7黄土地区路基病害设计与施工

黄土地区路基病害与防治路基病害整治课程内容第一节、黄土的工程特性第二节、黄土地区路基病害类型与成因第三节、土工合成材料防治黄土路基病害的应用技术第四节、土工合成材料防治路基边坡及排水构造物病害的应用技术第一节黄土的工程特性一、黄土的工程特性黄土具有多孔性，以粉土颗粒为主，富含碳酸盐，颜色以黄色为主；同时，黄土具有渗透性、湿陷性、易崩解等特点，在外荷载和自重作用下受水浸湿后容易产生湿陷变形。黄土以风积成因为主，具有大孔性，垂直节理和架空孔隙均较发育，含有大量可溶盐和膨胀性黏土矿物等，因此具有湿陷性和较低的承载力，极易引发各种各样的工程质量事故。而作为带状工程的公路，黄土所具有的不良工程地质特性造成的危害尤其严重，主要表现为公路边坡剥落、冲刷、滑坍、崩坍、流泥；路堤沉陷、表面滑溜、局部滑坍以及路面裂缝等。1.黄土的湿陷性湿陷性是黄土的主要工程性质，它是指在一定压力下受水浸湿，土体结构发生迅速破坏而发生显著下沉的特性。并不是所有黄土都具有湿陷性，具有湿陷性的黄土厚度并不大，一般在上部的10-20m。湿陷性黄土根据上覆应力的性质可分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土两类，前者是指那些在自重压力下浸水湿陷的黄土，这种黄土浸水后对构筑物危害极大，即使本身荷重不大的构筑物(公路、铁路和机场跑道)受水浸后也会下沉；后者是指在土自重压力下浸水不发生湿陷，只有在一定附加荷重下浸水才会湿陷的黄土。我国各地黄土的工程性能如下表所示2.黄土的渗透性老黄土中普遍存在构造节理，如斜节理，新黄土中原生柱状垂直节理发育，未曾发现有构造性节理。黄土中的节理，对路基边坡的稳定性常起控制作用。对于黄土渗透性来说，因其不是颗粒的胶结起作用，而是颗粒的排列结构起各向异性作用，影响是不能忽略的。研究表明，平行于垂直节理方向的渗透系数，即垂直向渗透系数一般大于水平向渗透系数。大量的试验证明，对不同的黄土，垂直方向渗透系数可以是水平方向渗透系数的1.2-2.55倍。3.黄土的各向同性和各向异性对黄土抗剪强度特性的研究，大多将注意力投向起始含水量的影响。通过对与垂直节理成正交、平行和45度相交进行的剪切试验，证实抗剪强度在不同方向上并不相同，基本上呈椭圆状。当剪切面平行于垂直节理方向时，抗剪强度相对最低，且含水量低时受各向异性的影响程度更大。而对于黄土的抗剪强度随着密度与湿度的变化规律更加重视。研究表明，对Q1、Q2黄土，密度较大，且变化较小，主要关注黏结力c、内摩擦角φ指标与含水量W的关系；对饱和黄土，湿度已达到饱和，主要关注黄土的c、φ指标和密度γd的关系；对非饱和黄土，c、φ指标与湿度和密度的关系须同时关注，它们均随起始含水量的增大而降低，随初始密度的增大而增大，且φ值的变化较小，而c值的变化却不容忽视。二、黄土分布特点黄土和黄土状土覆盖着全球大陆面积的2.5％以上。我国是世界上黄土分布最广泛的地区，面积达64万km2左右，占国土总面积的6.6％以上，其中连续分布面积达到44万km2。主要分布在北纬30°－49°，东经75°－127°之间的大陆内部干旱和半干旱地区。黄土分布地区的气候主要表现为干旱及半干旱的大陆性气候特征。雨量明显地从西北到东南逐渐增加。全年雨量的60％集中在7-9月，尤其是8月占全年的30％左右。年平均蒸发量则在1000mm以上。气温也是由西北向东南逐渐增加。气温日变化剧烈，最大日温差为27℃左右，呈现出典型的大陆性气候特征。黄土高原处于蒙古高原之南，极地气流由北向南伸展，即出现强度不同的寒潮，进入我国上空之后，改由西北向东南移动，冬春尤为频繁。在冷峰过后经常发生强旋风，将黄土高原西北部的沙漠或戈壁滩的尘埃卷入高空，形成尘暴。我国黄土高原所处的三面环山一面沙漠的有利地形，典型的大陆性干旱气候条件和季节性尘暴，为我国黄土风成论提供了足够的论据。我国西北地区黄土区地层最厚，最完整，分布连续，其特点较典型。