高铁路基粗颗粒土水力学特性试验研究

'分类号：单位代码：密级：无学号：硕士专业学位论文中文论文题目：高铁路基粗颗粒土水力学特性试验研究英文论文题目：申请人姓名：吴进指导教师：陈仁朋专业学位类别：建筑与土木工程专业学位领域：高速铁路路基工程所在学院：建筑工程学院论文提交日期年月 髙铁路基粗颗粒土水力学特性试验研究论文作者签名：襄畎指导教师签名：论文评阅人曾长贤高级工程师中铁第四勘察设计院集团有限公司评阅人詹良通教授浙江大学评阅人隐名评审评阅人：评阅人答辩委员会主席：凌道盛教授浙江大学委员胡敏云教授浙江工业大学委员边学成教授浙江大学委员孔令刚副研究员浙江大学委员陈仁朋教授浙江大学委员答辩日期： 浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研宄成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：（年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：裏导师签名：签字日期年月日签字日期年》月“日 浙江大学硕士学位论文致谢致谢席慕蓉说走得最急的总是最美的时光。时光荏苒，窗外的桃花又是一片欣欣向荣，伴随着这个春天的到来，我在求是园的求学生涯也即将结束。回顾三年硕士期间的学习与生活，心中无限感慨：有初来咋到的惶恐，有惟学无际的追逐，有迷途未知的困惑，有柳暗花明的欣狂。而这一切一切的收获和感动都与导师的悉心关怀密切枏关，谨此对我的导师陈仁朋教授致以最诚挚的敬意。陈仁朋教授科学严谨的治学态度、诲人不倦的授业风格、永不磨灭的学术热情以及深厚扎实的专业功底都让我受益匪浅。三年的研究生生活，陈老师不管是在科研指导上，还是学习生活中都给我提供了莫大的帮忙，尤其是为我提供了生活补贴，让我在求学的道路上没有后顾之忧，亦师亦友的情谊我将永远铭记于心。感谢课题组的蒋建群老师、边学成老师、朱斌老师、詹良通老师、凌道盛老师、夏唐代老师等人对我学术上的指导，特别感谢法国路桥大学崔玉军教授，在试验方案上为我提供了宝贵的意见。如果说三年的求学生涯是一幅壮美的画卷，那么团队与友谊便是浓墨重彩的一笔。感谢同门的师兄弟：李忠超、孙永鑫、尹鑫晟、王翰霖、陈金苗、汪焱卫、江朋、亓帅、贾瑞雨、孟凡衍、叶跃鸿、程威，一起走过的日子将是那无花的蔷薇，永不凋零。感谢长江科学院丁金华师姐和王艳丽博士以及哈尔滨工业大学的谭忆秋教授和邢超博士，为我论文部分的研究提供了专业的意见。感谢高铁课题组的程榊、李伟、李公羽等人在课题研究中给我提供了宝贵的意见。感谢建工实验室大厅的姚工、冯工为我的试验提供了巨大的帮助。感谢级岩土班的全体同学，这是一个温馨、团结、充满活力的集体，这是一个友爱、奋进、盈满爱的大家庭，毕业在即，希望各位兄弟姐妹鹏程万里。感谢办公室里的所有朋友，尤其是李晶、潘倩、张旭俊、叶剑、文一多等，很高兴也很荣幸与你们结识。在此特别感谢我的父母，你们一直相信我支持我，给我鼓励与安慰，给我前行的动力和方向。文中引用了众多学者的研究成果，谨对各位专家学者致以崇高的敬意。文中引用成果若因疏漏而未明确署名作者，我深表歉意，并将及时勘误。吴进年月于浙大紫金港 浙江大学硕士学位论文摘要摘要高铁路基填料水力学特性主要包括土水特征曲线和渗透函数。土水特征曲线主要表征土体吸力和含水量之间的关系；滲透函数描述的是渗透系数与基质吸力之间的关系。高铁路基粗颗粒土的水力学特性对路基内部水分运移及路基的长期累积变形有重要影响。因此，确定填料水力学特性在高铁路基非饱和土研究及工程实践中具有十分重要的意义。本文围绕路基粗颗粒填料微观孔隙结构特征以及水力学特性问题，开展了测试理论及其方法的研究，具体进行了以下四个方面的工作：通过试验分析不同细颗粒含量、不同含水量对高压实度粗颗粒土徵观孔隙体积、孔隙率以及孔隙数目分布的影响规律，利用电镜试验定性分析压实过程中土体徵观孔隙的变化情况，并结合压汞试验得到粒径的分布范围，提出三峰值孔隙分布曲线。加工制作了用于路基粗颗粒土土水特征曲线和渗透系数研究的渗透柱装置；测定了路基填料在不同压实度、不同细颗粒含量下的土水特征曲线，利用公式进行拟合，验证了该装置的适用性；并利用瞬态剖面法求得渗透函数，为路基水分运移规律的研究提供模型参数。利用应力相关的土水特征曲线压力板仪系统，开展了最大粒径为的路基填料细颗粒部分在进湿阶段土水特征曲线的试验研究，并与相同压实度下渗透柱装置所测结果相比较，分析级配对土水特征曲线的影响规律。通过压汞试验测得不同压实度条件下路基填料孔隙分布，基于毛细作用原理，通过孔隙分布曲线推导路基填料土水特征曲线，与室内试验结果相比较，并进行修正；利用试验所测路基填料土水特征曲线，推导粒径孔径分布，与第二章研究结果相比较，探讨粗颗粒土微观孔隙分布。关鍵词：路基粗颗粒土；微观结构；试验；渗透柱；压力板仪；土水特征曲线；渗透系数；理论推导 浙江大学硕士学位论文 浙江大学硕士学位论文， 浙江大学硕士学位论文目录目录摘要目录第一章绪论研究背景与意义国内外研究现状路基粗颗粒土水力学特性研究路基填料徵观孔隙结构研究土水特征曲线模型研究本文研究内容第二章高压实度路基粗颗粒土徵观孔隙结构特征弓丨言无砟轨道路基足尺模型路基模型简介路基填料基本物理力学性质试验研究试验原理试验过程试验结果分析压汞试验及孔隙分布特征压汞试验原理孔隙分布特征扫描电镜试验高压实度粗颗粒土三峰值孔隙分布第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究弓言 浙江大学硕士学位论文大直径滲透柱装置粗颗粒土水力学特性试验研究不同压实度下路基填料水力学特性研究不同细颗粒含量下路基填料水力学特性研究试验结果分析描第四章细颗粒土土水特征曲线试验研究弓言土水特征曲线试验研究压力板仪装置介结路基细颗粒土试验测试试验结果分析小结第五章粗颗粒土土水特征曲线的理论推导土水特征曲线推导原理孔隙分布推导原理推导结果土水特征曲线的推导孔隙分布的推导捕第六章结论和展望本文主要研究工作本文结论本文研究工作展望参考文献附录一切片横断面扫描图片附录二切片纵断面扫描图片作者简介 浙江大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论研究背景与意义我国高速铁路发展迅速，根据《中长期铁路网规划》，到年，高铁投入运营里程将达到万公里以上。与此同时“中国高铁”品牌在世界范围的认知度也在飞速提升，中国高铁“走出去”已成为时代发展的必然。随着高铁建设的日益完善，铁路研究逐渐从建造技术及结构的安全耐久性转向后期运移维护。路基是高铁主要结构物，高速铁路路基结构层从上到下依次为基床表层、基床底层和路堤本体。基床表层厚庹无砟轨道为，有碎轨道为，基床底层厚度为。各结构层分别采用一定强度和刚度的散粒体填料填筑完成。基床表层由级配碎石组成，压实系数不低于。基床底层由、组填料或改良土组成，压实系数不低于，细颗粒含量不超过。高铁路基作为主要结构物要求设计使用年限为年，而路基表面和内部的防排水设施结构设计使用年限仅为年⑴，相比路基结构的设计使用年限相当短。在如此长久的设计使用年限内，路基防排水系统长期在列车荷载以及环境荷载的作用下发生开裂，降雨产生水分入滲到高压实度条件下的路基基床和路堤中。受路基填料细颗粒影响，路基内部含水量增加，使这部分填料处于非饱和状态，其性能逐渐税化，如路基刚度降低、累积变形增大等。由于长久以来对路基不够重视、施工质量偏低、能力储备不足，不少路段出现了越来越多的病害问题，例如，南方山区路基在雨季的翻浆冒泥、极端气候下边坡开裂樹塌、路基冲刷冲烛等。因此高铁路基填料水力学特性的研究对路基内部水分运移及路基的长期累积变形有重要影响。非饱和土土水特征曲线测试的常规试验装置主要有仪、压力板仪等。其中压力板仪测试精度高、量程范围大、应用范围广，逐渐成为非饱和土试验测试的基本仪器之一。高铁路基粗颗粒土主要由砂粒以上粒径的土颗粒组成，最大粒径达到了，同时含有一定比例的细颗粒土。路基压实度需要控制在以上。对这类土，上述常规的非饱和土仪器存在试样尺寸小、制样困难等缺点，因此研制适用于高压实度路基粗颗粒填料水力学特性研究的试验装置显得尤为重要。室内条件下非饱和土在各级吸力条件下达到平衡所需时同较长，通常完整的土水特征曲线测试周期较长（需要几周甚至是几个月的时间），而且受实验室气 浙江大学硕士学位论文第一章绪论压源的影响，基质吸力测量范围有限。因此，基于粗顿粒土土水特征曲线的理论推导工作，在非饱和土研究中具有重要的现实意义。国内外研究现状路基粗颗粒土水力学特性研究路基结构层对轨道结构起到支撑作用，并传递轨道结构静力和动力荷载到地基深处。高铁路基在长达年的服役年限内，其填筑材料的水力学特性对路基的刚度、强度、稳定性等具有重要作用。杨广庆分析了广深线和大秦线路基填料的压实特性和填筑标准，总结了在高压实度下路基填料的基本特性。陈坚分析了路基填料的级配特性，发现大于的颗粒在压实过程中起骨架作用，而小于该粒径的土体主要起填充密实作用。贾莉浩对沪昆专线路基填料进行了表面振动压实试验，得到粗题粒土表面振动击实特征，深入分析了影响粗频粒土可压实特性的主要因素。范生波在武广高铁现场，进行了无砗轨道动应力响应测试，分析了不同列车时速对轨道结构振动速度、加速度等特性的影响。上述研究主要集中在路基填料压实特性及路基动应力研究等方面，而对于填料水力学方面的研究相对较少。路基填料水力学特性研究主要包括填料土水特征曲线和滲透系数两方面。土水特征曲线主要反映了非饱和土在不同基质吸力条件下的持水特性，通常表示为基质吸力与含水量（体积含水量、质量含水量、饱和度）的函数。粗颗粒土的土水特征曲线可通过两种方法获得，基于孔隙分布的理论推导和室内试验测定。在理论推导方面，通过压系试验测得粗颗粒料孔隙分布，借助函数关系式推导出粗颗粒料脱湿阶段的土水特征曲线，并与室内试验结果相比较，发现土样在干燥过程中孔隙有收缩效应，但所得土水特征曲线是基于单向孔隙分布。和基于毛细作用原理，利用各个孔隙所存储水分求得土体内部总水分，通过不同孔隙分布曲线推测粗颗粒双孔隙分布的土水特征曲线。在试验测定方面，加工了直径，高度的圆柱形试验装置，用于研究有砟轨道路基粗颗粒填料非饱和渗透系数和土水特征曲线⑴。和制作了直径分别为、的渗透筒用于研究细颗粒土的水力学特性研制了直径，高度的渗透筒，用于研究饱和的路基道渔在循环荷载作用下的水力学特性【】。