内容简介
《稳定粉细砂基层路面结构理论技术研究》针对公路建设中天然砂砾、碎石日 益短缺及积极改善开采砂砾造成资源破坏、长距离运输碎石造成建设成本上升的问题，阐明了稳定粉细砂材料研究的经济社会效益，并从稳定粉细砂材料的组成设计、性能验证、改良机制及典型结构等方面提出了解决思路。《稳定粉细砂基层路面结构理论技术研究》主要内容包括：稳定粉细砂配合比设计及性能研究、稳定粉细砂材料损伤试验评价、稳定粉细砂细微观结构特性分析、稳定粉细砂基层路面结构力学行为分析、稳定粉细砂基层路面结构验算及典型结构推荐等。
《稳定粉细砂基层路面结构理论技术研究》可供从事道路材料与结构一体化设计的工程技术人员、相关领域的研究人员 以及大专院校相关专业师生学习参考。
精彩书摘
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
截至2021年，我国公路总里程达528.07万km，高速公路通车总里程达16.91万km，位居全球高速公路里程第一但仅占全国公路总里程的3%，如图1－1所示。早期修建的道路又陆续进入大修期，由此可见，公路建设仍有很大的空间。经粗略估算，在未来十年，全国仅路面工程基层砂石集料的消耗量就高达上百亿立方米。
建筑材料（水泥、砂石集料等）的需求面临着巨大的挑战。2021年水泥产量累计为23.6 亿t，砂石集料的需求量已接近200亿t；同时，未来五年我国水泥需求大概率维持高位稳定的状态，砂石集料的短缺问题日益突出，严重制约了我国公路建设的发展速度，此问题在无砂石地区或缺乏砂石地区表现得尤为突出。砂、砾碎石等建筑材料的开采引起的植被破坏、滑坡、泥石流等自然灾害的频发，水泥石灰等建筑材料的生产诱发温室气体、粉尘污染的加剧，混合料生产过程中对土地造成的破坏和污染难以修复等（见图1－2），这些不利于环境保护的因素引起了公众的强烈关注。
在我国的历史长河中，黄河拥有着举足轻重的地位，被誉为“中华民族的摇篮”。然而黄河泥沙含量大，特别是黄河下游河段为地上河，沉积的是粉细砂，灾难频频，破坏力巨大，成为困扰我国经济社会发展的一大隐患和难题。黄河的安危关系到下游众多的百姓。改善和解决黄河防洪问题，一直都是国家大事。近年来，对黄河泥沙的资源状况、理化特性，以及资源化利用等问题进行了探索，取得了不少成果。黄河粉细砂是黄河下游的河流沉积物。黄河中下游地区每年堆积上亿吨泥沙，不仅抬高河床，对附近人民的生命财产安全造成威胁，而且在枯水期容易引起飞尘污染环境。筑路材料的短缺和大量泥沙（粉细砂）废弃浪费的矛盾，使得粉细砂综合化利用技术遇到前所未有的发展机遇。因此，以人工合成材料替代传统筑路材料，将分布广泛的粉细砂作为主要的路面基层材料，实现公路建设就地取材，提高工程质量，降低工程造价节省能源和资源，保护生态环境，已成为公路可持续发展的当务之急。综合考虑生态环境保护及道路施工质量的影响因素，在公路工程建设中采用新技术、新工艺，寻求一种新型环保的稳定材料取代或者减少水泥、石灰、碎石等材料的用量，并满足不同等级道路工程对基层和路基的质量要求，节省建设工程造价，构建绿色交通环境，是交通领域需要解决的重大技术，该技术的开发和应用具有紧迫的现实意义。
