黄土压实

西部交通建设科技项目

合同号：2001－318－000－18

黄土路基压实技术

研究报告简本

甘肃省高等级公路建设开发有限公司

长 安 大 学 甘 肃 交 通 科 研 所

2005年7月

1

目 录

1 绪论……………………………………………………………………………………………1 2 原状和击实黄土的物理力学性质研究………………………………………………………1 3 压实影响因素相关性分析……………………………………………………………………1 4 路基工作区回弹模量研究……………………………………………………………………2 5 黄土路基工作区压实标准研究………………………………………………………………3 6 高路堤沉降变形规律研究……………………………………………………………………5 7 高路堤设计控制指标研究……………………………………………………………………6 8 黄土路基压实技术研究………………………………………………………………………6 9 黄土压实后湿化对路基的稳定性影响研究…………………………………………………7 10 结语………………………………………………………………………………………… 7

2

1 绪论

从甘肃省多年公路建设的经验发现，甘肃省公路普遍出现的病害为路基沉陷、路面开裂以及过大的工后沉降，严重影响行车安全和公路的正常使用。造成黄土路基病害的外因主要是防排水系统不完善，内因则是路基土本身密实度不够。因此，本项目对黄土路基压实技术进行研究，主要研究内容有：

（1）不同黄土特性的压实规律研究； （2）黄土路基压实度分区及压实标准研究 （3）黄土路基压实技术研究

（4）黄土压实后湿化对路基的稳定性影响研究

2 原状和击实黄土的物理力学性质研究

按照地貌、水文和土质类型，同时参照黄土的湿陷性及其它物理力学性质、区域地质地理资料，在甘肃黄土地区两个二级自然区划及一个二级副区内共分为13个工程地质分区，分区结果见图1。对不同工程地质分区内原状和击实黄土进行室内试验。主要的测试指标包括：基本物性指标、水理性质指标、湿陷性指标和压缩性指标。

3 压实影响因素相关性分析

3.1 粒度成分对压实的影响

研究表明，粒度成分对干密度的影响并不是简单呈现随粘粒含量的增加，干密度增加的

1

线性关系。实际上陇东与陇西的Q4黄土，粒度成分对干密度的影响总体趋势一致，表现为随粘粒含量增加，干密度降低→增加→降低；陇东Q3与陇西的Q3黄土，粒度成分对干密度的影响趋势亦大体一致，即开始随粒度含量增加，干密度增加→降低→增加→降低。

3.2 含水量对压实的影响

在最佳含水量以前，干密度随着含水量的增加而增加；在最佳含水量以后，干密度随着含水量的增加而减小。

3.3 压实功对压实的影响

土在含水量一定的情况下，击实功愈大，所得的击实效果愈好，即最大干密度愈大。但在击实功较小时，随着击实功的增大，干密度增加较快；以后，随着击实功的逐渐增大，最大干密度增加缓慢，继续击实效果不佳。

3.4 显微结构特征及其对压实的影响

3.4.1 黄土的显微结构特征与湿陷性的关系

黄土的湿陷系数随着孔隙的平均孔径、孔隙比以及大、中孔隙含量增加而增大；随着

黄土微孔隙含量、颗粒干密度增大而减小。 3.4.2 黄土的显微结构类型与压实功的关系

通过观察扫描电镜照片，可以发现黄土显微结构在压实前后发生如下变化：压实以前黄土为支架—镶嵌过渡结构，压实以后，黄土的结构变得非常紧密，为镶嵌微孔隙胶结结构。若继续增大压实功，黄土的显微结构变化不大，仍为镶嵌微孔隙胶结结构，但是集粒增多，颗粒轮廓模糊。

3.4.3 黄土的显微结构特征对压实度的影响

黄土的孔隙比越大，大、中孔隙含量越多，黄土的压实度越小。

4 路基工作区回弹模量研究

4.1 路基压实度影响设计指标研究

在我国目前的沥青路面设计指标中，起作用的其实只有路表弯沉。用土基顶面压应变控制土基的变形和破坏以及路表车辙的产生更为合理。但是，就目前而言路表弯沉依然是一个有效的结构控制指标。因此，路基压实度或土基回弹模量影响的设计指标采用路表弯沉和土基顶面压应变。

