红层软岩崩解性及其路基动力变形特性研究

红层软岩崩解性及其路基动力变形特性研究红层软岩崩解性及其路基动力变形特性研究中文摘要:在我国中西部高速公路建设中存在大量红层软岩路段,该类岩石因其成因特殊而成分复杂且大部分具有崩解性,作为一种特殊路基填料使用往往导致工程建设成本高,施工进度缓慢。为此本文结合交通部“九五”行业联合重点攻关项目“京珠高速公路湘潭至耒阳段红砂岩地带路基修筑技术研究”,对红层软岩的崩解性、路用性能以及路基在汽车荷载作用下的动力变形特性进行深入研究。本文首先在大量工程调研的基础上指出红层软岩作为路基填料必须解决的两个关键问题,即其崩解性(崩解机理、崩解程度评价、崩解性消除方法等)和路用性(红层填料的可压实性、强度特性以及荷载作用下的变形特性等)问题。继而针对红层软岩及其崩解物进行了较全面的室内和现场试验研究。提出了红层软岩作为高速公路填料的可能性,并在此基础上制定出红层材料作为路基填料应达到的压实度水平。由于软岩崩解程度目前尚无合适的评价指标,本文引入分形理论对红层软岩的崩解分形机理进行了研究,深入探讨了崩解过程中崩解物粒度分布分数维的变化规律,并根据分形概念建立出红层软岩崩解过程的数学模拟模型,证明了红层软岩崩解是一个分形,在此基础上提出了对红层软岩崩解进度进行描述的新指标—粒度分数维,...英文摘要:TherearelotsofexpresswaysectionslayinredbedsintheCentral-WesternofChina.Softrockofredbedscontaincomplexingredientsandmanykindsoftheserockhavethepropertyofslakingwhichneedhigherbudgetandlongerconstructionperiodwhenusedasembankmentfillingmaterial.Socombinedwiththemajorjointresearchprojectsponsoredbytheministryofcommunications“ResearchontheembankmentconstructiontechniqueinredbedsbeltofJIN-ZHUexpresswayXIANGTANtoLEIYANGsection”,t...目录:摘要5-7ABSTRACT7-8第1章绪论13-311.1选题依据及其研究意义13-161.1.1红层概述131.1.2高速公路对路基填料的路用要求13-141.1.3红层路基存在的病害14-151.1.4选题依据和意义15-161.2国内外研究现状综述16-291.2.1软岩崩解性研究16-181.2.2交通荷载特性及路基的动力响应研究18-231.2.3土体塑性累积变形特性及其计算方法研究23-291.3本文研究内容与工作29-31第2章红层软岩崩解及其路用性能试验研究31-492.1红层软岩岩性31-342.1.1概况31-322.1.2物化分析32-342.2红层软岩的工程分类与粒度分析34-352.2.1红层软岩的工程分类方法34-352.2.2红层软岩的粒度分析352.3红层软岩的崩解试验35-382.3.1红层软岩的浸水试验35-362.3.2红层软岩的失水试验36-382.3.3室内崩解进程试验382.4红层填料工程性质试验38-412.4.1土质试验38-392.4.2路用性能试验39-412.4.3强度与变形指标412.5现场试验与检测41-432.5.1现场红层软岩崩解过程粒度检测41-422.5.2施工工艺与效果42-432.6路基与填料的动力试验43-492.6.1现场路基动力试验43-472.6.2室内循环荷载试验47-49第3章红层软岩崩解进程的分形研究49-643.1分形理论简介49-553.1.1分形的定义49-533.1.2分数维的估值53-543.1.3分形的物理意义54-553