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公路非饱和路基土力学特性研究

日期:2013-09-27 来源:

www.wuying.org 技术水平:中国公路学会科技进步二等奖

结题时间:2009年12月

参研单位:重庆交通科研设计院、甘肃省交通科学研究所、武汉大学、解放军后勤工程学院、重庆高速公路发展有限公司

1.)项目成果简介

项目公路非饱和路基土力学特性研究合同号为(200531874010)是由重庆交通科研设计院、甘肃省交通科学研究所、武汉大学、解放军后勤工程学院、重庆高速公路发展有限公司共同参与研究的西部交通建设科技项目。本项目以西部地区公路路基修筑普遍遇到的粘性土、黄土为对象,以重庆、甘肃两地的在建公路为主要依托试验工点,采用调研、室内外试验测试、数值分析、理论解析等多种手段,对非饱和路基土的物理力学特性、非饱和土路基的变形与破坏特征、非饱和土路基稳定与变形分析方法进行了较为深入的研究,在此基础上,结合已有工程经验,提出了非饱和土路基设计与施工控制关键技术。研究结果表明:水对非饱和路基土力学性质以及对非饱和土路基的变形与破坏有着显著影响,加强非饱和土路基的防排水,严格控制路基土的压实,结合必要的工程加固措施是保障非饱和土路基长期稳定的重要手段。

通过本项目的研究,对于保障公路建设质量,减少公路病害,提升公路运营水平,降低公路养护管理费用,保证西部大开发战略的实施具有非常重要的意义。具有十分明显的社会、经济和环境效益。

2.)主要结论

项目以非饱和压实黄土、非饱和压实普通粘土为对象,以非饱和路基土的力学特性为出发点和重点,采用调研、室内试验、现场试验、数值分析、理论解析等多种手段,对非饱和土路基工程病害特征、非饱和路基土力学特性、非饱和土路基变形与破坏特征、非饱和土路基稳定与沉降变形分析方法等展开了较为全面的研究,通过研究,获得了以下主要科技成果与结论。

(1).通过实际工程调研和文献调研,分析总结了非饱和土路基的病害特征及其病害产生的主要原因,概化出了非饱和土路基的破坏模式。

(2).采用压力膜仪、压力板仪、非饱和土三轴仪等多种手段,对非饱和路基土的土—水特征曲线特性进行了系统的试验研究,获得了温度、土压实度、含水量、干湿循环条件、土颗粒级配、净平均应力和偏应力等对土—水特征曲线的影响规律,建立了考虑含水率、吸力、净平均应力的3变量广义土—水特征曲线表达式,以及考虑含水率、吸力、净平均应力和偏应力的4变量广义土一水特征曲线表达式。

(3).采用真三轴试验、非饱和土三轴试验、非饱和土直剪试验,深入研究了非饱路基土的强度与变形特性,获得了非饱和路基土的强度与变形特征,以及相关的强度变形参数;在此基础上,分析提出了非饱和一路基土的加载和湿化变形计算模型,以及饱和路基土的弹塑性模型。

(4).通过室内回弹模量试验,获得了压实度、制备含水量、干湿循环对非饱和土路基回弹模量的影响规律,提出了考虑基质吸力的非饱和土路基回弹模量预测模型。

(5).以陈正汉的非饱和土非线性固结理论为基础,依托MSC.Marc软件,利用Python语言,开发了一套可以进行路基最终沉降量和降雨入渗沉降量的计算的非饱和土路基沉降变形的数值分析软件。通过现场降雨模拟试验测试、室内模拟试验和数值分析三个途径,深入研究了降雨强度、降雨持时等对非饱和土路基吸力、应力与变形的影响,掌握了非饱和土路基的变形与破坏特征。

(6).基于对非饱和路基土物理力学特性、非饱和土路基变形与破坏特征的掌握与分析,提出了非饱和土路基稳定与变形分析的简化计算方法。

(7).基于项目研究成果,提出了非饱和土路基设计与施工控制的基本原则,总结归纳了非饱和土路基病害处治的工程措施;通过工程应用,阐述了土工复合排水材料在非饱和土路基病害处治中的应用方法。

(8).在总结项目研究成果的基础上,结合既有工程实践经验,形成了公路非饱和土路基设计与施工技术指南,对非饱和土路基设计与施工控制的基本原则与方法、非饱和土路基稳定与变形分析方法、非饱和土路基的病害处治进行了较为系统全面的阐述。

通过本项目的研究,对非饱和土路基工程病害特征有了更深入的认识,掌握了非饱和路基土的力学特性与非饱和土路基的变形与破坏特征,建立了相关的设计方法,使得对非饱和土路基工程的设计与病害防治更加具有针对性。成果对完善公路路基设计理论与产法,提升我国的公路建设水平具有积极的意义。

3.)主要创新点

(1).取得了温度、土压实度、含水量、干湿循环条件、土颗粒级配、净平均应力和偏应力等对土—水特征曲线的影响规律,建立了考虑含水率、吸力、净平均应力的3变量广义土—水特征曲线表达式,以及考虑含水率、吸力、净平均应力和偏应力的4变量广义土—水特征曲线表达式。

(2).提出了非饱和路基土的加载和湿化变形计算模型。

(3).建立了非饱和土路基稳定与变形分析的简化方法。