本书依托自主研发的固化剂对粉细砂进行改良，经过处理的粉细砂将作为路面基层的材料，能够满足路面基层材料性能要求，可以充分利用工程当地大量的粉细砂资源，从经济效益来看，将会显著降低材料费用、节省运费；从建设生态公路的指导思想出发，固化剂稳定粉细砂基层得到推广应用将会大大减少砂砾和石料的开采、加工存放等环节，解决砂砾短缺的现状，减少占用和破坏土地资源，改变过去传统的“修一条路毁一座山”的境况。同时，由于合理利用了当地的材料，避免对环境的污染，保护了当地生态环境，实现了公路建设的可持续发展。研究成果完善了稳定粉细砂技术的理论体系，实现了材料组成的宏－细观尺度的设计方法，丰富了工程建设领域的材料类型，也为相关土体固化技术、黄河泥沙资源综合利用等提供技术参考。
1.2 粉细砂利用现状和发展趋向
目前，对河流泥沙资源化利用的研究主要集中在能源开发利用、新型建筑材料利用、河口造陆及湿地水生态保护利用农业利用四个方面。由于黄河泥沙（粉细砂）资源化利用具有典型的代表性，在此主要对粉细砂利用现状和发展趋向进行论述。
1.2.1 粉细砂在能源开发方面的资源化利用
黄河流域具有丰富的矿产资源，此中已探明的铝土资源储量占我国铝土资源总储量的58%，黄河流域的煤炭资源储量在我国煤炭资源总储量中的占比高达70%以上，而黄河流域稀土资源储量在我国稀土资源总储量中的占比更是达到了95%，此外，铜、铅、天然碱、芒硝、锌、铁、沸石、硫铁石膏等储量在我国都处于重要地位。在各类矿产资源开采过程中，经常会造成地面塌陷、地面沉降等地面变形，据相关资料，位于黄河中游地区的神木市，矿藏采空区面积达到130km2构成塌陷区72.67km2，对当地的自然生态环境造成了严重影响。为了解决这种能源开发带来的自然环境破坏，一些地方利用黄河粉细砂对塌陷区进行充填一定程度上恢复了塌陷区原有的地貌。据报道，山东省济宁市开展了利用黄河粉细砂对采煤塌陷地进行充填复垦试验，总计利用黄河粉细砂168万t共治理塌陷地46.7hm2河海大学的相关学者利用郑州花园口的黄河粉细砂，开展了将黄河粉细砂与水污染治理相联系的研究，尝试应用黄河粉细砂治理水污染，并且取得了初步的成果。
……
目录
前言
第1章 绪论 （1）
1.1 研究背景及意义 （1）
1.2 粉细砂利用现状和发展趋向 （2）
1.3 土壤固化剂研究进展 （4）
1.4 稳定粉细砂的研究现状 （8）
1.5 稳定材料基层的研究现状 （12）
1.6 研究内容 （18）
第2章 稳定粉细砂配合比设计及性能研究 （20）
2.1 原材料性质 （20）
2.2 试验方案及制备养护 （24）
2.3 物理力学特性分析 （25）
2.4 稳定方案比选 （34）
2.5 静态抗压回弹模量 （35）
2.6 摩尔-库仑破坏面 （37）
2.7 工艺参数分析 （39）
2.8 小结 （45）
第3章 稳定粉细砂材料损伤试验评价 （47）
3.1 冻融循环试验 （47）
3.2 干湿循环试验 （54）
3.3 动态抗压回弹模量试验 （61）
3.4 弯拉强度及疲劳试验 （67）
3.5 损伤评价指标的确定 （72）
3.6 小结 （73）
第4章 稳定粉细砂细结构特性分析 （74）
4.1 微观结构特性 （74）
4.2 细观结构力学特性 （77）
4.3 基于细观结构的损伤破坏研究 （87）
4.4 小结 （101）
第5章 稳定粉细砂基层路面结构力学行为分析 （102）
5.1 典型路面结构调查 （102）
5.2 路面结构及设计参数 （103）
5.3 稳定粉细砂基层路面结构力学响应分析 （105）
5.4 稳定粉细砂底基层结构力学响应分布分析 （115）
5.5 小结 （119）
第6章 稳定粉细砂基层路面结构验算及典型结构推荐 （120）
6.1 设计指标及参数 （120）
6.2 路面结构验算流程及指标 （122）
6.3 稳定粉细砂基层路面结构验算 （128）