.2红层软岩崩解物进程的分形描述研究55-583.2.1粒度分布分形模型55-563.2.2崩解过程的粒度变化特征和分数维计算56-583.3红层软岩崩解的分形机理分析及其数学模拟58-633.3.1分形机理分析583.3.2崩解过程的数学模拟58-633.4崩解物粒度分数维指标的工程应用63-64第4章红层软岩崩解性差异的分形特征研究64-764.1红层形成的地质环境特征和粒度特征64-654.1.1红层形成的地质环境特征64-654.1.2红层软岩的粒度特征654.2沉积岩粒度分布分形模型及其改进65-714.2.1沉积岩土的搬运与沉积规律66-674.2.2沉积岩土分形颗粒分布模型改进67-714.3红层软岩粒度分形特征与崩解性的相关分析71-754.3.1不同崩解性红层岩石的粒度分形特征71-734.3.2红层软岩粒度分形特征与其崩解性的相关性73-754.4红层岩石工程分类方法合理性分析75-76第5章红层软岩崩解机理及其路用控制方法研究76-995.1红层软岩崩解因素灰色关联分析76-795.1.1灰色关联分析法基本原理与计算方法76-785.1.2影响红层软岩崩解因素关联度计算78-795.2红层软岩崩解机理分析79-885.2.1粘土矿物的膨胀机理80-815.2.2表面吸附的楔裂机理81-835.2.3矿物胶结的弱化机理83-855.2.4红层软岩崩解影响因素分析85-885.3崩解性工程控制方法88-945.3.1公路工程常用岩土改性方法88-895.3.2红层软岩崩解性路用控制方法89-945.4崩解性路用控制方法工程验证94-995.4.1未经处治的工程实例94-955.4.2碾压密实路基结构试验95-975.4.3石灰处理路基结构试验975.4.4粘土包边路基结构实例97-99第6章汽车荷载作用下红层软岩路基动应力计算99-1216.1汽车荷载动力分析模型与方法99-1076.1.1车辆振动动力模型99-1046.1.2路面表面不平整形状模型104-1066.1.3Wilson-θ法逐步积分求解车辆振动106-1076.2汽车荷载作用下路堤动力响应数值分析方法107-1126.2.1弹塑性动力有限元方法108-1106.2.2汽车荷载作用下路堤有限元模型110-1126.3车辆振动及其对路面动力作用特性分析112-1166.3.1计算参数及工况112-1136.3.2车辆动力特性及其对路面的动力荷载分析113-1166.4红层软岩路基动应力响应特性116-1216.4.1路基路面计算参数取值116-1176.4.2有限元计算方法有效性验证117-1186.4.3路基动应力特征及影响因素分析118-1196.4.4高速公路桥头跳车中红层软岩路堤动应力响应119-121第7章汽车荷载作用下路堤塑性累积变形计算121-1387.1循环荷载作用下土体塑性累计变形特征与计算方法121-1267.1.1循环荷载作用下土体塑性累计变形特征121-1227.1.2塑性累积变形常用计算方法122-1257.1.3常用计算方法的不足125-1267.2基于岩土变异特性的塑性累积变形计算方法与原理126-1327.2.1岩土变异性的来源及其统计特征126-1277.2.2基于岩土变异性的塑性累积变形计算方法127-1327.2.3基于岩土变异性岩土塑性累积变形计算方法的原理1327.3循环荷载下红层软岩路堤塑性累积变形计算132-1387.3.1红层软岩路堤强度的变异性132-1347.3.2红层软岩路堤塑性累积变形计算134-138结论及展望138-141参考文献141-153附录A（攻读博士学位期间发表的学术论文）153-154附录B（攻读博士学位期间参与的研究课题）154-155致谢红砂岩的路基填筑技术简介：红砂岩广泛存在于我国南方的广大地区，由于材料的特殊性，以前红砂岩多用于弃方或低等级道路的填筑，但在低等级道路填筑过程中也出现了很多质量问题，用在高速公路上特别少见。