般取超大粒径块石最大侧面作为底面布放，由于底面积较大，压实后可以产生足够的承载力。但要保证超大粒径块石在水平方向稳定，就要确定超粒径块石周边填料是否也能提供很好的支持力，即确定超大粒径块石周边是否存在难以压实的松散区。4.1.1室内试验采用和第三章室内试验相同的实验条件，实验通过分别检测压实后两块超大粒径块石间的土石混合料压实效果以及超大粒径块石周边的土石混合料压实效果，对比判断超大粒径块石周边是否存在不能压实的松散区。同时实验在超大粒径块石间不同位置布置土压力盒，通过土压力数据辅助判断实验结果。①在试验箱中填入15cm土石混合料，整平后与试验箱侧边刻度线找平。摆入2块超大粒径块石，控制超大粒径块石间距为65cm。45 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究②继续填入土石混合料20cm，分别在两个超大粒径块石中心连线10cm、32.5cm、55cm处水平向摆入三个压力盒，如下图所示。（a）压力盒位置（b）排水法测密度图4.1实验图片③再填筑25cm土石混合料后与试验箱侧面刻度线找平，测量土压力盒初值。绘制夯击格，按标准夯击次数夯实。④夯击完毕后对土压力盒结束值进行测量。⑤对超大粒径块石间以及超大粒径块石周边的土石混合料进行排水法检测密度，同时测量土样的含石量，通过修正系数得到最终密度及压实效果。⑥重复进行4组实验，记录压实度及土压力数据。4.1.2实验结果分析将压实度实验数据整理后得到表4.1。表4.1超大粒径块石周边及超大粒径块石石料间的土石混合料压实度数据坑槽体积密度修正后编号石重土石重含石量3（dm2）（g/dm）压实度1-12.53488.824317.400.111706.481.041-22.262999.215877.010.512600.451.001-32.031872.384789.700.392359.461.052-12.26458.823822.400.121691.330.982-22.732152.206225.640.352280.451.042-32.541477.595201.620.282047.881.023-12.401882.165387.670.352244.851.003-23.114393.698965.020.492882.640.913-32.691363.675310.040.261973.991.004-12.19677.644065.330.171856.321.0146 河北工业大学硕士学位论文4-22.331673.525199.450.322231.520.984-32.582126.495944.250.362303.971.02注：实验编号1-1即为第一组实验的1号土样，其中1号和3号土样为超大粒径块石周边的土样，2号土样为两块超大粒径块石中间的土样。将土压力实验数据整理后得到表4.2。表4.2超大粒径块石周边及超大粒径块石石料间的土石混合料土压力数据编号压力盒编码k值标定初值初始值结束值土压力1-1028911.62E-0710051001.51021.16.411-2028911.62E-0710051001.61021.46.541-3028911.62E-0710051001.81021.56.552-1025601.54E-0710141013.81034.26.522-2025601.54E-0710141013.91034.46.492-3025601.54E-0710141013.21034.06.493-1021391.74E-0710541034.91052.66.483-2021391.74E-0710541034.81052.66.463-3021391.74E-0710541034.51052.26.474-1028911.62E-0710051001.71021.46.474-2028911.62E-0710141013.91034.46.504-3028911.62E-0710541034.91052.66.50通过表4.1及表4.2绘制数据分析图，由图4.2可以看出，经过标准夯击后，超大粒径块石周边和距离超大粒径块石较远位置的压实度相近，土压力数据几乎相同，说明超大粒径块石周边没有明显松散区。超大粒径块距离超大粒超大粒径块距离超大粒石周边径块石石周边径块石图4.2标准夯击后超大粒径块石周边土石混填料情况超大粒径块石周边填料是否能够得到充分压实，对超大粒径块石在路基中的稳定47 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究性有重要作用，通过上述实验数据图表可以分析得出，超大粒径块石周边的填料在标准夯击后压实度也能得到很好的保证，并不存在难以压实的松散区。通过本节实验还可知超大粒径块石在路基中侧面也同样可以得到经过充分压实后的路基填料提供的侧向压力，这也更加保证了超大粒径块石在路基中的稳定性。超大粒径自身周边的路基填料是的压实情况类似于路基台背填土的压实质量控制。但是超大粒径块石的情况也不完全相同，在施工中会选择超大粒径块石最大的平面进行布放，减少石料侧面与路基形成锐角的情况，使得路基填料更容易压实。同时在强夯加固作用下，超大粒径块石也会整体下移，嵌入下层路基填料中。加之超大粒径块石的侧限作用，让路基填料更好的在超大粒径块石间得到压实，这种作用在超大粒径块石周边也同样适用，这些都保证了超大粒径块石在路基中的稳定性。所以通过合理的布放方案和布放施工，就能保证含超大粒径块石路堤的稳定性。4.2超大粒径块石最小埋置深度研究了超大粒径块石在路基中的自身稳定性后，第二节开始研究外部环境对块石稳定性的影响，其中车辆荷载是最主要的影响因素之一。车辆的外部荷载从路面传递到路基，这种作用对于路基中的超大粒径块石填料有两种影响，一是使得超大粒径块石填料沉降，二是使得超大粒径块石填料扰动。但由于外部荷载通过路面和路基的分散，真正作用到超大粒径块石上的力接近于均布荷载。超大粒径块石底部承载力很大，静载对超大粒径块石的沉降和扰动并不是影响超大粒径块石稳定性的主要因素。对于大体积石料，动荷载对其的影响才是造成其扰动的主要因素。在大型车辆通过时，由于地面不平整造成车轮组对路面的冲击荷载也是外荷载对道路影响的重要形式。这种冲击主要受路面平整程度和车辆荷载大小的影响。如果一段道路不平整，则其在修缮之前会一直受到这种车辆震动带来的冲击荷载。这种冲击荷载以震动的方式对路面进行破坏，如果整体性较好，则对路基路面影响较小，如果整体性差，则将会造成路面开裂和路基下沉。对含有超大粒径块石路堤来说，这种荷载可能会造成超大粒径块石下方和周边的路基不均匀的沉降，对路基产生破坏。为了保证含超大粒径块石路堤的稳定性，超大粒径块石必须尽可能少的来自路面的动荷载影响，即施工时需要控制超大粒径块石距离路基顶面的最小高度。48 河北工业大学硕士学位论文荷载通过路面和路基向下传导，能量会很快减弱。本节研究超大粒径块石距离路基顶面布放最小高度的主要思路是通过确定荷载传递减弱到不影响超大粒径块石的深度，这个深度以上不能布放超大粒径块石，超大粒径块石布放距路基顶面的最小值，其研究方法类似于路基工作区深度的研究方法。车辆荷载通过路面结构后，在路基不同深度产生的附加应力σz随深度的增加而迅速减小，故靠近上部的土基层位受到的附加应力较大，易产生过量的累积塑性变形。该部位就成为控制整个路基累积塑性变形的关键层位，行业内所谓的路基工作区和路床压实区就是指这一区域，对道路整体质量至关重要。[17]前苏联规定高等级路路基工作区深度为1.2m；次高级及过渡式路为0.6m。日[18,19]本和法国将路基顶面以下1m范围视为路基工作区，并规定应对其进行充分压实。[20]我国《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）中规定路床是指指路面底面以下0.80m[21]范围内的路基部分，但并未提及路基工作区。我国现有教材定义路基工作区：在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的垂直应力σz与路基自重引起的垂直应力σB相比所占比例为其1/10~1/5时，该深度范围内的路基称为路基工作区，此深度范围内路[22][23][24]基承担较大的车辆荷载，易产生塑性形变。国内学者黄琴龙，郁晓君，李聪等通过研究计算，得出不同情况下路基工作区深度在1-2m范围之内。故现有规范中仅规定80cm路床压实区并对其提出较高压实质量控制指标，对于不同等级道路来说，是不够准确的。几十年前就有学者研究发现，相同条件车辆动荷载对基础变形的影响大于静荷载对基础变形的影响（学者Schimming等，1966年；学者Yamanouchi和Yasuhara，[25-27]1975年；学者Fujiwara等，1985年；学者Tohno等，1989年）。近年来Hyodo等(1989年)做现场动力试验后发现，低路堤地基内由卡车引起的竖向应力大约是其[28]自身净重的4～5倍。Chai等（2002年）建立了一个经验公式，通过3个工程实例对该经验公式的可行性进行了验证，得出了车辆动荷载的主要影响深度为路基以下[29]6.0m左右的结论。车辆动荷载冲击路面会造成上部路基路面整体震动，促使路基积累塑性形变，破坏道路结构。故现有的路基工作区深度仅考虑静荷载影响也有一定的局限性。基于以上原因，本文在实测数据基础上建立有限元模型，结合现有路基工作区深49 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究度计算方法，研究动荷载影响下路基工作区深度，建立更为科学的路基工作区深度确定方法，为施工建设提供指导。4.2.1室内试验验证道路模型本文首先通过室内实验验证有限元方法模拟计算动荷载的可行性。试验槽长218cm、宽109cm。填筑60cm土料后压实，如图4.3所示。（a）试验箱（b）高频动态压力传感器图4.3室内试验实验施加冲击荷载的夯锤底面尺寸：23cm、夯锤质量为30kg。采用靖江泰斯特电子有限公司制造的TS108高频动态压力传感器进行瞬时应力测量，如图4.1所示。