黄土地貌第二节黄土地区路基病害类型与成因一、黄土路基病害及其成因1、黄土陷穴成因2、黄土陷穴类型3、黄土陷穴的分布规律4、黄土陷穴的探查和防治1、黄土陷穴成因黄土地区修筑的路基，在雨季时大面积汇集的雨水，沿着黄土的垂直节理和大孔隙向路基内部渗透、潜流，溶解了黄土中的易溶盐，破坏了黄土结构，土体不断崩解，水流带走黄土颗粒，形成暗穴，在水的浸泡和冲刷作用下，洞壁坍塌，逐渐扩大形成更大的暗穴或出露于地表的其他形态的陷穴。特别是在地形起伏多变、地表径流容易汇集的地方，而土质松散、垂直节理较多的新黄土中最易形成陷穴。黄土陷穴的产生是黄土的湿陷性及水的潜蚀淋溶作用的结果。黄土的湿陷性是产生陷穴的内在原因，水的潜蚀作用是产生陷穴的外部诱因。黄土的自身特点，为陷穴产生提供了本质条件。(1)湿陷性黄土是一种土质疏松，主要成分为粉土颗粒组成的特殊土，其细微颗粒极易遭受潜蚀；(2)黄土中易溶盐含量丰富，对强度起作用的结构状碳酸钙，在含CO2的水或酸性环境中，易受水溶蚀，破坏黄土的内部结构，使之变得松软，有利于地下水渗透，加速了渗流作用和机构潜蚀作用；(3)大孔隙和裂隙发育，为水的渗透提供了便利通道，加速了机械潜蚀。黄土地区特殊的水文气候条件，为陷穴的产生提供了有利的外部条件。该地区雨量很少，但较集中，全年暴雨多发生在7、8、9三个月，尤其在暴雨后，大量地表水迅速积聚，且有一定的水压力，水透过黄土像通过一个小吸管被吸下去，陷穴一般中间大，进口和出口小。微地形地貌特征，对陷穴产生也有一定影响。一般陷穴多发生在一边靠山，一边临深沟的地段，有时也发生在半填半挖路堑与路堤衔接处、桥涵台背填土处或者填土施工接岔处等，在地形起伏波折变化多的地方，特别是缓坡突然转为陡坡地段，也易形成陷穴。另外黄土地区，由于植被不发达，也为水的渗透提供了有利条件。2．黄土陷穴类型(1)根据黄土陷穴的成因划分①由地表浸水形成的陷穴；②暗流的侵蚀作用形成的陷穴；③因动植物和微生物作用引起的洞穴；④人为的洞穴；(2)根据黄土陷穴的形态划分①碟形地；②漏斗状陷穴；③竖井状陷穴；④串珠状陷穴；⑤暗穴；3．黄土陷穴的分布规律黄土陷穴的分布具有一定的规律性。从地貌看，在黄土塬的边缘、河谷阶地的边缘、冲沟两岸及河床中都常有陷穴分布。阶地边缘、河谷两侧多为坡积的松散黄土，易被冲蚀，因而离阶地斜坡和沟谷斜坡越近，陷穴越多。阶地高差越大，沟谷越深，由于地表水通过阶地边缘斜坡地带和沟谷斜坡地带时下渗越厉害，因而陷穴也越深，有的可深达20余米。从地层上看，在疏松的新黄土层中，尤其是现代上层湿陷性黄土地层，陷穴越多越明显。地层越早，陷穴发育也越受到限制。4．黄土陷穴的探查和防治黄土陷穴的探查：为了判断是否存在陷穴，可对可疑地段进行锥探。锥探时判别陷穴的两种情况：(1)在紧密土壤中，下锥时其土层对锥头的阻力大，因此，用很大力才能使锥杆进入土中。如锥头进入陷穴，土层对锥头的阻力突然消失，锥杆很快落下，就证明路基下部有陷穴。(2)在疏松的土壤中，土层对锥杆的阻力很小，此时锥探者要精神集中、细心锥探，降低进锥速度，用“高提轻落”的方法，缓慢下锥，如遇到陷穴，土层对锥头的阻力突然消失，锥杆自动下落，并在感觉上也有不同，就证明路基下部有陷穴。黄土陷穴的防治：黄土陷穴的防治采取预防和处治相结合的原则，首先要查明陷穴的位置和导致其产生的水源，并作出定性和定量分析，根据具体情况分别对待。陷穴的预防主要是加强地表和路基排水，改善地表性质，整平坡面，消除坑洼，减少水的积聚和渗透；加强植被保护和水土保持，加强路基外雨水的截排和路基的防渗防漏(如采用土工合成材料等)；开展巡查，对容易发生陷穴的地带定期检查。黄土陷穴的处治，主要是根据陷穴的大小分别采用灌浆、开挖回填等措施。陷穴较小的采用明挖，原土夯填；陷穴较大的灌泥浆，分两次进行，待第一次灌满泥浆干燥收缩后再进行第二次灌浆塞空。二、路堤病害及其成因路堤常见的病害主要有：①路堤或基底沉陷；②土桥病害；③路堤局部坍塌与边坡滑动等。1．