土石混填路基修筑技术研究.docx

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土石混填路基修筑技术研究

西部交通建设科技项目

合同号：

2002-318-000-34

土石混填路基修筑技术研究

（报告简本）

完成单位：

重庆交通科研设计院

重庆高速公路发展有限公司

二○○五年二月

中文题名

土石混填路基修筑技术研究

英文题名

ResearchonConstructionTechnologiesofSoilandRockAggregateMixtureEmbankment

交通编号

项目来源

交通部

分类号

U412.36、U416.1

项目起止年限

2002.7～2005.2

第一完成单位

重庆交通科研设计院

项目负责人

柴贺军（研究员）

阳光（教授级高工）

报告撰写人

柴贺军（研究员）

阳光（教授级高工）

阎宗岭（副研究员）

项目主要

参加人员

阎宗岭（副研究员）

李洪霞（高级工程师）

赖思静（助研）

夏小泉（教授级高工）

贾学明（助研）

陶丽娜（助研）

陈谦应（研究员）

董云（讲师）

黄莘（研究员）

杨建国（副研究员）

陈赞（副研究员）

李佑荣（工程师）

杨文军（工程师）

唐胜传（副研究员）

候长勇（工程师）

孔祥臣（助工）

刘茂光（研究员）

杨兵（副研究员）

主题词

土石混填路基修筑技术

关键词

土石混填路基施工工艺施工控制设计方法

报告摘要

在广泛收集国内外研究相关研究成果和大量现场调查的基础上，针对土石混填路基修筑技术中的关键问题，从土石混合料的组成特征出发，通过大量现场和室内试验、数值模拟、工程试验，研究了不同石质、不同含石量、不同含水量的土石混合料的工程性质，开发了土石混合料级配图像自动识别系统，提出了土石混合料的路用性能分级指标及方法，分析了土石混合料的K-G模型和邓肯-张模型参数的影响因素和变化范围，建立了土石混合料强度与变形参数的预测方法。

确定了不同形式的土石混填路基沉降变形发展变化规律及变形破坏机制，并建立了沉降变形计算方法和预测模型，提出了土石混填路基施工期沉降、工后沉降与路基高度、施工质量等影响因素间的关系。

建立了采用土石混填路基质量无损检测的表面波和附加质量法，确定了检测方法及相关参数。

提出了采用分层强夯降低土石混填路基工后沉降的方法及施工工艺。

提出了土石混填路基排水系统的布置和设计方法以及设计标准图，成功开发出了PST抗冲刷剂和PST抗冲刷剂喷播液两种土石混填路基边坡绿化防护的新材料。

英文摘要

Basedoncomprehensivecollectingoftherelatedresearchprogressandabundantfieldinvestigation,thekeyproblemsinsoilandrockaggregatemixtureembankmentconstruction,andachievementsacquiredareasfollowing:

Physicalandmechanicalcharacteristicsofsoilandrockaggregatemixturewithdifferentrock，differentrockcontentanddifferentmoisturecontentareinvestigate.Automotivegradationreorganizationsystemisdeveloped.Engineeringclassificationsystemofsoilandrockaggregatemixtureisproposed.Meanwhiletheforecastingmethodsofstrengthanddeformationparametersaresetupon.Thesettlementcalculationandforecastmodelforsoilandrockaggregatemixtureembankmentarebuilt.Constructionandpost-constructionsettlementindexareinvestigatedandthecorrelationsbetweenconstructionandpost-constructionsettlement,embankmentheightandconstructionqualityareputforeword.MethodofAdditiveMassandRayleighWaveareadoptedtoevaluatecompactionqualityinamacroscopicalregion;therelatedparametersareputforwardatthesametime.Layerwisedynamiccompactionisbroughtforwardtoreducethepost-constructionsettlementofsoilandrockaggregatemixtureembankment.Thenmaindrainagemeasuresandtheirdesignmethodsandstandarddesignofwaterproofanddrainagesystemareproposed.Asforthepooranti-washoutabilityofsoilandrockaggregatemixture,thePSTanti-washoutadmixtureandPSTanti-washoutadmixturehydroseedingaredeveloped.

