黄土路基病害与防治ppt课件.ppt

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1、主讲教师：杨 平,第七章 黄土地区路基病害与防治,四川交通职业技术学院道桥系,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

2、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

3、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

4、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、指标和密度d的关系；对非饱和黄土，c、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，且值的变化较小，而c值的变化却不容忽视。,二、黄土分布特点,

5、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3049，东经75127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1 000mm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

6、，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

7、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

8、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，

9、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 由地表浸水形成的陷穴；暗流的侵蚀作用形成的陷穴；因动植物和微生物作用引起的洞穴；人为的洞穴；(2)根据黄土陷穴的形态划分 碟形地；漏斗状陷穴；竖井状陷穴；串珠状陷穴；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。

10、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。,

11、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：路堤或基底沉陷；土桥病

12、害；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

13、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

14、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

15、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。,a b,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

16、、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

17、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状态，侵蚀强度也随之急剧增加。这些侵蚀断点便会成为细沟的沟头，在流水作用下，不断发生溯源侵蚀，细沟也就不断加长，直至多处沟头贯通，形成完整的细沟。,跌

18、水形成是坡面侵蚀方式发生变化的重要分界点，它标志着细沟开始形成，同时也表明在径流流路上，侵蚀方式已由面状侵蚀转为沟状侵蚀。当已进入急流状态的坡面股流顺坡流下时，径流流路的宽度会有很大的变化，且在坡面不同的地方具有不同程度的宽窄变化。由于边界条件的不规则性，边壁状况的改变会使水流的扰动产生一种波动现象，即急流冲击波。水流出现冲击波时，水面不仅沿纵向起伏变化，而且在横断面上的水深也发生局部壅高，水面上形成菱形波浪。由于急流具有很大的惯性，遇到边壁扰动时，便会以很大的速度冲击边壁。而边壁也对水流施加反力，迫使水流沿边壁转向，产生动量变化，造成水面的局部壅高。冲击波产生后水深、流速的变化与水流的性质及

19、引起扰动的边界条件有关。,径流深度的局部增大，冲击波的出现，使得径流在冲击波交汇的地方出现局部径流深度剧增，其剥蚀分散土壤的剪切应力也随之增大，其结果便会在此形成跌水，从而诱导细沟发生,最后形成冲沟或暗沟等，如下图。因此，水流本身的流态变化及局部扰动是导致细沟沟头形成的直接内在的原因。,路基边沟下蚀形成浅沟、切沟、暗洞、冲沟 宁夏S203线桥台护坡体破坏,3影响边坡稳定的因素 影响边坡稳定的因素主要有坡度、坡长、土壤硬度、植被状况和护坡工程等。(1)坡度：地面坡度是决定径流冲刷能力的基本因素之一，而径流冲刷能力则是影响边坡稳定性的重要原因，径流冲刷能力越强，对边坡的破坏作用越大。坡度与径流冲刷

20、能力的关系为，在一定的范围内，坡度越大，径流冲刷能力越强，侵蚀量也越大。然而，存在有一个临界坡度，超过临界坡度，侵蚀量随坡度的增加反而减小。目前，对临界坡度的研究还没有统一的结论，有人认为临界坡度为26-28，而有的研究认为在40左右。(2)坡长：已有资料证明，在相同降雨条件下，坡长越长，它的径流量也越大。坡长越长，侵蚀量越大，边坡越不稳定；同时，坡长增加也加重了重力侵蚀。(3)土壤硬度：由于影响土壤硬度的因素与土壤的透水性、抗蚀性、抗冲性有密切关系，因此，土壤硬度也是影响边坡稳定性的重要因素之一。已有研究表明，土壤抗冲性随土壤硬度的减小而减弱。土壤硬度的大小又决定了植物的生长情况，而植物对边