4.2 路基工作区回弹模量研究

选定一典型路面结构，经过计算可以看出，土基内部压应变随着各结构层厚度和模量的增加以及土基深度的增加而迅速减小。当土基深度达80cm时，土基内部的压应变已经较小，而且随深度减小的速度非常缓慢，可以认为该范围为路基的工作区。因此，控制路基压实标准时，按照距路基顶面的距离，路基可以划分为两部分，第一部分为距路基顶面0～80cm

2

的路床，其余的为第二部分。

根据规范建立了沥青路面典型结构，分别以设计弯沉和土基顶面压应变为设计指标，分析了土基回弹模量的变化对于沥青路面结构厚度的影响，并以此为基础，得到沥青路面土基回弹模量的要求。通过计算分析土基回弹模量对于水泥混凝土板板底拉应力的影响，得到水泥混凝土路面土基回弹模量的要求。

5 黄土路基工作区压实标准研究

5.1 压实度和含水量对于黄土力学性质的影响

经过室内试验，得到压实度和含水量对于黄土力学性质的如下影响规律：

（1）含水量取最佳含水量，压实度分别取85%、 90%、 93%、 95%、 98%，压实黄土的回弹模量在85～110MPa之间，它随着压实度的增大而增大，而且增长的速度基本不变，表明在常用的95%压实度的基础上继续提高压实度仍可以有效提高黄土的回弹模量。

（2）压实度一定时（如取95%），含水量分别取8%、10%、12%、14%、16%，土的回弹模量随含水量的增大而降低。

（3）当压实度达到90%以后，压实黄土浸水以后产生的附加压缩变形基本可以消除，在90%以前，由于浸水产生的附加压缩将会随压实度的减小急剧增长，因此，可能受到水影响的区域内的黄土路基压实度必须在90%以上。

（4）干密度的对土的渗气、渗水系数的影响很大。干密度越大，其渗气系数和渗水系数越小。

（5）随着压实度的增大和含水量的减小，初始动模量增大；随着压实度和含水量的增大，阻尼比减小。

5．2移动荷载作用下柔性路面动力响应分析

移动荷载作用下动力响应分析是考虑动荷载时确定路基压实度的基础和关键。将车辆荷载视作移动的平稳荷载，并用傅立叶级数展开，将路基路面视作粘弹性层状体系，采用修正的平面应变模型，用传递矩阵配拉氏变换和傅立叶变换法进行了移动荷载作用下柔性路面动力响应分析，并将计算结果用文献中的模型试验进行了验证，理论分析结果与试验结果基本吻合。

5.3 移动荷载作用下路基中压应力测试

在路基工作区埋设静、动压力盒测路基不同深度处的静、动压应力，压力盒布置如图2所示。根据对试验结果的分析，可以得出以下结论： ①在路基深度较浅处，路基土压力与时间的关系曲线为双峰曲线；在路基较深处，路基土压力与时间的关系曲线为单峰曲线。②当后轴重9.8kN~17.4kN时，路床工作区深度约为60～70cm，路基影响深度为1.6m。

3

图2 高填方段压力盒布置剖面图

注： （1）

代表动压力盒，

代表静压力盒；

（2） 图中尺寸单位为cm，其它代表压力盒的编号。

5.4 一般路堤及路堑压实标准

5.4.1 一般路堤路基压实标准

根据压实度和含水量对于黄土力学性质的影响研究、路基各部分回弹模量需求研究以及提高压实度的工程可行性研究，建议黄土一般路堤压实标准如下：

（1）路基不同压实区域建议分为距路基顶面0~80cm的路床和路床下路基两大部分。

（2）对于高速和一级公路，土基回弹模量、路床回弹模量应取60MPa以上，路床以下路基回弹模量应取50MPa以上； 对于二级公路和面层为沥青混凝土或水泥混凝土的三级公路沥青路面，土基回弹模量、路床回弹模量应取50MPa以上，路床以下路基回弹模量应取40MPa以上； 对于面层不是沥青混凝土或水泥混凝土的三级公路或四级公路沥青路面，路基不同深度处回弹模量均应取40MPa以上。