1项目概况

1.1项目研究目的及意义

为解决土石混填路基修筑技术，交通部2002年把部“土石混填路基修筑技术研究”列为交通部西部交通建设科技项目，以期通过项目的实施解决上述工程问题。

项目以研究土石混填路基施工质量检测与控制和路基稳定与变形性状为重点，开展了土石混合料路用质量分级、土石混填路基稳定与变形性状、土石混填路基施工质量检测与控制、土石混填路基边坡防护等专题的研究，提出了一套集土石混合料评价技术、土石混填路基设计技术、施工质量检测与控制技术和工程处治技术为一体的成套技术，较完整全面地解决土石混填路基修筑技术问题。

1.2主要研究内容

为了较全面解决土石混填路基修筑技术问题，主要围绕以下几个关键技术问题开展了研究工作：

1）土石混合料工程性质及分类

2）土石混填路基稳定与变形性状及设计计算方法

3）土石混填路基施工工艺与施工控制技术

4）土石混填路基排水和边坡防护技术

2项目各专题开展的研究工作

2.1土石混合料工程性质及分类

2.1.1土石混合料的工程分类

土石混合料的综合分类主要是针对土石混合料组成成分的复杂性，颗粒级配变化的特殊性（粒径相差悬殊），工程性质的多变性等特征，考虑混合料固相组成中土与石的性质的差异，首先按固相成分中土与石的界限粒径，按土与石的成因及风化程度等分类划分大类；其次考虑土石混合料的结构特征，由于混合料中含石量的多少直接影响混合料的结构形式，故按含石量的高低划分第二层次，第三层次主要考虑影响混合料工程性质的粒径及级配，利用混合料颗粒组成的分形特征，引入分形力学中的分维概念确定第三层次分类，评价混合料的级配情况，土石混合料工程分类见到表1。

2.1.2土石混合料工程性质试验研究

通过筛分、大型击实试验、振动击实试验、现场大型直剪试验、室内大型直剪试验、室内大型三轴剪切试验、压缩试验、颗粒离散元数值模拟、分形等方法，研究了不同石质类型、不同含石量、不同含水量的土石混合料的物理力学性质，分析了土石混合料的K-G模型和邓肯-张模型参数的影响因素和变化范围，建立了土石混合料强度与变形参数的预测方法。

表1土石混合料综合分类体系表

第一层次

第二层次

第三层次

岩石强度

土性

分类

含石（>5mm颗粒）量%

分类

分维值

分类

≥30MPa

粘性

硬岩粘性土石混合料

≤30

多土类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

30~70

中间类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

>70

多石类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

砂性

硬岩砂性土石混合料

≤30

多土类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

30~70

中间类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

>70

多石类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

<30MPa

粘性

软岩粘性土石混合料

≤30

多土类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

30~70

中间类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

>70

多石类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

砂性

软岩砂性土石混合料

≤30

多土类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

30~70

中间类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

>70

多石类

1.887~2.631

级配良好

其它

级配不良

采用了颗粒离散元对土石混合料击实试验进行了数值模拟，结果表明随着石土比的增加，混合料的骨架作用越来越明显。

工程施工过程中最大粒径达到300mm，在室内研究其原级配抗剪强度比较困难，从而在现场进行原位剪切试验，以探求土石混合料的抗剪强度特性，确保工程质量。

原位直剪试验的试样尺寸为500mm×500mm×500mm。

（a）石土比40:

60（b）石土比80:

20

图2不同石土比时受力特性

最大粒径对凝聚力的影响不是很大，总的趋势是随最大粒径的增加，凝聚力有上升的趋势，但当最大粒径超过400mm后，凝聚力反而呈下降趋势。

最大粒径对内摩擦角的影响与对凝聚力的影响不同，随最大粒径的增加，在初期强度增加非常明显，当粒径超过200mm后，增加的趋势趋于平缓。

图3最大粒径对凝聚力的影响

针对传统直剪仪的不足，研制了新型的大型综合直剪试验仪，试验设备原理如图5所示。

试验系统具有破坏面不固定，垂直荷载保持居中不偏心，正应力σ恒定等特点。

依托新的大型直剪仪，研究了不同岩性、不同细粒土土质、不同含石量、不同级配土石混合料强度参数变化规律，同时还分析了土石混合料剪切面的特征。

采用了大型三轴试验分别进行了不同饱和度下的固结-排水慢剪和不固结—不排水快、慢剪试验。

主要针对示范工程路堤填筑料，获得土石混合料的基本力学性质指标；不固结快剪试验按不同密度、不同最大粒径和不同含含石量（P5）配置的土样进行试验，获得这些因素对土石混合料的力学特性的影响。