沉陷变形路堤的沉陷变形有人为因素和地基因素。人为因素是指路堤本身填筑时碾压达不到设计的压实度要求，这是路堤沉陷变形的主要原因之一。研究表明：湿陷性黄土压实干密度达到16.5kN/m3可明显减少路堤本身的沉陷。地基因素指由于堤重或行车荷载的作用引起的固结沉降，对于湿陷性黄土浸水后则引起湿陷变形。为减少路堤的沉陷变形，应根据黄土的工程性质以及路堤的高度采取相应措施，其中利用土工合成材料加筋路堤或进行防渗处理，能够有效防止路堤的沉陷或湿陷变形。2．土桥病害黄土桥系指跨越沟谷的高填路堤，坐落于崾岘或冲沟之上。土桥改变了原来的水文、地质条件和地形地貌条件，加之车辆动荷载的作用，使得土桥与周围环境处于动态平衡之中，一旦某种因素失去平衡，将会产生土桥病害。水是引起土桥病害的根本原因，对土桥的破坏作用主要表现如下:(1)地面水对土桥坡面的冲刷：当土桥顶面两侧排水沟、边沟及坡面缺少必要的保护措施时，每当雨季，土桥坡面及顶面水只能沿坡面漫流。加之土桥填土高度大，本身汇水面积大，加剧了土桥坡面的冲刷，轻则坡面冲沟纵横，重则导致坡脚水土流失、崩塌，乃至路基失稳。宁夏S202线K19+700土桥坡面冲刷破坏宁夏S202线K19+700土桥局部湿陷破坏(2)地面水对土桥体的直向溶蚀和潜蚀;(3)洪水对土桥的破坏：黄土地区气候干燥，植被覆盖率差，降雨集中，暴雨时地面径流量大，水土流失严重。(4)地下水对桥基的水平溶蚀、潜蚀以及水对土体的冻融作用：不同黄土地区的土桥病害特征各异。土桥中涵洞病害率高，是土桥最主要的病害，因此排水系统对于土桥来说是十分重要的。土桥病害造成路面塌陷3．路堤坍塌与边坡滑动产生路堤坍塌与边坡滑动的主要原因有：路堤填筑质量，表现为压实度达不到设计标准；边坡设计不当，即确定的设计边坡形式和坡度与实际情况不符；路堤地基土软弱，当路堤高度大于临界值时，造成路堤整体滑动；边沟或边坡冲刷，边沟水冲刷掏空坡脚可造成路堤坍塌与边坡滑动。黄土路堤边坡病害急流槽周边湿陷破坏三、边坡病害及其成因1．边坡病害类型公路路堑一般位于地面表层，开挖后暴露于大气中，受各种自然和人为因素影响，路堑边坡易发生破坏变形。黄土路堑边坡变形破坏方式可分为剥蚀(包括剥落和冲刷)和滑塌(包括滑坍、崩坍、坡脚坍塌等)两种。(1)边坡剥蚀坡面剥蚀是黄土边坡变形的一种普通现象，一般发生在各种黄土层中。虽然这种边坡变形不是坡体整体变形，但对路堑边沟危害较大，会引起其他更严重的边坡变形或破坏。路基边坡剥蚀宁夏S202线K23附近坡面剥落a)K23+100；b)K23+300由于坡面剥蚀严重，路堑边沟淤积，影响了边沟排水，雨水侵蚀进而可能造成边沟两侧黄土湿陷，加剧路基破坏。ab宁夏黑－海路坡面冲刷，形成细沟、洞穴和冲沟属于典型的黄土边坡，由于黄土强度低、节理裂隙发育，当坡面受到冲刷作用时，常引起大量的水土流失，使坡面被冲刷成纹沟、细沟、洞穴，并发展成暗沟、冲沟等，同时坡体局部有坍塌破坏现象(2)边坡滑塌黄土边坡的破坏方式和规模与黄土层的构造特征密切相关。具有构造节理的黄土边坡，常呈现沿节理面滑落；具有垂直节理的黄土边坡，其破坏方式常呈现为坍塌；无构造节理的黄土边坡则主要为滑坡破坏。路堑边坡滑坡路基边坡冲刷、崩坍2．边坡侵蚀破坏机理黄土高原降雨量不大，但该地区的侵蚀强度却为全国之最。由于地表起伏的存在及地表抗冲蚀性的不均匀，径流在顺坡向下流动的过程中必然发生汇集，水深和流速逐渐增加形成股流。这个过程最初以面状侵蚀为主，之后发展为细沟侵蚀，以至于浅沟侵蚀。在坡面径流过程中，径流汇集成股流是细沟侵蚀发生的必要条件。径流汇集以后，水深及流速都比薄层漫流增大若干倍，水流侵蚀力及搬运泥沙的能力也都成倍增加。其结果使得地表横向不均匀性进一步加大，径流流路渐渐固定，水流的紊动性也不断加剧。随着径流过程的不断持续，便会在流路上开始出现一系列的跌水。跌水出现后，流路纵断面上形成了许多不连续的断点，每个断点都是侵蚀的最活跃点。除了水流剪切应力外，重力的影响程度大大增强。土粒是以块状滚落进入运动