（3）结合压实度对于黄土力学性质的影响以及土基回弹模量的要求，对黄土路基的压实度下限做如下规定：对于高速、一级公路，路床压实度为96%，路床以下压实度为93%；对于二级公路，路床压实度为95%，路床以下压实度为92%；对于三级公路，路床压实度为94%，路床以下压实度为90%。 5.4.2 挖方路段路基压实标准

挖方路段和填方路段其实并没有根本的差别，只不过前者以原地基代替了后者的填方，因此土基回弹模量和路床压实度的要求同填方路基。由于路床下路基回弹模量对于整个路基的回弹模量的影响很小，压实度可不作具体要求。 5.4.3 原地基压实标准

当路堤的填方高度较低时，若原地基处于路床范围内，压实标准同路床，反之，仅在表面进行压实即可。当路堤的填方高度很高时，对原地基的要求很高，原地基的压实根据原

4

地基的承载力要求确定。

6 高路堤沉降变形规律研究

6.1 高路堤沉降变形预测模型

在工程实际中，最关心的是路堤的固结沉降过程和最终沉降量。对于前者，本课题利用非饱和土固结理论进行分析；而对于后者，则采用分层总和法、等比级数曲线模型和GM（1,1）灰色理论模型进行预测求解。

6.2 高路堤沉降变形规律研究

6.2.1 高路堤沉降变形实测和理论计算

试验在兰州—海石湾K50+630～K50+860高填方段进行，最大填土高度69m。在原地面、沿路堤不同高度分别埋设了沉降杯、沉降板、沉降桩和压力盒，具体如图3所示。试验得到了沉降和土压力随时间的发展曲线。采用非饱和土三维固结方程组对高路堤沉降变形进行数值分析。实测和理论计算结果比较吻合。

1700.0注：图中尺寸以米计。751.1:1:2沉降及土压力测点1:2.251:2.251631.0图3 高路堤沉降及土压力测试布置简图

6.2.2 高路堤离心试验结果

以上文的高路堤为对象进行离心模型试验研究。依据实际工程特点，分为以下两种方案：①从填土至施工期结束，路堤不挡水；②施工期结束至工后沉降期，路堤挡水。方案一横断面图见图4。模型比尺为180。对于路堤顶面和边坡平台处的沉降用激光位移传感器测量。在试验前，在土样断面上用大头针按4cm×4cm间距布设变形标志，通过观测大头针的移动观测土体变形。土压力测试采用土压力传感器。试验得到了方案一和方案二在施工期和运营期的沉降和土中压力。

5

附注:激光位移传感器土压力传感器单位为mm1:中心线图4 沟底处横断面路堤模型试验（方案一）

7 高路堤设计控制指标研究

7.1 高路堤压实度分区及压实标准确定

高路堤在静载和动载作用下，分为路基工作区、应力变形过渡区、1／3路堤高应力集中区。在满足工后总沉降量的前提下，同时考虑经济效益及安全因素，建议高路堤压实度分区及压实度标准如表1所示。

表1 高路堤压实度分区及压实度标准建议值

路面底面 以下深度 （路基高H） （m） 0～0.8 0. 8～1.5 填方路基 (0.8~2H) 31.751:21:2黄土.251:2.25中强度淤泥 压实度(K) 高速公路、 一级公路 ≥96% ≥95% ≥94% 其他 等级公路 ≥95% ≥94% ≥93% 类型 >1.5 (2H~H) 3 7.2 路基容许工后不均匀沉降指标研究

不均匀沉降使基层与土基脱空，此时基层在其自重作用下将产生相应的挠曲和位移，进而使基层底部产生拉应力。以基层容许拉应力（σR＝0.2MPa）作为不均匀沉降值的控制指标，可确定高路堤容许不均匀沉降值为3.7cm。对于路基总宽度为24.5m的高路堤，其容许沉降坡差为2.86‰。根据汽车行驶舒适性，求出了不同车速下路基纵向容许工后沉降量。

