红层软岩崩解性及其路基动力变形特性研究

论文摘要

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,为工程应用提出了红层软岩作为路基填料所应达到的粒度分数维控制标准。此外,还从沉积岩土成因角度出发,改进了常用的粒度分布分形模型,使之更适用于沉积岩土的粒度分析。并将改进模型应用于崩解性差异显著的三类红层软岩的粒度特征分析,发现红层软岩的粒度特征可反映其崩解性强弱,从而提出了以粒度特征对红层软岩进行工程分类的思想,进而论证了公路工程中采用浸水崩解试验对红层软岩分类的合理性。然后,本文采用灰色关联度方法对红层软岩崩解影响因素进行了分析,结合本文试验和前人研究成果,较全面地分析了红层软岩的崩解机理。在此基础上,对包括抑制红层软岩崩解的添加剂、降低路基中干湿变化程度、人工加速红层软岩崩解进程等消除红层填料崩解性的多种路用控制方法进行了研究。提出了实用的红层软岩崩解性路用处治方法,并通过现场实验和工程实例论证了处治的必要性和可行性。为了进一步探讨红层填料路基在车辆动力循环荷载作用下的工作特性,本文建立出3轴9自由度车辆动力模型以及路桥过渡段路面形状模型,基于MARC有限元软件进行二次开发,得到了可用于分析汽车作用下路基动力响应的三维有限

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据及其研究意义
• 1.1.1 红层概述
• 1.1.2 高速公路对路基填料的路用要求
• 1.1.3 红层路基存在的病害
• 1.1.4 选题依据和意义
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 软岩崩解性研究
• 1.2.2 交通荷载特性及路基的动力响应研究
• 1.2.3 土体塑性累积变形特性及其计算方法研究
• 1.3 本文研究内容与工作
• 第2章 红层软岩崩解及其路用性能试验研究
• 2.1 红层软岩岩性
• 2.1.1 概况
• 2.1.2 物化分析
• 2.2 红层软岩的工程分类与粒度分析
• 2.2.1 红层软岩的工程分类方法
• 2.2.2 红层软岩的粒度分析
• 2.3 红层软岩的崩解试验
• 2.3.1 红层软岩的浸水试验
• 2.3.2 红层软岩的失水试验
• 2.3.3 室内崩解进程试验
• 2.4 红层填料工程性质试验
• 2.4.1 土质试验
• 2.4.2 路用性能试验
• 2.4.3 强度与变形指标
• 2.5 现场试验与检测
• 2.5.1 现场红层软岩崩解过程粒度检测
• 2.5.2 施工工艺与效果
• 2.6 路基与填料的动力试验
• 2.6.1 现场路基动力试验
• 2.6.2 室内循环荷载试验
• 第3章 红层软岩崩解进程的分形研究
• 3.1 分形理论简介
• 3.1.1 分形的定义
• 3.1.2 分数维的估值
• 3.1.3 分形的物理意义
• 3.2 红层软岩崩解物进程的分形描述研究
• 3.2.1 粒度分布分形模型
• 3.2.2 崩解过程的粒度变化特征和分数维计算
• 3.3 红层软岩崩解的分形机理分析及其数学模拟
• 3.3.1 分形机理分析
• 3.3.2 崩解过程的数学模拟
• 3.4 崩解物粒度分数维指标的工程应用
• 第4章 红层软岩崩解性差异的分形特征研究
• 4.1 红层形成的地质环境特征和粒度特征
• 4.1.1 红层形成的地质环境特征
• 4.1.2 红层软岩的粒度特征
• 4.2 沉积岩粒度分布分形模型及其改进
• 4.2.1 沉积岩土的搬运与沉积规律
• 4.2.2 沉积岩土分形颗粒分布模型改进
• 4.3 红层软岩粒度分形特征与崩解性的相关分析
• 4.3.1 不同崩解性红层岩石的粒度分形特征
• 4.3.2 红层软岩粒度分形特征与其崩解性的相关性
• 4.4 红层岩石工程分类方法合理性分析
• 第5章 红层软岩崩解机理及其路用控制方法研究
• 5.1 红层软岩崩解因素灰色关联分析
• 5.1.1 灰色关联分析法基本原理与计算方法
• 5.1.2 影响红层软岩崩解因素关联度计算
• 5.2 红层软岩崩解机理分析
• 5.2.1 粘土矿物的膨胀机理
• 5.2.2 表面吸附的楔裂机理
• 5.2.3 矿物胶结的弱化机理
• 5.2.4 红层软岩崩解影响因素分析
• 5.3 崩解性工程控制方法
• 5.3.1 公路工程常用岩土改性方法
• 5.3.2 红层软岩崩解性路用控制方法
• 5.4 崩解性路用控制方法工程验证
• 5.4.1 未经处治的工程实例
• 5.4.2 碾压密实路基结构试验
• 5.4.3 石灰处理路基结构试验
• 5.4.4 粘土包边路基结构实例
• 第6章 汽车荷载作用下红层软岩路基动应力计算
• 6.1 汽车荷载动力分析模型与方法
• 6.1.1 车辆振动动力模型
• 6.1.2 路面表面不平整形状模型
• 6.1.3 Wilson-θ法逐步积分求解车辆振动
• 6.2 汽车荷载作用下路堤动力响应数值分析方法
• 6.2.1 弹塑性动力有限元方法
• 6.2.2 汽车荷载作用下路堤有限元模型
• 6.3 车辆振动及其对路面动力作用特性分析
• 6.3.1 计算参数及工况
• 6.3.2 车辆动力特性及其对路面的动力荷载分析
• 6.4 红层软岩路基动应力响应特性
• 6.4.1 路基路面计算参数取值
• 6.4.2 有限元计算方法有效性验证
• 6.4.3 路基动应力特征及影响因素分析
• 6.4.4 高速公路桥头跳车中红层软岩路堤动应力响应
• 第7章 汽车荷载作用下路堤塑性累积变形计算
• 7.1 循环荷载作用下土体塑性累计变形特征与计算方法
• 7.1.1 循环荷载作用下土体塑性累计变形特征
• 7.1.2 塑性累积变形常用计算方法
• 7.1.3 常用计算方法的不足
• 7.2 基于岩土变异特性的塑性累积变形计算方法与原理
• 7.2.1 岩土变异性的来源及其统计特征
• 7.2.2 基于岩土变异性的塑性累积变形计算方法
• 7.2.3 基于岩土变异性岩土塑性累积变形计算方法的原理
• 7.3 循环荷载下红层软岩路堤塑性累积变形计算
• 7.3.1 红层软岩路堤强度的变异性
• 7.3.2 红层软岩路堤塑性累积变形计算
• 结论及展望
• 参考文献
• 附录 A（攻读博士学位期间发表的学术论文）
• 附录 B（攻读博士学位期间参与的研究课题）
• 致谢