和采用 浙江大学硕士学位论文第一章绪论的装置没有外加气压源，测试的土水特征曲线多为单进气值，基质吸力所能量测范围较窄，当填料含水量接近饱和状态时，粗颗粒基质吸力值很低且变化范围小，超过一般张力计的精度要求，残余含水量获得困难，试验精度不够由于缺乏精度高、应用方便的粗颗粒土土水特征曲线测试装置，目前对粗颗粒土土水特征曲线的研究还处于起步阶段。路基填料微观孔隙结构研究土体的微观结构是决定其水力学性质的重要因素，因此，在土体工程性质的评价体系中，对徵观结构的研究具有重大的理论和应用意义。叶为民釆用温度、吸力控制方法，研究膨润土微观结构在干湿循环作用下的变化规律，发现膨润土‘存在双孔隙分布，吸湿过程中，各类孔隙均因吸水而膨胀。失水过程中，集合体内孔隙，因其孔径小而没有发生失水，孔隙数量无变化；而集合体间的孔隙，会由孔径大到小依次发生排水，从而导致部分较大孔隙被压缩为较小孔隙等通过压求试验发现膨润土在高基质吸力条件下孔隙分布有两个峰值，大孔隙群孔径集中为、小孔隙群孔隙集中为，大孔隙群随着含水量的降低而逐渐消失。何俊等利用电镜试验观察了膨润土的微观孔隙结构，得到土体表观孔隙率和宏观孔隙率之间的关系，进一步验证了膨润土存在双孔隙结构。上述研究表明压实膨润土孔隙分布曲线呈现双峰值，且在干湿循环过程中孔隙结构发生显著变化。枯性土在压实和固结过程中微观孔隙的变化也受到学者们的广泛关注。封帆分析了固结前后长春地铁二号线建设层枯性土的微观孔隙结构变化，发现固结前土体颗粒主要以片状小孔隙结构存在，而在固结压力作用下土样更加密实，大孔隙逐渐减少，而小孔隙随之增加发现枯土颗粒相互聚集呈团粒形态，随着固结压力的作用，大团粒随着枯土变形的产生而完全消失，应力集中处会有颗粒破碎现象发生。龚士良根据粒径大小和结构形态将上海游泥质柏土分为土骨架、粉土颗粒和枯土晶片，其中土骨架的颗粒粒径主要集中在，而粉土颗粒粒径主要集中在】。郑飞利用高分辨率数码相机对武汉某基坑底部枯土进行微距离拍照，然后通过图像处理软件分析风干重塑及干燥收缩状态下土体孔隙的变化情况。研究发现干密度越大，土颗粒间越密实，试样孔隙率低；干密度越小，试样的孔隙率越大。干燥收缩时，干密度越小的试样收 浙江大学硕士学位论文第一章绪论缩越多，干密度越大的试样收缩越小【。胡冉等基于孔隙分布形态在土体变形过程中未发生明显变化，且该过程中统计分布特征基本不变，建立了考虑土体变形并反映滞回效应的土水特征曲线模型。上述微观孔隙的研究多基于膨润土、粘土等细颗粒土，通过压求试验、电镜扫描试验等开展研究，试样取样质量较小，而针对级配跨度大，压实度高的粗细颗粒混合料的微观孔隙以及水力学特性研究相对较少。随着测试技术的飞速发展，扫描技术逐渐用于岩土工程试验中，定性地提供物体内部的物理、力学特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化、物体内部孔隙及杂质分布等。利用观察源青混合料徵观结构特征，发现孔隙大小沿试样深度方向的分布随压实度的变化而变化，呈现“两头大，中间小”曲线分布形式王朝阳利用技术开展了黄土在三轴压缩作用下的破坏机理的研究，分析了各组横断面数以及图像，初步得到原状黄土孔隙结构特征的变化规律【。通过技术也可以清晰得观察到土体中的孔隙以及孔隙的连通状况。等对图像进行了定性分析，证实了技术可以较为准确得探测土体内部的孔隙数目和大小。冯杰等对南京郊区回填土进行了扫描试验，描述了土壤中大孔隙的结构，揭示了大孔隙的连通性。。上述技术多用于研究混凝土构件内部孔隙率的测定以及定性分析细颖粒土在试验过程中的裂隙发育情况等，而对于路基粗颗粒料孔隙结构测试的相关研究还相对较少。土水特征曲线模型研究针对室内试验直接测量土体土水特征曲线存在周期较长、试验精度较难控制等问题，国内外众多非饱和土科研工作者开展了许多利用间接方法来确定非饱和土水力学特性的研究，其中经验公式法应用尤为普遍。土水特征曲线摸型研究中的经验公式法主要是指利用室内试验仪器测量土体的基质吸力和含水量，并假定土水特征曲线可以近似地利用含有若干个未知参数的数学表达式定性描述。给予该表达式中未知参数初始估计，计算非饱和土的质量含水量或体积含水量，并与对应的基质吸力下的质量含水量或体积含水量实测值进行对比，确定模型表达式中的参数值，并根据非饱和土土水特征曲线数学模型与渗透函数模型间的耦合关系推算出在各级基质吸力作用下非饱和土的 浙江大学硕士学位论文第一章绪论渗透系数，从而确定非饱和土水力学特性。通常采用较多的非饱和土土水特征曲线的经验公式一般分为双曲线余弦函数模型、指数模型、幂函数模型等。幂函数模型是描述非饱和土土水特征曲线最普遍的模型，其模型通式见式（式中：为有效饱和度，且沒一沒）《一沒），沒为体积含水量，《为饱和体积含水量、《为残余体积含水量；、、为模型参数；是与平均孔隙直径成反比的尺度参数。幂函数模型中应用最广的为公走、公式和公式。公式如式（所示：丫一乂式中：沒⑴为相对饱和；分别为饱和体积含水量与残余体积含水量；为土的基质吸力；为进气值，即空气突破土体弯液面进入孔隙中比较达到的吸力值；为大于零的正常数，反映了土颗粒的孔隙分布。该公式形式筒单，主要针对孔隙大小分布均质、各向同性的粗质地土，而对于细质地土壤和未扰动的原状土通常精度较差。此外，由该式可知当含水量接近饱和时，土体基质吸力不联系，因此不能很好地描述接近饱和时的水分特征数据。等通过对土体孔径分布曲线的研究推导出式（式中：，为拟合参数。该公式基于土壤孔隙尺寸分布决定土水特征曲线形状的假设推导出，对于砂土、粉土、牲土在的吸力范围内均有较好的拟合效果。公式如式（所示： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论—十式中：义，义分别为饱和体积含水量与残余体积含水量；表示与进气值有关的参数当基质吸力大于进气值时，表示与土排水程度有关的参数；表示与残余体积含水量有关的参数，。该模型曲线与土水特征曲线形状相似、参数意义明确、曲线斜率连续，在整个非饱和区域内具有连续性，几乎能很好地描述大多数土水特征曲线，而且其中参数，之间的关系若采用可由此获得关于渗透系数的闭合方程，只是在土壤接近饱和或太干燥时其估计值与实测值有较大误差。描述非饱和土相对滲透率的经验公式主要有两种，他们的数学表达式如下：模型模型‘—￡式中：为相对渗透率，、’其中，免、、分别为渗透系数、饱和渗透系数；为压力水头；为模型参数。有了描述非饱和土水力学特性的经验公式，如何确定摸型中的参数及摸型的适用条件成为国内外研究学者关注的问题。张昭等测定了无压和一定固结压力下的非饱和黄土土水特征曲线，引入“水土体积比”对已有文献中粉土、冰續土和黄土的土水特征曲线数据进行分析，发现水土体积比随基质吸力的变化在一定应力所致孔隙比（预先固结和固结所致）和基质吸力范围内可归结为一条曲线。基于此认识，对模型进行改进，提出了一种考虑应力引起孔隙比变化的土水特征曲线模型，并验证了该模型的正确性，为研究非饱和土的力水耦合本构关系提供了一条新思路。邵明安等依据非饱和土中水分的再分布推导其在不同基质吸力下的渗透系 浙江大学硕士学位论文第一章绪论数，并利用模塑、模型分别计算四种不同土的渗透系数，通过与渗透系数实测值的比较，提出一种能计算模型参数的积分算法。王成华和李广信等通过土水特征曲线和经验公式确定非饱和土渗透系数，并进一步分析对比模型、模型、模型，得出模型和模型同样采用等式来估计非饱和土渗透系数，但模型采用试验的持水曲线数据来确定参数，而模型则是建立在对土的级配分布统计分析基础上来获得模型参数，故模型的效果优于模型。本文研究内容本文首先通过试验研究了高压实度条件下不同细颗粒、不同含水量的粗颗粒土试样各横断面的孔隙分布情况，以及孔隙率、孔隙体积的变化情况。结合压求、电镜试验获得粗颗粒土徵观孔隙结构特征，提出三峰值孔隙分布曲线，分析各峰值对土水特征曲线的影响。然后加工制作了用于路基粗颗粒填料水力学参数研究的渗透柱装置，测定了浙江大学高速铁路轨道路基足尺物理摸塑中路基填料在不同压实度、不同细顿粒含量下的土水特征曲线及饱和滲透系数，并利用瞬态剖面法求得各条件下路基填料的渗透函数，为路基水分运移规律的研究提供模型参数。并利用应力相关的土水特征曲线压力板仪系统，开展了最大粒径为的路基填料细颗粒部分，在对应压实度及细颗粒含量下进湿阶段土水特征曲线的试验研究。最后基于毛细作用原理，通过微观孔隙分布推导路基填料土水特征曲线，与室内试验结果相比较。论文各章的研究内容主要为：第一章是绪论部分，介绍了本文的研究背景和意义，土水特征曲线、微观孔隙结构及粗顆粒土水力学特性的研究现状。第二章主要研究了高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征。首先通过试验分析了不同细颗粒、不同含水量条件下压实土孔隙率以及孔隙体积、孔隙数目变化情况，然后通过电镜试验定性分析压实过程中土体徵观孔隙的变化情况，最后结合压汞试验，提出三峰值孔隙分布曲线。第三章主要介绍高铁路基粗颗粒填料水力学特性试验研究，其中重点介绍了 浙江大学硕士学位论文第一章绪论自主研制的大直径渗透柱装置以及测试原理和试验过程。利用该装置研究不同压实度、不同细颗粒含量下路基粗颗粒填料的渗透系数和土水特征曲线。为路基粗颗粒填料水力学特性的研究提供了一种室内测试方法。第四章主要通过应力相关的压力板仪系统测得路基填料细粒部分（最大粒径为在不同压实度下脱湿阶段的土水特征曲线，并利用公式进行拟合，将试验所得土水特征曲线与大直径渗透柱测试结果相比较，分析不同级配条件下粗颗粒土土水特征曲线的变化情况。第五章主要开展了粗颗粒土土水特征曲线的理论推导研究。通过压呆试验获得土体徵观孔隙分布曲线，基于毛细作用原理，利用孔隙分布曲线推导粗颗粒土土水特征曲线，与室内试验结果相比较并进行修正；通过巳测得的土水特征曲线，推导土体的孔隙分布，与实测结果相比较，分析粗颗粒土徵观孔隙特征。第六章为结论和展望部分。 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔陳结构特征第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征引言本章主要介绍了高压实度路基粗顿粒土微观孔隙特征。