传感器埋置分别为S10（距顶面10cm）、S20（距顶面20cm）、S30（距顶面30cm），传感器位置数值朝上，采集垂直向下的动荷载。使夯锤分别从30cm，50cm和80cm三个不同高度落下，落锤位置为传感器正上方。采集软件截面如图4.4所示。采集每次冲击峰值动应力，采集数据见表4.3。50 河北工业大学硕士学位论文图4.4软件界面表4.3冲击荷载实验数据（Mpa）传感器深度h夯锤下落高度H峰值1峰值2峰值3峰值4峰值5均值10cm80cm2.32.382.422.222.022.268020cm80cm1.711.651.311.671.551.578030cm80cm0.420.540.50.550.440.502510cm50cm2.012.121.861.891.851.946020cm50cm1.141.41.391.261.031.244030cm50cm0.390.630.50.480.40.480010cm30cm1.891.491.471.651.521.604020cm30cm1.090.860.931.170.870.984030cm30cm0.230.430.450.360.280.3500依据室内试验现场工况，使用ABAQUS大型工程有限元模拟软件对试验进行数值模拟。取模型尺寸的一半进行分析，即长为218cm、宽54.5cm，如图4.5所示。模型具体参数见下表4.4所示。图4.5仿真模型51 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究分别模拟夯锤自80cm、50cm和30cm高度落下，采样冲击瞬间夯锤下方土体0.5m深度动应力值，步长为0.05m，数值模拟数据如下表4.4所示。表4.4数值模拟分析数据（Mpa）采样点深度（m）夯锤下落高度H=80cm夯锤下落高度H=50cm夯锤下落高度H=30cm03.42012.72402.34500.052.81802.21151.92810.12.21031.85411.52460.151.82151.49111.20150.21.42021.20120.84510.250.95660.75810.57560.30.63610.57250.42550.350.47230.43230.31450.40.35070.32640.23250.450.26040.24650.17190.50.19340.18610.1270图4.6数值模拟与实验数据结果对比将数值模拟数据和实验实测数据进行比较，如图4.6所示。从图中可以看出，计算结果与试验得出的动应力值大小及规律较为接近，能够较为准确的模拟出动荷载峰值大小，并且从趋势上可以较为准确预测动应力的变化情况，说明这种有限元模拟方法是可靠的。4.2.2现场观测车辆动荷载数据现场观测主要确定车辆动荷载变化规律，确定动荷载施加模型。观测试验在承德52 河北工业大学硕士学位论文某国道进行，测试时对道路进行单车道隔离前后2公里，进行了动荷载试验。图4.7为具体试验现场照片。图4.7试验现场在现场仪器安装调试完成后，分别用同型号的载重30t（标准轴重）和42t（轴重140kN）试验车在试验道路进行单车道匀速行驶，车速从10km/h到60km/h以10km/h的增长步长，记录车辆以实际不同速度经过试验路段时的动荷载情况，记录数据如表4.5所示。表4.5动荷载试验数据标准轴重标准轴重轴重140kN轴重140kN车速/车速/车速/车速/动荷载/t动荷载/t动荷载/t动荷载/t(km/h)(km/h)(km/h)(km/h)16.410.5543.58.9720.213.934.512.951810.8544.8924.213.636.812.920.110.8546.6925.613.841.313.1526.110.32551.48.926.413.754413.127.410.27554.58.727.413.6745.713.1428.710.155.48.532.813.25491330.110.2556.88.43313.2552.512.9534.39.9559.18.1533.613.153.412.854.2.3汽车动荷载模型对于汽车荷载的确定，有关文献提出了多种汽车荷载模型：[30]有学者用Fourier级数来呈现波动的可叠加行用以表达汽车荷载，这种模型适合采集波的单元。也有学者通过分析路面平整度，采用路面功率频谱PSD来描述汽车荷[31][32]载，但模型仅限于低速情况，并且计算较为复杂，也有学者提出路面同一位置的车辆荷载近似于稳态正弦波动荷载。53 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究通过研究发现，汽车荷载主要受到路面状况和性能，行车速度以及车辆的构造的影响。其中路面状况和性能可以总结为路面不平顺程度，在其他条件不变的情况下，路面平顺与否直接决定了汽车荷载的程度。综合各种文献现有的车辆荷载模型，本文采用稳态正弦波动公式来研究道路路基动力响应的一般规律，模型公式如下：P(t)PPsin（t）0（4.1）式中：P0为车辆静载，取车辆单边轮载（kN）；2P为振动幅值，P=M0μω；M0为车辆模型簧下质量；ω为振动圆频率，ω=2πv/L；v为车速；L为路面几何曲线波长；[33]μ为路面几何不平顺失高（按国际高速公路不平整度指数取值）。满载30t（超载42t）试验试验车其具体荷载计算参数如表4.6所示。表4.6试验车荷载计算参数表-1计算参数P0/kNw/sM0/kgμ/mmL/m满载试验车502πv/L280153超载试验车702πv/L280153根据上文汽车荷载表达式计算得出表4.7，即该模型下不同车速时动荷载仿真数据。表4.7满载30t和超载42t动荷载仿真数据满载（30t）满载（30t）超载（42t）超载（42t）车速/车速/车速/车速/动荷载/t动荷载/t动荷载/t动荷载/t(km/h)(km/h)(km/h)(km/h)16.410.5243.59.0920.213.9334.512.951810.9144.89.1424.213.6836.812.8920.110.9546.69.0425.613.8341.313.1526.110.3351.48.826.413.614413.0927.410.3854.58.6827.413.6745.713.2328.710.3255.48.4332.813.254912.9930.110.1356.88.333313.2252.513.0334.310.0759.17.9133.613.1953.412.95将试验实测数据和软件模拟数据进行曲线对比如图4.8所示。54 河北工业大学硕士学位论文图4.8满载和超载试验车动荷载通过图4.8所示可以看到实测数据和软件模拟数据能够很好的匹对，进一步验证了该动荷载模型的准确可用性，能够用其对车辆不同行驶速度下的动荷载进行预测模拟。4.2.4动荷载数值模拟在验证了道路模型和车辆荷载模型准确后，进行半刚性路面路基动荷载数值模拟。本文选取了40km/h，60km/h，80km/h和100km/h作为模拟车辆的速度进行计算。通过表4.7中动荷载数据可以计算出不同车速时对应的荷载作用数据信息如表4.8所示。表4.8不同车速下的振动荷载幅值P和周期大小-1车速km/h圆频率w/sP/kN周期/s4023.2592.2720.2706034.9075.1180.1808046.5429.0980.13510058.17814.2150.108对满载30t和超载42t的试验车进行汽车动荷载计算，得到行驶速度为40km/h，60km/h，80km/h和100km/h所对应的动荷载在一个周期内变化的规律如图4.9所示。图4.9满载和超载车动荷载在一个周期内变化的规律55 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究观测路段路面结构形式为沥青混凝土路面，其结构组成为：4cm罩面+8cm沥青混凝土面层+16cm二灰碎石+16cm二灰碎石，各结构层材料具体参数如表4.7所示。参照以上分析和计算内容，建立数值计算模型，如图4.8所示。根据实际道路结构情况，模型选用CPE4R单元类型，对模型进行网格划分。路面材料参数按照现场试验路参数如表4.9所示。表4.9路面结构材料参数材料参数厚度/cm弹性模量/MPa泊松比密度/（t*m-3）阻尼率/%罩面415000.352.40.05沥青砼813000.32.40.05二灰碎石1613000.252.30.05二灰碎石1613000.252.30.05土基—400.41.80.05图4.10道路模型对观测路段路面模型加载上述不同速度下动荷载进行数值模拟，提取动荷载下方不同深度的动应力值，如图4.11所示，可以看出，在相同行驶速度下，满载比超载试验车所产生的动应力要小。并且，满载和超载试验车对路基所产生的动应力随着车速的提高而减小，这也同之前的试验及模拟结果一致。试验中通过对满载和超载试验车的动荷载结果分析比较可以看到，车辆对路面的动荷载作用基本都是随着车速的提高而降低的，主要是由于车速的提高而车辆对路面的作用时间相应的也降低了，所以导致整体上动荷载与行车速度关系成类似反比的变化规律。56 河北工业大学硕士学位论文图4.11满载和超载试验车不同行驶速度下的动应力随深度变化规律参照路基工作区概念，本文定义动荷载所产生应力σz/σB=1/10时所对应的深度Za为路基工作区，提取数值模拟中随深度变化试验车所产生动应力σz与路基土自重引起的垂直应力σB相比，得到σz/σB=1/10时所对应的深度减去路面厚度得到观测路段路基工作区深度Za如表4.10所示。表4.10不同行驶速度下的观测路段路基工作区深度Za速度轴载动工作区速度轴载动工作区100kN1.45100kN0.7940km/h80km/h140kN1.82140kN1.20100kN0.98100kN0.7260km/h100km/h140kN1.33140kN1.084.2.5超大粒径块石距离路基顶面的高度在以上研究内容的基础上，为研究不同等级公路在动荷载影响下路基工作区深[34]度，选取不同等级公路较为典型的路面结构层组合及厚度，如表4.11所示。