第 1 章 绪论
1.1 选题背景及意义
根据到 2030 年吉林省的高速公路路网规划，整个高速公路里程预计可达到5000km。客货运车辆均可以在 1h 内进入公路网，吉林省东部属于山岭区，路堑和隧道开挖产生大量石质弃渣且山区缺乏优良的土质填料，目前吉林省公路的路基填料设计指标和施工工艺多适用于较细颗粒的填筑材料，填筑材料的粒径级配都在非常小的要求范围内，而山区修建的隧道和挖方段，产生的石方无法被有效使用，占用了大量的林地和农用地，同时还要进行如水土保持、临时防护等工程和临时措施，最后还要进行植被恢复或者复耕，不仅破坏了沿线的生态环境，也直接提高了公路修建的成本和施工周期，社会、经济、环境效益均被影响。为此，如何组织和控制粗粒料填筑路基的机械化施工，如何检测和评价粗粒料路基的质量，目前，它已经引起了国内外一些学者的关注和研究。粗粒料填筑路基施工技术的研究，有利于吉林省高速公路和国省干线公路进一步改善路基填料施工工艺，促进公路建设高质量发展，尤其为山区高速公路和国省干线公路建设粗粒料填筑路基时提供技术支撑和指导，具有广阔的应用前景.
粗粒料填筑路基施工工艺的应用，充分利用废弃大粒径施工材料，为公路施工节约大量投资，保护公路沿线生态环境。由于石料粒径偏大，很多现有的理论和技术规范并不适用于填石料，其次由于填石料的工程性质明显不同与细粒土，现有路基指标体系和参数也不完全适用于填石料。对于山区公路高填方，由于石料有蠕变特性，如果填料使用不当或质量控制不合理，将导致路基失稳进一步导致路面结构损坏，目前对于填石路基的技术手段还比较单一，为此开展此项研究工作。
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1.2 国内外研究现状
在中国古代，大量的石材被用来修建堤坝。但是，由于当时设备和人工技术都比较有限，很多都是采取了简单的堆积砌筑方法，几乎没有粗粒径材料施工的实际经验，也没有较全面的理论基础作为技术支持。20 世纪 50 年代，块料类石质施工材料被率先应用在水利工程的石坝施工上，这掀起了一股对大粒径石料应用的热浪，随着水泥混凝土、浆砌片石等混合材料技术的研究和发展应用，与此同时，西方国家也在 60 年代就开展了相关技术的研究，并在振动碾压堆石坝施工产生方面有了质的飞跃，采用薄层振动压实技术建造堆石坝，并在大量的实体工程中进行了应用，积累了大量的、丰富的施工经验，并总结了一套成型的技术和理论基础。自上世纪 80 年代中期以来，堆石坝在我国得到了广泛的研究和应用。混凝土面板堆石坝作为“七五”重点科技攻关项目，已建成 30 余座。特别是亚洲第一和第二高的堆石坝天生桥一号水电站(高 178 米)，建在广西与贵州的交界处。
与水利工程中的应比较，道路施工在应用大粒径石料方面有着自身的特点和工程特性，主要有如下几点：（1）堆石坝工程一般基础条件都很好，荷载较小，几乎没有任何的压缩变形，但道路则不然，由于有客货运车辆的反复荷载作用，加之北方地区的特殊气候调整，导致很多路段的地质条件复杂，地基承载力不足。
(2)堆石坝位置固定，石料来源也是确定的，对于石料的性质和颗粒组成来讲也是相对稳定的，质量控制起来相对容易，且施工过程中由于点性工程属性，施工检测检查都比较方便。然而，公路上填有粗粒料大多是石料来源都是沿线的挖方，公路属于线性工程，地质的变化都会导致岩性的改变，而且施工单位较多，水平不等，对于石料的开采和破碎等控制不好就会影响填筑的质量，因此施工、检测、监测等都较为困难。
虽然水利工程和道路工程有着不同，但是对于研究粗粒料的理论和方法还是有相近之处，对于石料的性能、试验、检测等是可以共享的。80 年代至 90 年代，我国公路设计、施工、建设管理单位和部门尝试采用粗粒料进行填筑路基。例如，在京珠高速公路北段、江西省长夏一级公路、鹤大高速公路。国内外学者也就次开始了研究和应用工作。
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第 2 章 粗粒料的物理力学特性
2.1 岩质粗粒料的工程分类
《公路桥涵地基与基础设计规范》、《公路隧道设计规范》、《水利水电工程地质勘察规范》均对岩石的抗压强度有相关要求，其中，《公路桥涵地基与基础设计规范》按照岩石的性质差异，以及不同的物理力学性质，表现出的地基承载力也是不一样的，按岩石抗压强度分为极软岩、软质岩、硬质岩，分别对应的数值为小于 5MPa、5~30MPa、大于 30MPa。《公路隧道设计规范》根据不同的围岩稳定性，又划分为硬质岩石、软质岩石两种；又按饱和抗压强度分为极硬岩、硬质岩、软质岩、极软岩四种类型。本章所使用的公式多出自于上述几本规范。
因此，考虑粗粒料的工程特性及相关技术指标参数，结合施工过程中的具体要求和施工方法，新版的《公路路基设计规范》对粗粒料进行了以下分类：