首先介绍了浙江大学建成的高铁无砟轨道路基足尺动力模型试验系统、路基粗颗粒填料的基本物理力学性质；然后利用长江科学研究院岩土试验室机扫描不同细颗粒、不同含水量条件下的粗颗粒土击实试样得到各断面图片以及数平均值及标准值，并结合软件重构试样的三维图形，得到孔隙率以及孔隙体积、孔隙数目分布情况。利用压呆试验测得不同压实度下粗颗粒土微观孔隙的分布，得到高压实度粗颗粒土双孔隙结构，并结合电镜试验，观察击实过程中土体内部孔隙变化情况；最后结合试验与压系试验结果，初步得出粗颗粒土三峰值孔隙分布曲线，后续试验将进一步深化该项研究。无昨轨道路基足尺模型路基模型筒介本文根据现行的高速铁路轨道系统的要求，在实验室内建成全比例无砟轨道路基动力系统试验模型（如图。模型尺寸为其中路堤高度为坡高比为，路堤上部宽度为下部宽度为。模型实验装置从下到上依次由等效牲和植间土、水平加筋势层、基床底层、基床表层、轨道结构、加载系统组成。其中混凝土底座厚度，平面尺寸，轨道板采用型，规格为，扣件采用型，钢轨型号为，路堤严格按照高速铁路设计规范的要求建设完成。建成后的模型试验装置实物图，见图。土压力盒■一作动器一一分配梁基床底水袋三三—图模型试验装置剖面图 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基颗粒土微观孔隙结构特征昆凝土底座图模型试验装置侧视实物图高速铁路路基结构层从上到下依次为基床表层、基床底层和路堤本体。基床表层厚度无昨轨道为，有砟轨道为，基床底层厚度为。各结构层分别采用一定强度和刚度的散粒体填料填筑完成。基床表层由级配碎石组成，压实系数不低于。基床底层由、组填料或改良土组成，压实系数不低于细颗粒含量不超过。路基填料基本物理力学性质浙江大学高速铁路轨道无昨路基足尺物理模型试验系统，所用填料由杭州某料场生产的级配良好的白云岩与占其质量百分数的细颗粒土混合而成（填料照片如图所示，细颗粒土级配曲线见图，细颗粒土矿物成分分析见图和表，填料级配曲线见图。该填料根据铁路设计规范定义为组填料，填料厚度为，最大干密度为，最优含水量为，击实曲线见图。基床底层上部为级配碎石层，颗粒粒径小于，基床底层的填料厚度为。路堤填料由手动压实机进行务实，每层摊铺厚度为，压实含水量控制在之间，并用压实度以及指标进行控制填料的压实质量。基床底层和基床表层的压实指标见表、表。 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔陳结构特征—图路基填料图片盖坦°—□细颗粒土级配曲线‘‘‘颗粒粒径（图细颗粒土级配曲 沒‘、—”——雜。、】警暴？！今“‘」丫§翼‘‘‘思‘■常‘―一■―——：—新 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观隙结构特征细顆粒土矿物成分衍射光谱如图所示，各物成分组成以及具体质量百分含量见表。由表可知，细颗粒土主要由原生矿物石英和云母（质量百分含量占以及次生矿物高岭石（质量百分含量占组成。其中稳定性矿物一石英的含量高于，虽没有蒙脱石、伊利石等亲水物，但石英及云母含量高，细颗粒土整体表现为亲水性。表细颗粒土矿物成分统计化学名称质量百分含量（％多桂白云母透长石妈长石高岭石斜绿泥石石英基床底层组填料—厂厂基床表层级配碎石垫唐砂丨颗粒粒径（图填料级配曲线 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征—组填料击实曲线：口口口、‘‘‘‘质量含水量（％图填料击实曲线表基床底层压实指标指标压实系数：规范控制值一测试值表基床表层压实指标规范控制值测试值一试验研究试验原理设备主要由放射源和探测器组成，基于透射射线理论的图像重构技术巳经成熟，其基本原理为：被测物体放置在放射源与探测器之间，放射源所发出的射线穿透被测物体后必然引起射线强度、速度、頻率等物理量数值上的变化，这些数据的变化将会被探测器所检测到。射线可以穿透非金属，不同波长的射线有不同的穿透能力（如图所示），而不同物质对同一波长的射线的吸收能力也不相同，从放射源发出的射线穿透物体后的衰减服从比尔（定律 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征广。“如拜、■■巧——均匆材料（非均句材料图射线穿过物质后强度衰减示意图—式中：，分别为第层物质的衰减系数和厚度。该式反映了初始强度为。的放射源穿过层物质衰减后的强度。利用射线穿透物体断面进行旋转扫描，收集射线经此层面不同物质衰减后的信息，通过计算机处理，得出与该点射线吸收系数直接相关联的数，从而形成一幅物体层面的数字图像。某物质的数当，水的数为当〃为空气的衰减系数时，空气的值为。水和空气的值不受射线能量的影响，因此可用来标定值。一般岩土介质的值为之间，因此可获得个不同的值，即每个像素由位数据表示。國像由一定数量的图形元素组成，每一个图形元素对应扫描物体的一个位置，依据物体各个位置的衰减系数把亮度值赋予图像中的每个图像元素，扫描物体不同容重区就可在函像中以不同亮度表示。物质密度越高，射线衰减程度越大，对应的数值越大。试验过程试样制备。取烘干后的路基填料分别过、、、、 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征的简网，通过级配曲线选取各组粒径填料配置成试验所需试样。添加细颗粒（土，并利用篩壶均句洒水，制成九组试祥，分别为细颗粒含量为，质量含水量分别为、、；细颗粒含量为，质量含水量分别为、、细颗粒含量为，质量含水量分别为、、。通过击实试验可得不同细颗粒含量下击实曲线如图所示。各组试样细颗粒含量及含水量控制见表细颗粒含量击实曲线▲细颗粒含量击实曲线细颗粒含量击实曲线二。口。。一口“‘‘‘“■‘‘‘■质量含水量（％图不同细颗粒含量试样击实曲线表各组试样细颗粒含量及含水量控制组号最大干密度压实度干密度—细颗粒含量—“含水量、注为最优含水量。 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征试样扫描。将试样分层压实到自主加工的直径为高度为的圆柱形筒内，分两层填装试样，每层高度为，利用重型击实锤均匀击实至压实度为见图。利用长江科学院岩土实验室机（见图扫描各组试样，研究填料不同位置处横断面上的孔隙分布情况。并利用软件重构试样的三维图像，分析不同细颗粒含量、不同含水量条件下孔隙率以及孔隙体积与数目的变化情况。图扫描试样言、‘』图工作站岩土试验可视化系统技术参数：扫描最大直径：扫描长度：最薄层厚：短层准直：图像重建矩阵：像素大小：最小为可视密度分辨率： 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征试验结果分析断面扫描图片。通过扫描可以直接得到试样各个断面的图像资料，试样扫描厚度取机最小值，沿高度方向共获得张扫描图片，经重构后可获得沿直径方向的纵剖面图片。不同细颗粒含量、不同含水量条件下（横断面扫描图片见附录一、纵断面扫描图片见附录二。通过直接观察可以定性的分析击实过程中不同细颗粒、不同含水量对孔隙分布的影响。附录一为切片扫描的横断面图，图（，（细颗粒含量为，质量含水量分别为，，；图（，，细颗粒含量为质量含水量分别为，，图（，，细颗粒含量为，质量含水量分别为，，。附录二为切片扫描的跃断面图，沿直径方向展开。通过附录图片可以直观看到试祥各个横纵断面上的颗粒分布以及孔隙结构。对比各组图片可以发现：（细颗粒含量为时，试样中的大顆粒偏少，颗粒间大孔隙被细颗粒所填充，击实过程中细顿粒相互挤压，使粗颗粒呈悬浮状态，土体干密度减小；（随着细颗粒含量的减小，试样中大颗粒逐渐增加，粗颗粒土形成骨架结构，起支撑作用，细颗粒填充其中，土体干密度增大，压实效果增强；（细顿粒含量减少，土体击实过程中不均句性增大，土体内部大颗粒间肉眼可见的孔隙较为明显，外边缘击实效果较差；（从纵断面扫描图片可知分层击实中，交界面（处的密实度较低，细顿粒含量越低，密实效果越差。数变化。试样横截面扫描间距取为，从试样中选取五个不同的截面，圏取截面的位置见图。试祥由上到下分别为第一截面、第二截面、第三截面、第四截面、第五截面，第一到第五截面距离顶部的距离分别为、、、、。根据切片，在各截面上选择一个研究区域，进行数统计（见表各截面数图片见图，由于粗颗粒击实过程中的不均勻性以及各截面颗粒在击实过程中会发生一定的破碎，因此采用数平均数这一参数指标进行统计，减小因颗粒移动及破碎而造成的误差。 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔殿结构特征图各截面相对位置示意图第一截面（丨第二截面（第三截面第四截面（第五截面（第一截面 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征————————第二截面（第三截面（第四截面——————第五截面（第一截面（第二截面—睡—！第三截面（第四截面（第五截面■關圓第一截面（第二截面（第三截面 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征第四截面（第五截面（第一截面■■■■■■■■■第二截面（第三截面（第四截面第五截面（第一截面（第二截面圓圓隨第三截面（第四截面（第五截面 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征第一截面（第二截面（第三截面§第四截面（第五截面（第一截面第二截面（第三载面（第四截面—■—■■——！—國國國第五载面（第一截面（第二截面 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征■國第三截面（第四截面（第五截面图试样各截面数表各组试样数平均值、标准差统计试验扫描位置第一第二第三第四第五组数截面截面截面截面截面数平均值数标准差数平均值数标准差数平均值数标准差数平均值数标准差数平均值数标准差数平均值数标准差数平均值数标准差数平均值数标准差数平均值数标准差 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征试样各截面数平均值和标准差统计结果如上表所示，数平均值、标准差随深度变化情况见图、。扣一——————一—☆—：：第一‘截面■第二‘截面第三‘截面第‘■“四截面第五截面截面位置图试样数平均值变化—————————————‘—‘—■—‘—■—‘—‘—‘—■—‘第一截面第二截面第三截面第四截面第五截面截面位置图试样数标准差变化由图可知，各个截面平均数的初始值具有一定的差异性，说明在试样击实过程中有一定的不均句性。