汽车荷载速度分别采用不同等级道路的设计行车速度，路面结构层材料参数同表4.9，数值模拟计算结果减去路面厚度后如表4.12所示。表4.11不同等级公路行车速度和路面结构路面结构层组合（cm）公路等级汽车荷载速度（沥青混凝土+二灰碎石+砾石砂）高速公路100km/h15+45+15一级公路80km/h12+45+15二级公路80km/h12+40+15三级公路60km/h9+35+15表4.12不同行驶速度下的路基工作区深度Za速度轴载动工作区速度轴载动工作区100kN1.14100kN1.29高速公路二级公路140kN1.45140kN1.6857 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究100kN1.23100kN1.42一级公路三级公路140kN1.55140kN1.83通过表4.12数据可知，减去路面厚度后高速公路动荷载路基工作区深度在1.14m-1.45m，故规定超大粒径块石距离路基顶面最小高度为1.5m，即路基顶面以下1.5m范围内不能布放超大粒径块石。4.3超大粒径块石边坡处布放位置上文分别研究了超大粒径块石自身稳定性和其在路堤中稳定性的问题。其中路基边坡的稳定性是道路稳定性中非常重要的一部分，对于含超大粒径块石的路基来说，在路基边坡位置处如何布放超大粒径块石，是一个十分重要的问题。4.3.1现有路堤边坡稳定性计算方法的局限性现有路基边坡稳定性分析方法根据理论基础和分析原理不同可以大致分为几下几类：随机理论分析法、极限分析法、极限平衡分析法、数值分析法等。综合计算理论成熟度，计算难度和计算结果准确度来说，极限平衡法为现有工程中最常用的计算方法。极限平衡分析法在摩尔库伦定理的基础上，对边坡土条进行垂直划分，通过方程组求解稳定系数。极限平衡法主要有以下假设：多余的未知数和分布形状进行不同的假设；对土条的各种力矩及静力条件的满足程度进行假设；滑移面的形状进行假设等。基于不同的假设条件会得到不同的分析方法，虽然各种假设都有一定的局限性，但通过分析具体情况，满足工程实际，极限平衡法会得到良好的分析结果。现有常用的极限平衡分析法有毕肖普法（Bishopmethod）、简布法（Janbumethod）和瑞典法（SwedishMethod），此外还有很多如不平衡推力法、陆军工团法、摩根斯坦—普拉斯法（Morgenstern-PriceMethod）、斯宾塞法（SpencerMethod）等。下表为各种极限分析法各种假设和变量假定情况的比较。表4.13各种极限平衡分析法的比较竖向力水平向力矩条件作用滑裂面方法条件作用假定平衡力平衡平衡力方程形状毕肖普法是否是不计条间剪切作用力不使用圆弧形0条间作用力合力简布法是是否不使用任意形状0方向为水平58 河北工业大学硕士学位论文瑞典法是是是不计条间作用力不使用圆弧形不使用不平衡条间合力方向与是是否任意f（x）任意形状计算得到推力法上一土条平行陆军工条间合力方向为是是否特定f（x）任意形状1.0团法平均坡度条间作用力合力斯宾塞法是是是f(x)=1.0任意形状计算得到方向平行摩根斯坦条间合力方向为是是是任意f（x）任意形状计算得到普拉斯法函数变化关系对于上表来说，表中土条间竖向力x和水平力满足x=Ef（）x，其中[0,1]。极限平衡分析法最大的局限是对土体自身应力应变关系忽视，机械的将土体分为土条，不同假设下平衡条件也不同。虽然根据工程实际，不同的条件分析不同的工程情况，但是对于含有超大粒径块石路堤边坡来说，极限平衡分析法并不精确。超大粒径块石由于体积巨大，不能简单等同于理想弹塑性体，故本文最终使用强度折减法理论进行含含超大粒径块石路堤的边坡稳定性分析。59 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究4.3.2强度折减法分析路堤边坡稳定性强度折减法（ShearStrengthReductionTechnique）是计算机普遍运用后数值分析计算中采用的一种方法，其由由Zienkiewicz等学者最早提出，定义如下：保持外荷载不变的条件下，边坡土体能支撑的最大抗剪强度和外部荷载在边坡土体内产生的实际剪应力的比值。极限条件下，外荷载在土体中产生的实际剪应力与支持外荷载所产生的最小抗剪强度（实际发挥的抗剪强度，即通过实际强度指标折减后确定的抗剪强度）相等。当事先假定边坡内土体产生相同的抗剪强度时，这种强度折减系数与传统意义的边坡稳定性安全系数是一致的，但由于可以对土体进行不同定义，通过数值模拟可以得到更为准确的计算结果，也可以更好的模拟含有超大粒径块石的边坡稳定性模拟。抗剪强度参数折减后可表达为：cc/Fmr（4.2）arctan(tan/F)mr（4.3）式中，c和φ是边坡土体提供的抗剪强度；cm和φm是保持土稳定所需要的抗剪强度；Fr是强度折减系数。通过假设不同的Fr，通过有限元计算边坡是否破坏来确定最后结果，Fr越大，边坡越稳定。随着Fr的增加，达到稳定时的Fr就是边坡稳定的安全系数。目前主要有三种方法判断边坡的临界破坏情况，分别是数值计算是否收敛，边坡特征部位位移拐点和是否形成了连续贯通的侧面三种判断方法。强度折减法的原理本质为通过改变假设，材料的c、φ逐渐减小，使得单元应力无法支持受力，即超出了屈服面，应力向周围土体转移，位移变大出现连续的滑动面，此时边坡就会失稳。通过ABAQUS数值模拟，其材料c、φ的变化可以通过定义实现，具体步骤如下：（1）通过定义一个场变量，取为强度折减系数Fr。（2）对材料模型参数进行随着场变量变化的定义。（3）分析初始的假设场变量数值，对模型加载重力（体力），得到应力平衡状态。为了避免边坡在初始破坏，Fr可取得较小，如Fr<1，即放大了强度。（4）后续分析中场变量Fr线性增长，计算终止（数值不收敛）后对分析模拟结果，按失稳评价标准来确定模拟边坡的安全系数。60 河北工业大学硕士学位论文4.3.3含超大粒径块石路堤边坡稳定性分析用石料修筑边坡在河堤修建中十分常见，在山区修建道路中，也早就有利用石料码砌边坡的工艺。对于修建含有超大粒径块石路堤，本节主要研究如何更好的利用超大粒径块石的特点，确定其在路基边坡附近最佳的位置，帮助提高边坡稳定性。通过上文超大粒径块石在路基中的位置研究我们可以知道，超大粒径块石一般在路基中较下层的位置。一般路基边坡失稳是靠近边坡的土体沿边坡滑移面滑移，故超大粒径块石在滑移面内和滑移面上对边坡滑移失稳的影响就会影响超大粒径块石施工中超大粒径块石的布放。为了全面分析超大粒径块石对边坡稳定性的影响，本文取了超大粒径块石在路基边坡中三个位置进行分析，并将其与不含超大粒径块石石料时路基边坡稳定性的情况进行对比。分析采用强度折减法，使用大型工程有限元分析软件abaqus进行数值模拟。超大粒径块石在路基边坡中三个位置分别为在路基边坡坡脚处，在路基边坡坡腰处，在路基边坡坡顶处。通过针对三种不同超大粒径块石位置进行路基边坡稳定性计算，从而确定对路基稳定性最优位置，指导含超大粒径块石路堤的施工和设计。数值计算如图4.12所示。图4.12数值计算模型61 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究采用强度折减法，对不同超大粒径块石位置进行边坡安全系数计算，并与无超大粒径块石的边坡安全系数进行比较，计算得出的塑形云图如图4.13所示，其中图中方块圈出的位置为超大粒径块石的位置。对坡肩位置提取水平位移和场变量FV1（即安全系数Fs）可得到相应的安全系数，如图4.14曲线中的拐点。a位置1b位置2c位置3d无超大粒径块石图4.13超大粒径块石在不同位置时的塑性应变云图图4.14不同计算情况下的安全系数62 河北工业大学硕士学位论文表4.14不同计算情况下的安全系数计算工况无超大粒径块石位置1位置2位置3安全系数1.011.081.030.98总结上述计算情况，不同计算条件，即无超大粒径块石时，路基中超大粒径块石的不同位置情况下的安全系数如表4.14所示。通过计算我们可知，当超大粒径块石在路基边坡坡底部时，对路基的稳定性贡献最大；其次位置为路基边坡坡腰处的边坡滑动面以内，但仍比无超粒径路基稳定性更好；最不利的位置为路基边坡坡顶部和边坡滑动面外的位置，此时会对路基稳定性产生不利影响。4.4小结本章主要探讨超大粒径块石在路基中的各种位置问题，分别研究了超大粒径块石的最小埋置深度、超大粒径块石在路基水平方向的布放形式、竖直方向的布放形式以及结合水平和数值方向后的超大粒径块石在路基中的空间布放形式，得出以下结论：（1）通过合理的布放间距，压实后超大粒径块石周围填料能提供足够的支持力，并不存在难以压实的松散区域。（2）结合动荷载实验及数值模拟，分析得到不同等级公路的路基工作区深度。其中高速公路动荷载路基工作区深度在1.14m-1.45m，故规定超大粒径块石距离路基顶面最小高度为1.5m，即路基顶面以下1.5m范围内不能布放超大粒径块石。（3）当超大粒径块石在路基边坡坡底部时，对路基的稳定性贡献最大；其次位置为路基边坡坡腰处的边坡滑动面以内；最不利的位置为路基边坡坡顶部和边坡滑动面外的位置。63 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究第五章超大粒径块石布放方案及施工工艺研究布放施工工艺是超大粒径块石填筑路基施工工艺中最重要的一部分，合理的布放方案和施工方法能不但保证超大粒径块石稳定存在于路基中，还能保证含超大粒径块石路堤的压实效果。本章综合前文对各种布放施工参数的研究成果，确定了超大粒径块石的布放方案和施工工艺。5.1超大粒径块石布放方案研究实际施工中影响超大粒径块石布放方案的问题主要有两个，一个是超大粒径块石分层摊铺时水平布放问题和多层摊铺后其竖向布放问题；另一个则是填筑方式，比如单层填筑，多层填筑等。结合前文分析成果，本章主要结合施工便宜性讨论超大粒径块石施工方案的确定。