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原文传递颗粒堆积结构对高速铁路路基粗粒土填料工程性质影响机制研究

论文题名：	颗粒堆积结构对高速铁路路基粗粒土填料工程性质影响机制研究
关键词：	高速铁路路基;粗粒土填料;颗粒堆积结构;抗剪强度;压实性能
摘要：	粗粒土具有优良的物理力学性质，已在大规模的土木工程建设中得到了广泛的应用。我国高速铁路路基采用级配碎石加强承受列车动荷载显著作用的基床表层部分，基床底层采用A、B组填料（粗粒土）或改良土，基床以下路堤选用A、B组填料或C组碎石、砾石类填料。可见，粗粒土已成为我国高速铁路路基的主要填筑材料，开展粗粒土工程特性的研究具有明确的工程背景与重要的现实意义。　　论文以理论分析与室内试验为主要手段，围绕粗粒土的几项重要工程性质开展了深入的研究。基于颗粒间的接触关系，分析了超粒径颗粒“悬浮”状态下粗粒土的孔隙特征，建立了测定超粒径粗粒土标准干密度的“实体表面间隙法”;基于体积填充原理，构建了测定粗粒土体结构类型的“分界粒径-体积填充”法，分析了高速铁路基床表层级配碎石填料的土体结构类型特征;基于颗粒细观运动特点，结合大型直剪试验结果，探讨了粗粒土抗剪强度形成机理及压实性能;基于概率统计理论，提出了分析粗粒土嵌固颗粒运动规律的概率统计法，阐明了粗粒土结构力（似黏聚力）的形成机理。具体的内容包括: 　　(1)超粒径粗粒土的孔隙特征分析及最大干密度测定方法研究　　对于含有粒径大于室内试验设备所允许最大粒径颗粒的粗粒土（超粒径粗粒土），如何通过室内常规试验准确测定该类土的最大干密度是亟待解决的问题。基于超粒径粗粒土中超粒径颗粒与非超粒径之间的接触关系，分析了超粒径颗粒“悬浮”状态下超粒径粗粒土的孔隙特征，提出了超粒径孔隙比e'（超粒径颗粒产生的孔隙体积与超粒径颗粒实体体积的比值）的基本概念，建立了超粒径孔隙比e'的二元平面几何计算模型，推导了超粒径孔隙比e'的计算公式，构建了一种在不增加试验量的条件下就可准确测得超粒径粗粒土标准干密度的方法，即“实体表面间隙法”。验证试验表明，超粒径与非超粒径颗粒的粒径比k对超粒径孔隙比e'影响较大，超粒径颗粒含量一定的条件下，存在一个特征粒径比ks，当粒径比k＞ks时，由超粒径颗粒产生的孔隙体积较小，忽略该体积对干密度影响不大;当粒径比k≤ks时，忽略该体积造成的误差值则会随粒径k的减小而急剧增大。“实体表面间隙法”在超粒径颗粒的质量百分比低于40％时，可较准确地测定出超粒径粗粒土的标准干密度。　　(2)粗粒土的土体结构类型测定方法及高速铁路级配碎石填料的土体结构类型特性分析　　基于体积填充法的基本原理，通过由小至大逐级剔除试样最小一级颗粒组，并逐级判定骨架粒径，构建了测定粗粒土填料土体结构类型的“分界粒径-体积填充”法，分析了高速铁路基床表层级配碎石填料土体结构类型随粒径级配的变化特点。试验分析表明，对于高速铁路技术规范给定的级配碎石填料，其粗颗粒含量逐渐增多或细颗粒含量逐渐减少，将引起土体结构由悬浮密实型向骨架密实型、再向骨架孔隙型的转变，据此提出了级配碎石填料的土体结构分别为悬浮密实、骨架密实、骨架孔隙三种类型所对应的粒径级配控制值。研究成果对完善高速铁路基床多层结构体系中分别具备承载、隔水以及排水等不同功能土层的碎石填料级配技术标准具有参考价值。　　(3)基于颗粒细观运动特点的粗粒土抗剪强度形成机理及压实性能探讨　　基于粗粒土颗粒间的排列特征，探讨了剪切过程中土颗粒的运动特点;结合大型直接剪切试验结果，研究了颗粒运动形式与内摩擦分量、似黏聚力（结构力）分量之间的对应关系，提出了反映颗粒间嵌挤咬合作用强度的表征参数;基于土体碾压过程的力学作用机理，分析了影响粗粒土压实性能的内在机制。研究表明，剪切过程中土颗粒存在翻越、滑移与滚动三种运动形式，翻越运动主要发生在剪切位移发展的起始阶段，其产生的剪阻力是宏观结构力分量的主要来源，滑移与滚动则贯穿于整个剪切过程，其产生的剪阻力是宏观内摩擦分量的主要来源;剪切过程中结构力分量存在一个峰值即嵌固强度值，它反映的是剪切面上嵌固颗粒发生翻越运动时所能产生的最强嵌挤咬合作用;粗粒土由颗粒间嵌挤咬合作用可形成较大的嵌固强度cmax是其具备良好压实性能的必要条件，而粗粒土最密实状态下的嵌固强度，即最大嵌固强度cmm，与压实机械提供的碾压力F之间的大小关系则是决定粗粒土能否取得良好压实效果的内在机制，当最大嵌固强度cmm(＜＜)F，由于土体在最密实状态下也不能抵抗碾压力F保持某种稳定的状态，因此较难取得良好的压实效果，当最大嵌固强度cmm(＞＞)F时，土体在较松散条件下就可形成较大的结构力cmm抵抗碾压力F，该类土也难获得良好的压实效果，只有当cmm≈F时，土体在碾压力F的作用下颗粒不断靠拢紧密，嵌固强度不断增大，直到嵌固强度达到cmm时，土体达到了最密实状态，进而取得良好的压实效果。　　(4)基于概率统计法的粗粒土嵌固颗粒运动规律及结构力形成机理分析　　基于剪切面上颗粒的排列特点，建立了与剪切位移相关的单个嵌固颗粒翻越运动模型;根据剪切面上颗粒排列的随机性特征，构建了嵌固颗粒组翻越运动规律的概率统计分析方法，阐明了粗粒土结构力的形成机理。研究表明:单个嵌固颗粒翻越运动过程中，存在嵌固作用开始出现和嵌固作用丧失2个特征转角，及颗粒转动不受嵌固作用、嵌固作用、丧失嵌固作用的3个阶段;根据嵌固颗粒组中特征转角分布的随机性，得到了3阶段颗粒数量占比随剪切位移变化的统计规律;大型直剪试验结果显示，由颗粒间的嵌固作用对颗粒翻越运动产生的剪阻力是形成粗粒土结构力的内因，其发挥程度与处于嵌固作用阶段的颗粒占比统计值具有良好一致性。研究成果为探索粗粒土宏观力学行为与细观颗粒运动规律间的内在关系提供了新思路。
作者：	陈坚
专业：	道路与铁道工程
导师：	罗强
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文