图4最大粒径对内摩擦角的影响

图5改进的直剪试验原理图6大型土石混合料多功能试验机

图760mm以下软岩土石混合料典型剪切面

图8含石量40％模型图9正应力施加完毕后模型接触力分布情况

2.1.3土石混合料级配特征自动识别系统

土石混合料的中土、石含量不同，以及粒径分布和组成对其工程性质具有重大影响。

因此道路工程建设中，必需严格控制土石混合料的级配组成，以确定工程质量和路基的稳定与安全。

课题通过对土石混合料图像的统计特征进行分析，得到土石混合料图像的一般统计规律，开发出土石混合料图像分析系统，可以确定土石混合料中土、石含量以及不同粒径颗粒的含量。

最终得出土石混合料的级配特征。

图11用作级配识别数码图像图12级配识别图像种子生长结果

2.2土石混填路基稳定与变形性状及设计计算方法

2.2.1土石混填路基失稳变形表现形态

（1）路基裂缝

根据裂缝走向与路线走向的交叉关系，土石混填路基裂缝大致可分为横向裂缝和纵向裂缝。

路堤横向裂缝是垂直路堤走向的裂缝。

图13图像识别照片2

图14照片2试样实际级配与识别级配

（2）路面病害

路面病害主要表现为路面裂缝和沉陷，路面裂缝主要分为横向裂缝和纵向裂缝。

（3）路基整体下沉

路基整体下沉是指路基表面在垂直方向上产生较大的沉落。

土石混填路基下沉主要有堤身下沉与地基下陷二种类型。

（4）路基边坡失稳

路基边坡滑塌是最常见的路基病害。

2.2.2土石混填路基沉降变形模式及成因机制

（1）土石混填路基沉降变形模式

1）填料压实度不足

2）地基中存在软弱土层

3）路基刚度差异显著

4）地基承载力不足

5）填料成份不均

（2）土石混填路基失稳变形诱因

1）工程地质与地形

2）水文与气候

3）路基填料自身原因

4）施工方面的原因

5）路基防护工程不同步和防护工程不完善

6）设计不合理

2.2.3土石混填路基稳定与沉降变形特性的物理模拟研究

（1）底摩擦试验研究

底摩擦模型试验是皮带轮带动一条用皮带作连续的回绕驱动，模型被传送带带动，并遇到固定试验框架的阻挡，因此在模型与皮带接触面上产生了摩擦力，此力产生在模型底部，也称基底摩擦力。

底摩擦模型试验就是用这个力来模拟重力作用。

采用底摩擦试验进行了土石混填路基变形稳定特性研究。

图15自动化底摩擦仪

图16全填路堤压实度为93%时最终变形破坏情况

（2）二维地质地质模型试验研究

采用二维地质力学模型研究了一般全填、半挖半填两种不同形式土石混填路堤在不同填筑时期以及填筑完工后，路基沉降变形发展规律。

图17全填路基图18斜坡路堤

图19全填路堤路基中线填筑高度—施工期沉降率曲线（压实度90.7%）

图20全填路堤路基中线填筑高度—工后沉降率曲线（压实度90.7%）

（3）离心模型试验研究

离心模型试验研究重点研究了土石混填路基填筑材料的适宜性及路基沉降变形特征，由于离心模型试验能很好地模拟土石混填路基筑后的应力水平，主要研究以下两个方面的内容：

（1）在不同设计干密度和含水量条件下的沉降变形特征，以及沉降变形与填筑体的干密度和含水量之间的关系；

（2）在相同干密度、相同含水量条件下，不同粒径含量配比对路基沉降变形的影响。

图21试验所用离心机

（4）现场观测

课题在土石混填路基变形稳定观测中，采用采数字显示滑动式沉降、测斜仪进行了土石混填路基内部不均匀沉降和水平位移观测。

采用埋设降板、GPS全球定位系统进行土石混填路基工后沉降观测，通过现场观测，了解土石混填路基的沉降、变形发展规律。

图22HRB5515型数字显示滑动式沉降仪图23采用GPS进行路基工后沉降观测

2.2.4土石混填路基边坡稳定性分析

经项目研究，土石混填路基稳定性分析推荐采用瑞典条分法和简化毕肖普法，对陡斜坡土石混路基稳定性分析除了要进行路基自身稳定性验算外，还要对陡斜坡对路基稳定性影响进行分析，分为单一陡斜坡和多个坡度的折线倾斜面两种情况分别计算。