5.1.1布放位置和填筑方式5.1.1.1水平布放位置通过第三章的研究我们知道，要保证超大粒径块石间的填料得到压实，需要块石间距略大于压实机具。施工中常用的压路机宽度和强夯夯锤直径均在2m左右，所以块石的间距要略大于2m。因此，施工中布放超大粒径块石的中心距定位4m，即最近两块超大粒径块石的中心的连线为4米。按这种方式布放超大粒径块石的间距随着石料粒径不同会在2.5m到3m内变化，使得块石间填料得以充分压实。在确定了施工中超大粒径块石的间距问题后，需要研究的是其水平布放的问题。超大粒径块石采用的是布放工艺，即在分层摊铺前对超大粒径块石进行布放。水平布放有两种基本形式，一种是矩形布置，控制直线方向上的块石中心间距为4m；另一种是梅花形布置，控制所有相邻块石中心间距为4m。两种形式如下图所示：64 河北工业大学硕士学位论文矩形布放梅花形布放图5.1两种水平布放方式如图5.1所示，分析这两种布放形式，采用梅花形布放时，超大粒径块石距离周边所有超大粒径块石距离均相等；而采用矩形布放时，对角线的块石间距略大。这两种形式在间距上均满足要求，所以确定施工上用哪种形式的布放方式还需要考虑施工的便宜性。从施工便宜性的角度考虑，超大粒径块石布放的施工主要采用运载超大粒径块石的卡车配上挖掘机卸载布放，这就需要超大粒径块石最好是矩形布放，这样可以给车辆留出充分的行驶和活动空间。除此之外，采用矩形布放形式时块石的间距和放线的尺寸更加整齐，超大粒径块石定位起来也更加容易，所以单层摊铺时布放施工采用矩形布放形式。5.1.1.2竖直布放位置解决了超大粒径块石水平方向布放的问题之后，本节研究超大粒径块石在竖直方向的布放位置。山区公路路基填筑高度往往较大，如果超大粒径块石数量较多，就会涉及到多层摊铺的问题，这个时候就要考虑超大粒径块石在竖直方向的位置关系。超大粒径块石竖向位置不但涉及对压实效果的影响，还涉及路基稳定性和沉降等诸多问题，相对水平方向布放来说，超大粒径块石在竖直方向的布放更为复杂且更为重要。超大粒径块石在竖直方向的布放也有两种形式，即重叠布放和错位布放。重叠布放即是指上下两层填料中超大粒径块石在竖直方向投影重合；错位布放则是指上下两层填料中超大粒径块石在竖直方向投影按一定规律交错，如下图所示。下面分别从压实和沉降的角度分析这两种布置形式的优劣。重叠布放错位布放图5.2两种竖直布放方式65 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究超大粒径块石在路基竖直方向的布放形式对压实度有重要的影响。超大粒径块石由于自身呈刚性，体积几乎不压缩，含超大粒径块石路堤的压实效果主要取决于如土石混填料的压实程度。土石混填料受到的压实功主要有两个来源：一是碾压或强夯施工时受到的碾压力或夯击力，二是其上方超大粒径块石的重力自沉。对于碾压力或夯击力产生的压实功，由于超大粒径块石对压实功的吸收很少，大部分能量都会在超大粒径块石集中后传导至下方的土石混填料，因此位于超大粒径块石正下方的土石混填料能够吸收到更多的压实功，故压实度更强。对于超大粒径块石重力自沉产生的压实功，由于其是长期过程，随着时间的推移其下方的土石混填料会产生体积收缩，因此上方有超大粒径块石的土石混填料与没有超大粒径块石的土石混填料会产生不均匀沉降。故竖向布置时采用错位布放形式对路基的压实度和整体稳定性更有利。上文分别讨论了超大粒径块石在水平和竖直方向的布放形式。但对于超大粒径块石在路基中的位置不是二维平面形式的，其位置关系是三维空间形式的。解决了水平和竖直位置的布放形式后，需要综合起来考虑超大粒径块石在路基中的空间布放位置。超大粒径块石在水平方向采取了矩形布放形式，在竖直方向采取了错位布放的形式。对竖直方向进行进一步细分则是路基横断面竖向和路基纵断面竖向，这两个方向都保证错位布放形式的条件下结合水平方向的矩形布放形式，就得到了超大粒径块石在路基中最终的空间布放形式：分层错位布放。具体布放形式如图5.3所示。图中黑色方块代表上一层超大粒径块石，白色虚线方块代表下一层的超大粒径块石透视图。图5.3超大粒径块石错位分层布放形式透视图通过观察图5.3可以看到超大粒径块石分层错位布放形式。这种布放形式在压实功作用下，可以让刚性的超大粒径块石接受到的压实能力传递到下层超大粒径块石间的路基填料中，使路基得到更好的压实。图示仅显示两层填料，当填料为四层时，可66 河北工业大学硕士学位论文以保证含超大粒径块石路堤从顶面向下的投影中超大粒径块石石料均匀分布，即竖直方向上石料与其他路基填料总数量相同。而这一点从根本上解决了由超大粒径块石自身所可能带来的不均匀沉降问题。通过这两小节的分析，我们最终确定了超大粒径块石在路基中水平和竖向的布放原则，即水平方向采用矩形布放形式，竖直方向采用分层错位的布置形式。5.1.1.3填筑方式研究影响确定施工方案的另一个重要因素则是填筑方式的选择。对于实际工程来说，路基填筑尺寸、路基填筑长度、超大粒径块石的数量都是确定的，综合这些因素和现场施工情况，就可以确定采用何种填筑方式。在第五章的5.2和5.3中分别分析了不同粒径填筑时上下层位的差别以及填筑相同高度时不同填筑方式的差别。通过5.2的分析可知，粒径较大的块石在下层较之粒径较小的块石在下层沉降量更小。所以在施工时，应将分选的较大粒径的块石进行靠下位置摊铺层的布放。通过5.3的分析可知，填筑相同高度路基时，不同粒径的填筑形式都有较高的可靠性。对于实际施工来说，较少的摊铺层更加省工省时，所以现场情况允许的条件下，可以集中粒径较大的石料进行摊铺，减少摊铺层数。综合以上分析，可以得出一下确定超大粒径块石填筑方式的原则：（1）超大粒径块石摊铺层应从土基开始摊铺。（2）通过调整摊铺的长度，使得含超大粒径块石的摊铺层以偶数层为宜。（3）多层摊铺时，应将粒径较大的块石置于底层。（4）如果超大粒径块石数量较多，可以采用集中粒径较大的石料进行摊铺，以减少摊铺层数，减少工程量。5.1.2超大粒径块石布放方案结合上述分析得出的影响超大粒径块石布放方案的各种原则，本节研究确定超大粒径块石的布放方案。5.1.2.1超大粒径块石布放方案首先要对超大粒径块石进行分选和统计工作，这项准备工作可以同填石料的分选67 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究工作合并完成。在完成对超大粒径块石数量统计后，进行超大粒径块石布放方案的确定。确定超大粒径块石布放方案需要知道修建道路等级、填方路堤高度H、路堤顶面宽度和边坡坡度。以下为施工方案的步骤：（1）确定修建道路的等级，采用第五章第一节的计算方法，确定超大粒径块石距离路基顶面的最小高度h，则超大粒径块石填筑层总厚度为H-h。（2）通过填方高度H，路堤顶面宽度为b，边坡比率为1：a，计算可以得知路堤底面宽度为：B=b+2aH（5.1）（3）结合超大粒径块石大小情况和数量和路基填筑的总厚度，确定摊铺的层数n。（4）通过对超大粒径块石的统计，得到超大粒径块石稳布高度在50cm-70cm块石的数量和70cm-100cm块石的数量，设其总数为A。估算路基摊铺长度，估算公式为：L=16A/nB（5.2）（5）在下一层碾压完成后，上一层超大粒径块石布放前需进行放线，通过放线定位的方式准确控制超大粒径块石的位置及间距，保证路基施工质量。上述超大粒径块石布放方案注意事项如下：（1）根据现场情况也可以先确定摊铺长度，比如现场用于超大粒径块石布放的机械较少，或在较短距离遇到构造物等。在确定摊铺长度的基础上再确定摊铺层数。（2）路基边缘线上不布放超大粒径块石，对应另一侧的边缘线也不布放超大粒径块石。（3）路基最外层石料具体布放位置要通过Bishop法或其他方法计算路基边坡滑移线的办法绘图确定滑移线的位置，通过微调定位线的方法调整超大粒径块石的位置，确保超大粒径块石在边坡滑移线上或滑移线内。（4）路基最外侧块石布放时应充分考虑路基稳定性。首先采用Bishop或其他方法计算路基边坡滑移线，将超大粒径块石布放于路基边坡滑移线以内。（5）由于每层放线为底面放线在层顶的竖直投影，随着摊铺后高度上升，放线是要注意保证X线和Y线在竖直方向上重合。（6）为方便施工控制，每层的放线在竖直方向应重合。68 河北工业大学硕士学位论文5.1.2.2超大粒径块石布放草图含超大粒径块石路堤中超大粒径块石的布放位置随层数的变化而改变，为了保证施工的准确性，在确定施工方案后，需要绘制施工草图。在施工时根据施工草图现场放样施工，进行超大粒径块石的布放。应以路堤底面层放线为基准，其原则为：横断面方向放线，以2m为间隔，编号X0，X1，X2，X3…其中X0为路堤填筑底面边缘线。从填筑起点沿道路方向放线，以2m为间隔，编号Y0，Y1，Y2，Y3…其中Y0为路堤填筑底面起点线。当多层摊铺时，以上各层放线位置应与底层投影重合，编号不变。放线完毕后进行超大粒径块石的布放，布放原则为：从最底部开始第1层（4n+1层），在X的奇数线与Y的奇数线交点布放超大粒径块石；第2层（4n+2层），在X的偶数线与Y的偶数线交点布放超大粒径块石；第3层（4n+3层），在X的奇数线与Y的偶数线交点布放超大粒径块石；第4层（4n层），在X的偶数线与Y的奇数线交点布放超大粒径块石。（n=0,1,2,3…）下图为不同层超大粒径块石布放位置草图，其中黑色方块代表超大粒径块石布放位置，每层编号均为从路基底面向上计算。图5.4-图5.7分别为：第1层（4n+1层）超大粒径块石分布位置，第2层（4n+2层）超大粒径块石分布位置，第3层（4n+3层）超大粒径块石分布位置和第4层（4n层）超大粒径块石分布位置。图5.4第1层（4n+1层）超大粒径块石分布位置施工草图69 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究图5.5第2层（4n+2层）超大粒径块石分布位置施工草图图5.6第3层（4n+3层）超大粒径块石分布位置施工草图图5.7第4层（4n层）超大粒径块石分布位置施工草图70 河北工业大学硕士学位论文绘制施工草图注意事项如下：（1）随着路堤填筑高度增加，路堤顶面变窄。在绘制超大粒径块石布放施工草图时，应注意路基填筑边缘线的变化，即路基填筑边缘线随着路堤高度增加而收窄，相应的超大粒径块石布放也随之变化。