通过对比发现，试样底部第五截面数平均值最大，这是由于在击实过程中最底层的土样被压实的最密实。数平均数在第四、第五截面间呈增大趋势，该部分土体较为密实，对应的标准差呈减小趋势。各截面初始的数标准差也各不相同，中部方差相对较小，底部次之。试样标准差越大，表明试样不均句性大。细颗粒含量越低，干密度越大，平均数越大；标准差随细颗粒含量的增大而减小。 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征三维重构图片。将长江科学研究院所得扫描图片导入中，获得试样的三维重建模型，得到土体孔隙率以及孔隙体积、数目，集料体积、数目的分布情况。该软件是目前数据显示和分析的权威工具，导入的重建数据后可以获得整个试样的灰度直方图（图所示），设定合适的阈值后以效果和三视图的断层切片图像被显示出来（如图所示）：可以按照需要的方向作平面及立体切割，从而莸得各个切面上的详细信息。暴為；—伽、，巧净爱，‘‘：■灰度值图灰度直方图图试样的三维重构图像不同细颗粒、不同含水量条件的试样三维重构后孔隙、集料的分布如图所示。由图（（可知当细颗粒含量为时，土体中的微孔隙发育明显，且试样干密度低，土体较松散，最优含水量时试样击实效果最佳，孔隙体积最小；由（（可知，随细颗粒含量较低，试样中大颗粒逐渐增多，颗粒间大孔隙较为明显。 浙江大学硕士学位论文第二窣高压实度路基粗颗粒土微观孔陳结构特征孔隙分布图（集料分布图孔隙分布图（集料分布图孔隙分布图（集料分布图 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征二：；二：氣、擎“、““■‘‘孔隙分布阁（集料分布图圖孔隙分布图（集料分布图孔隙分布图（集料分布图 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征孔隙分布图（集料分布图孔隙分布图（集料分布图孔隙分布图（集料分布图图试样横截面三维重构图像孔隙率、孔隙体积及孔隙数目分析。根据提取孔隙三维图像，利用软件中的“体积分析选项”可以计算出试样各点处的孔隙以及集料的 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征体积与表面积，从而计算试样的孔隙率，如式所示：试祥计算孔隙率式中：〃为试验计算孔隙率；为孔隙的体积；为集料的体积。为了研究试样横向孔隙率的分布情况，通过软件沿径向分别取、、、的试祥体积，计算其孔隙率值。各组试样的孔隙率计算值如图所示。口口、。。细颗粒含量细颗粒含量——细颗粒含量质量含水量（不同含水量条件下孔隙率变化：：“最优含水量最优含水量左侧最优含水量右侧■■■■■实测值细颗粒含量（％不同细颗粒含量下孔隙率变化 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征齋。‘细颗粒含量，含水量细颗粒含量含水量细颗粒含量含水量横向距离细颗粒试样横向孔隙率分布■■—细颗粒含量含水量细颗粒含量含水量细颗粒含量含水量膝。■横向距离细颗粒试样横向孔隙率分布二。■细颗粒含量，含水量细颗粒含量含水量热■■■—细颗粒含量含水量横向距离细颗粒试样横向孔隙率分布 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征哪试样横向直径分布图试样孔隙率分布情况不同细颗粒含量、不同含水量条件下试样孔隙率分布情况如图所示：图（为细颗粒含量、不同质量含水量时孔隙率分布情况，试验表明最优含水量时击实效果最明显，对应的孔隙率最小。最优含水量左侧时，试样较干燥，击实难度大，对应孔隙率偏高；图（为不同细颗粒含量时孔隙率分布情况，随细颗粒含量增加，相同压实度下土体干密度减小，压实效果减弱，土体内部孔隙率增大。由于灰度阈值选取以及图片处理的局限性，各组试样孔隙率实测值略高于计算值；图（为不同细颗粒、不同含水量条件下试样横向孔隙率分布情况，细颗粒含量高，孔隙率的横向分布不均勻性大；随细颗粒含量的减小，孔隙率横向分布趋于均匀。试样外边缘大颗粒形成骨架，起横向支撑作用，细颗粒起填充作用，当压实功达到一定值，骨架结构巳形成，空间结构变化小，孔隙率趋于稳定。通过软件可得各组试样孔隙体积分布情况，将各组孔隙视为球体，其直径分布情况见图。由图可知孔隙分布主要集中在之间，最小孔隙直後为，随细颗粒含量的增加，最大孔隙直径增大。但土体内部大孔隙易成连通状态，通过孔隙体积分布函数无法辨别该孔隙是否为连通状态，故结合孔隙数目分布情况见图，综合判别土体内部孔隙分布。 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征口细颗粒含量□：□：产”■口’孔隙直径（细颗粒试样孔隙分布情况——细颗粒含量：，□影口‘口孔隙直径（细颗粒试样孔隙分布情况：丨□—细颗粒含量□：□。「口口”。丨孔隙直径（细颗粒试样孔隙分布情况 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征细颗粒含量一细颗粒含量—细颗粒备量。：轰。。『。：八■孔隙直社不同细颗粒含量下孔隙累计分布情况图试样孔隙分布情况匿腿孔隙数目分布情况：—：；■：「■■■、孔隙直径（细颗粒的试样孔隙数目分布「■腿：目分布情况；■■■：■■。。：孔隙直挽细颗粒的试样孔隙数目分布 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征「孔隙数口分布情况丨■：「■■■■■■■■■■■■■孔隙直径（细颗粒的试样孔隙数目分布■口口一广左錄。丄细颗粒含量——细颗粒含量‘细颗粒含量孔隙直径（不同细颗粒试样孔隙数目累计分布图试样孔隙数目分布情况图为不同细颗粒含量孔隙数目分布情况，由图可知当细颗粒含量为时，大于的孔隙数量约占总孔隙的当细颗粒含量为时，大于的孔隙数量约占总孔隙的当细颗粒含量为时，大于的孔隙数量约占总孔隙的图为不同细颗粒含量试样孔隙数目累计分布曲线，随细颗粒含量的增加，试样内总的孔隙数目逐渐增加，而当孔隙直径大于时，孔隙数目增加较缓慢，曲线近乎水平状态，这部分孔隙易成连通状态。 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征压衆试验及孔隙分布特征压系试验原理汞对大多数的固体都是非润湿的。由于表面张力的影响，呆在进入小孔径时，必须施加一定的外部压力，所压进系的体积即为孔隙体积，将孔隙视为束状纤维管，孔隙半径与进汞压力满足以下方程。式中：为进采压力，；为表面张力，为系接触角，为孔径半径。由公式（可以看出，进汞压力和孔径是一一对应的关系，假定表面张力和接触角都不变时，进乘压力和孔径成反比，可以通过控制进汞压力来确定孔径的大小和孔隙的分布。试验过程中，汞先进入大孔径中，当大孔径填充满后，施加一定的压力值，在压力作用下，汞开始进入相对应的小孔径中。本次试验最大压力值为万榜孔径测量范围为之间。孔隙分布特征取大直径渗透柱、压实度下的试样以及未经压实的试样进行压汞试验，给出了填料压实后的级配曲线。压果试验参数见表，不同压实度下试样累计进汞量及孔隙分布以见图、。。。击实前填料级配曲线试验后填料级配曲线试验后填料级配曲线⑶：⋯，■■颗粒粒径（不同压实度下填料级配曲线由图可知粒径大于的大颗粒在击实过程中容易破碎，相应的质量百分数降低，小于的颗粒含量随着击实度的增大而相应增高，大颗粒破碎造成 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征这部分细颗粒质量增加，而间的颗粒含量变化不大。表压汞试验参数压实度压实度来经压实—样质量（触角（°—张力（一汞量（。—未经压实■不大■■■孔隙半径（图不同压实度下累积进汞量曲线根据表可得，公式中；为，为度。试验结杲表明随着压实度的增大，孔隙尺寸收缩，相应的累积进汞量减小。随着孔径的减小，累积进汞体积增大，进汞压力相对较小时，呆先进入大孔隙。未经压实的试样，累积进汞曲线在之间斜率变化最大；而经过压实后的试样，累积进求曲线在之间斜率变化最大。°“——一△一未经压实‘‘‘孔隙半径（图不同压实度下孔隙分布曲线 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征由图可知，压呆试验所测孔径半径分布范围为之间，未经压实的试样，孔径在间进求体积波动较大，这部分孔隙体积所占比例较高。随着压实度的增大，此部分的孔径被压缩，其体积含量相应减小，而孔径在间的体积含量增加，其结果与累积进求曲线斜率变化最大段相对应。扫描电镜试验为了研究高压实度下路基粗颗粒土微观孔隙结构的变化情况，取渗透柱中压实度下试样以及未压实状态下的试样进行电镜扫描试验，试验结果见图。 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔陳结构特征國，￡■偏辦謂—图电镜试验结果：（未压实状态；（电镜下可以较为清楚地看到颗粒表面孔隙发育情况，试验表明未经过压实时，颗粒间大孔隙较多，其中孔径大于的孔隙分布较广；随着压实度的增大，这部分孔隙逐渐被压缩导致孔径减小，而孔径小于的孔隙数量逐渐增加。表明直径在以下的孔隙在击实过程中较难被压缩，这与压系试验所得结果相一致。高压实度粗颗粒土三峰值孔隙分布对于高压实度粗颗粒土，等通过压呆试验测得微观结构呈双孔隙群分布，其中大孔隙群半径为，小孔隙群半径为，但受压杀仪器的 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征限制，所测孔隙为细颗粒间孔隙，最大半径约为，而对于土颗粒间的大孔隙并未涉及。本文在的基础上，通过试验测得土颗粒间的大孔隙（最小孔隙半径为，通过压汞试验测得细颗粒内的小孔隙（最大孔隙半径为，提出高压实度粗颗粒土三峰值孔隙分布曲线（见图。个腺丨体长科院机‘‘‘‘积测量范围丨丨压亲实验测量范围丨开尔文公式计算微——”分大孔隙群丨中孔隙小孔隙群，‘■■■■■■‘■■■■■■孔隙半径（图三峰值孔隙分布曲线图为粗颗粒土三峰值孔隙分布曲线示意图，小孔隙群对应细颗粒内的孔隙，中孔隙群对应细领粒间的孔隙，大孔隙群对应粗细顆粒间的大孔隙。小孔隙群、中孔隙群利用压汞试验测得，最大孔隙半径为大孔隙群通过试验量化处理后获得。