图24昆石高速公路K27+700断面施工期不均匀沉降观测成果

图25渝黔高速K100+850断面沉降观测工后沉降观测曲线

2.3土石混填路基施工工艺与施工控制技术

2.3.1土石混填路基施工工艺

经过对土石混合料的特征进行了深入分析，并讨论了土石混合料的开采方式及压实机理，提出了土石混填路基压实施工工艺，并建立了土石混填路基压实质量检测的面波法和附加质量法两种无损检测方法。

2.3.2土石混填路基压实质量检测

（1）面波法

面波在介质中传播速度与介质本身的性质有关，面波波速与介质的密度有关，据此采用面波法进行土石混填路基压实质量的探测，评定压实质量的指标采用密实度。

项目对面波法测试土石混合料路基压实质量的参数设计、测试操作步骤、信号数据分析与处理等，进行了较深入地研究，通过大量现场实测结果分析，建立了土石混填路基压实度和面波波速之间的相关关系模型，通过关系模型比选确定了土石混合料压实度和面波波速的关系式。

图26土石混填路基施工工序

（2）附加质量法

项目研究提出了采用附加质量法进行土石混填路基施工质量检测技术，系统介绍了基本原理、测试方法及数据分析处理方法。

通过现场测试试验结果分析，分析了土石混填路基压实质量附加质量法测试的影响因素。

并提出了面波法和附加质量法的测试仪器要求，并分析了现场测试参数对测试结果的影响。

通过实体工程试验和现场测试检验了土石混填路基压实施工工艺及压实质量检测的面波法和附加质量法。

并检验面波法和附加质量法测试参数的选取、测试步骤、数据处理方法的合理性及测试结果的有效性。

当土石混填路基填料中含石量较高（＞70%）时，其密实度与面波波速相关性较差，面波法不适宜含石量较高填料的土石混填路基。

附加质量法密度测试却能克服其不足，附加质量法在水利水电行业应用较为广泛，然而在土石混填路基压实质量的检测中很少采用。

将附加质量法引入到土石混填路基压实质量的检测中，可以克服含石量较高时，面波法的不足，同时实现对路基压实质量的快速无损检测。

图27面波速和路基填土密度关系曲线

2.4土石混填路基排水和边坡防护技术

2.4.1路基内部排水布置方案设计

在地下水危及路基稳定（包括整体稳定和局部稳定）或者严重影响路基强度的情况下，应根据具体情况采取拦截、排引含水层地下水，降低地下水位或者疏干坡体内的地下水等措施。

（1）路堑开挖截断了坡体内的含水层，或者山坡路堤的基底范围内有含水层出露时，可沿挖方或填方边坡坡脚设置纵向地下排水沟，将含水层的地下水拦截在路基范围外，并排引出路堑或路堤。

（2）填挖交界路段，接近的路堤基底遇有含水层出露时，须在填挖交界处设置横向地下排水沟，以拦截含水层内的地下水并排引出路界。

（3）地下水位高而路堤填土高度又受到限制时，或者路堑开挖后路床高程离地下水位很近时，可沿两侧边沟设置地下排水沟，以降低地下水位，减少路基湿度，提高其承载能力。

（4）土质路堑边坡的含水年很大（或有上层滞水）而易产生坡体滑动，可在坡体内设置条形、分岔形或拱形边坡渗沟以疏干坡体，或者设置水平排水孔以降低坡体内的静水压力。

（5）为拦截地下水或上层滞水的毛细上升阻止其进入路面结构，或者排除因负温差作用而聚积在路基上层的自由水，可直接在路床顶部设置排水层，并在其两侧配置纵向集水管。

2.4.2路基边坡排水布置方案设计

为了有效地提高路基边坡的稳定性，有必要排除赋存于坡体内部的地下水。

常见的排水设施主要有排水孔、排水平洞等，主要研究排水孔的设计。

（1）排水孔的仰坡度

最佳的排水孔方向应是排水量最大或者最易降低地下水位的方向，即应该是穿过最多最宽裂隙的方向。

排水孔的仰坡度一般采用平均仰坡度10%～15%。

（2）排水孔的深度

排水斜孔的孔口标高应低于需要降低地下水位的最低标高，斜孔的斜深度L可用下式表示：

式中：

H—要求降低地下水位的最低标高；h—排水斜孔的孔口标高；α—排水孔的倾角。

（3）排水孔的间距

路基边坡排水孔间距的大小，一般工程用工程类比法确定。

2.4.3优化设计的基本考虑

排水系统排水效果受到多种因素影响。

因而在具体设计时，除了需要从以下角度考虑优化问题：

（1）地下排水系统选择与设置应根据实际工程情况、地质环境条件综合分析。

（2）边坡排水孔的作用是非常显著的，不仅对降低坡体地下水位有显著贡献，而且由于其有效拦截坡体的地下径流，因而对路基的水位降低也起着重要作用。

（3）盲沟的排水效果主要受路基渗透性能控制，一般说来，渗透性越强，盲沟的间距可稀疏一些；而路基介质在施工过程中有夯实、压密等作用，其渗透性一般较小，一般设置2~3列盲沟即可取得较好的排水效果。