8 黄土路基压实技术研究

8.1 黄土路基强夯加固技术研究

强夯试验选在天水至谗口二级公路K115+485~K115+520段。强夯施工结束后10天，对

6

路基补强加固质量进行检验。检验方法采用原位标准贯入测试和室内常规性土工试验。对比夯前、夯后土的物理力学性质，夯前、夯后标贯击数和压实度随深度变化曲线，可以看出强夯整体加固效果明显。

8.2 黄土路基冲击压实技术研究

8.2.1 冲击压实的作用原理

根据机械能守恒及动量定理，可以得到冲击力：

Fm2gh （N） （1） t'8.2.2 国道312线凤嵋段路基补强冲击压实试验研究

在国道312线凤嵋段各种型式路基上进行冲击压实试验。为了验证冲击压实的效果，采用的测试手段主要有：钻探取样与室内土工试验、重型动力触探、标准贯入试验、核子密度湿度仪法、面波法、压沉量观测、路基回弹模量测试、弯沉试验。 8.2.3 国道主干线天谗公路路基补强冲击压实试验研究

冲击压实补强路基的试验段选在K115+180～K115+220之间。试验检测方法为钻芯取样，然后进行室内常规土工试验和显微结构分析。

9 黄土压实后湿化对路基的稳定性影响研究

9.1 压实黄土水分迁移规律研究

通过入渗试验测得了压实度对黄土入渗性的影响，推导得到非饱和土水运动的基本微分方程，采用离心机法测得了土水特征曲线、导水率和扩散率。在一条已经建成的高速公路进行现场钻芯取样测含水量，并用有限元法进行水分迁移的数值模拟。

9.2 路基本体湿化后的强度与稳定性评定

陕西省境内某高速公路，在运行近十年后，发生了大面积破坏。对现场采取的原状土试样进行常规土工试验，部分土样加做了自重、快剪等试验。由试验结果可以得出结论认为该条路路基本体湿化是造成路面病害的主要原因。

9.3 原地基湿化对路基稳定性的影响及防治措施

从陕西省修筑较早的几条高等级公路路基路面病害的调查中，发现路基施工前，仅对原地基进行常规的填前压实，很难达到路基工后允许沉降量和湿陷量的要求。减少原地基湿化对路基稳定性的影响的措施主要有以下两种：采用完善的地表综合排水设施以及地基处治。地基处治措施主要有：设置垫层、强夯、冲击压实、灰土挤密等。

10 结语

10.1 主要结论

（1）将甘肃黄土所在的两个二级区（Ⅲ2、Ⅲ3区）及一个副区（Ⅲ2a）细分为13个工

7

程地质分区，在此基础上对野外原状样和扰动样的物理力学性质进行了室内试验研究，同时还进行了黄土压实影响因素相关性研究。

（2）通过室内试验得到了压实度和含水量对于黄土力学性质的影响。

（3）将车辆荷载视作移动的平稳荷载，并用傅立叶级数展开，将路基路面视作粘弹性层状体系，采用修正的平面应变模型，用传递矩阵配拉氏变换和傅立叶变换法进行了移动荷载作用下柔性路面动力响应分析。

（4）对不同轴重、车速下柔性路面路基中的土压力进行了测试，得到了不同工况下路基不同深度处的土压力分布。

（5）通过压实度和含水量对于黄土力学性质的影响研究、路基各部分回弹模量需求研究以及提高压实度的工程可行性研究，得出黄土一般路堤和路堑的压实标准。建议不仅要规定压实度和含水量，还要规定土基回弹模量。

