路基工程地质结构分析理论与实践

2019/8/71路基工程地质结构理论与实践长安大学李家春博士、副教授[e-mail]@chd.edu.cn2讲座主要内容一、本理论的发展过程二、几个基本概念三、路基工程地质结构四、土体结构、岩体结构及路基结构效应五、路基工程地质结构分析方法六、在工程中应用大约需180分钟2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]3在研究公路地质灾害的判别、评价、分析计算时，首先应建立地质模型。孙广忠先生提出的岩体结构力学是建立地质模型的理论基础。于2007年，作者提出“边坡工程地质结构论”，随后改为“路基工程地质结构论”。一、本理论的发展过程2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]4一、本理论的发展过程(续)在我国干线公路灾害整治工程调查与治理方案选择中，应用“路基工程地质结构理论”，为工程提出了合理化建议。在多次交通部西部干部培训及其他培训中，作为培训内容进行讲解，受到广大基层人员的欢迎。本理论也在实践中得到发展和完善。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]5常见路基地质灾害1、滑坡：边坡中存在倾向临空的缓倾软弱带，由于开挖或填筑等原因使斜坡下部失去支撑，在重力作用下，岩土体整体沿软弱带向下、向前滑动的现象。公路工程中出现最多的是堆积层沿基岩顶面滑动的堆积土滑坡、顺倾岩层的顺层滑坡、断层破碎带的破碎岩石滑坡。此外，还有粘性土滑坡、黄土滑坡、昔格达层滑坡等。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]6常见路基地质灾害（续）2、崩塌：风化破碎的高陡边坡，由于一组或多组结构面组合，将岩体切割成大小不等的块体，主变形结构面陡于边坡坡率，常在结构面与边坡坡面结合部首先破坏，后部岩体失去支撑时产生崩落、倒塌、翻滚和剪切下错的变形破坏现象。多数为局部边坡变形。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]7常见路基地质灾害（续）3、坍塌：介于滑坡与崩塌之间的边坡破坏形式。没有固定的滑动面，主要产生于边坡表面松散的风化破碎层，在自然风蚀、干湿循环和强降雨的表水作用下，或因开挖后地下水渗流条件改变，坡脚或渗水处岩土被软化、强度降低而引起上部边坡失稳。是公路边坡出现频次最多的灾害类型。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]8常见路基地质灾害（续）4、错落：陡倾斜坡地段，坡体中发育一组陡倾的结构面，且下卧一层一定厚度的软弱破碎带，形成基座式坡体结构，当软弱带产生压缩变形，上履岩体沿陡倾结构面下错、张开，岩体以垂直位移为主，水平位移为辅。软弱带称为错落带。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]9常见路基地质灾害（续）5、倾倒：陡倾的薄层状岩层，在开挖或沟谷下切卸荷过程中，边坡松弛，沿结构面产生剪切位移，向临空面缓慢弯曲变形的现象。此外，还有坡面病害：落石、碎落、坡面冲刷、溜坡等边坡病害。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]10常见路基地质灾害（续）6、路基沉陷7、路基塌陷8、下边坡垮塌9、路基洪水灾害（冲刷、淹没）10、泥石流可见，灾害类型多，形态各异，成因复杂2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]11二、几个基本概念－－岩土岩石岩体岩层土壤/土土体第四纪松散堆积物堆积层岩土2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]12二、几个基本概念－－路基路基－系统地基基底基础边坡路基形式路基结构边坡结构2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]13二、几个基本概念－结构土体结构－土的结构岩体结构－岩石结构岩土体结构边坡结构路基结构2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]14路基断面图式路堤低填浅挖半填半挖路堑路基沉陷与塌陷路基滑移与滑坡路基坍塌与崩塌2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]15以软土地区路堤为例最简单的形式：当基底为软土，厚度均匀，则路基会发生均匀的沉降，可能的破坏方式为两侧均从坡脚，路堤出现纵向裂缝或侧向变形、下沉。可用碎石桩、挤密桩等均匀加固处理。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]16其他对称式处理方式基底填一层卵砾石层反压护坡换填砂砾2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]17如果地基软土厚度变化大路基的变形破坏方式及处理与上面情况不同。地基处理必然是不对称的方式，如下图所示。也可在地基一侧设隔墙。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]18侧向约束法系杆夯石堆2019/8/719路基的工程地质结构决定了路基的力学性质、变形性质路基工程地质结构2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]20三、路基工程地质结构路基工程地质结构：由外部形态、内部结构面及路基岩土组合而成的系统。