高压实度粗颗粒土孔隙结构存在三峰值特征：大孔隙群半径，中孔隙群半径介于，小孔隙群半径。小结本章主要介绍了高压实度路基粗颗粒土徵观孔隙结构。介绍了浙江大学建成的高铁无砟轨道路基足尺动力模型试验系统、路基粗颗粒填料的基本物理力学性质。通过机分析不同细颗粒、不同含水量对土体内部孔隙孔隙的影响，利用软件重构试样的三维图形，得到孔隙率以及孔隙体积分布情况，并获得大孔隙群的分布；利用压汞试验获得高压实度粗颗粒土双峰值孔隙分布，通过电镜试验，观察土颗粒表面孔径范围。结合试验与压杀试验结果，提出高压实度粗颗粒土三峰值孔隙分布曲线。为后续试验研究初步奠定理论基础。模型以沪宁城际高铁为标准，在浙江大学自行研制的大型土工物理模型试验系统内建设完成，是目前世界上最大的足尺模型试验。可实现列车移动荷 浙江大学硕士学位论文第二章高压实度路基粗颗粒土微观孔隙结构特征载以及水位升降的模拟，并能在短时间内模拟高铁的长期运行过程，研究高铁长期运行过程中轨道路基的服役性能。粗颗粒土中细颗粒含量增加，试样中的大颗粒偏少，颗粒间大孔隙被细颗粒所填充，胶结较为密实，最优含水量条件下，试样压实效果最好；随细颗粒含量降低，土体干密度增大，击实效果较充分，土体内部孔隙率减小；细颗粒含量高，孔隙率的横向分布不均句性大，随细颗粒含量的减小，孔隙率横向分布趋于均句高压实土颗粒内部孔隙中粒径大于的孔隙易成连通状态。通过压汞试验可得高压实度粗顿粒土撖观孔隙结构呈双峰值分布，粒径分布范围为，压实过程中小于的孔隙较难被压实。高压卖度粗颗粒土孔隙结构存在三峰值特征：大孔隙群半径，中孔隙群半径介于，小孔隙群半径。 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究引言本章主要介绍高铁路基粗颗粒填料水力学特性试验研究。首先介绍了研制的大直径渗透柱装置，及其测试原理和试验过程。在此基础上利用该装置开展不同压实度、不同细颗粒含量下路基填料饱和渗透系数、土水特征曲线、渗透函数的试验研究。该装置和方法为路基粗颗粒填料水力学特性的研究提供了一种行之有效的室内测试方法。大直径渗透柱装置高压实度下的高铁路基填料在长久的设计使用年限内，路基防排水系统在列车荷载以及环境荷载的作用下发生开裂，降雨产生水分入渗到路基基床和路堤中。受路基填料细颗粒影响，路基内部含水量增加，使这部分填料处于非饱和状态，其水力学特性直接影响路基累积沉降及动应力分布，对列车的安全运移至关重要。室内试验受仪器尺寸限制、精度控制等影响，非饱和土研究多集中于膨润土、粉土、枯土等细颗粒土。本文在法国路桥大学崔玉军教授的指导下，借鉴了等设计，加工制作了用于路基粗颗粒水力学特性试验研究的大直径渗透柱装置，见图。两」丨誦、滲透筒，、传感器，、张力计，、土样，、土工织物，、砂石塾层，、排水阀，、顶板，、排水管，、进水管，、水头稳定装置，、储水容器，、水箱图渗透柱测试装置示意图该装置主要由水头稳定系统、渗透筒、、张力计等部分组成。各主要组成部分介绍如下。水头稳定系统由水箱、水头稳定装置、储水容器组成。其工作原理是通 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究过调节水箱与储水容器的阀门，在水头稳定装置中维持液面恒定，通过水箱与储水容器水位的刻度变化，可得进入试样的水体积，当试样完全饱和后，在常水头作用下，测量路基填料饱和渗透系数。渗透筒由直径，高度的圆柱形销筒组成。底部铺设厚的砂石塾层，沿轴向布置五个探针和五个张力计（、、、、顶部设有一个排水口，用于排除气体与水分，底部有两个进水口与水头稳定装置连接，提供基准液面。张力计由直径，长度的多孔陶土头连接长的氯丁椽胶管及直接用于读取张力计示数的真空表组成。用于测量土体在不同含水量下的基质吸力。技术通过事先标定介电常数与含水量及干密度的关系，适合于粗颗粒土、固体废弃物、枯土等各类土体含水量的测试。本次试验探头采用三针式设计，探头结构如图所示，三根不锈钢探针通过连接导线与同轴电缆相连，连接导线、三根探针一端和同轴电缆一端均置于长方体环氧树脂内，同轴电缆另一端与电磁波接发器相连。试验设计探针长度为。探针直径选为，以确倮其具有足够刚度而避免土体击实时变形弯曲。探针间距，建议；以降低探针附近的能量集中，本文设计探头采用间距，。为便于快速测量试验过程中五个探头处水含量变化，减小人工采样时间长带来的误差，试验中采用浙江大学自主研发的数据采集软件完成自动采集。同轴；乂雜导线一■“环糊腹一二探计单位：’图探头结构图 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究粗颗粒土水力学特性试验研究不同压实度下路基填料水力学特性研究试样制备。取烘干后路基填料过篩网，配成试验用土，利用筛壶均勻洒水，制成质量含水率为最优含水量）的土样，其细颗粒含量（；；质量百分数为。静置一天，使其含水率均勻。试样高度为，分六层填装，前五层高度为，最后一层高度为。每一层分三次填筑试样，利用重型击实键均勻击实至目标压实度。每层填料击实完成后，在土样表面埋设传感器和张力计，探针水平放置在横截面中间位置，张力计与探针互成。放置，陶土头距离外侧探针为。为防止陶土头在击实过程中被破坏，将填料过简网，得到的较细颗粒配置成同等含水率的土样，铺设在陶土头周围。探针与张力计埋设见图所示。重复上述步骤，控制压实度分别为、、，下文重点介绍压实度下的试验过程。图和张力计埋设位置图〉试验过程。试验过程分为饱和进水阶段和排水蒸发阶段。饱和进水阶段：试样装填完毕后，打开底部进水阀，维持进水装置中水头恒定，开始饱和试样。进水过程中密切关注张力计与的变化情况。从顶部出水口有持续水流算起，后试样达到饱和状态，随后在常水头下测定试样的饱和渗透系数。排水蒸发阶段：试样饱和后，关闭底部进水门，静置使土样饱和均句。当各层土样示数稳定时，打开底部阀门，分若干次排水。每次排水完成后，待 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究示数稳定，记录各层土体与张力计的示数，绘制排水阶段土水特征曲线。当底部门无水流出时，排水阶段完成，关闭底部阀门，打开顶盖，让试样在室温下蒸发。蒸发过程中测试各层土体含水量与基质吸力的变化，尤其是处，直到各层土体张力计示数不再变化，绘制蒸发阶段土水特征曲线。数据分析方法。①体积含水量。试样填筑完成后，将探头通过同轴电缆与公司的多路板和电磁波接发器相连，进水饱和、排水、蒸发过程中实时测试土体波形。典型测试波形如图所示，通过分析波形行程时间，可得到土体的介电常数。测试前需对探针长度和土体参数进行标定，长度标定结果见表利用标准对土体参数进行标定，标定结果见表。教■囊：介电光速，：探针长度，行程时间、‘‘‘时闻，图典型测试波形表探针标定长度探针编号“““相对误差表填料，，，，参数标定结果填料参数丁通过以上标定参数，利用下式获得标定试样的质量含水量和干密度：‘。“ 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究利用质量含水量和干密度计算出体积含水量，作出与测试介电常数的关系如图所示，实验数据与式吻合，表明该探头测试的准确性。藝。”■■■实验标定结果■公式‘‘‘‘图体积含水量与介电常数关系②土水特征曲线。通过张力计可获得饱和进水、排水蒸发阶段各层土体基质吸力的变化情况，利用测试体积含水量，绘制路基粗颗粒土土水特征曲线。岩土工程方面的学者们提出了许多经验公式来定量描述非线性很高的非饱和土水特征曲线，如公式、公式、公式等。在这些公式中模型中各参数物理意义较为明确，拟合效果良好，已经被广泛使用。公式如下：丨《一乂式中：表示残余体积含水量；表示饱和体积含水量；表示与进气值有关的参数；当基质吸力大于进气值时，表示与土排水程度有关的参数；表示与残余体积含水量有关的参数，③渗透系数。利用渗透柱装置进行饱和渗透系数测试试验。土样装填完成后，打开底部进水闽，在恒定水头压力下开始饱和土样，并记录进水量与时间的关系。当渗透柱顶部排气口有持续水流时，经过小时后认为土样巳达到饱和，开始进行饱和渗透系数测定，记录进水流量与时间的关系，利用达西定律得出土 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研宄体的饱和渗透系数，其表迖式为：—式中：为渗透流量；为土样的总水头差；为渗径；为渗透柱的横截面面积；为饱和渗透系数。通过张力计和可分别测得各层土体的孔隙水压力头和含水量分布，利用瞬态剖面法得出某一时刻某一深度处的水力梯度和渗透速度，从而计算出非饱和渗透系数【】。某一特定时间在试样某一点的水力梯度（即测管水头梯度）就等于水头剖面的坡度：二办式中是总水头，是距离滲透柱底部的距离；在时间间隔内通过断面的水流量沒紗式中沒是体积含水量，是渗透柱截面面积，是试样高度。根据达西定律，某一时刻某一深度处的土体非饱和渗透系数公式如下：式中是饱和渗透系数，沒是拟合参数。不同细颗粒含量下路基填料水力学特性研究取烘干后路基填料过筛网，控制细频粒含量分别为、利用重型击实试验测得最大干密度和最优含水量分别为松、 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究细颗粒含量）；细颗粒含量）。制成试验用土后，利用简壶均句洒水，配成最优含水量，静置后使含水量均勾。考虑到不同压实度的试验过程中，分六层装样，排水蒸发阶段第三、四层示数变化不大，且张力计在击实过程中容易损坏，故在开展不同细颗粒含量下路基填料水力学特性试验研究时，控制试样高度为，分五层填装，每层高度为。每一层分三次填筑试样，利用重型击实锤均句击实至压实度为。每层填料击实完成后，在土样表面埋设传感器和张力计，探针水平放置在横截面中间位置，张力计与探针互成。放置，陶土头距离外侧探针为。试验过程及数据分析方法与第二节所述一致。试验结果分析测试波形及介电常数。装样完成后，将三针式探针通过多路板与电磁波接发器相连，进水饱和及排水蒸发阶段（细颗粒含量为压实度为试样），处，探头测得的波形变化如图所示，处，探头测得的波形变化如图所示。的波形明显反映了土体含水量的变化。三针式探头可测得不同时刻土体的介电常数，如图所示。装样完成后，静置阶段，土体介电常数随深度增加而略徵增大。这是因为在分层击实过程中，干密度存在一定差异性。