（2）在曲线段进行超大粒径块石布放位置X指示线的绘制，以道路中轴线作为作为基准线，其余指示线从基准线开始向道路两侧偏移形成。绘制Y指示线则从路基底面填方起点为Y0，分别以两米为间隔取点连线的Y指示线。（3）由于每层摊铺后在竖直方向高度增加，对指示线放样的精度有更高的要求，以保证超大粒径块石的精确布放。（4）路基最外层石料具体布放位置要通过Bishop法或其他计算路基边坡滑移线的办法绘图确定滑移线的位置，确保超大粒径块石在边坡滑移线上或滑移线内，以保证路基的稳定性。5.2超大粒径块石布放施工工艺5.2.1超大粒径块石的分选及数量统计超大粒径块石多数来自开凿隧道的弃方，少部分来自山皮土中的大体积石料。在修筑填石路基时，需要对石料进行分选，即选择可以修建填石路基石料。现有规范对填石路基的要求如下：（1）膨胀岩石、易溶性岩石不宜直接用于路堤填筑，强风化石料、崩解性岩石和盐化岩石不得直接用于路堤填筑。（2）路基填料粒径应不大于500mm，并不宜超过层厚的2/3，不均匀系数宜为15～20。路床底面以下400mm范围内，填料粒径应小于150mm。（3）路床填料粒径应小于100mm。分选结束后被弃置的石料就是超大粒径块石的原料，然后根据第二章确定的超大粒径块石的定义对超大粒径块石进行分选。在填石路基石料分选的基础上，可以知道石料的尺寸和岩性，这对超大粒径块石的分选工作有很大帮助。对于符合岩性要求的石料，其尺寸一般为大于500mm无法用于填石路基修筑的石料，符合超大粒径块石71 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究对尺寸的要求。关于石料形状的要求，本文在第二章已对超大粒径块石的形状要求进行了总结，详见表2.4。通过对石料的尺寸、岩性和形状进行分选后，对超大粒径块石的总数进行统计，为后续施工做准备。对超大粒径块石的统计主要依据超大粒径块石稳定布放后的高度进行判断。主要将超大粒径块石分为稳布后高度在50cm-70cm区间和70cm-100cm区间两组，分别用于层厚1m和层厚1.5m两种摊铺厚度层的布放。这样区分最大的意义是通过控制超大粒径块石稳布高度，保证同一摊铺层中块石高度相差不会太大，得到更好的压实效果。通过合理的施工组织，这些超大粒径块石的分选工作均可以在填石料分选时一并完成，很大程度上简化了超大粒径块石填筑路基的施工准备工作。5.2.2超大粒径块石布放施工工艺及注意事项超大粒径块石布放施工准备工作完成后，进行布放施工。布放施工为流水作业，主要分为超大粒径块石装车，超大粒径块石卸车，超大粒径块石布放三个施工环节。（1）超大粒径块石装车。装车时采用推土机和挖掘机配合装载，对运载卡车的型号没有要求限制，但要注意装车时石料的堆放，保证安全施工。（2）超大粒径块石卸车。大粒径石料卸车过程配合挖掘机进行，运载超大粒径块石的卡车在需要布放的两条X指示线中间行进，挖掘机随侧后方行进。经过需要布放的位置时停车，由挖掘机卸下两块超大粒径块石。石料卸载完成后，继续行进至下一布放点继续卸载。（3）超大粒径块石布放。卸载用的卡车和挖掘机后紧跟着一台挖掘机进行超大粒径块石的布放。其任务主要是将超大粒径块石移动至布放位置并调整其至稳定布放形态。下图为现场超大粒径块石布放施工情况：72 河北工业大学硕士学位论文图5.8超大粒径块石布放施工现场超大粒径块石的布放是含超大粒径块石路堤施工的关键工艺之一，其施工质量直接关系到道路运营期的稳定性。超大粒径块石布放施工时，需要注意以下几点：（1）超大粒径块石装载时需要注意运载卡车的承载能力以及堆放高度，由于施工现场路面不平整，建议超大粒径块石不要装载过高，以免发生脱堆掉落事故，造成财产损失和人员伤亡。（2）超大粒径块石卸载时可以用挖掘机直接从运载卡车的石料中勾拉，使之自然坠落至地面，以加快卸载速度。在有一台运载车布放施工时，最少保证有一台运载车完成石料装载，以加快布放施工的衔接。如果施工条件允许，可以多组运载车和挖掘机同时进行卸载和布放施工。（3）在挖掘机进行布放时，主要注意超大粒径块石的位置和稳定形态，其方向指向不作要求，以不以影响施工机械通行为准。（4）在施工顺畅的情况下，三个施工环节可以同时进行，以加快施工进度。其中需要注意的是布放超大粒径块石最后阶段可以采用倒退式的卸载方法，以免出现石料影响机械通行的情况。5.3小结本章针对超大粒径块石修筑路堤的特点，结合前文研究成果，研究确定了超大块石布放的施工方案，并对相应的施工工艺进行了研究，主要得到以下结论：（1）超大粒径块石在路基中水平和竖向的布放原则，即水平方向采用矩形布放形式，竖直方向采用分层错位的布置形式。73 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究（2）超大粒径块石摊铺层应从土基开始摊铺，通过调整摊铺的长度，使得含超大粒径块石的摊铺层以偶数层为宜。多层摊铺时，应将粒径较大的块石置于底层。如果超大粒径块石数量较多，可以采用集中粒径较大的石料进行摊铺，以减少摊铺层数，减少工程量。（3）在进行超大粒径块石布放施工前，首先要进行施工用超大粒径数量的统计工作、具体施工方案的确定以及施工草图的绘制等准备工作，施工前要进行指示线的放线，以保证超大粒径块石布放位置的准确。74 河北工业大学硕士学位论文第六章超大粒径块石施填筑路堤工工艺优化和检测上一章超大粒径块石布放方案及施工工艺的研究，是超大粒径块石填筑路堤施工中最关键的工艺步骤。此外，采用超大粒径块石填筑路堤，还需要相应改进许多其他的施工工艺。本章首先了研究含超大粒径块石路堤对地基的要求和处理方法，并对含超大粒径块石路堤填料的摊铺碾压等施工工艺进行了优化，提出了一些建议。本章最后对试验路进行了检测并对检测结果进行分析，验证了采用该工艺修筑的含超大粒径块石路堤具有良好的稳定性。6.1含超大粒径块石路堤的地基处理含超大粒径块石路堤对地基的要求介于填石路基和填土路基两者之间。由于是山区道路，填筑路基一般较高，如果地基承载力不足会造成道路运营一段时间后路基整体沉降或由于超大粒径块石与土石混合料性质差异造成不均匀沉降。所以针对含超大粒径块石路堤特点要对施工地基的承载力指标进行一定的要求，以保证含超大粒径块石路堤稳定性。6.1.1土质地基的处理6.1.1.1含超大粒径块石路堤对地基承载力的要求超大粒径块石是山区常见的物料形式，一般来源于隧道爆破或山体开挖。从就近取材和经济有效角度出发，将超大粒径块石用作路基填料对工程是有利的。通常情况下，可利用超大粒径块石作填料的路基一般为高填方路段，其自身荷载较大，于是对地基承载力提出了较高要求。对于常见的填土路基，因为土颗粒之间粘聚力较高，填筑体本身具有较强的塑性，所以当地基承受过大的承载力导致沉降时，路基填筑体是75 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究在一定范围内共同沉降。但是含超大粒径石料路堤中的超大粒径石料填料自身尺寸和质量较大，跟周边土石混填料之间基本上没有粘聚力，主要由超大粒径石料下方的土石混填料提供承载力。所以当地基发生不均匀沉降时，超大粒径石料极易产生扰动，加之自身体积较大，这样的扰动就会导致路基失稳产生破坏。因此，地基承载力是保证含超大粒径石料高填方路堤稳定的前提条件，必须达到足够的地基承载力，才可以保持路基稳定。而现行的《公路路基施工技术规范》（JTJ033-95）中并没有对路基的地基承载力作出具体的规定，只是提到：“路堤基底应在填筑前进行压实，高速公路、一级公路和二级公路路堤基底的压实度不应小于85%。”此规定针对范围较为笼统，其对于含超大粒径块石路堤的适应性在本文中做深入探讨。通过对含超大粒径石料路堤的路段进行调研，发现存在很多路基竣工后甚至在施工阶段就由于地基的原因而发生变形破坏的现象。针对这一破坏现象，本文进行了大量施工现场检测和相关资料查阅，结果表明，设计施工单位对地基承载力的要求和控制不足是导致路基破坏的主要原因。根据以上调查，初步提出含超大粒径石料路堤的地基承载力技术要求与处理要求：1.含超大粒径块石路堤的地基承载力要求含超大粒径块石的路堤一般为高填方路堤，其较大的自重对地基沉降提出了更为严格的要求。下面以填筑路堤的高度作为指标，对地基承载力做出了规定：填筑高度小于10m的路基，地基承载力不宜低于150kPa；填筑高度为10~20m的路基，地基承载力不宜低于200kPa；填筑高度大于20m的路基，路基应宜填筑在岩石基底上。2.含超大粒径块石路堤的地基处理要求由于含超大粒径块石路堤对地基要求较高，故应在填筑前进行如下处理：如果路堤填筑范围内有树木或灌木丛等植物，应将其转移他处种植或砍伐清理至路堤填筑范围以外；如果路堤填筑范围内存在坑洞或墓穴等，应当按照设计要求回填、压实并达到规范规定；如果原地基土中含有树根、杂草等腐殖土，应按设计规定清除干净并应达到一定深度要求，按规范要求进行回填压实；如果基底原土为软土、膨胀土或失陷[35,36]性黄土时，应对其进行换填，清除不良土后分层回填压实。76 河北工业大学硕士学位论文6.1.1.2含超大粒径块石路堤对地基的排水及坡度处理要求由于含超大粒径块石路堤中超大粒径块石与其他填料性质差异，过水后超大粒径石料基本没有变化，但其他填料则可能发生一定的收缩，造成路基的不均匀沉降，影响路基稳定性。因此，路堤基底范围内的水会对地基造成不良影响，需要采取措施进行引排或拦截，比如在路堤底部填筑不易风化的片石、砂砾石或块石等透水性材料来设置透水层，其厚度应不小于30cm。对于有坡度的地基，为了确保路基稳定，要对地基进行以下处理：对于大于1:5的横坡，应对地基经行台阶处理，宽度在1米以上，高0.3m。为了保证地基的密实度和强度，在平整压实前对台阶做内倾处理。对于小于1:5的横坡，在对地基表面进行清理后，对其进行承载力测试，达到标准即可在原地基上进行路基填筑。6.1.2石质地基的处理石质地基承载力较大，能为含超大粒径石料路堤的稳定性提供较为理想的支承保证，因此一般认为石质地基较为理性。但是应当看到，如果对石质地基的要求过低或施工时处理不当，其承载力的不均匀现象仍然会对路基产生不利的影响。