秦岭山区风化变质软岩作为高速公路路堤填料的研究及应用

摘要

秦岭山区高速公路建设中不可避免地会产生大量的风化变质软岩隧道弃渣、削坡弃方和路堑挖方，若能将这些风化变质软岩用作路堤填料，不仅可降低公路建设成本，还可保护当地的生态环境，具有显著的经济与社会效益。然而风化变质软岩具有强度低、易风化、水稳性差的特点，能否用作路堤填料以及如何用作路堤填料，目前尚无统一标准和技术规范可依。为此，本文结合柞（水）小（河）高速公路建设，在调查、总结和分析前人研究资料的基础上，采用室内试验与现场试验相结合的方法，从填料的工程特性、压实工艺及工程实际应用等方面出发，逐步深入系统地对秦岭山区风化变质软岩作为高速公路路堤填料的应用进行了研究，其主要研究成果如下：
　　 1.通过对三种不同构造岩石的强度试验，分析研究了风化程度对变质岩软硬程度划分的影响，指出了以往划分过程中存在的不足，提出了在判别变质岩为硬质石料或软质石料时，应充分考虑风化程度及构造对变质岩强度的影响，并选取合适试验方法的建议，依此评判划分了三种风化变质岩石的软硬程度，在此基础上通过对其中两种变质软岩的矿物分析试验、耐崩解试验、膨胀性试验，从微观矿物结构、组成及岩石的水理特性方面初步评判了风化变质软岩用作路堤填料的可行性。
　　 2.运用数理统计的方法确定了风化变质软岩填料的颗粒级配参数，同时通过对风化变质软岩填料浸水前后的一系列对比试验，系统研究了风化变质软岩填料的密度特性、承载比(CBR)特性、压缩特性、强度特性及颗粒破碎特性，分析总结了水对上述特性的影响。
　　 3.通过对振动击实试验、压缩试验及三轴试验后颗粒的筛分试验，详细研究了超粒径处理方法、浸水时间、振动次数及干湿循环次数对风化变质软岩填料颗粒破碎的影响，同时对比分析了三种试验过程中的颗粒破碎情况，指出了风化变质软岩路堤填料在振动击实过程中的颗粒破碎不容忽视，并从公路路堤应力状态及风化变质软岩填料颗粒强度低、易破碎的角度出发，解释了其原因。
　　 4.通过现场填筑压实试验，研究了不同松铺厚度、碾压遍数及洒水碾压方式等对风化变质软岩填料压实特性的影响，并采用沉降量法、灌水密度法、弯沉等多种方法对路堤压实质量进行了检测控制，提出了适合风化变质软岩路堤的最佳施工工艺参数及压实质量控制方法。
　　 5.为了研究柞小高速公路拟建风化变质软岩路堤浸水后的沉降情况，首次在亚洲最大的土槽内（长100m，宽7.5m，高2.8m）修筑了室内大比例尺(长6m，底宽6m，顶宽4m，高1.6m)试验路堤，通过对试验路堤的浸水载荷试验，得到了现场高9.6m路堤浸水后沉降值不超过6.12cm的结论，小于《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)规定的10cm标准，依此成功地将本文研究的风化变质软岩用作了柞小高速公路的路堤填料，节约了工程费用约6500万（其中不包括因取用砂砾引起河床下切导致的工程防护费用），并保护了当地的生态环境。该试验弥补了以往模型试验中试样尺寸过小的不足，较好地反映了风化变质软岩路堤的浸水沉降情况，是一种可以推荐使用的方法。通过对现场风化变质软岩路堤长达330天的工后沉降监测以及两年来的实际运营情况表明，相应路段沉降较小，运营良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．1．1 选题依据

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 路堤填筑类型及填石料坚硬程度等级的划分

1．2．2 风化变质软岩填料的可行性分析研究

1．2．3 风化变质软岩填料的工程特性研究

1．2．4 风化变质软岩填料的应用研究

1．2．5 风化变质软岩路堤的工后沉降分析研究

1．3 国内外研究现状评述

1．4 主要研究内容、方法及技术路线

第二章 风化变质软岩的物理力学特性研究

2．1 风化变质软岩的力学特性

2．2 风化变质软岩的物理特性

2．2．1 风化变质软岩的表观及矿物组成特性

2．2．2 风化变质软岩的基本物理特性

2．2．3 风化变质软岩的耐崩解特性

2．2．4 风化变质软岩的膨胀特性

2．3 本章小结

第三章 风化变质软岩填料的工程特性研究

3．1 风化变质软岩填料的颗粒级配特性

3．2 风化变质软岩填料的密度特性

3．2．1 室内最大干密度的测定方法及仪器

3．2．2 超粒径颗粒的处理

3．2．3 超粒径填料最大干密度的确定

3．2．4 湿度、荷载因素对最大干密度的影响分析

3．3 风化变质软岩填料的承载比(CBR)特性

3．4 风化变质软岩填料的压缩变形特性

3．4．1 常规压缩试验

3．4．2 过程压缩试验

3．4．3 循环加载压缩试验

3．4．4 不同荷载下浸水的压缩试验

3．5 风化变质软岩填料的压缩蠕变特性

3．6 风化变质软岩填料的强度特性

3．6．1 抗剪强度机理

3．6．2 抗剪强度表达式

3．6．3 风化变质软岩填料的强度特性试验研究

3．7 风化变质软岩填料的颗粒破碎特性

3．7．1 颗粒破碎方式

3．7．2 颗粒破碎的影响因素

3．7．3 颗粒破碎的量化指标

3．7．4 风化变质软岩填料在振动击实作用下的颗粒破碎

3．7．5 风化变质软岩填料在压缩作用下的颗粒破碎

3．7．6 风化变质软岩填料在剪切作用下的颗粒破碎

3．8 本章小结

第四章 风化变质软岩路堤的现场填筑压实试验研究

4．1 风化变质软岩填料压实的影响因素

4．1．1 压实方法的影响

4．1．2 压实功(压实能量)的影响

4．1．3 碾压松铺厚度的影响

4．1．4 碾压遍数的影响

4．1．5 碾压速度的影响

4．1．6 填料风化程度的影响

4．2 风化变质软岩路堤的压实标准及质量检测方法

4．2．1 现行压实标准

4．2．2 现行压实质量检测方法

4．2．3 沉降量检测法及灌水密度检测法的应用

4．3 风化变质软岩路堤的现场填筑压实试验

4．3．1 试验路堤填筑设计

4．3．2 试验路堤填筑压实

4．3．3 试验路堤压实结果及分析

4．3．4 填筑压实效果的弯沉检测

4．4 本章小结

第五章 风化变质软岩路堤的工后沉降分析研究

5．1 室内大比例尺路堤浸水载荷试验工后沉降分析

5．1．1 室内大比例尺路堤的填筑

5．1．2 室内大比例尺路堤浸水载荷试验的实施

5．1．3 室内大比例尺路堤浸水载荷试验结果分析

5．2 现场路堤工后沉降分析

5．2．1 路堤工后沉降计算方法

5．2．2 基于现场实测资料预测沉降法路堤的工后变形计算

5．2．3 路堤容许工后不均匀沉降标准的确定

5．2．4 工后沉降对现场路堤压实检验分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