顆粒堆積結構對高速鐵路路基粗粒土填料工程性質(zhì)影響機制研究.pdf

1、粗粒土具有優(yōu)良的物理力學性質(zhì)，已在大規(guī)模的土木工程建設中得到了廣泛的應用。我國高速鐵路路基采用級配碎石加強承受列車動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、礫石類填料?？梢姡至Ｍ烈殉蔀槲覈咚勹F路路基的主要填筑材料，開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)實意義。
　　論文以理論分析與室內(nèi)試驗為主要手段，圍繞粗粒土的幾項重要工程性質(zhì)開展了深入的研

2、究?；陬w粒間的接觸關系，分析了超粒徑顆?！皯腋　睜顟B(tài)下粗粒土的孔隙特征，建立了測定超粒徑粗粒土標準干密度的“實體表面間隙法”;基于體積填充原理，構建了測定粗粒土體結構類型的“分界粒徑-體積填充”法，分析了高速鐵路基床表層級配碎石填料的土體結構類型特征;基于顆粒細觀運動特點，結合大型直剪試驗結果，探討了粗粒土抗剪強度形成機理及壓實性能;基于概率統(tǒng)計理論，提出了分析粗粒土嵌固顆粒運動規(guī)律的概率統(tǒng)計法，闡明了粗粒土結構力（似黏聚力）的形成機

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定方法研究
　　對于含有粒徑大于室內(nèi)試驗設備所允許最大粒徑顆粒的粗粒土（超粒徑粗粒土），如何通過室內(nèi)常規(guī)試驗準確測定該類土的最大干密度是亟待解決的問題?；诔酱至Ｍ林谐筋w粒與非超粒徑之間的接觸關系，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'的二元平面幾何計算模型，推導了超粒徑孔隙比e'的計算公式，構建了一種在不增加試驗量的條件下就可準確測得超粒徑粗粒土標準干密度的方法，即“實體表面間隙法”。驗證試驗表明，超粒徑與非超粒徑顆粒的粒徑比k對超粒徑孔隙比e'影響較大，超粒徑顆粒含量一定的條件下，存在一個特征粒徑比ks，當粒徑比k＞ks時，由超粒徑顆粒產(chǎn)生的孔隙體積較小，忽略該體積對干密度影響不大;當粒徑比k≤ks時，忽略該體積造成的誤差值則會隨粒徑k的減小而急劇增

5、大。“實體表面間隙法”在超粒徑顆粒的質(zhì)量百分比低于40％時，可較準確地測定出超粒徑粗粒土的標準干密度。
　　(2)粗粒土的土體結構類型測定方法及高速鐵路級配碎石填料的土體結構類型特性分析
　　基于體積填充法的基本原理，通過由小至大逐級剔除試樣最小一級顆粒組，并逐級判定骨架粒徑，構建了測定粗粒土填料土體結構類型的“分界粒徑-體積填充”法，分析了高速鐵路基床表層級配碎石填料土體結構類型隨粒徑級配的變化特點。試驗分析表明，對于高速

6、鐵路技術規(guī)范給定的級配碎石填料，其粗顆粒含量逐漸增多或細顆粒含量逐漸減少，將引起土體結構由懸浮密實型向骨架密實型、再向骨架孔隙型的轉變，據(jù)此提出了級配碎石填料的土體結構分別為懸浮密實、骨架密實、骨架孔隙三種類型所對應的粒徑級配控制值。研究成果對完善高速鐵路基床多層結構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配技術標準具有參考價值。
　　(3)基于顆粒細觀運動特點的粗粒土抗剪強度形成機理及壓實性能探討
　　基

7、于粗粒土顆粒間的排列特征，探討了剪切過程中土顆粒的運動特點;結合大型直接剪切試驗結果，研究了顆粒運動形式與內(nèi)摩擦分量、似黏聚力（結構力）分量之間的對應關系，提出了反映顆粒間嵌擠咬合作用強度的表征參數(shù);基于土體碾壓過程的力學作用機理，分析了影響粗粒土壓實性能的內(nèi)在機制。研究表明，剪切過程中土顆粒存在翻越、滑移與滾動三種運動形式，翻越運動主要發(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構力分量的主要來源，滑移與滾動則貫穿于整個剪切過

8、程，其產(chǎn)生的剪阻力是宏觀內(nèi)摩擦分量的主要來源;剪切過程中結構力分量存在一個峰值即嵌固強度值，它反映的是剪切面上嵌固顆粒發(fā)生翻越運動時所能產(chǎn)生的最強嵌擠咬合作用;粗粒土由顆粒間嵌擠咬合作用可形成較大的嵌固強度cmax是其具備良好壓實性能的必要條件，而粗粒土最密實狀態(tài)下的嵌固強度，即最大嵌固強度cmm，與壓實機械提供的碾壓力F之間的大小關系則是決定粗粒土能否取得良好壓實效果的內(nèi)在機制，當最大嵌固強度cmm(＜＜)F，由于土體在最密實狀態(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效果，當最大嵌固強度cmm(＞＞)F時，土體在較松散條件下就可形成較大的結構力cmm抵抗碾壓力F，該類土也難獲得良好的壓實效果，只有當cmm≈F時，土體在碾壓力F的作用下顆粒不斷靠攏緊密，嵌固強度不斷增大，直到嵌固強度達到cmm時，土體達到了最密實狀態(tài)，進而取得良好的壓實效果。
　　(4)基于概率統(tǒng)計法的粗粒土嵌固顆粒運動規(guī)律及結構力形成機理分析
　　基于剪切面上顆粒

10、的排列特點，建立了與剪切位移相關的單個嵌固顆粒翻越運動模型;根據(jù)剪切面上顆粒排列的隨機性特征，構建了嵌固顆粒組翻越運動規(guī)律的概率統(tǒng)計分析方法，闡明了粗粒土結構力的形成機理。研究表明:單個嵌固顆粒翻越運動過程中，存在嵌固作用開始出現(xiàn)和嵌固作用喪失2個特征轉角，及顆粒轉動不受嵌固作用、嵌固作用、喪失嵌固作用的3個階段;根據(jù)嵌固顆粒組中特征轉角分布的隨機性，得到了3階段顆粒數(shù)量占比隨剪切位移變化的統(tǒng)計規(guī)律;大型直剪試驗結果顯示，由顆粒間的嵌固