通过本人实践积累经验和资料查询，现对红砂岩的路基填筑技术发表以下浅见，希望各位专家提出宝贵意见。红砂岩基础知识一、红砂岩的定义在我26标高速公路沿线，广布着泥岩，泥质砂岩，砂岩，泥质或砂质页岩等沉积类岩石，其中多数因富含铁的氧化物而呈红色、深红色或褐色，开挖后，随着时间的推移，在大气、阳光、特别是雨水的作用下易崩解。该类岩石称红砂岩。二、红砂岩的分类通过资料查找红砂岩中的多数干燥后，浸水崩解或略有崩解。并且将浸水崩解或崩解的红砂岩称为一类岩；浸水崩解不强烈或略有崩解的红砂岩称为二类岩。在同一红砂岩料场，一类岩和二类岩互相掺杂。以一类岩为主，掺杂有少量二类岩的红砂岩料场填料，仍按一类岩对待；同理，以二类岩为主，掺杂有少量一类岩的料场填料，仍以二类岩对待。有一些红砂岩浸水完全不崩解，且强度高，水稳定性好，民间多年来用它作为建筑石材使用，这类红砂岩称为三类岩，在我标段内主要存在有一类岩和二类岩，三类岩存在很少，这给我标段的施工带来很大困难。三、软硬互层有的红砂岩料场，一类岩和二类岩成间层分布，甚至是一类岩和浸水不崩解的红砂岩成间层分布，这两者都称为红砂岩的软硬互层料场，简称软硬互层。四、红砂岩路基老路病害调查湖南省内红砂岩区域分布较广，故此，省内地方道路和国道，早有用红砂岩填筑路提的先例，但多系低级公路。应用到高等级公路中来，则有近年才出现。调查中发现红砂岩路基的常见病害，可大致归纳为：沉陷和坍二类。在湖南很多地段都出现过这样的例子。路基填料不良（未崩解的红砂岩填筑），填筑方法不当，人工压实不足，在荷载及自然因素作用下，均可能发生沉陷，便直接导致路面破坏。而易风化的红砂岩边坡如果设计不当或防护不良，均可造成路基边坡的坍落。边坍落形态多样，按其规模和形态的不同，可以分为：剥落、碎落与坠落，以及滑坍、塌坍与崩坍等。由于红砂岩为极易风化的崩解的沉积岩，因此用红砂岩修筑的路基边坡在温度与水的共同交互作用下极易发生风化剥落的病害，如不及时处理，风化向边坡深部发展，引起边坡崩坍落石等病害。五、处理红砂岩的两个基本原则（一）消除红砂岩的活性红砂岩在爆破开挖出来后，受阳光，大气特别是士雨水的作用而迅速风化崩解，由大块状风化崩解成碎块关，当有雨水或浸水时，在机械作用（汽车、挖掘机）和人力作用下而成为渣泥状，但破碎后重新组合的红砂岩，粘结性能小，不能由渣泥状逆转成碎块状和大块状。这种性质称为红砂岩的不可逆转性。红砂岩浸水崩解性的强弱和红砂岩膨胀势的大小，称为红砂岩的活性。浸水崩解愈强膨胀势的大小，称为红砂岩的活性。浸水崩解愈强膨胀势愈大的红砂岩，其活性愈大。用来修筑路堤时，活性愈大的红砂岩形成路基病害的可能性愈大。六、红沙岩的崩解处理1、崩解处理的目的经崩解处理后的红砂岩不仅活性减少，而且岩石软化，强度降低，便于碾压。因此，用崩解处理后的红砂岩修筑路堤不仅可以提高工效，保证工程质量，而且可以减少甚至消除病害的发生。2、红砂岩填料的崩解处理方法红砂岩填料在料场先进行崩解处理（预处理），然后再运往工地填筑。崩解处理的具体方法如下：将爆破出来的红砂岩填料不加遮盖地裸露于大气，阳光和雨水中，在这些自然因素的作用下，红砂岩（特别是未风化的一类岩）迅速风化崩解，强度急剧降低，活性迅速消除。在崩解处理期间，晴天视气温情况宜每天在料场浇水一次（气温高），或隔天浇水一次（气温低），如果晴朗无雨天气连续超过两三天时，即应在料场浇水以加速红砂岩的崩解和消除活性的过程。用此方法作崩解处理时，八天至十五天后（气温高取小值，气温低取大值），经崩解处理的红砂岩填料可运往路堤填筑。一类岩和二类岩两料场完成崩解处理，七月份需七天，1月份15天或更长些。判断红砂岩是否已崩解的方法：粒径为50~70cm的大块新解红砂岩块，经崩解处理若干天后，表面已出现大量裂缝并有大部分碎块岩石崩解，以脚掌推动时，大岩块裂成碎块岩堆，即认为红砂岩的崩解处理已完成。红砂岩施工一、施工设备配置1.60T拖式振动压路机（羊足碾）和40T轮式压路机各一台。路基路面施工中，采用专用的