6.4 稳定粉细砂基层典型路面结构推荐 （144）
6.5 小结 （147）
第7章 结论与展望 （148）
7.1 结论 （148）
7.2 展望 （149）
参考文献 （150）
试读
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
截至2021年，我国公路总里程达528.07万km，高速公路通车总里程达16.91万km，位居全球高速公路里程第一但仅占全国公路总里程的3%，如图1－1所示。早期修建的道路又陆续进入大修期，由此可见，公路建设仍有很大的空间。经粗略估算，在未来十年，全国仅路面工程基层砂石集料的消耗量就高达上百亿立方米。
建筑材料（水泥、砂石集料等）的需求面临着巨大的挑战。2021年水泥产量累计为23.6 亿t，砂石集料的需求量已接近200亿t；同时，未来五年我国水泥需求大概率维持高位稳定的状态，砂石集料的短缺问题日益突出，严重制约了我国公路建设的发展速度，此问题在无砂石地区或缺乏砂石地区表现得尤为突出。砂、砾碎石等建筑材料的开采引起的植被破坏、滑坡、泥石流等自然灾害的频发，水泥石灰等建筑材料的生产诱发温室气体、粉尘污染的加剧，混合料生产过程中对土地造成的破坏和污染难以修复等（见图1－2），这些不利于环境保护的因素引起了公众的强烈关注。
在我国的历史长河中，黄河拥有着举足轻重的地位，被誉为“中华民族的摇篮”。然而黄河泥沙含量大，特别是黄河下游河段为地上河，沉积的是粉细砂，灾难频频，破坏力巨大，成为困扰我国经济社会发展的一大隐患和难题。黄河的安危关系到下游众多的百姓。改善和解决黄河防洪问题，一直都是国家大事。近年来，对黄河泥沙的资源状况、理化特性，以及资源化利用等问题进行了探索，取得了不少成果。黄河粉细砂是黄河下游的河流沉积物。黄河中下游地区每年堆积上亿吨泥沙，不仅抬高河床，对附近人民的生命财产安全造成威胁，而且在枯水期容易引起飞尘污染环境。筑路材料的短缺和大量泥沙（粉细砂）废弃浪费的矛盾，使得粉细砂综合化利用技术遇到前所未有的发展机遇。因此，以人工合成材料替代传统筑路材料，将分布广泛的粉细砂作为主要的路面基层材料，实现公路建设就地取材，提高工程质量，降低工程造价节省能源和资源，保护生态环境，已成为公路可持续发展的当务之急。综合考虑生态环境保护及道路施工质量的影响因素，在公路工程建设中采用新技术、新工艺，寻求一种新型环保的稳定材料取代或者减少水泥、石灰、碎石等材料的用量，并满足不同等级道路工程对基层和路基的质量要求，节省建设工程造价，构建绿色交通环境，是交通领域需要解决的重大技术，该技术的开发和应用具有紧迫的现实意义。
本书依托自主研发的固化剂对粉细砂进行改良，经过处理的粉细砂将作为路面基层的材料，能够满足路面基层材料性能要求，可以充分利用工程当地大量的粉细砂资源，从经济效益来看，将会显著降低材料费用、节省运费；从建设生态公路的指导思想出发，固化剂稳定粉细砂基层得到推广应用将会大大减少砂砾和石料的开采、加工存放等环节，解决砂砾短缺的现状，减少占用和破坏土地资源，改变过去传统的“修一条路毁一座山”的境况。同时，由于合理利用了当地的材料，避免对环境的污染，保护了当地生态环境，实现了公路建设的可持续发展。研究成果完善了稳定粉细砂技术的理论体系，实现了材料组成的宏－细观尺度的设计方法，丰富了工程建设领域的材料类型，也为相关土体固化技术、黄河泥沙资源综合利用等提供技术参考。
1.2 粉细砂利用现状和发展趋向