因此不应对含超大粒径石料路堤的石质地基掉以轻心，放松要求，应确保石质地基的平整性与强度的均匀性。在山区含超大粒径石料路堤的施工现场经常会遇到岩石和细粒土混合地基。这种地基形式具有表面不易整平、强度不均匀的特点，为保证路基不产生不均匀沉降，需采取必要的处理措施，保证路基的稳定性，使其不产生不均匀沉降，保持路基路面完整性。因为岩石和细粒土混合地基存在强度不均匀、承载力有差异等问题，故应采取措施提高细粒土部位的强度。具体处理方法是将岩石炸平，并在细粒土部位设过渡层。当遇到石牙状基底时，应采用爆破方式炸除石牙，炸除高度不少于80cm，将细粒土采用岩石进行置换，以保证岩石和细粒土混合基底的均匀、平整性。将岩石炸平后，还应用石料置换一定厚度的细粒土，使其高出原岩石面后才可进行有效压实。77 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究6.2含超大粒径块石路堤的分层摊铺和压实在完成超大粒径块石布放施工后，需要进行其他填料的摊铺以及摊铺结束后的整平和压实。由于超大粒径块石的影响，使得其摊铺、整平和压实施工工艺也需要进行相应的优化改进。6.2.1含超大粒径块石路堤摊铺、整平工艺研究目前常用的路基摊铺方法主要分为渐进式摊铺法、后退式摊铺法和混合摊铺法。渐进式摊铺法指的是先由运料车在新卸的松料面上先两侧后中央向前逐渐卸料，再用大型推土机随时整平。后退式摊铺法指的是先由运料车在下层路基表面上后退卸料，形成一个一个的填料堆，再用推土机摊铺整平。一般认为，对于细粒土或含细料含量较多的填料使用该法效果较好。混合摊铺法是将渐进式摊铺法与后退式摊铺法相结合，首先用后退法在已经压实的层面上分散的堆出一些填料堆，然后在用渐进式摊铺法在其上卸料，用推土机平整达到设计要求层厚。该法充分发挥了渐进式和后退式各自的优点，对于层厚较大的情况较为适用，但缺点是操作较复杂，费工费时。含超大粒径块石路堤施工不同于常规路基的卸料摊铺工艺，需要首先对超大粒径块石进行人工布放，然后卸放土料或土石料填充超大粒径块石间空隙，在进行整平达到要求层厚，所以传统的后退式摊铺法并不适合含超大粒径块石路堤的修筑。故本文结合现有的渐进式摊铺法提出了含超大粒径块石路堤分层摊铺方法。超大粒径块石布放完毕后，土石混合料渐进式摊铺方法的具体过程如下：首先由指挥人员引导装有填料的自卸车辆按事先安排好的路线运行，卸料与摊铺同步进行，22按水平分层、先高后低、先两侧后中央的卸料方法摊铺出一个面积在50m~100m的工作面，填高须没过超大粒径石料，但可以低于最终摊铺高度。然后进行初步平整，一般采用大功率推土机，初平时不得扰动超大粒径石料。最后按照松铺厚度卸料，再用大功率推土机向前摊铺。需要强调的是，在含超大粒径石料的土石混合料的摊铺过程中，由于超大粒径土石混合料的空隙较小，需使用大功率推土机，以使摊铺后的路基表面平顺，可达到较好的压实质量。为了使摊铺过程达到较好的效果，使路基达到较好的整体性，摊铺时78 河北工业大学硕士学位论文推土机的铲刀与压实层的间距应按照由大到小的顺序来进行。这样推送填料时，填料粒径小于该间距的料先漏下来，而粒径大于该间距的料则被推至远方落到压实层的层底，这样粒径小的料较为充分填充到先前落下的大粒间的空隙及其表面，填料嵌挤紧密。当超大粒径石料摊铺工序完成后，在进入碾压工序前，应当进行待压层的整平工作。工艺流程是先用土石混合料填充超大粒径块石之间的空隙，再进行人工整平工作。待压层的平整度会影响压路机对路基的压实作用，平整的工作面也可以保证理想的压实效果。整平工艺作为超大粒径块石路堤施工的关键工序，其目的是使压实表面较为平整，保证压路机碾轮在压实过程中不受损，并且使填料间能够形成较好的嵌锁力，保证碾压层的密实度。为了使超大粒径块石路堤整平后能够平顺，需对路基表面明显有缺陷处用细料进行填平，直到无明显大面积凹凸不平时方可进入下道碾压工序。下图为现场的摊铺和整平碾压的施工图片。图6.1超大粒径块石摊铺和碾压施工现场6.2.2含超大粒径块石路堤压实由于含超大粒径块石路堤的压实质量对于公路的使用性能至关重要，因此在路基施工过程中必须加强对压实工艺的重视，只有对路基进行严格的压实施工控制，提供足够的压实功能，才能提高路基的整体强度与变形稳定性。本节结合含超大粒径块石路堤填料的压实方式和工程性质，通过对试验路现场试验数据进行分析，得到以下主要结论：（1）压路机选型原则：对于含超大粒径块石的路堤，特别要注意的是为了保证79 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究超大粒径块石及块石间填料的压实，不宜单一选用自行式压路机，而应考虑与振动压路机配合使用。其中静力压路机，应优先选择吨位较大的压路机；对于振动压路机，应优先选择激振力较大的压路机；压路机型号组合不宜过多。（2）压路机组合建议：通过含超大粒径块石路堤现场试验路经验，优先考虑18T自行式压路机配合使用18T拖式凸块振动压路机，可达到较好的压实效果。如振动压路机没有上述型号，则应选取18T拖式光轮型振动压路机进行配套使用。（3）碾压速率建议：压路机的碾压速度应通过试铺试验段来确定，填筑层厚和所选择压路机型号不同，碾压速度也随之调整。一般情况下，最佳速度为3km/h-6km/h，且碾压开始宜慢速行驶。（4）碾压遍数建议：碾压遍数应根据压实机具和铺筑材料特点，通过试铺试压确定。根据现场试验，随着碾压遍数的增加，路堤密实度也随之增加，而当达到一定遍数时，密实度的增长率趋于收敛。对于含超大粒径块石路堤的压实，仅仅靠分层压路机压实并不能保证其压实效果，需要在多层填筑后进行强夯加固。强夯加固具体参数受到夯实机具、加固厚度和道路实际情况影响较大，需要工程试验段实验现场确定。6.3含超大粒径块石路堤试验段检测本文在承德修筑了含超大粒径块石的试验段，试验段位于承赤高速公路十一合同段路基：ZK100+100-ZK100+394，K100+100-K100+440（6车道），共计0.340公里。为了确定采用上述工艺施工的路基质量是否满足要求，本节通过压实度质量检测和沉降观测两种手段对含超大粒径块石路堤试验段进行了检测。6.3.1试验段瑞雷波检测考虑到试验路含超大粒径块石路堤多石料且级配离散性非常大的现状，常规路基施工质量检测方法和评价指标难以实现对路基的整体评价，因此本文决定采用瑞雷波物探检测技术结合常规检测方法，对含超大粒径块石路堤的软弱不良地层以及密实程度进行评价。本节分别采用瑞雷波法、弯沉法和承载板法对含超大粒径块石路堤试验80 河北工业大学硕士学位论文段施工质量进行了检测，并对三者检测数据进行了分析研究。波动测试技术因其简单易行的操作，在岩土工程的探测领域得到了广泛应用。该技术主要依据面波（瑞雷波）在不同土质条件下传播时其弥散特性是不同的，根据返[37]回的数据反推地质情况。瑞雷波检测技术的基本原理是采用竖向激振力作用在路基上时，在其表面和内部产生纵波、剪切波及耦合而成的瑞雷波的传播现象。剪切波是地基土工程力学性质的重要评价指标，受土骨架影响较大。另外，根据平面弹性波理论，纵波波速VR与剪切波波速VS的比值变化范围小（一般为0.87~0.96），振动能量[38]不仅大而且衰减缓慢。因此，通过实测瑞雷波波速的方式来确定地基的剪切波波速，[39-42]就形成了表面波法（SASW法）。近年来，瑞雷波技术已经逐渐成为路基工程施工质量检测的主要探测方法之一。图6.2试验路瑞雷波现场测试为了检测试验段路堤是否存在软弱不良地层，通过大道间距来观察信号的时域波形传播特征，考察时域信号传播的同相轴是否存在明显的转折，并据此来快速确定软弱不良地层的区域。瑞雷波检测时偏移距为6m，道间距为1.5m，采用24道检波器，其测试结果见表6.1。表6.1试验段路基剪切波波速检测结果表深度测点1测点2测点3测点4测点5测点6测点7测点81.02632612532642672522562592.02692582642692562592632593.02612662682632682612592614.02782732712642692692742687.02762682852712712742732646.028228628926827127527326981 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究7.03223033092752762802812798.0342315326286285286281277表6.1（续）试验段路基剪切波波速检测结果表深度测点9测点10测点11测点12测点13测点14测点15测点161.02552522532512492572572552.02652602672592592652632653.02642622662662592712592614.02742732772632642672642697.02892782732762672732682736.02922892882862772722662797.03372913022832792762792718.0347290292315295283289281根据《建筑抗震设计规范》（GB50011）所提出的土的类型划分和剪切波速范围（表6.2），可判定夯后的试验场地达到了中硬场地土的密实度。表6.2场地土的类型划分和剪切波速范围场地土类型上层剪切波速m/s场地土类型上层剪切波m/s坚硬场地土Vs>500中软场地土250≥Vs>140中硬场地土500≥Vs>250软弱场地土Vs≤140通过分析表6.1中整个试验路的检测数据可以得知，含超大粒径块石路堤试验段的剪切波波速值满足中硬场地土的要求，虽然路基的剪切波速在深度范围内变化较大，波速值基本上都大于250m/s，因此该段含超大粒径块石路堤没有压实不良夹层。6.3.2试验段弯沉及承载板测试6.3.2.1弯沉数据采集和分析弯沉试验段与瑞雷波检测试验段相同，测点选好后，对测点适当进行整平，使得FWD的圆盘与测点表面紧密接触，这样可以较为准确地记录荷载时程曲线，便于以后的数据分析。