底层土干密度在击实过程中有所增大，处试样不均句程度较大。时打开底部进水阀门，经过约各层介电常数显著增大，基质吸力迅速减小。持续水流后，土体介电常数达到最大值，基质吸力减为零。关闭进水阀门，使土样静置约，土体内部水分充分饱和均勾介电常数略徵减小。 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研宄装样完成时■排水蒸发完成时始排水时發样饱和时‘‘■时间（图不同时刻测试波形试样幵始排水时蒸发完成时毅。多样饱和时‘■时间（图不同时刻测试波形静置阶段静置阶段排水蒸发阶段——毅——。“—细颗粒含量时阿图细颗粒含量为的土体介电常数变化情况 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究——腿“—————萍颗粒■量时间（图细颗粒含量为的土体介电常数变化情况—□一—、——‘丨——°°。°°细颗粒含量“■时间（图细颗粒含量为的土体介电常数变化情况基质吸力。待土体含水量稳定后，打开底部阀门，分七次排水，每次排水体积约为，直到底部阀门无水流出。此时，各层土体介电常数显著减小，基质吸力显著增大，如图所示。排水完成后，打开顶盖，让试样在室温下蒸发，此时张力计示数分别为、、、、。干燥过程对表层含水量影响较大，处对应的基质吸力增加较明显，、、处，排水过程完成后，介电常数基本维持不变，对应的基质吸力变化较小。细颗粒含量为，压实度分别为、、的试样静置、进水饱和、排水蒸发阶段基质吸力的变化情况如图所示（个别张力计在装样击实过程中破损，造成数据缺失）。 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究静置阶段饱和静置阶段排水蒸发阶段￠—。：时间（图细颗粒含量为土体基质吸力变化情况———丨°———————————时间（图细颗粒含量为土体基质吸力变化情况口一⋯『§糊■时间（图细顆粒含量为的土体基质吸力变化情况 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究饱和渗透系数。试样装填完毕约后，打开底部进水阀，维持进水装置中水头恒定，开始饱和试样，当顶部出水口有持续水流时，后试样达到饱和状态，并在常水头下进行饱和渗透系数测试。细颗粒含量，不同压实度下、、路基粗颗粒土饱和过程中进水流量随时间的变化关系见图。“进水曲线进水曲线一““一进水曲线二■—饱和后进水曲线一饱和后进曲线一饱和后进水曲—进水时间（图细颗粒含量、不同压实度下饱和进水曲线由上國可知，进水体积随着时间逐渐减小，刚开始阶段进水速度较快，曲线斜率较大，随着进水时间的增加，曲线斜率慢慢变平缓。当到达某一值时时，进水流量与时间的关系曲线近似为直线。当装置顶部有水流出时，持续水流，以提高试祥饱和度。当路基粗颗粒土完全饱和后，根据迖西定律可得填料饱和渗透系数，具体数值见表。表不同压实度下填料饱和滲透系数压实度干密度（饱和渗透系数、“试验可知，高铁路基粗颗粒填料饱和渗透系数大致为。随着压实度的增大，土体孔隙收缩，过水面积减小，饱和渗透系数降低，受试验条件限制，最大压实度控制为。进一步提高压实度，重型击实锤击实效果欠佳，且张力计陶土头容易破损，压实度大于的试验研究还需进一步完善。土水特征曲线。三针式探头可测得不同时刻土体的介电常数，通过 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究前述公式可得各层土体的体积含水量，如图所示（。各层土体饱和体积含水量分别为、、、、饱和时试样平均体积含水量约为。排水蒸发过程完成后，各层土体体积含水量均高于进水前试样含水量。一方面因为蒸发过程影响深度较小，土体含有细颗粒，下层试样很难蒸发完全。另一方面因为在排水过程中，水先从大孔隙通道中排除，土颗粒小孔隙通道中有部分水较难排除，即存在一定滞回效应。后续试验将进一步研究该现象。不同压实度、不同细颗粒含量下试样土水特征曲线测试结果见图，利用公式拟合各组测试结果，拟合参数见表。一“‘冬□细颗粒含量拟合曲线基质吸力（细颗粒含量土水特征曲线‘—”■□如□、‘□细颗粒含量拟合曲线，基质吸力细颗粒含量土水特征曲线 浙江大学顿士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究—十突口、義□细颗粒含量拟合曲线，°基质吸力（细顆粒含量土水特征曲线厂‘—十口一拉□□细颗粒含量拟合曲线，基质吸力（细颗粒含量土水特征曲线□□细颗粒含達念细颗粒含量，細颗粒含量、细颗粒含量公式拟合曲线公式拟合曲线：公式拟合曲线—的細励鈴公批会他线基质吸力各组条件下试样土水特征曲线图不同压实度、不同细颗粒条件下路基填料的土水特征曲线 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究表公式拟合参数表细颗粒含量压实度干密度饱和体积含水量由图可知试验所测路基粗颗粒填料基质吸力范围在之间。相同细颗粒含量下，压实度增大，土体内部大孔隙被压缩，过水面积减小，饱和体积含水量降低，过了进气值后土水特征曲线下降段趋势相近；不同细颗粒含量下，进气值之后土水特征曲线斜率基本一致，因此土水特征曲线的形状主要受细颗粒控制；分析表的拟合参数可得：随着填料压实度增大，细颗粒含量增加，值逐渐减小，土体进气值增加；粒径越大，细顿粒含量越低，土体储水能力越低，对应值越大。非饱和滲透系数。利用瞬态剖面法可求得不同时刻不同位置处土体的非饱和渗透系数。从图可以看出随着基质吸力的增大，非饱和渗透系数逐渐减小。随着压实度增大，土体孔隙逐渐变压缩，非饱和渗透系数减小；随细颗粒含量的增加，土体持水能力增强，非饱和滲透系数降低。试验所用粗颗粒土非饱和滲透系数介于°。由图可知，粗颗粒土非饱和滲透系数离散性较大，主要是因为进水饱和过程中流速的控制、试样的不均句性等原因，后续试验中将进一步完善该项研究。謂°细颗粒含量■口口乏「、■口口味、着□□瞬态剖面法测量值公式拟合曲线基质吸力细颗粒含量滲透系数 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研究细颗粒含量”—口：毅「□襄”□瞬态剖面法测量值—公式拟合曲线基质吸力细颗粒含量渗透系数细颗粒含量口口毅、概「口碧：□带口—瞬态剖面法测量值公式拟合曲线基质吸力（细顿粒含量渗透系数。细颗粒含量。，口樹：§；—瞬态剖面法测量值□公式拟合曲线■°基质吸力细颗粒含量滲透系数图不同压实度、不同细颗粒条件下路基填料的非饱和渗透系数 浙江大学硕士学位论文第三章路基粗颗粒填料水力学特性试验研宄小结本章主要介绍高铁路基粗颗粒填料水力学试验研究，重点介绍了用于路基粗颗粒填料水力学特性试验研究的大直径渗透柱装置。利用该装置完成了不同压实度、不同细颗粒含量下路基填料饱和渗透系数、土水特征曲线、渗透函数的试验研究，获得了细颗粒含量和压实度对路基填料水力学特性的影响规律。为路基粗颗粒填料水力学特性的研究提供了一种室内测试方法。自主研制的大直径渗透柱装置，利用和张力计分别测量路基填料在不同时刻的含水量和基质吸力，并利用瞬态剖面法求得渗透函数，为研究路基粗颗粒填提供了一种测试方法。首次获得了高铁路基粗颗粒填在不同压实度条件下（、、进水体积随时间的变化规律，测得不同压实度下的路基饱和渗透系数，其值约为。并利用瞬态剖面法计算出粗颗粒填料在各个基质吸力条件下的非饱和渗透系数，其值约为得到不同压实度下，各层土体在进水饱和、排水蒸发阶段体积含水量与基质吸力的变化情况，并利用公式进行拟合。同种细颗粒含量下，随着压实度的增大，饱和体积含水量降低，土水特征曲线下降段趋势相近；不同细颗粒含量，进气值之后土水特征曲线斜率基本一致；随着填料压实度增大，细颗粒含量增加，《值逐渐减小，土体进气值增加；粒径越大，细颗粒含量越低，土体储水能力越低，对应值越大。 浙江大学硕士学位论文第四章细颗粒土土水特征曲线试验研究第四章细颗粒土土水特征曲线试验研究引言本章主要通过应力相关的压力板仪系统测得路基填料细粒部分（最大粒径为在脱湿阶段的土水特征曲线，并利用公式进行拟合，将试验所得土水特征曲线与大直径渗透柱测试结果相比较，分析不同级配条件下拟合曲线的内在联系。土水特征曲线试验研究压力板仪装置介绍该仪器由英国公司生产（图，用于应力相关的土水特征曲线及其滞后现象的研究，是研究一定的竖向压力作用下土壤与水分之间物理关系的基本工具。其主要性能如下：（可获得完整的土体脱湿、吸湿状态下土水特征曲线；（具有可以施加一维竖向应力的不锈钢密封试样室；（通过高精度的内部压力盒持续监控所施加的竖向应力；（精确测量土样的含水量和总体变的变化；（双精度压力板和调节器用于精确气压控制。本文所做研究还未涉及竖向应力条件，所测土水特征曲线均在竖向应力为零的条件下开展。“‘崎、事图应力相关压力板仪本仪器主要由部分组成：压力板仪组件、压力控制面板、垂直气动加载系统和水体积测量系统。压力板仪组件：包括不锈钢试样室、螺杆、带有高进气值陶土板和冲刷 浙江大学硕士学位论文第四章细颗粒土土水特征此线试验研究槽的底座、环刀、透水石、顶盖、加载杆、压力盒和竖向位移传感器，见图。：鼻■，多』图压力板仪组件各个部分压力控制面板：双精度压力表和调节器用于精确控制施加于土样的气压，见图。位于控制面板下部的压力表和调节器可控制的气压范围为其精度为位于控制面板上部的压力表和调节器可控制的气压范围为其精度为。高压范围或低压范围的选择可通过转换一个按钮向上或向下来分别实现。双難财辦穌器违力愈位移传感器图压力控制面板垂直加载系统：垂直气动加载系统包含一个加载架、一个双向运动加载气叙、一个压力表和一个调节器，见图。双向运动加载气上方装配有一个 浙江大学硕士学位论文第四章细颗粒土土水特征曲线试验研宄按钮，按钮向上或向下控制加载气缸的运动方向。图垂直气动加载系统水体积测量系统：水体积测量系统主要有两个作用：①有效地冲刷由于长时间的土水特征曲线试验而累积的扩散气泡；②精确地测量试验过程中土样内的水体积变化。应力相关压力板仪试验原理：气压源从不诱钢试祥室侧边向装置内施加气压，饱和土样中的水分开始迁移，水分透过高进气值陶土板通过压力室底板的排水凹槽进入到水体积测试系统的测管中，通过刻度变化可获得每一级压力下土样所排出（吸收）水的体积，根据饱和土样的初始含水量以及所排出水体积，可计算出试样的含水量。