2.4.4PST抗冲刷剂与新型喷播液

项目组针对土石混合料组成特点，研制了的PST抗冲刷剂，组分主要包括：

1）原料1—胶体。

胶体是PST抗冲刷剂的最主要的组成组分；2）原料2—辅助螯合剂。

3）原料3—螯合剂；4）原料4—水；5）其它。

根据PST抗冲刷剂的使用条件和环境不同而确定。

（坡比1:

1、1:

1.5、1:

1.75）坡面上植被的生长情况（喷播后50天）

图28用PST抗冲刷剂喷播液喷播植草的土石混填路堤试验边坡

PST抗冲刷剂适合用于下列范围：

1）配制用于土石混填路堤坡面绿化防护的新型喷播液；2）用作固沙剂，能够防止沙尘暴的产生；3）用作水土保持剂，能够防止石漠化的产生和发展。

在使用PST抗冲刷剂的基础上，为实施对土石混填路堤边坡的绿化防护，研制了新型喷播液。

新型喷播液的组成：

（1）PST抗冲刷剂；

（2）混合草种；（3）植物短纤维；（4）其它。

3项目主要研究成果

通过本项目的研究，取得了以下几方面的进展或成果：

（1）根据土石混合料的组成特点，研制出了可以在剪切过程中保持试样压应力恒定的了土石混合料大型直剪仪；采用击实试验、大型直剪试验、三轴剪切试验、现场直剪试验以及颗粒离散元（PFC2D、PFC3D）数值模拟等方法，对土石混合料工程性质进行了较为全面的试验研究；在此基础上，应用非线性的分形科学将土石混合料进行了三个层次的工程分类，依此可初步确定各类土石混合料的工程性质，预测实际工程中不同类别土石混合料的工程性质。

（2）针对土石混合料级配筛分工作量大，速度慢的缺点，开发了土石混合料级配图像自动识别系统。

在对土石混合料图像的识别过程中，对土石混合料图像的形状、灰度差异大的难题，采用了基于模糊隶属度的区域生长和统计方法实现了对土石混合料二维图像的分割，实现了土石混合料级配自动识别。

（3）通过对已有研究成果和大量工程实例的分析和总结，搞清了土石混填路基不均匀沉降产生的原因和发展变化模式，指出了土石混填路基不均匀沉降方式的特点、方式和可能产生的后果。

（4）通过基底摩擦试验、二维地质力学模型试验、离心模型试验、数值模拟和现场观测，对土石混填路基施工期沉降和工后沉降指标进行了研究，提出了土石混填路基施工期沉降、工后沉降与路基高度、施工质量等影响因素间的关系。

（5）针对土石混合料的组成和物理力学特性，对传统稳定与沉降计算方法进行了修正，确定不同形式的土石混填路基沉降变形发展变化规律及变形破坏机制，并建立沉降变形计算方法和预测模型。

（6）对土石混合料压实机理和特点进行了分析与研究，结合示范工程建设，重点进行了土石混填路基分层振动碾压试验，建立了包括土石混合料的开采、运送、摊铺、碾压等工序的土石混填路基分层振动碾压法施工工艺。

（7）针对传统路基压实检测与评价方法是单点检测，不能反映出路基宏观压实情况的缺点，通过大量的现场试验，建立了土石混填路基压实质量的表面波和附加质量法两种无损评价与检测方法，可以在更宏观上对土石混填路基压实质量进行评价与检测，并确定了检测方法中的相关参数。

（8）针对高速公路建设地质条件复杂、工期紧张、工后沉降量大影响运营等特点，建立了降低土石混填路基工后沉降的分层强夯强制沉降法，以此降低土石混填路基工后沉降，提高公路运营质量与水平。

采用强夯和压力灌浆技术进行了土石混填路基病害处治，取得了良好的工程效果。

（9）通过土石混填路基地下排水系统的排水机理、设计方法的研究，提