黑棉土路基处治与路面结构一体化技术研究

摘要

东部非洲公路工程建设过程中不断遇到黑棉土带来的工程问题。黑棉土具有吸水膨胀，失水收缩开裂的工程特性，易造成铺筑在其上的路基路面结构开裂。因此，有必要对黑棉土的工程特性、处治技术和路面结构组合进行深入研究。
　　为了分析黑棉土的物理化学和强度特性，进行了颗粒分析、矿物组成分析、液塑限、自由膨胀率、阳离子交换量、击实和CBR试验。结果表明，黑棉土黏粒含量高，液限和塑性指数高，自由膨胀率大，蒙脱石含量高，交换性阳离子数量大，CBR值小。蒙脱石含量高，更易吸附较多的可交换阳离子，导致了黑棉土的强膨胀性。
　　为了分析黑棉土地区的路基初始开裂行为，使用Abaqus模拟了典型路基断面的路堤顶部张拉应力峰值和峰值位置的改变。模拟表明，蒸发强度越大，地表蒸发时路堤顶面张拉应力峰值增大越快，其位置越靠近路肩。厚层黑棉土有助于路堤顶面张拉应力峰值快速到达其抗拉强度阈值。路堤越高，路堤顶面张拉应力峰值越小，其位置越远离路肩。随着黑棉土地基处治深度的增加，路堤最大主应力峰值、开裂范围和深度逐渐减小，不过，不同黑棉土埋深和路堤高度下，地基处治深度对路堤初始开裂的影响差异较大。因此，不同路堤高度和黑棉土埋深宜采用不同的地基处治深度。
　　针对黑棉土的工程特性，提出了黑棉土路堤的化学和物理处治方法。采用液塑限、CBR等试验，分析了石灰和火山灰对黑棉土工程性质的影响;通过数值模拟分析了不同物理处治技术路堤的变形特性。结果表明，石灰和石灰火山灰复配极大地改善了黑棉土的工程特性，6％的石灰或3％的石灰和15％的火山灰复配处治的黑棉土即可满足路基设计规范对路堤填料的要求。黑棉土包边处治时，路堤变形随着地基处治深度和包边处治厚度的增加而减小，基于弯沉等效的黑棉土路基刚度补偿设计可用于确定其顶封层的厚度。黑棉土地基土工膜处治时，处治深度宜通过大气影响深度确定。试验路监测结果验证了不同黑棉土路堤物理处治技术的有效性。
　　为了分析不同路面结构对黑棉土处治路堤的适应性，使用Abaqus模拟了黑棉土处治路堤上铺筑沥青路面结构时的路表变形及路面附加应力。结果表明，底基层模量和厚度的变化对路表变形的影响甚微，而对路面结构的附加应力影响较大。黑棉土处治路堤上铺筑夹层结构时，底基层的模量和厚度宜适当增大，铺筑半刚性基层结构时，采用常规模量和设计厚度即可。通过灰色关联决策分析可知，设置抗疲劳层的级配碎石夹层路面结构较半刚性基层结构更能适应黑棉土处治路堤的不均匀变形。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 研究进展

1．2．2 矿物组成及膨胀特性研究

1．2．3 土体开裂成因与开裂机理研究

1．2．4 路基处治技术研究

1．2．5 路面结构组合研究

1．2．6 存在的问题

1．3 主要研究内容

1．4 技术路线

第二章 黑棉土工程特性及路基病害成因分析

2．1 东部非洲黑棉土分布特征

2．1．1 东部非洲黑棉土地域分布

2．1．2 东部非洲黑棉土埋深及天然含水量

2．2 黑棉土物理化学和强度特性试验研究

2．2．1 颗粒组成分析

2．2．2 黑棉土矿物组成分析

2．2．3 界限含水量

2．2．4 自由膨胀率

2．2．5 阳离子交换量

2．2．6 黑棉土击实和强度特性

2．3 黑棉土胀缩机理

2．4 黑棉土地区路基病害及成因分析

2．4．1 东部非洲黑棉土地区路基处治措施调研

2．4．2 黑棉土地区路基主要病害形式

2．4．3 黑棉土地区路基病害成因分析

2．5 本章小结

第三章 黑棉土饱和-非饱和土体积变化本构关系

3．1 非饱和土体积变化本构关系

3．1．1 应力变量变化引起的土体体积变化

3．1．2 孔隙比本构面及相关参数确定

3．1．3 有效法向应力

3．2 液相体积变化本构关系

3．2．1 应力变量变化引起的液相体积变化

3．2．2 含水量本构面及相关参数确定

3．2．3 比水容量

3．2．4 超孔隙水压力

3．3 水力耦合问题微分方程

3．3．1 平衡方程

3．3．2 液相微分方程

3．4 黑棉土饱和-非饱和土本构面边界曲线

3．4．1 室内试验

3．4．2 获取黑棉土饱和-非饱和土本构面边界曲线

3．5 黑棉土饱和-非饱和土本构面

3．5．1 饱和土本构面

3．5．2 非饱和土本构面

3．5．3 建立黑棉土饱和-非饱和土本构面

3．6 本章小结

第四章 黑棉土地区路基开裂影响因素分析

4．1．1 热力耦合程序模拟水力耦合问题的方法

4．1．2 饱和-非饱和土固结耦合程序验证

4．1．3 黑棉土地区路基初始开裂数值模拟

4．2 蒸发强度对黑棉土路基初始开裂的影响

4．3 路堤高度对黑棉土路基初始开裂的影响

4．4 黑棉土埋深对路基初始开裂的影响

4．5 地基处治对黑棉土路基初始开裂的影响

4．5．1 地基处治深度对黑棉土路基初始开裂的影响

4．5．2 地基处治宽度对黑棉土路基初始开裂的影响

4．6 本章小结

第五章 黑棉土地区路基处治技术研究

5．1 石灰火山灰改性黑棉土的试验研究

5．1．1 材料和方法

5．1．2 黑棉土石灰、火山灰处治效果评价

5．2 黑棉土路基物理处治技术数值分析

5．2．1 地表蒸发蒸腾量

5．2．2 降雨蒸发对黑棉土地区路基胀缩变形影响数值模拟

5．2．3 黑棉土路堤包边处治几何尺寸确定

5．2．4 黑棉土地基土工膜处治

5．3 黑棉土物理处治技术试验路验证

5．3．1 试验路方案及铺筑

5．3．2 试验路监测方案及监测设备埋设

5．3．3 不同处治方式下黑棉土路堤变形特性分析

5．4 本章小结

第六章 路面结构对黑棉土处治路基的适应性评价

6．1 路面结构设计

6．1．1 基层类型特点

6．1．2 路面结构设计思路

6．1．3 路面结构设计过程

6．2 路面结构变形特性分析

6．2．1 Abaqus程序及相关计算参数

6．2．2 黑棉土地基换填处治路表变形特性分析

6．2．3 黑棉土包边处治路表变形特性分析

6．2．4 黑棉土地基土工膜处治路表变形特性分析

6．3 路面结构附加应力分析

6．3．1 黑棉土换填处治路面结构附加应力

6．3．2 黑棉土包边处治路面结构附加应力

6．3．3 黑棉土地基土工膜处治路面结构附加应力

6．4 黑棉土处治路基的路面结构适应性分析

6．4．1 黑棉土地基换填处治适应性分析

6．4．2 黑棉土包边处治路堤适应性分析

6．4．3 黑棉土地基土工膜处治路堤适应性分析

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 进一步研究的建议

致谢

参考文献

附录

博士期间发表的学术论文及专利申请