（6）采用非饱和土固结方程进行黄土路堤的沉降变形数值分析是合理、可行的，能反映黄土路堤的最终沉降趋势和变形大小

（7）对于工后沉降量的预测模型，认为采用灰色预测模型拟合工后高路堤沉降量很好，且能反映出高路堤不均匀沉降趋势，可用其进行工后总沉降量及不均匀沉降量的预测与确定。

（8）基于路堤不均匀沉降分析计算模型，提出路堤容许横向不均匀沉降量指标；基于汽车行驶的舒适性指标，提出路堤容许纵向不均匀沉降量指标。

（9）对于高路堤压实度分区，研究认为可分为路基工作区、应力变形过渡区和1/3路堤高应力集中区三个区域。对高路堤应力、变形参数进行室内试验和数值计算，结合压实度分区，提出了相应的压实度建议值。

（10）冲击压实功效高，经工程验证效果较好。推导出冲击压实能量与冲击力公式，形成了实用的施工工艺。

（11）路基本体和地基湿化会造成路面病害，应完善防排水措施，提高压实度，加强对黄土地基的填前处理

10.2 主要创新点

（1）黄土的粒度成分、形成时代和微观结构等都对黄土的压实起着明显的影响，在甘肃省13个工程地质分区的基础上对不同黄土的压实规律进行了研究。

（2）结合荷载应力分析、室内试验和土压力的现场测试，确定了用压实度和回弹模量双控的黄土一般路堤和路堑的压实标准。

（3）采用修正的平面应变模型，用传递矩阵配拉氏变换和傅立叶变换法进行了移动荷载作用下柔性路面动力响应分析，计算结果与模型试验结果基本吻合。

（4）对不同轴重、车速的车辆作用下柔性路面路基中的土压力进行了现场测试，得到了土压力沿路基深度的衰减曲线；

8

（5）将黄土视为非饱和土，推导出非饱和土三维固结方程，并进行有限元数值计算，编制出用于计算黄土高路堤沉降变形的实用程序；

（6）对高69m的黄土高路堤的施工期和工后的沉降、土压力进行了现场测试，进行了离心模型试验，再结合有限元数值计算，分析了高69m的黄土高路堤的沉降变形规律，确定了符合容许沉降量指标的高路堤压实度分区和压实标准。

（7）对黄土路基冲击压实效果进行了全面的现场测试，推导出冲击能量和冲击力公式，形成了实用的施工工艺；

10.3 用户报告

兰海高速公路建设项目应用了该研究成果，在路基工程中采用了突破规范的高压实度指标，并且明确了路基不同层位的压实度要求，可有效控制路基过量沉降及差异沉降，因而不需要等待路基沉降稳定后再次地对路基路面进行修复和罩面工作。按比较保守的标准估算，节约后期工程费用约5178万元。成果应用体现出了良好的工程效益，并且在今后的建设中具有更大的推广应用前景。

白兰、谗柳和柳忠高速公路采用了该项目冲击压实成果进行了路基补强，经过冲击压实，路基的隐患得到及时发现，有效地确保了路基的压实度，提高了路基的整体强度，基本没有出现因路基原因导致的路面开裂病害，为确保路面的服役期及良好的运营发挥了极为重要的作用。与未应用该成果比较，仅节约的工程费用估算达到了782万元，以平均每公里减少路面修补费用30万元估算，节约养护工程费用1710万元。

凤嵋公路建设项目应用了该研究成果，经过冲击压实，及时发现了路基的隐患，有效地确保了路基的压实度，提高了路基的整体强度。与未应用该成果比较，仅节约的工程费用估算达到了386万元，以平均每公里减少路面修补费用10万元估算，节约养护工程费用820万元。

10.4 查新结论

经国家一级查新机构—陕西省科学技术信息研究所查新，结论如下：该课题研究成果与国内外同类技术相比，在甘肃省13个工程地质分区的的基础上系统研究了黄土路基压实影响因素，确定了用压实度和回弹模量双控的黄土路基路床工作区、路堑的压实标准，用传递矩阵配拉氏变换和傅立叶变换法进行了移动荷载作用下柔性路面动力响应分析，对不同轴重、车速的车辆作用下柔性路面路基中的土压力进行了现场测试，推导出非饱和土三维固结方程，确定了符合容许沉降量指标的高路堤压实度分区和压实标准，推导出冲击压实冲击能量和冲击力公式，具有新颖性和先进性。

9