21、坡具有很强的保护作用。,(4)植被状况：良好的植被覆盖对防止土壤侵蚀起着积极作用，各种条件下的植被都有阻止水蚀和风蚀发生的作用。植物的机械效应有固结土体、降低风速等作用。(5)护坡工程：护坡工程可有效地防止崩塌、滑坡等重力侵蚀，并对减弱沟蚀也有一定的积极作用.在黄土地区，穿越沟谷除采用黄土桥外，不少地段采用建桥方案。由于沟壑纵横、谷坡陡峻，在暴雨季节，桥台护坡体往往受到雨水的强烈冲刷作用。如果路堤边坡表层土质松散，浆砌片石护坡不能与路堤紧密结合，雨水渗入往往会引起表层松散黄土湿陷、浆砌片石局部下沉，从而出现护坡面凹凸不平，并多处开裂。由于桥台基础产生不均匀沉降变形，往往导致局部护坡体失稳滑塌。

22、,4边坡病害的防治 黄土地区极易发生边坡破坏变形，对公路建设危害极大。在所调查的省道202、国道309、黑一海路、预一惠路等都见到了不同程度的路堑边坡破坏现象。对于这些病害，应坚持预防为主。对于剥蚀破坏，一般可以采取工程措施来防护，而对滑塌破坏必须在边坡设计过程中对边坡滑塌稳定性作出正确预测，并采取相应的工程措施来控制。,第三节土工合成材料防治黄土路基病害的应用技术,一、概述,黄土地区公路路基病害的主要表现形式为路基沉陷或陷穴、路堤或基底沉陷、坡面滑溜、路堤局部滑坍或整体滑坡、土桥病害等。黄土特殊的工程特性导致了黄土地区公路病害的产生，其中黄土的湿陷性是引起路基破坏的主要因素，而黄土湿陷性与水

23、的潜蚀作用导致的路基湿陷，对公路危害极大。因此，设置完善的防、排水系统，最大限度地降低地基受水浸湿的可能性是防止黄土湿陷破坏的首选措施，也是最经济的技术措施。在黄土路基中加入土工合成材料，其目的就是要防水和减载。利用土工合成材料所产生的剪力及拉力以改变路基的受力状态，使路基能够均匀承受荷载，减少路基的局部沉降及侧向位移，提高路基的承载力。利用土工合成材料防治路基病害，不仅要改变其受力状态，还要解决地表水及地下水的排导、隔离、防渗等，并进行必要的加固，使路基免受水的侵害。,二、试验路段土样的室内试验,土样选白银古高速公路辅道K13+140K13+200试验路段，共取6组原状土样和3组扰动土样，室

24、内试验包括以下内容。1黄土物理性质试验(1)颗粒分析试验，分别对6组原状土样和3组扰动土样进行了颗粒分析试验，结果见下表,从颗粒分析试验可以看出，该处地基土主要为颗粒小于0.25mm的粉状黄土，粉粒直径范围为0.075-0.005mm；少数土样是以黏粒(0.005mm)为主的粉质黏土或以粉砂粒(0.25-0.075mm)为主的粉砂。从黄土的颗粒分析结果可知，该区黄土为近源风积为主，颗粒主要为粉粒，含有较多的粉砂粒。,(2)物理性质试验 分别对6组原状土样和3组扰动土样进行了土的物理性质试验，结果表明，该试验段粉状黄土的天然含水量一般在10左右，天然密度为1.60-1.71g/cm3，干密度为1

25、.45-158g/cm3，饱和度为32.6-31.9，天然孔隙比为0.697-0.848。说明该段黄土由于粉粒含量较高，并含有少量粉砂粒，导致黄土具有较大的干密度和较小的孔隙比，并且具有较好的透气性和透水性。所以，该处黄土具有较低的天然含水量。试验结果换表明：黄土的液限较低，一般为21.227.4，说明该处黄土由于粉粒含量较高，在较低的含水量时即可产生液化，易导致黄土的湿陷和破坏。因此，黄土路基的病害防治应以防水为主，并辅以其他的工程措施。,2黄土力学性质试验 分别对6组原状土样和3组扰动土样进行了压缩试验、击实试验、三轴排水固结试验和无侧限抗压强度试验。试验结果分别如下 银古高速公路辅道K1