单轴饱和抗压强度大于等于 60MPa 的称为硬质岩石，代表岩石有花岗岩、闪长岩、玄武岩、沉积岩、石灰石、片麻石、石英、大理石等；单轴饱和抗压强度在 30-60MPa之间的称为中硬岩石，代表岩石有片岩、板岩、硅质和铁胶结砾岩等；单轴饱和抗压强度在 5-30MPa 之间的称为软质岩石，代表岩石有凝灰岩、泥砾岩、页岩、泥质沉积岩类、云母片岩等。
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2.2 粗粒料的岩石特性
产生粗粒物质有两种方法，一种是受到外界的影响，自然风化产生的，如裸露在外的岩石、砾石、小卵石等，但这类粗粒料的自身强度比较低；二是采用人工爆破的方式，如挖方、隧道产生的石料，一般情况下这种产生的石料强度相对较高，但是也受到爆破过程中的影响。由此可以简单推测出其实粗粒料的压实与本身的力学性质是分不开的，有着关键的联系。
根据单轴压缩的应力-应变曲线分析，岩石强度的变化大致分六个过程：在第 1 阶段，岩石表面的微裂纹和孔洞被封闭，在第 2 阶段，当此阶段结束时，裂纹才开始出现并发展，在第 3 阶段，裂纹的形成和扩展没有直接的相互作用关系。在第 4 阶段，这个阶段是微裂纹出现速度最快的，裂纹的密度和扩展相互作用，也就是图 2.1 中的峰值部位，在第 5 阶段，岩石材料进入软化，其本身特性也发生了较大改变，在第 6 阶段，岩石基本上完成了分裂成块。如图 2.1 所示。
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第 3 章 粗粒料填筑高路堤变形与稳定性研究.............................. 20
3.1 稳定性分析思路..................................... 20
3.2 以变形量为失稳判据的路堤边坡有限元强度折减稳定分析方法..... 21
第 4 章 粗粒料填筑室内试验研究........................ 34
4.1 大三轴试验................................ 34
4.2 压缩试验......................... 42
第 5 章 典型断面稳定性分析........ 48
5.1 计算模型及参数............................. 48
5.2 计算结果及分析......................... 49
第 6 章 粗粒料填筑高路堤施工技术
6.1 粗粒料高路堤的填筑与压实
6.1.1 填筑压实
（1）粗粒料高路堤的填筑
主要内容如下：
1)根据公路等级的不同，将粗粒料路堤填筑方法分为分层倾倒法和倾倒法(包括抛填法)。
2)高等级公路各层厚度建议范围为 0.3-0.5m，其他公路各层厚度建议范围为0.5-1.0m。采用振动压路机时，相应的厚度可适当增加到 1.0m 左右。
3)粗粒料路堤岩性差异较大时，应根据岩石的岩性特点，填筑时进行详细的分类，并进行按性质分层填筑。
（2）粗粒料高路堤的压实
粗粒料高路堤填料的颗粒结构相对单一，同时由于强度高，性能稳定等原因，再加上颗粒之间无粘聚力，造成了压缩性低，当外力大于颗粒间摩擦力时，会引起颗粒间的相对运动。
（3）压实机具的选择
粗粒料宜选择重型振动压路机、锤式夯实机或冲击压路机或 25 吨以上的轮胎压路机，以满足填料的紧凑度要求。在路基施工中，在施工周期短、路基自然沉降时间短的情况下，路基的压实，特别是山区路基的高填土，以及大量的岩石或土石混合填土，使路基的自然沉降时间不足。目前国内外提高路基压实密度的方法有很多，但是相对简便实用的就是采用冲击压路机。
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第 7 章 主要研究结论
本项目通过粗粒料室内外试验、高填方粗粒料路堤稳定性分析理论、粗粒料路基施工技术研究，获得以下主要研究结论：
1、在室内环境下，开展相关试验，试验证明粗粒料有较好的物理力学性质，是较理想的路基填筑材料，当粗粒料的破碎率占比达到 1/4 时路基是最稳固和密实的，填料的最佳含水率为 13.7%。
2、施工期间高填方路基的沉降量约占总沉降量的 50%-70%，工后沉降约占总沉降的 30%-50%。因此路基填筑完成后应预留一定的沉降期，经研究约为 150-180 天。对高填方路基沉降的主要影响因素及权重为：施工工艺〉填筑高度〉地基条件〉填料。
3、以 45 cm 为松散铺装厚度，松散铺装系数的控制为 1.15 较为合适。 压实次数应控制在：1 次静压-1 次弱振动-7 次强振动，以保证碾压后路基上表面没有车轮轨迹，后两次的沉降差小于 3mm，压实度大于 95%。
4、冲击夯实是高粗粒料路堤的一种有效夯实技术。它可以大大降低高填方粗粒料的蠕变变形，这对于高填方粗粒料路堤工程的处理是非常有效的。还发现经冲击压实后的大粒径石料在工后也不会出现较大的变形和沉降。
参考文献(略)