必要时可用在测点处铺撒一层薄薄的细砂，增加FWD底座与测点的接触。FWD试验所采集的最基本的数据是各测点的弯沉数据，系统提供的软件包能够生成和存储荷载和弯沉时程的数字化记录，然后进行数据处理。82 河北工业大学硕士学位论文图6.3弯沉现场测试为了使FWD的弯沉数据能够直接在同一标准上进行分析，该子程序将对各测点的荷载中心弯沉值进行标准化。其标准化的公式如下：WW707/P（6.3）50ii在舍弃残余变形率过大的测点数据后，分别计算每公里的代表弯沉值，最终将整个检测路段的弯沉值统计成表后输出。在含超大粒径块石路堤FWD测试数据处理软件中的“数据”菜单中，点击“弯沉峰值处理”选项，即可计算出每公里弯沉峰值的均方差、方差及代表弯沉值，其计算公式如下：（1）L——评定路段内经剔除后的各测点弯沉的算术平均值(um)LLL........L/nL/n12ni（6.4）式中Li为每一测点的弯沉峰值，n为测点个数（2）——评定路段内经剔除后的全部测点弯沉的均方差(um)LLii（6.5）2222i12.........n（6.6）2in1（6.7）（3）L0——评定路段的代表弯沉(um)LLZ0a（6.8）式中Z是计算系数，与保证率有关。一般采用数值如下：高速公路或一级公路取a83 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究2.0，二级公路取1.645，二级以下公路取1.5。表6.3试验路弯沉检测结果表测点代表12345678910111213弯沉弯沉值车道1164.5185.5219.1163.3153.6220.3205.7189.5237.1202.5228.7212.3144.6241.2车道2213.5239.6226.1242.6246.6211.3205.1213.5206240.9205.6211.3186.3274.3对试验段按每条车道每20米进行弯沉检测，由表6.3可知试验段中的弯沉检测结果：车道1平均值为193.4（0.01mm），标准差为29.4，代表值为241.2（0.01mm），车道2平均值为217.9（0.01mm），标准差为26.4，代表值为274.3（0.01mm），两条车道弯沉检测结果满足高速公路路基弯沉要求。6.3.2.2承载板检测数据采集和分析采用承载板测定碎石土路基的回弹模量，试验方法按照《公路路基路面现场测试规程》（JTJ059-95）执行。图6.4现场承载板测试测试试验段与瑞雷波检测试验段相同，共选择承载力测点16个，承载力试验结果见表6.4。表6.4承载板测试结果测点12345678承载力，Mpa3839404536433847测点910111213141516承载力，Mpa3835363543423941由表6.4可知，含超大粒径块石路堤的承载力要比土质路基要好，在增加了超大粒径块石后，路堤的整体强度变大，其承载力优于土质路基，表现出良好的路用性能。84 河北工业大学硕士学位论文6.3.3检测结果对比分析对同样的试验段分别进行了瑞雷波检测、弯沉检测和承载板检测，下面对三者数据分别经行对比，研究其检测结果的相关性。首先将弯沉值与经反演得到的表层剪切波波速进行对比，经分析后总结两者的关系。将试验段两条车道26个测点的弯沉值和表层剪切波波速值列于表6.5。表6.5试验路弯沉与剪切波波速检测结果表测点代表12345678910111213弯沉弯沉值车道1163.5185.5218.1163.3152.6220.3204.7189.5236.1202.5227.7212.3144.6240.7剪切波波263261253264267252256259249257251255267248速，v/s车道2213.5239.6225.1242.6246.6210.3205.1213.5205240.9204.6211.3186.3273.8剪切波波255252253251249257257255259251259256261253速，v/s试验路的剪切波波速和路基弯沉值之间统计规律见图6.5。图6.5剪切波波速和路基弯沉值之间的统计规律由图6.13可得，含超大粒径块石路堤剪切波波速与弯沉值之间的统计关系式为：2y5.3334x1575R0.9474（6.9）通过对试验路两车道各测点之间剪切波波速与弯沉值之间的对比，发现两者之间成线性关系，即随着土石混填路基剪切波波速的增大，弯沉值变小。表明路基密实程度与承载能力呈现良好的相关性，即随着路基密实度的增大，路基承载力也相应提高。然后将剪切波波速与承载板数据进行对比，经分析后总结两者之间的关系。将试85 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究验段两条车道16个测点的承载力值和剪切波波速值列于表6.6。表6.6承载板测试结果测点12345678承载力，Mpa3839404536433847剪切波波速，v/s253255255263252261253264测点910111213141516承载力，Mpa3835363543423941剪切波波速，v/s255252253251259257256257试验路的剪切波波速和路基承载力值之间统计规律见图6.6。图6.6土石混填路基剪切波波速与承载力值之间的统计规律由图6.6可得，含超大粒径块石路堤剪切波波速与承载力值之间的统计关系式为：2y0.8729x183.77R0.9393通过对试验路两车道各测点之间剪切波波速与承载力值之间的对比，发现两者之间成线性关系，即随着土石混填路基剪切波波速的增大，承载力值也增大。表明路基密实程度与承载能力呈现良好的相关性，即随着路基密实度的增大，路基承载力也相应提高。综上可知，瑞雷波检测数据和弯沉及承载板检测数据间有良好的线性关系，通过本节对试验路的检测可知，含超大粒径块石路堤试验段施工质量合格，同时通过瑞雷波法检测含超大粒径块石路堤施工质量是可行的。6.3.4含超大粒径块石路堤的沉降86 河北工业大学硕士学位论文超大粒径块石用于路基填筑研究还在起步阶段，可以借鉴的工程经验不多，更加需要借鉴其他路基稳定性分析方法并从理论层面上研究各种因素对路基稳定性的影响。本节针对含有超大粒径块石路堤稳定性进行了研究，同时对试验路沉降观测数据和普通路基沉降观测数据进行了对比分析。6.3.4.1含有超大粒径块石路堤的沉降分析由于山区填方路基堤身填筑高度大，路堤完工后，随着时间的延长，路堤在自重和车辆荷载作用下会产生自身压缩沉降并导致地基沉降，最终将引起路堤整体下沉。路堤沉降是公路的一种主要病害形式，一旦发生将会危及道路交通安全，给公路运营带来不良影响。路堤沉降的影响因素很多，包括路堤填筑高度、填料性质、施工方法、水文状况、地基性质、荷载等。而含有超大粒径块石路堤由于宏观上路基填料不匀质，可能导致沉降和不均匀沉降的加大，故其沉降问题研究是发展含超大粒径块石山区高速公路必须解决的关键问题。图6.7含超大粒径块石石料路基示意图对于含有超大粒径块石路堤，其宏观上填料不匀质很容易造成路基不均匀沉降，这是研究含有含超大粒径块石路堤沉降问题首要解决的问题。超大粒径块石自身几乎不压缩，而其周边填料则会逐渐固结收缩，这一点在含有含超大粒径块石路堤上是客观存在的。为了解决这一问题，在上文超大粒径块石在路基中位置研究以及超大粒径块石施工工艺研究中已经进行了分析和解决，即是采用分层错位的布放形式，并且控制含有超大粒径块石石料的摊铺层为偶数，这样就从根本上保证了路基竖直方向上路基填料的宏观匀质性。从竖直方向上看，路基纵断面各个部分虽然有超大粒径块石石料和其他路基填料，但是竖直方向上石料较为均匀的分布于路基当中的，如图6.7所示（黑色方块为超大粒径块石示意图）。这也就从根本上保证了不会因为路基填料不匀质而带来的不均匀沉降问题。87 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究在解决了含超大粒径块石路堤填料不匀质的问题后，分析含超大粒径块石路堤沉降包括施工过程中沉降和施工后沉降。①施工过程中沉降。在路基施工过程中，进行碾压和强夯工序时，路基土颗粒在承受压力的情况下，颗粒重新排列，并排除了气体减少了孔隙率，完成路基压实。因为这个沉降过程较短，所以也称为瞬时沉降。②施工后沉降。一方面由路基自重作用，经过长时间的蠕变变形，产生了沉降；另一方面，路基受到车辆振动、冲击、摩擦等动荷载作用，填料被进一步挤密，产生[43]沉降。在这两方面的影响下，路基沉降缺陷逐渐趋于某一极值，变形稳定。由于超大粒径块石自身体积较大，不具有弹塑性特征，对震动及荷载反应明显，故为了减少工后沉降，在第四章超大粒径块石在路基位置研究中，将超大粒径块石至于路基底层位置，来减少路面荷载和震动对超大粒径块石的影响，以达到减少路基沉降，延长道路使用寿命的目的。含有含超大粒径块石路堤的沉降变形特点相对于填土路基有所基本类似，由于布放工艺的精准控制，使得超大粒径块石均匀的分部在路基下部为止中。路基整体保持了较好的弹塑性特征，使得含有含超大粒径块石路堤的沉降变形特征类似于填土路基沉降变形，是一个较为均匀的过程，即从时间沉降曲线上看是比较光滑的一条曲线。6.3.4.2含有超大粒径块石路堤的沉降观测及数据分析沉降观测点应依据一定规律布设，遵循既能够反映变性特征位置，又容易反馈观测信息的原则。对于地形起伏较大且地质条件不良的路段，应适当增加观测点。首先进行图纸上规划设计，总体把握；然后实地踏勘，进行适当调整和修改；最后确定布[44]设点位以及进行埋设。对于含超大粒径块石路堤的沉降观测，与路基总体沉降观测不同，主要进行对比观测，既含超大粒径块石路堤段和普通路基段的沉降对比。观测数据主要为总沉降量观测。对填方高度10m以上路堤，按500m点距进行布置；对填方高度8m以上的台背或隧道口50m范围以内，按25m点距进行布置。观测方法采用沉降板法。观测地表沉降数据，应将沉降板埋设于路基顶面或地表；观测路堤总沉降，应将沉降板埋设于路基底面或地基顶面。沉降板埋设具体位置根据实际情况确定，一般埋设于路堤的路中心，在台背和隧道口一定范围内也应埋设沉降板。