26、3+140-K13+200土的压缩性质试验,3黄土的水理性质试验(1)渗透试验 室内渗透试验的目的主要是对土样的渗透系数进行分析和测定，其结果见下表。从表中渗透系数的数据可见，不同土样的渗透系数变化较大。在同一条线路取不同土样，其渗透系数的差异可达两个数量级之大，说明其湿陷性有较大差别。,银古高速公路辅道K13+140K13+200渗透试验,图1渗透流量与时间关系图 图2纵向、横向渗透剖面图,黄土的渗透性除了反映黄土的透水性能和特点之外，还是研究黄土湿陷性的重要参数。观测结果表明，在长时间渗透过程中，黄土的渗透系数与渗透时间有关，随时间的增加渗透系数逐渐变小，最后稳定在某一数值上，如下图1 由

27、图1可以看出，渗透在时间上的变化规律是：在渗透初期，渗透急剧增加，渗透系数是值为3.4m/d，连续渗透3-5d后，渗透速度大大降低，其值降为不足1.0m/d，20d后，是值降为0.08m/d，可见，渗透主要在最初2d完成。图2可以看出，渗透在垂直方向上大于水平方向，向深处垂直渗透的速度常常数倍或十数倍于水平方向。当渗透时间继续时，垂直向渗透深度由10m达到14m，相应的水平向扩展到4m左右。,图1渗透流量与时间关系图 图2纵向、横向渗透剖面图,(2)湿陷试验 土样的湿陷试验结果见下表。银古高速公路辅道K13+140-K13+200黄土的湿陷性试验,湿陷试验表明，只有2-(1)和3-(2)两个土

28、样湿陷性较为明显，为中等湿陷性黄土(湿陷系数为0.03-0.06之间)，其他土样湿陷性均不明显。,4黄土的成分分析(1)黄土含盐量分析 根据野外调查结果，我国西部地区尤其是宁夏黄土中含有大量的白色粉末状盐，包括易溶盐、中溶盐和难溶盐三种。易溶盐是指Na、K、Mg、Ca的氯酸盐、碳酸盐和硫酸盐(NaCl，KCl，NazS04，Na2CO。)；中溶盐是指石膏(CaSO，)；难溶盐是指碳酸钙(CaCO。)。可溶盐在黄土中常以钙质结核的形式出现，另外还有钙质胶结层、燕尾式石膏、白色盐霜、碱皮等，主要存在于老黄土中，其中的易溶盐如NaCl、KCl等含量愈高，其湿陷性一般愈大。在公路病害调查时，不同程度地

29、见到了这些现象，含有可溶盐是西北黄土的一个重要标志，其变化规律：由北向南，自西向东，可溶盐含量渐减。中溶盐(CaS04)由于其结晶体的特殊作用，对湿陷和颗粒结构的破坏起加速或促进作用。中溶盐含量愈多，则湿陷性愈大。难溶盐(CaCO3)在黄土中既起骨架作用，又起胶结作用。,(2)X射线衍射分析 X射线衍射分析表明，中国各地黄土的矿物成分基本一致。但是黄土中的微晶碳酸钙趋向于自东而西、自南而北的增加。无定形物质莉相离子交换容量(CEC)有着明显的自东而西、自南而北减少的趋势，如表7-11所示。我国各地黄土的物理化学性质,三、黄土路堤应力变形分析,为了制订合理有效的防治方案，在路基病害调查和试验路段

30、土样室内试验的基础上，采用了有限元法对黄土路堤在加筋和无筋条件下的应力和变形进行了数值分析。1黄土路堤应力变形分析 用有限元计算方法分析土体的应力和变形及水与土骨架的应力耦合关系等，可以深入了解黄土路堤的应力分布和变形特点，探讨加筋路堤数值模型的机理，从而为制订合理的设计方案提供依据。(1)数值模型的假定 路堤的纵向是足够长的，故按平面应变问题来考虑；填土和地基土的本构关系采用Drucker-Prager弹塑性模型；边界条件：右侧施加无限单元，约束其右端横向位移，左边沿公路中线约束横向位移；下部取路堤地面线以下4.6m，约束下部的竖向位移。,路堤几何尺寸如图所示。路堤几何尺寸(尺寸单位；cm)