路基几何形态内部结构面岩土工程性质三个要素，一个系统三部分相互影响互为依存，并构成路基结构系统2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]21路基工程地质结构的性质三要素相互依存、相互联系和作用因结构而产生新的力学性质和变形性质结构的多样性和复杂性自然结构与人工结构共存存在不同尺度的结构，决定了不同的路基性能－－结构控制性是开放的系统，受环境影响或制约2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]22路基工程地质结构类型岩体结构：整体结构块状结构层状结构碎裂结构土体结构：均质层状透镜体边坡几何形态：阶梯直线折线岩石工程类型，土的工程类型组合为多种类型路基形式：路堤挖方半填半挖路堑2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]23路基工程地质结构理论框架内部结构水理效应力学效应变形效应路基材料路基形态路基结构地震地应力水人类路基断面类型路堑路堑边坡1、从半坡剪出破坏2、从坡脚剪出破坏3、崩塌路基形态路基断面类型台口式路基台口式挖方路基1、上边坡滑动破坏2、上边坡崩塌破坏3、下边坡垮塌或滑坡路基形态路基断面类型半填半挖基半填半挖路基1、上边坡破坏与前述相同2、下边坡滑移原地面线路基形态路基断面类型路堤路堤1、路堤不均匀沉降2、路堤边坡侧向滑移长安大学公路灾害防治研究所李家春路基形态2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]28路堤不均匀沉降及其结构不均匀沉陷不允许变形总沉降量包括地基沉降量和填土沉降量。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]29岩土工程分类岩石：坚硬、次硬、软弱土：巨粒土、粗粒土、细粒土（粉性土、粘性土），特殊土（黄土、红粘土、冻土、盐渍土、沙漠、膨胀土、…）路基材料2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]30土的分类成因分类：冲积、洪积、湖积、风积、坡积、残积、冰碛，等。还有复合类型。粒度分类：巨粒土、粗粒土、细粒土，特殊土。（细粒土再根据塑性图分。）施工：松土、普通土、硬土、（软石、次坚石、坚石）密实程度：密实、中密、稍密、松散路基材料2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]31土体的概念土体是与一定的工程建筑物的变形和稳定相关的新第三纪以来（通常为第四纪）的地质体。作为土体的组成可以是单一土层的均质土体，也可以是多种性质的多层土层构成的复杂土体。因此，在后一种情况下土体性质不等于某一土层的性质，也不等于各个土层性质的简单叠加，而是联合作用相互影响的有机整体。路基材料2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]32土体的微结构与宏观结构当土体的规模较小或性质较均一时，土的微结构可以代表土体的结构。例如，粘性土的微结构概念中既包括土的颗粒组成、颗粒之间的相互关系，游离氧化物、有机质、可溶盐在土中存在形式。路基材料2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]33岩石结构与岩体结构因为岩体结构面的强度远远小于岩石材料强度，所以岩体的强度更多地依赖于岩体的宏观结构－－岩体结构。当结构面对工程有利，如反倾，则岩石结构发挥更大作用。路基材料2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]34土体中的节理裂隙以膨胀土为例，它除了具有一般粘性土的微结构外，土体中存在着网状的收缩裂，光滑的膨胀裂隙，某些情况下还有古滑坡产生的滑坡裂隙，以及层间软弱夹层，甚至有些地方有构造裂隙和第四纪断层。黄土中节理裂隙也很发育，特别是垂直裂隙。－结论：岩体和土体中都有节理裂隙。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]35土体结构的含义由各种土层构成的土体的宏观结构，不仅包括了土层组合，又包括了土层间和土体与岩体间的界面特征、产状和相互关系。土体的结构效应表现在：力学性质、变形性质、水理性质。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]36对土体结构的认识途径超宏观结构－－宏观结构－－显微结构－－超显微结构宏观结构不是微观结构的叠加2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]37土体的结构效应－膨胀土滑坡膨胀土边坡边坡开挖后边坡表层的土体在干旱季节遭受强烈的风干脱水，土体收缩并形成大量的收缩裂隙，向土体内部脱水收缩程度明显地减弱，因此它存在着风化影响深度问题。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]38在膨胀土风化影响深度范围内，由于大量裂隙的存在，土的性状和结构强度均与风化影响深度以下的土体具有显著的区别。膨胀土滑坡几乎全部位于风化带内，受风化带界面的控制2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]39其破坏机埋是大气降水渗入风化带内，特别是渗至风化界面处停滞下来，使裂隙和风化界面部位的粘土物质发生水化和膨胀，并导致强度衰减和边坡破坏。滑动破坏的深度大多在6米以内。因此对膨胀土边坡必须采取防风干脱水全封闭的工程措施。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]40当土体中，有不同土层之间层面，或夹极薄软弱土层或呈光滑界面接触，这种软弱土层或界面的存在，以及界面与边坡坡向的关系，往往控制或导致边坡的破坏。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]41土体的结构效应－黄土滑坡通过调查发现，纯粹的黄土中形成滑动面而产生滑坡是很少见的。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]42黄土滑坡多发于结构面出露时不同黄土层的接触面，新黄土与老黄土古土壤层黄土与砂砾石层黄土与下伏基岩接触面黄土与第三纪红粘土接触带（最多）2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]43边坡结构对其稳定性的影响主要是边坡中存在古土壤、红粘土、砾石层、黄土与基岩接触面等。由于它们的存在，黄土边坡呈层状结构，或“上土下岩”的二元结构。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]44黄土边坡结构示意垂直节理裂隙发育，土层的垂向差异性，决定了黄土边坡的稳定性。2019/8/7公路灾害防治研究所李家春[e-mail]45虽然黄土地区地下水较少，但黄土层中的砂层透镜体与具有隔水意义的古土壤层、黄土中的砾石层或黄土高阶地下的砂砾石层与下伏的第三系红粘土或泥岩、页岩，可以组成较好的含水系统，这将严重影响到边坡的