本试验利用该装置主要研究最大粒径为的路基填料细颗粒部分在不同压实度下的土水特征曲线，试验中未考虑竖向应力作用，所有土水特征曲线的测得均在竖向应力为零的条件下进行的，相比较于传统的压力板仪，该装置的优点在于：①压力室底板设有排水的槽，其两端分别与标有刻度的量管相连接。当镇流管的剑度稳定，密封室的气压达到平衡时，试样排出的体积可通过量管直接测得，不需要对每级基质吸力达到平衡后的土样进行称重，在试验过程中仅通过水体积测量系统就能够实时精确测量土样中排出或吸入的土体积；②无需拆除压 浙江大学硕士学位论文第四章细颗粒土土水特征曲线试验研究力室更换试样，只需通过一个试样即可获得完整的脱湿、吸湿土水特征曲线，并可进行多次循环过程；③具有双精度压力表和调节器用于精确控制施加于土样的气压。根据陶土板规格选择不同压力范围，位于位于控制面板下部的压力表和调节器可控制的气压范围为其精度为位于控制面板上部的压力表和调节器可控制的气压范围为，其精度为④根据试样类别以及基质吸力的控制范围可选择不同规格的高进气值陶土板，进气值分别为、、、、试验过程中陶土板的饱和与更换均较为容易。路基细颗粒土试验测试利用该装置主要研究最大粒径为的路基填料细粒部分在压实度下脱湿阶段的土水特征曲线，并利用公式进行拟合。具体试验过程如下：陶土板饱和及进气值检查。向压力室内注入无气水至水位高于陶土板表面处；向压力室内施加的气压值，连续排水，不断冲刷去除陶土板下方气泡，直至无气泡产生。用滤纸将陶土板表面自由水分吸除至面干状态，然后在陶土板表面加薄薄一层无气水，压力室内加气压，不断冲刷陶土板下方，若后无明显气泡产生，则陶土板进气值良好且饱和完全。试样制备。取烘干后的路基填料过筛网，配成试验用土，利用筛壶均句洒水，制成质量含水率为最优含水量）的土样，击实曲线见图。利用仪器自带的环刀（直径，高度进行装样，考虑到在环刀中击实试验效果较差，自主加工了环刀压实器（图，通过该装置分三层击实试样，达到目标压实度，击实后的试样见图。°—击实曲线丨一“‘—■广、■衡■‘‘‘‘‘质量含水量图试样击实曲线 浙江大学硕士学位论文第四章细颗粒土土水特征曲线试验研宄晴图环刀压实器‘‘丨〗。图击实后的试样试样饱和。在试样上下表面各放一张干燥的滤纸，滤纸外侧放透水石，将环刀压实器中的试祥夹紧后放于真空桶中，抽真空缓慢打开真空桶下侧管夹，抽取无气水直至试样浸没，待浸没完成后关闭管夹，试样饱和将饱和后的环刀试样用天平称重，记录其质量。脱湿过程。用滤纸吸干陶土板上方自由水分，使陶土板达到面干状态；将环刀试样放入压力室中，在试样上方压一金属块，使试样底面与陶土板保持良好接触；分级施加气压，记录每一级气压下土样排出的水量和达到平衡的时间，平衡标准为天内的排水质量占土颗粒质量的。分级气压值的设定为：，。最后一级气压施加完成后，将土样从压力板仪中取出，称量湿土样质量，将其烘干后称量质量。 浙江大学硕士学位论文第四章细颗粒土土水特征曲线试验研宄数据处理。环刀饱和后的总质量减去环刀的质量和土颗粒的质量，得到饱和土祥中的水质量，进而得到饱和体积含水量；记录每一级气压下试样中排出的水量直至最后一级气压，结合饱和体积含水量，即可计算得到每一级气压下土样的含水量，以及最后一级气压下的残余含水量；用洪干法可以得到试样实际残余含水量。由于试样排水过程中存在蒸发，实际残余含水量与推算得到的残余含水量存在一个差值，将该差值按照各级气压下排水时间占总排水时间的比例，对计算得到的各级气压下的含水量进行修正。试验结果分析利用应该相关的压力板仪系统获得条件下各级基质吸力和体积含水量分布，与相同压实度下的大直径渗透柱装置测试结果相比较（见图。压力板仪所测最大基质吸力为，饱和体积含水量为，土体进气值为利用公式拟合各测试点，曲线拟合效果较好。而大直径滲透柱装置饱和体积含水量为，土体进气值为。压力板仪试样最大粒径为颗粒间孔隙较细，胶结密实，相同基质吸力条件下，土体持水能力大于渗透柱装置中的试样，即土水特征曲线整体处于上方。颗粒越细，形成弯液面吸力作用越明显，气体突破弯液面进入孔隙越难，土体进气值越大。——。渗透柱实测值压力板仪实测值—拟合线■■義基质吸力（图压力板仪测试结果对比第三章试验结果可知，土水特征曲线的形状主要受细颗粒含量的影响。不同细颗粒含量下，进气值后的下降段，曲线斜率近乎相同，该结论与研究结果相一致。 浙江大学硕士学位论文第四章细颗粒土土水特征曲线试验研究小结本章主要介绍了应力相关的土水特征曲线压力板仪系统。利用该装置开展路基填料细颗粒部分（最大粒径为脱湿阶段土水特征曲线的试验研究，并与大直径渗透柱测试装置所得土水特征曲线相比较，得出级配条件对土水特征曲线的影响规律。获得了路基填料细颗粒部分（最大粒径为试样在脱湿阶段的土水特征曲线，并利用公式进行拟合。其中最大基质吸力为，饱和体积含水量为，土体进气值为。与相同压实度下的渗透柱装置所测土水特征曲线相比较，渗透柱装置中试样最大粒径为，张力计所测最大吸力为，颗粒粒径较大，相同基质吸力下，试样持水能力小于压力板仪所测曲线。 浙江大学硕士学位论文第五章粗颗粒土土水特征曲线的理论推导第五章粗顆粒土土水特征曲线的理论推导引言本章主要介绍了粗颗粒土土水特征曲线的理论推导，将土颗间孔隙视为树状细管，孔隙半径与基质吸力间满足一定的函数关系式。基于第二章的研究，得到粗颗粒土徹观孔隙分布，由此推导出土水特征曲线，与压力板仪试验结果相比较，并进行修正，为粗颗粒土土水特征曲线的研究提供了一种理论推导方法。土水特征曲线推导原理传统的室内试验，土水特征曲线的获得耗时较长，受试验条件限制，压力作用范围相对较窄。针对上述原因，国内外学者开展了基于孔隙分布的粗颗粒土土水特征曲线的理论推导和试验研究。土体中有大小不均的孔隙存在，其孔隙大小可通过半径表征。由第四章可知孔隙半径与基质吸力间满足公式：式中：为孔径半径，为基质吸力，；为表面张力，为泵接触角。土体内部孔隙充水过程与压系试验进乘过程相反。由式可得，孔隙越小对应的基质吸力值较大，吸收水分的能力越强。吸水过程中，水分先进入小孔隙中，待小孔隙充满水分后再进入大孔隙。而压呆试验中汞优先进入大孔隙，待提高进汞压力值后，在外力作用下，小孔隙中才有汞进入。根据局部平衡假设】，在土体孔隙中，对于某个特定的基质吸力，其中孔隙小于的孔隙被水充满，而大于的孔隙被空气充满。定义孔隙分布函数（表示在单位土体体积下孔隙半径在，间内的孔隙体积所占的百分比。土体体积含水率与孔隙分布的关系为式中：为土体基质吸力为时的体积含水率，〖及表征土体基质吸力为时，在被水充满的小孔隙中，孔隙半径在间的孔隙对该状态土体含水率的贡献。 浙江大学硕士学位论文第五章粗颗粒土土水特征曲线的理论推导结合式、，孔隙分布函数可以转换为比水容量曲线沒幻：、式中：、、称为毛细压力分布函数。对上式进行积分，当基质吸力趋于°°时，此时土体的含水率为残余含水率式中：为中间变量，当基质吸力为时，土体的含水率为饱和含水率，二■式中：及胃、及分别为最大孔隙和最小孔隙。在压求试验中，对于特定基质吸力下的土体，大于半径及的孔隙被呆填满，小于的孔隙被空气充满，与土体吸水状态相反，即在特定吸力下，土体的体积含水量为饱和体积含水量与被汞充满的体积差值。孔隙分布推导原理土内孔隙的大小、形状及分布是土的结构组成的重要因素，对土与土体体积相关的总体工程行为起着重要的作用。测定或估算孔隙物理性能对预测土体强度、压缩性和渗透性有着重要影响。通常认为，土中吸力反映土中水的自由能状态，土中水的自由能可用土中水的部分蒸气压量程【。土中吸力（或土中水的自由能）与孔隙水的部分蒸气压之间的热力学关系可用下式表示【】：￥ 浙江大学硕士学位论文第五章粗颗粒土土水特征曲线的理论推导式中：土的吸力或总吸力（通用气体常数（亦即；绝对温度（亦即°：。温度（。：：）；水的比体积或水的密度的倒数（亦即，；水的密度（亦即，免，°：时）；水蒸气的克分子量（亦即，松如孔隙水的部分蒸气压（在同一温度下，純水平面上方的饱和蒸气压（式（表明，吸力的定量是以纯水（亦即不含盐类或杂质的水）平面上方的蒸气压为基准的。这项称为相对湿度。如果选择作为温度基准，式（中的常数项为，即式（可改为：卿（由本章式（可知孔径一毛细压力关系，而毛细孔径分析是指在某一孔径范围内，毛细作用为土中孔隙水的主要因素，则相应的孔径范围均适用于毛细孔径分析方法。据等推导，这个孔隙半径的范围大约为，相应的基质吸力为，或相应的相对湿度为。若相对湿度低于则孔隙水的吸附与保持将主要由表面水合作用所控制，这种作用不适用于公式（。根据可能的毛细作用压力测量使土的孔隙几何形态概念化需要多种变量关系，包括孔隙体积、平均孔隙半径、土体固体颗粒吸附膜的厚度、孔隙体积与土顿粒表面积的比率。孔隙体积。当相对湿度或吸力为第步增量时，单位质量固体内被气体填充的孔隙体积或被水填充的孔隙体积变化量可定义为：— 浙江大学硕士学位论文第五章粗颗粒土土水特征曲线的理论推导上式中的质量含水量可从土水特征曲线直接获得。假定面液相互作用只对固体颗粒表面附近的薄层水膜的密度产生显著地影响，则毛细吸收区水的密度在本质上是个常量。平均孔隙半径。假定孔隙半径呈束状分布，则开尔文半径空气填充孔隙半径）可通过下式计算：—；实际的孔隙半径为开尔文半径与水膜厚度广之和，该水膜是土中颗粒表面在相对湿度或基质吸力占主导作用时所吸附的水。吸附水膜厚度。有多种方法可用来估算吸附水膜的厚度，方程表述如下厂—式中：为相对湿度在第步增量时所对应的土体固体表面上的水膜厚度，为吸附质分子的有效直後。若将的水展开为单分子厚度并覆盖于整个固体表面上，则可由着水所占的面积和体积来计算一个吸附水分子的有效直径。假定液体水分子所占区域的横截面的面积大约为》水的摩尔体积则一个吸附水分子的有效直径可计算如下：”、”腳孔隙的比表面积。在孔隙几何形态巳知的条件下，可用孔隙的体积与面积的比率来确定相对湿度或吸力在第步增量时，所对应的比表面积的变化量。若孔隙为圆柱体或双平行板形态，比表面积的增量可表达为：—尸 浙江大学硕士学位论文第五章粗颗粒土土水特征曲线的理论推导若孔隙为球体，则比表面积的增量表迖为：推导结果土水特征曲线的推导取压实度为、以及未经压实的试样进行压汞试验，得到土体累计进汞量分布曲线（见图。压汞试验所测粒径范围约为之间，最小进汞压力值为。对于某一压力值下，汞优先进入大孔隙群，而对应的小孔隙群在进水饱和过程中先被水充满，根据累计进呆量曲线推导的土水特征曲线如图所示。理论推导的土水特征曲线基质吸力范围较大，而压力板仪试验所测土水特征曲线基质吸力范围较管，试验所得最大吸力值为，与压汞试验结果不能很好地对比，且压呆试验试样与压力板仪试样存在差异性。