恩施地区软岩填料的路用性能研究

论文摘要

恩施地区修筑公路,常会遇到采用软岩填料填筑路基。该填料岩性较软,强度较低,稳定性较差。本文通过现场调查、室内外试验、理论分析及工后观测,以红官公路为依托工程,研究了恩施地区软岩(主要是泥质页岩及砂质页岩)路用性能。主要研究工作包括如下内容:1.对恩施地区软岩填料的化学成分、级配特征、破碎特性、表面特征、非均质和非连续特征、尺寸效应等基本物理性质进行了试验研究。通过击实、CBR、回弹模量、压缩、直剪及三轴等室内试验,研究了软岩填料不同粗颗粒含量、击实功、替换法对最大干密度的影响规律;研究了软岩填料不同粗颗粒含量、含水量及干密度对其压缩性、黏聚力及内摩擦角的影响规律;研究了软岩填料在不同粗颗粒含量、含水量及不同围压条件下的剪胀性。2.对软岩填料路基进行了动力有限元分析。结果表明:软岩填料路基变形对交通荷载变化很敏感。增大荷载,路基塑性变形及路基振动位移、速度、加速度幅值随之显著增加。行车速度对路面变形的影响同样不容忽视,行车速度越大,路面变形越小。随着软岩填料密度的增加,垂直位移分量、水平位移分量最大值、最大位移量、坡顶最大垂直位移分量(即路基表面最大沉降量)呈逐渐递减趋势。3.将Grey模型非等时距时间序列采用拉格朗日插值函数转变为等时距序列,引入高阶弱化算子对原始数据进行弱化。通过对几组数据的累加、均值生成、最小二乘估计,计算出系统发展系数和驱动系数,得出估计模型。引入了VerhuLst模型进行组合修正,建立路基沉降预测的最优组合模型。该模型预测值的预测偏差平方和(方差)最小,提高了预测值的准确、稳健性,优于单一的灰色预测模型和Verhulst模型,能更好地对路基沉降量进行预测。4.根据软岩填料强度的非线性,应用最小势能理论,建立了软岩填料路堤边坡稳定性计算方法。该方法不需要进行条块划分,通过分析边坡整体的势能变化进行求解。安全系数可以直接求解,不需要迭代,计算过程简单,结果精确,实用性强。5.本文综合考虑稳定性、抗冲刷性、经济性等因素,采用综合赋权多属性决策法对红官公路软岩填料路堤横断面的设计方案进行了优化分析。该方法对软岩填料高路堤横断面进行多指标系统评价不失为一种简单可行的方法,并能够减少主观因素的影响,为合理横断面形式的确定提供更加合理的依据。6.通过大量的资料调研和工程调查,同时结合红官公路试验段,提出了软岩填料路基施工机械选择及组合、现场摊铺和整平及施工压实工艺等施工技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 软岩的概念
• 1.2.2 软岩填料的基本性质及路用性能
• 1.2.3 软岩填料的动力特性
• 1.2.4 软岩填料路基变形与稳定性
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 恩施地区软岩填料的特征
• 2.1 矿物成分
• 2.2 基本物理性质指标
• 2.3 粒度成分
• 2.4 软岩填料的颗粒破碎特性
• 2.4.1 击实试验前后软岩填料破碎导致颗粒组成的变化情况
• 2.4.2 粗颗粒含量对软岩填料颗粒破碎的影响
• 2.5 软岩料的表面特征
• 2.6 软岩料的非均质、非连续性
• 2.7 软岩料的尺寸效应
• 2.8 小结
• 第三章 恩施地区软岩填料的路用性能
• 3.1 概述
• 3.2 红官公路软岩填料的击实试验
• 3.2.1 击实试验
• 3.2.2 软岩填料不同等效处理方法试验比较
• 3.3 CBR 试验
• 3.4 室内回弹模量试验
• 3.5 压缩试验
• 3.5.1 相同级配填料的压缩试验
• 3.5.2 不同粗颗粒含量的压缩试验
• 3.5.3 压实度对软岩填料压缩变形的影响
• 3.6 剪切强度与变形特性试验
• 3.6.1 直剪试验
• 3.6.2 三轴剪切试验
• 3.7 小结
• 第四章 行车荷载作用下软岩填料的动力特性
• 4.1 动力弹塑性有限元法简介
• 4.1.1 动力有限元基本方程
• 4.1.2 矩形单元刚度矩阵和质量矩阵
• 4.1.3 传递边界
• 4.1.4 半无限单元
• 4.1.5 阻尼矩阵
• 4.1.6 运动方程求解
• 4.2 模型概化和研究方案
• 4.2.1 模型概化
• 4.2.2 研究方案
• 4.3 计算过程和计算结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 软岩填料路基沉降观测与预测研究
• 5.1 红官公路软岩填料路基沉降观测
• 5.1.1 路基沉降观测方案
• 5.1.2 路基沉降观测结果分析
• 5.2 软岩料路基工后沉降预测
• 5.2.1 公路路基沉降预测方法综述
• 5.2.2 改进灰色GM（2,1）模型
• 5.2.3 灰色Verhulst 预测模型
• 5.2.4 改进GM（2,1）模型和Verhulst 模型的最优组合模型
• 5.2.5 实例计算及分析
• 5.3 小结
• 第六章 软岩填料路基的稳定性评价及断面优化设计研究
• 6.1 基于非线性强度最小势能法的软岩填料路基稳定性分析
• 6.1.1 软岩填料的非线性破坏强度
• 6.1.2 基本假定
• 6.1.3 理论推导
• 6.1.4 软岩填料路堤边坡稳定性计算
• 6.2 基于综合赋权多属性决策的软岩填料高路堤横断面优化
• 6.2.1 引言
• 6.2.2 综合赋权多属性决策优化模型的建立
• 6.2.3 应用实例
• 6.3 小结
• 第七章 恩施地区软岩填料路堤施工技术
• 7.1 试验段概况
• 7.2 试验方案
• 7.3 试验步骤
• 7.4 试验结果及分析
• 7.4.1 压实机械的选择
• 7.4.2 填料的摊铺和整平
• 7.4.3 施工压实工艺
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论和建议
• 8.1 主要结论
• 8.2 几点建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间公开发表文章
• 致谢