顆粒堆積結(jié)構(gòu)對(duì)高速鐵路路基粗粒土填料工程性質(zhì)影響機(jī)制研究.pdf

1、粗粒土具有優(yōu)良的物理力學(xué)性質(zhì)，已在大規(guī)模的土木工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)高速鐵路路基采用級(jí)配碎石加強(qiáng)承受列車(chē)動(dòng)荷載顯著作用的基床表層部分，基床底層采用A、B組填料（粗粒土）或改良土，基床以下路堤選用A、B組填料或C組碎石、礫石類(lèi)填料。可見(jiàn)，粗粒土已成為我國(guó)高速鐵路路基的主要填筑材料，開(kāi)展粗粒土工程特性的研究具有明確的工程背景與重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　論文以理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)為主要手段，圍繞粗粒土的幾項(xiàng)重要工程性質(zhì)開(kāi)展了深入的研

2、究。基于顆粒間的接觸關(guān)系，分析了超粒徑顆?！皯腋　睜顟B(tài)下粗粒土的孔隙特征，建立了測(cè)定超粒徑粗粒土標(biāo)準(zhǔn)干密度的“實(shí)體表面間隙法”;基于體積填充原理，構(gòu)建了測(cè)定粗粒土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的“分界粒徑-體積填充”法，分析了高速鐵路基床表層級(jí)配碎石填料的土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型特征;基于顆粒細(xì)觀運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合大型直剪試驗(yàn)結(jié)果，探討了粗粒土抗剪強(qiáng)度形成機(jī)理及壓實(shí)性能;基于概率統(tǒng)計(jì)理論，提出了分析粗粒土嵌固顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的概率統(tǒng)計(jì)法，闡明了粗粒土結(jié)構(gòu)力（似黏聚力）的形成機(jī)

3、理。具體的內(nèi)容包括:
　　(1)超粒徑粗粒土的孔隙特征分析及最大干密度測(cè)定方法研究
　　對(duì)于含有粒徑大于室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備所允許最大粒徑顆粒的粗粒土（超粒徑粗粒土），如何通過(guò)室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定該類(lèi)土的最大干密度是亟待解決的問(wèn)題?；诔酱至Ｍ林谐筋w粒與非超粒徑之間的接觸關(guān)系，分析了超粒徑顆?！皯腋　睜顟B(tài)下超粒徑粗粒土的孔隙特征，提出了超粒徑孔隙比e'（超粒徑顆粒產(chǎn)生的孔隙體積與超粒徑顆粒實(shí)體體積的比值）的基本概念，建立了超

4、粒徑孔隙比e'的二元平面幾何計(jì)算模型，推導(dǎo)了超粒徑孔隙比e'的計(jì)算公式，構(gòu)建了一種在不增加試驗(yàn)量的條件下就可準(zhǔn)確測(cè)得超粒徑粗粒土標(biāo)準(zhǔn)干密度的方法，即“實(shí)體表面間隙法”。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，超粒徑與非超粒徑顆粒的粒徑比k對(duì)超粒徑孔隙比e'影響較大，超粒徑顆粒含量一定的條件下，存在一個(gè)特征粒徑比ks，當(dāng)粒徑比k＞ks時(shí)，由超粒徑顆粒產(chǎn)生的孔隙體積較小，忽略該體積對(duì)干密度影響不大;當(dāng)粒徑比k≤ks時(shí)，忽略該體積造成的誤差值則會(huì)隨粒徑k的減小而急劇增

5、大?！皩?shí)體表面間隙法”在超粒徑顆粒的質(zhì)量百分比低于40％時(shí)，可較準(zhǔn)確地測(cè)定出超粒徑粗粒土的標(biāo)準(zhǔn)干密度。
　　(2)粗粒土的土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型測(cè)定方法及高速鐵路級(jí)配碎石填料的土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型特性分析
　　基于體積填充法的基本原理，通過(guò)由小至大逐級(jí)剔除試樣最小一級(jí)顆粒組，并逐級(jí)判定骨架粒徑，構(gòu)建了測(cè)定粗粒土填料土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的“分界粒徑-體積填充”法，分析了高速鐵路基床表層級(jí)配碎石填料土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型隨粒徑級(jí)配的變化特點(diǎn)。試驗(yàn)分析表明，對(duì)于高速