具体按下图进行布置：88 河北工业大学硕士学位论文图6.8地表沉降观测点设置和路堤总沉降观测点设置根据上述原则，结合试验路具体情况，含超大粒径块石路堤试验段沉降检测点布置如下图所示：BM67BM68K100+100K100+200K100+300H122H125H121H123H126H123H127图6.9试验段路堤总沉降观测点布置示意图截止到6月份，含超大粒径块石路堤和对比路堤工后路堤总沉降观测数据如下：表6.7工后沉降数据路堤类型测量桩号数据编号填筑高度（m）填筑时间(day)总沉降量(mm)K100+100H12173489.7K100+200H12273448.2超大K100+200H12373448.7粒径K100+200H12473448.7石料K100+300H12573419.5路堤K100+300H126734110.2K100+300H12773319.2表6.7（续）工后沉降数据路堤类型测量桩号数据编号填筑高度（m）填筑时间(day)总沉降量(mm)K102+100H1495.531110.2土石K102+200H1505.531111.7混合料K102+300H1515.530910.4路基K102+400H152630912.5K102+500H1536.530912.4通过对比试验段含超大粒径块石路堤和土石混合料路堤沉降数据可知，含超大粒径块石路堤有着良好的稳定性，分析其主要原因有以下几点：89 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究①含超大粒径块石路堤的自身压缩量远小于填土路基，即使在不考虑超大粒径块石固结速率比填土快这一因素时，其瞬间加载的沉降量也远小于填土路基。②对于含超大粒径块石路堤来说，干密度较低的含超大粒径块石路堤比密实程度较高的含超大粒径块石路堤的自身压缩量大，但即使含超大粒径块石路堤在密实程度较低时，也比填土料的压缩性低。③由于超大粒径块石不存在固结问题，自身压缩量几乎不变。通过本节对含超大粒径块石路堤的分析以及沉降观测数据可知，含超大粒径块石路堤相同条件下沉降优于一般路基，表现出很好的稳定性。6.4小结本章针对超大粒径块石填筑路堤的特点，结合前文研究成果，优化了含超大粒径块石路堤在地基处理、布放摊铺碾压、分层压实等多种施工工艺，并对含超大粒径块石路堤的检测和沉降进行了分析，主要得到以下结论：（1）含超大粒径块石路堤对地基的要求介于填石路基和填土路基两者之间。针对含超大粒径块石路堤特点要对施工地基的承载力指标进行一定的要求，以保证含超大粒径块石路堤稳定性。（2）通过对试验路进行瑞雷波检测，结果表明试验段的剪切波波速值满足中硬场地土的要求，并且不存在压实软弱不良夹层。（3）对试验路进行了弯沉检测，满足高速公路路基弯沉的要求，并建立了土石混填路基弯沉与表层剪切波波速的回归关系，二者具有较好相关性，即土石混填路基剪切波波速越大弯沉值越小，表明路基越密实，承载能力越好。（4）试验路承载力试验结果表明由于含超大粒径块石路堤承载力优于土质路基，表现出良好的路用性能；建立了土石混填路基承载力值与表层剪切波波速的回归关系，即土石混填路基剪切波波速越大承载力值越高，表明路基越密实，承载能力越好。（5）从沉降观测结果上看，同一填筑高度的沉降量，含超大粒径块石路堤小于其他填料路堤，工后含超大粒径块石路堤的沉降量不到1cm/年。这说明在地基和路基压实充分的情况下，含超大粒径块石路堤的沉降要优于其他填方路堤。90 河北工业大学硕士学位论文第七章主要研究结论和展望7.1主要结论采用超大粒径块石进行路基填筑是个大胆的尝试，其优势是可以充分利用山区道路修建中产生的石料，节省资源，保护环境，同时含超大粒径块石路堤在山区的广泛应用可以产生巨大的经济效益。但由于超大粒径块石体积较大，难以采用现有的施工工艺进行路基填筑，本文主要研究通过布放施工工艺实现超大粒径块石填筑路堤。本文首先深入研究分析了现有的国内外资料，在现有规范和研究成果的基础上对超大粒径块石进行了定义。通过依托工程实地沿线调查，明确了超大粒径块石的特点，并确定采用了布放的施工工艺。在此基础上，通过室内试验和数值模拟研究了超大粒径块石在路基中布放的各种影响参数，对施工提出了相应的指导，并通过试验路现场研究探索出一套切实可行的布放施工方案。本文还对工程实例进行了多种方式组合检测和沉降观测，证明了采用超大粒径块石填筑路基质量的可靠性。最后得到以下主要结论：（1）通过布放工艺研究超大粒径块石填筑路堤的可行性，通过实验和数值仿真研究超大粒径块石对路基压实的影响以及超大粒径块石位置对路基稳定性的影响，最终试验路现场检测和沉降观测证明含超大粒径块石路堤质量合格，超大粒径块石可用于路基修筑。（2）通过分析室内试验和数值模拟数据得出结论，在控制超大粒径块石的间距必须大于夯实机具尺寸的情况下，可保证路基填料的压实。同时室内试验实验结果表明超大粒径块石周围并不存在难以压实的松散区域。（3）分析基于车辆动荷载下超大粒径块石的最小埋置深度。为保证含超大粒径块石路堤稳定性，通过研究车辆震动荷载对道路影响，确定基于动荷载影响下半刚性91 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究路面的路基工作区，来确定超大粒径块石布放时距离路基顶面的最小距离。最终确定在一般高速公路路面设计结构层情况下，超大粒径块石距离路基顶面最小高度为1.5m，即路基顶面以下1.5m范围内不能布放超大粒径块石。（4）研究超大粒径块石在路基中的布放参数，探讨了超大粒径块石在路基中水平和竖直方向的位置关系；以边坡安全系数为指标，分析了边坡处超大粒径块石的位置对路基稳定性的影响。结合以上布放参数，在考虑施工便宜性的基础上，确定了超大粒径块石在路基填筑中的布放施工方案。（5）针对超大粒径块石的特点，研究设计了超大粒径布放的施工工艺，优化了分层摊铺、整平和碾压等施工工艺，并对含超大粒径块石路堤施工质量的检测方法进行了研究。7.2进一步研究建议由于含超大粒径块石路堤试验路段上的客观条件限制，以及实验和现场研究中忽略的一些因素，本文认为针对含超大粒径块石路堤的研究仍有以下几个问题应值得进一步探讨深究：（1）含超大粒径块石路堤中超大粒径块石石料一般都十分坚硬，但是在强夯加固下也会出现超大粒径块石破碎的情况，这种破碎对路基压实效果有利，但对路基稳定性的影响机理仍然需要进行确认，值得进一步研究。（2）对于含超大粒径块石路堤来说，对其整体性质的研究受限于其体积和尺寸，难以从微观的角度详细分析研究超大粒径块石在路基中的位移变形情况。通过数值仿真可以进行模拟计算分析，但采用三维接触面模型用于路基整体建模，计算量巨大，计算周期长。后续研究可以通过借用大型计算机进行分析计算，对超大粒径块石在路基中的位移和变形情况进行深入分析，进一步确定含超大粒径块石路堤的整体性质。（3）含超大粒径块石路堤作为一种特殊的路基形式与填土和填石路基的接触部分，由于筑路材料性质差距较大，如何保证接触部分路基稳定性也是一个重要的研究方向。本文对此已经进行了分析，但仍需更加深入的研究来指导施工以保证路基稳定性。（4）对与含超大粒径块石路堤的研究，很多现场数据无法测得，可以采用等比92 河北工业大学硕士学位论文例缩小离心实验的方法进一步研究探索。93 超大粒径块石填筑路堤施工工艺研究参考文献[1]马彩霞,周锋川,块石强夯置换法在填海工程中的应用,煤炭技术,2010年11期[2]高艳君,抛石强夯与蓝派冲击压实在填海路基工程中的应用,岩土力学,2010年11月[3]王志伟,詹金林高能级强夯在填海造陆地基处理中的应用,土工基础,2009年4月[4]邱贤德,阎宗岭,堆石体粒径特征对其渗透性的影响,岩土力学,2004年6月[5]林军,周红锋,土石混填路基压实评定方法的试验研究,铁道建筑,2007年第1期[6]周志军,袁卓亚,土石混合料最大干密度理论计算方法研究,路基工程,2007年第4期[7]董云,土石混合料强度特性的试验研究,岩土力学,2007年6月[8]杨荣尚,马小伟,超粒径土石混合料最大干密度的试验研究,公路,2007年4月[9]刘建锋,徐进,土石混合料干密度和粒度的强度效应研究,岩石力学与工程学报,2007年7月[10]杜华,邢爱国,多土类土石混填路基压实度快速预测研究,铁道建筑,2008年第2期[11]蒋洋,王操,土石混合料K-G模型参数试验研究,公路交通科技,2008年3月[12]许锡昌,周伟,土石混合料的压实特性研究,岩土力学,2010年11月[13]曹光栩,徐明,土石混合料的力学特性,华南理工大学学报(自然科学版),2010年11月[14]宁金成,孙久民,土石混合体的力学性能影响因素研究,中外公路,2012年4月[15]贾学明,柴贺军,土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究,岩土力学2010（9）[16]胡其志,袁海峰,高速公路土石混填路堤现场压实试验研究,公路工程2014年4月[17]巴布可夫.道路工程手册〔M].杨祖东等译.北京:人民交通出版社,1963.[18]岸田正一,道路工学[M].东北林学院道桥系译.北京:人民交通出版社,1984.[19]山下弘美.世界主要国家沥青路面结构设计法仁M].顾时光译.1981.[20]中交第二公路勘察设计研究院.JTG-D30)2004,公路路基设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.[21]邓学均.路基路面工程[J].北京:人民交通出版社,2000.P40-41.[22]黄琴龙.路基工作区的确定方法研究[J].同济大学学报(自然科学版).2011(4)[23]郁晓君.路基工作区的影响因素研究[J].公路.2012(9)[24]李聪.沥青路面路基工作区深度分析[J].交通科学与工程.2011(6)[25]SchimmingBB,HaasHJ,SaxHC.Studyofdynamicandstaticfailureenvelopes[J].Journalof94 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