理论推导结果与室内实测曲线的差异性还需进一步论证。“：■压力板仪实测值一拟合线☆压萊试验』』基质吸力（图土水特征曲线理论推导孔隙分布的推导根据第四章压力板仪所测结果，将条件下试样的土水特征曲线转化为基质吸力与质量含水量关系曲线，见图。其中室内试验所测基质吸力为，大于的曲线点通过公式拟合得到。 浙江大学硕士学位论文第五章粗颗粒土土水特征曲线的理论推导“压实度下土水特征曲线■、画公式拟合值压力板仪实测值、、■义、§、麗■、議‘丨‘基质吸力（试样的土水特征曲线通过本章的理论推导得到试样各组基质吸力下孔隙体积、开尔文半径水膜厚度等计算值见表。函用单位质量试验填料孔隙体积与平均孔径的关系阐述了试样的孔径分布情况。图用累积孔隙体积与平均孔径的关系阐述了试样的孔径分布情况。理论推导结果—压萊试验所测结果，口■。。乂■■■■■■■■■⋯平均孔径（图单位质量土体的孔隙体积与平均孔径之间的关系 m洛——卜寸卜—卜—‘―————艚§§§没寸寸————————士迪妹、產§沒？式寸寸二——卜寸寸———卜运？？§§§§：§§§§廿寸（——§§§安寸—式—如——卜寸—卜对对——二导§§麗讚謹議騰度耕装 浙江大学硕士学位论文第六章结论与展望一“—彩■、睡國“￠“、画平均孔径图单位质量土体的累积孔隙体积与平均孔径之间的关系图表明了粒径小于的填料试样，单位质量土体的孔隙体积与平均孔径之间的关系。将理论推导结果与压呆试验结果相比较可知，理论推导所得孔隙分布范围为之间，当土体饱和度高时（相对湿度大于，土体固体颗粒吸附水膜的厚度相对于孔隙半径而言很小，可忽略不计；随着相对湿度的减小，土体基质吸力增大，吸附水膜厚度和孔隙半径均减小。当平均孔径大于时，理论推导所得孔隙分布与压汞试验结果吻合较好，而当平均孔径小于时，理论推导所得孔隙体积小于压汞试验结果。由表可知孔径对应的基质吸力值为，压力板仪试验所测点基质吸力范围为，所得基质吸力与质量含水量准确度高。大于的基质吸力点通过土水特征曲线拟合所得，最大基质吸力为，对应的质量含水量为，已近乎残余含水量，试验过程中较难达到。由第二章徵观孔隙研究可知，对于粗顿粒土压实过程中小于的孔隙较难被压实，渗透柱装置中相同压实度条件下，颗粒间的挤压作用较压力板仪中要大，土体压实更加充分，所以这部分孔隙含量相应偏高。小结本章主要介绍了粗颗粒土土水特征曲线的理论推导，通过压汞试验得到孔隙分布曲线和累计进乘量曲线，将土颗粒视为树状细管，孔隙半径与基质吸力间满足一定的函数关系式。压承试验中，汞优先进入大孔隙，待大孔隙充满后，增加进汞压力值，汞开始进入更小孔隙中。而土颗粒在进水饱和过程中，水优先进入 浙江大学硕士学位论文第六章结论与展望小孔隙（基质吸力大，吸水能力强，由此进一步推导不同进汞压力作用下，土体内部孔隙与进水体积的变化情况，从而得到土水特征曲线，并与压力板仪试验结果相比较。并根据室内试验所测的土水特征曲线计算土体孔隙体积、平均孔隙半径、土体固体颗粒吸附水膜的厚度、孔隙体积与土颗粒表面积的比率，得到单位质量土体孔隙体积与平均半径、累计孔隙体积与平均半径的关系，并与压求试验所测结果相比较。结果表明，理论推导的土水特征曲线与室内试验所测存在差异性，主要影响因素为基质吸力的测量精度以及所取试样的差异性；根据土水特征曲线所推导孔隙分布，在孔径大于时，实测结果与推导结果吻合度较高，而当平均孔径小于时，理论推导所得孔隙体积小于压汞试验结果。后续试验中将进一步开展该方面的研究。 浙江大学硕士学位论文第六章结论与展望第六章结论和展望本文主要研究工作本文主要研究了高铁路基粗颗粒填料水力学特性，首先通过试验以及压汞试验获得粗颗粒土微观孔隙结构特征，得到孔隙分布曲线各峰值具体孔径范围，并分析各孔径对土水特征曲线的影响。然后设计加工了大直径渗透柱装置，开展了高压实度路基填料在不同压实度、不同细颗粒含量下的土水特征曲线以及渗透系数测试试验。利用应力相关的土水特征曲线压力板仪系统，开展了最大粒径为的路基填料细颗粒部分，并对不同压实度及细颗粒含量下进湿阶段土水特征曲线的试验研究。最后通过压杀试验所得孔隙分布曲线推导路基粗颗粒土土水‘特征曲线，并与压力板仪试验所得结果相比较，为粗颗粒土土水特征曲线的获得提供了理论方法。本文主要研究工作如下：利用试验分析高压实度下不同细颗粒含量、不同含水量条件下粗颗粒土各横断面孔隙分布情况，以及孔隙率和孔隙体积、孔隙数目的变化情况。并结合压萊试验分析粗颗粒土微观孔隙结构，提出三峰值孔隙分布曲线，定性地分析各峰值对粗颗粒土土水特征曲线的影响。文中重点介绍了研制的大直径渗透柱装置，并利用该装置开展了不同压实度、不同细颗粒含量下路基填料土水特征曲线的测试研究，结合瞬态剖面法求得非饱和渗透系数，比较了压实度以及细颗粒含量对高铁路基粗颗粒土水力学特性的影响。通过应力相关的压力板仪系统测得路基填料细粒部分（最大粒径为在不同压实度下脱湿阶段的土水特征曲线，并基于压汞试验推导粗顿粒填料的土水特征曲线，与压力板仪试验结果相比较，为粗顿粒土土水特征曲线的获得提供一种理论方法。本文结论高压实度粗颗粒土中细颗粒含量增加时，颗粒间大孔隙逐渐被细颗粒填充，胶结较为密实，颗粒与颗粒同的大孔隙减小，细颗粒间的徵小孔隙增多；随细颗粒含量降低，土体干密度增大，击实效果较充分，土体内部孔隙率减小；细颗粒含量高，孔隙率的横向分布不均句性大，随细颗粒含量的减小，孔隙率横 浙江大学硕士学位论文第六章结论与展望向分布趋于均句；高压实土颗粒内部孔隙中粒径大于的孔隙易成连通状态。路基粗颗粒土在压实过程中小于的孔隙较难被压实。高压实度粗颗粒土孔隙结构存在三峰值特征：大孔隙群半径，中孔隙群半径介于小孔隙群半径研制了大直径渗透柱装置，适用于高压实度路基粗颗粒填料水力学特性测试，为粗颗粒土水力学参数的测得提供了一种试验方法。其中渗透柱装置直径为，试样最大粒径为。首次获得了高铁路基粗颗粒填料在不同压实度、不同细颗粒含量下的土水特征曲线和滲透系数。其中，饱和渗透系数约为，非饱和渗透系数约为。随着填料压实度增大，细颗粒含量增加，《值逐渐减小，土体进气值增加；粒径越大，细颗粒含量越低，土体储水能力越低，对应值越大。路基填料细粒部分（最大粒径为在脱湿阶段的土水特征曲线与公式拟合较一致。且基于压汞试验研究推导粗颗粒土土水特征曲线与压力板仪实测结果相比较，为粗颗粒土土水特征曲线的获得提供了理论方法。本文研究工作展望本文在压汞试验的基础上开展了试验研究，分析了高压实度路基填料大颗粒之间的孔隙分布，在此基础上提出了三峰值孔隙分布曲线。利用大直径渗透柱装置和压力板仪试验系统开展了路基填料水力学特性试验研究，并进行土水特征曲线的理论推导，但与实测结果相比较具有较大差异性。综上所述，在本文基础上，建议进一步开展以下研究工作：三峰值孔隙分布曲线纵坐标各孔隙所占的比例还需进一步试验研究。建议下一步试验利用高精度的工业机，获得更小孔隙半径。大直径渗透柱装置试验中，采用的张力计精度值较差，且陶土头在试验过程中容易造成破损，建议下一步试验中，选取数字信号的张力计。通过压汞试验的土水特征曲线理论推导结果与压力板仪实测结果相比较，具有一定的差异性。建议下一步研究中，综合与压汞试验所得孔隙分布，考虑大孔隙群对土水特征曲线的影响，并分析各段峰值对粗颗粒填料水力学特性的影响。 浙江大学硕士学位论文参考文献參考文献中华人民共和国行业标准，高铁设计规范试行中华人民共和国铁道部，中国铁路总公司科技部科研项目报告，高铁路基结构维护整治技术路基病害调研，京沪高铁股份有限公司、武广客运专线有限责任公司、中国铁遒科学研究院、铁道第三勘察设计院集团有限公司、中铁第四勘察设计院集团有限公司、中国中铁二院工程集团有限责任公司、中铁第五勘察设计院集团有限公司、高铁建造技术国家工程实验室、北京铁路局、济南铁路局、上海铁路局、郑州铁路局、广州铁路（集团）公司、南昌铁路局中国铁路总公司科技部科研项目报告，铁路既有线路基检测及施工控制技术研究，中国铁道科学研究院、西南交通大学、西安铁路局科学技术研究所，‘杨广庆，蔡英，罗强高速铁路路基的填筑与压实检测路基工程，，陈坚路基粗颗粒填料堆积特性试验研究四川：西南交通大学，贾莉浩高速铁路高填方路基粗颗粒填料关键技术研究湖南：中南大学，范生波高速铁路无砟轨道路基动响应测试分析成都：西南交通大学，，，，”，，，，，，”，，， 浙江大学硕士学位论文参考文献叶为民，万敏，崔玉军干湿循环条件下高压实膨润土的微观结构特征岩土工程学报，叶为民，钱丽盒，陈宝等高压实高庙子膨润土的徵观结构特征同济大学学报（自然科学版），，叶为民，赖小玲，刘毅等高庙子膨润土微观结构时效性试验研究岩土工程学报，，，何俊，施建勇膨润土微观结构观察中的表观孔隙率河海大学学报（自然科学版），，封帆长春地图二号线建设层牲性土微观结构研究北京中国地质大学，，类士良，茅鸿妹上海软枯土微观特性及在土体变形中的作用上海地质，，郑飞不同压实度點性土微细观孔隙结构研究及分形表征湖北：湖北工业大学，胡冉，陈益峰，周创兵基于孔隙分布的变形土土水特征曲线模型岩土工程学报，刘汉昆，孙超，李杰基于扫描的混凝土三维细观数值模拟建筑科学与工程学报，，，，王朝阳，愧万魁，蒲毅彬三轴剪切条件下黄土结构特征变化细观试验西安科技大学学报，， 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浙江大学硕士学位论文附录作者简介个人简介吴进，男，汉族，生于年月，籍贯湖北黄石，中共党员。中国地质大学（武汉）地下建筑与道路桥梁专业本科；浙江大学岩土工程专业硕士研究生导师：陈仁朋（教授）攻读硕士期间发表论文情况：陈仁朋，吴进，亓帅，王瀚霖高铁路基粗颗粒土水力学参数测试方法研究，岩土力学，已录用）吴进，沈卓恒，陈仁朋，王翰霖路基粗填料土水特征曲线测试方法研究，第五届中国水利水电岩土力学与工程学术研讨会，吴进，陈仁朋，亓帅路基粗颗粒填料水力学参数测试方法研究，第二届全国岩土本构理论研讨会，王瀚霖，徐峰，陈仁朋，吴进粗颗粒填料含水量的测试方法研究，三峡大学学报，巳录用）攻读碩士期同申请专利情况：陈仁朋，吴进，尹鑫晟非饱和粗颗粒土土水特征曲线和渗透系数的试验装置，实用新型专利已授权、发明专利正在审中陈仁朋，尹鑫晟，吴进泥水盾构泥膜形成过程的模拟试验装置，实用新型专利巳授杈、发明专利正在审中陈仁朋，吴进，杨国涛，朱宏伟一种粗颗粒路基填料双进气值土水特征曲线的测试装置，发明专利正在审中拟投稿的英文文章：'