6、鐵路技術(shù)規(guī)范給定的級(jí)配碎石填料，其粗顆粒含量逐漸增多或細(xì)顆粒含量逐漸減少，將引起土體結(jié)構(gòu)由懸浮密實(shí)型向骨架密實(shí)型、再向骨架孔隙型的轉(zhuǎn)變，據(jù)此提出了級(jí)配碎石填料的土體結(jié)構(gòu)分別為懸浮密實(shí)、骨架密實(shí)、骨架孔隙三種類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的粒徑級(jí)配控制值。研究成果對(duì)完善高速鐵路基床多層結(jié)構(gòu)體系中分別具備承載、隔水以及排水等不同功能土層的碎石填料級(jí)配技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有參考價(jià)值。
　　(3)基于顆粒細(xì)觀運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的粗粒土抗剪強(qiáng)度形成機(jī)理及壓實(shí)性能探討
　　基

7、于粗粒土顆粒間的排列特征，探討了剪切過(guò)程中土顆粒的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn);結(jié)合大型直接剪切試驗(yàn)結(jié)果，研究了顆粒運(yùn)動(dòng)形式與內(nèi)摩擦分量、似黏聚力（結(jié)構(gòu)力）分量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了反映顆粒間嵌擠咬合作用強(qiáng)度的表征參數(shù);基于土體碾壓過(guò)程的力學(xué)作用機(jī)理，分析了影響粗粒土壓實(shí)性能的內(nèi)在機(jī)制。研究表明，剪切過(guò)程中土顆粒存在翻越、滑移與滾動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)形式，翻越運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在剪切位移發(fā)展的起始階段，其產(chǎn)生的剪阻力是宏觀結(jié)構(gòu)力分量的主要來(lái)源，滑移與滾動(dòng)則貫穿于整個(gè)剪切過(guò)

8、程，其產(chǎn)生的剪阻力是宏觀內(nèi)摩擦分量的主要來(lái)源;剪切過(guò)程中結(jié)構(gòu)力分量存在一個(gè)峰值即嵌固強(qiáng)度值，它反映的是剪切面上嵌固顆粒發(fā)生翻越運(yùn)動(dòng)時(shí)所能產(chǎn)生的最強(qiáng)嵌擠咬合作用;粗粒土由顆粒間嵌擠咬合作用可形成較大的嵌固強(qiáng)度cmax是其具備良好壓實(shí)性能的必要條件，而粗粒土最密實(shí)狀態(tài)下的嵌固強(qiáng)度，即最大嵌固強(qiáng)度cmm，與壓實(shí)機(jī)械提供的碾壓力F之間的大小關(guān)系則是決定粗粒土能否取得良好壓實(shí)效果的內(nèi)在機(jī)制，當(dāng)最大嵌固強(qiáng)度cmm(＜＜)F，由于土體在最密實(shí)狀態(tài)下也

9、不能抵抗碾壓力F保持某種穩(wěn)定的狀態(tài)，因此較難取得良好的壓實(shí)效果，當(dāng)最大嵌固強(qiáng)度cmm(＞＞)F時(shí)，土體在較松散條件下就可形成較大的結(jié)構(gòu)力cmm抵抗碾壓力F，該類(lèi)土也難獲得良好的壓實(shí)效果，只有當(dāng)cmm≈F時(shí)，土體在碾壓力F的作用下顆粒不斷靠攏緊密，嵌固強(qiáng)度不斷增大，直到嵌固強(qiáng)度達(dá)到cmm時(shí)，土體達(dá)到了最密實(shí)狀態(tài)，進(jìn)而取得良好的壓實(shí)效果。
　　(4)基于概率統(tǒng)計(jì)法的粗粒土嵌固顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律及結(jié)構(gòu)力形成機(jī)理分析
　　基于剪切面上顆粒

10、的排列特點(diǎn)，建立了與剪切位移相關(guān)的單個(gè)嵌固顆粒翻越運(yùn)動(dòng)模型;根據(jù)剪切面上顆粒排列的隨機(jī)性特征，構(gòu)建了嵌固顆粒組翻越運(yùn)動(dòng)規(guī)律的概率統(tǒng)計(jì)分析方法，闡明了粗粒土結(jié)構(gòu)力的形成機(jī)理。研究表明:單個(gè)嵌固顆粒翻越運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，存在嵌固作用開(kāi)始出現(xiàn)和嵌固作用喪失2個(gè)特征轉(zhuǎn)角，及顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)不受嵌固作用、嵌固作用、喪失嵌固作用的3個(gè)階段;根據(jù)嵌固顆粒組中特征轉(zhuǎn)角分布的隨機(jī)性，得到了3階段顆粒數(shù)量占比隨剪切位移變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律;大型直剪試驗(yàn)結(jié)果顯示，由顆粒間的嵌固