目前，对河流泥沙资源化利用的研究主要集中在能源开发利用、新型建筑材料利用、河口造陆及湿地水生态保护利用农业利用四个方面。由于黄河泥沙（粉细砂）资源化利用具有典型的代表性，在此主要对粉细砂利用现状和发展趋向进行论述。
1.2.1 粉细砂在能源开发方面的资源化利用
黄河流域具有丰富的矿产资源，此中已探明的铝土资源储量占我国铝土资源总储量的58%，黄河流域的煤炭资源储量在我国煤炭资源总储量中的占比高达70%以上，而黄河流域稀土资源储量在我国稀土资源总储量中的占比更是达到了95%，此外，铜、铅、天然碱、芒硝、锌、铁、沸石、硫铁石膏等储量在我国都处于重要地位。在各类矿产资源开采过程中，经常会造成地面塌陷、地面沉降等地面变形，据相关资料，位于黄河中游地区的神木市，矿藏采空区面积达到130km2构成塌陷区72.67km2，对当地的自然生态环境造成了严重影响。为了解决这种能源开发带来的自然环境破坏，一些地方利用黄河粉细砂对塌陷区进行充填一定程度上恢复了塌陷区原有的地貌。据报道，山东省济宁市开展了利用黄河粉细砂对采煤塌陷地进行充填复垦试验，总计利用黄河粉细砂168万t共治理塌陷地46.7hm2河海大学的相关学者利用郑州花园口的黄河粉细砂，开展了将黄河粉细砂与水污染治理相联系的研究，尝试应用黄河粉细砂治理水污染，并且取得了初步的成果。
……
前言/序言
随着社会的不断发展，我国对道路建设的投入日益加大，砂、石等传统筑路材料的开采已严重破坏环境，工程建设的快速增长使整个社会付出了巨大的代价。筑路材料的短缺和大量泥沙（粉细砂）废弃浪费的矛盾，使得粉细砂综合化利用技术遇到前所未有的发展机遇。因此，以人工合成材料替代传统筑路材料将分布广泛的粉细砂作为主要的路面基层材料，实现公路建设就地取材，提高工程质量，降低工程造价，节省能源和资源，保护生态环境，已成为公路可持续发展的当务之急。综合考虑生态环境保护及道路施工质量的影响因素，在公路工程建设中采用新技术新工艺，寻求一种新型环保的稳定材料取代或者减少水泥、石灰、碎石等材料的用量，并满足不同等级道路工程对基层和路基的质量要求，节省建设工程造价，构建绿色交通环境，是交通领域需要解决的重大技术，该技术的开发和应用具有紧迫的现实意义。
本书依托自主研发的固化剂对粉细砂进行改良，首先阐明了稳定粉细砂材料研究的重大经济社会效益及国内外的研究成果和研究现状；然后采用室内试验开展了稳定粉细砂配合比设计及性能验证研究，进而探讨了稳定粉细砂的损伤试验方法及损伤评价指标的比选；最后基于资料调研和室内试验成果，采用数值计算方法对稳定粉细砂基层路面结构的力学响应及路面结构验算开展研究，推荐了适应于河南地区的稳定粉细砂基层典型结构及材料参数。稳定粉细砂材料能够满足路面基层材料性能要求，可实现就地取材，从经济效益看，将会显著降低材料费用节省运费；从生态效益看稳定粉细砂基层得以推广应用，将会大大减少砂砾和石料的开采、加工存放等环节，解决砂砾短缺的现状，减少占用和破坏土地资源，改变过去传统的“修一条路毁一座山”的境况。研究成果完善了稳定粉细砂技术的理论体系，实现了材料组成的宏－细观尺度的设计方法，丰富了工程建设领域的材料类型，也为相关土体固化技术、黄河泥沙资源综合利用等提供技术参考。
本书在编写过程中得到了相关单位的大力支持和帮助，许多同志参与了本书的调研和实践工作。另外本书在编写过程中还引用了大量的参考文献。在此，谨向为本书的完成提供支持和帮助的单位、所有研究人员和参考文献的作者表示衷心感谢！
由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请专家、学者批评指正。
作者
2025年2月