31、路面结构为3cm的沥青混凝土面层加18cm的水稳层加6如m的砂砾层，填土与地基之间有50cm的灰土垫层，两者之间为扰动填土，垫层以下为天然地基土。,计算参数取值见表 计算参数取值表,网格的划分以及边界条件的处理如图7-21所示。,边界以及网格划分示意图(尺寸单位：m),(2)路堤变形、强度分析 分析路堤变形云图可以看出，竖向压缩变形最大的部位集中在路堤中心靠近地面部分；横向压缩变形最大的部位是路堤的上部，产生横向拉伸变形的部位为坡脚不加格栅时的以下5m左右的地方。路堤的应力云图显示：竖向压应力与竖向压缩变形部位一致，集中在路堤中心靠近地面部分，竖向拉应力也与坡脚及坡脚以外的路基竖向拉伸或拱起部

32、分一致。横向应力云图中，在路堤和地基接触面出现了一个明显的横向应力受拉条带，也就是路堤极易产生横向滑动的部位。以上图形所显示的应力集中的地方也是变形最大的地方，这些特殊的部位，正是使路堤首先产生破坏的地方。(3)加入格栅时的路堤变形、强度分析 仍采用有限元分析方法进行数值分析，计算模型同不加筋方案。采用土工实验报告的参数取值(见表7-9)。格栅的性能指标为：弹性模量正6.289 2108(Pa)，面积A4.85610-4(m2)，密度210(kg/m3)，纵向抗拉强度8.9(kN/m)，横向抗拉强度5.9(kN/m)。加入土工格栅后，与不加前对比分析其路堤变形云图可以看出，虽然变形区域基本一致

33、，但变形趋势有所减缓，说明土工材料在起作用。加入土工格栅后，与不加相比，在数值上有变化，特别是横向应力显示出比较均匀的受压状态和稳定的受力趋势,2加筋原理 普通路基都有一定的抗压和抗剪强度，而抗拉强度却很低。在路基内铺设适当的加筋材料，可以不同程度地改善路基的强度和变形状态，土工合成材料在土体内以筋材作为抗拉构件，与土体产生相互摩擦，限制土体的侧向变形，增强土体的整体性，从而提高土体的抗剪强度。加筋土强度的提高或者说加筋土体自主稳定性的增加，其基本原理存在于筋一土之间的相互摩阻联结之中。加筋路基承受拉力后，主要通过两个途径来改善土体的力学性能：一是减少本该由土体承受的剪力；另外就是通过增加剪切

34、面上的正应力，提高土体的抗剪强度。当土体沿潜在的破裂面发生剪切变形时，土体中出现了压应变和拉应变。如果将加筋沿拉应变的方向设置，剪切变形使加筋受拉，加筋就能有效地发挥作用。一般来说，加筋的层数越多，拉筋的强度越高，加筋层填土内摩擦角越大，此时加筋的结构效应越明显。为了使加筋材料产生拉应力，必须将其布置在土体中的拉伸变形区，并且最好沿着主拉应变方向。这样土体中的拉应力传递给邻近的加筋材料，使筋材作为抗拉构件，而土体本身只承受压应力和剪应力。,基于上述分析，在下面的加筋路基试验方案中将重点利用以下功能。(1)扩散应力；由于加筋路基增加了路基的整体刚度，将有利于上部荷 载的扩散并均匀地传递到地基土层

35、。(2)调整不均匀沉降；由于加筋垫层的作用，加大压缩层范围内地基的整体刚度，有利于调整地基变形。(3)增大地基稳定性；由于加筋垫层的约束，整体上限制了地基土的剪切、侧向挤出和隆起(4)提高路堤边坡的整体稳定性；由于筋材作为一种抗拉构件，与土体产生相互摩擦，限制了土体的侧向变形，保证了路堤边坡的整体稳定性。(5)减少路基整体的总沉降量；抗拉加筋土工材料，不仅约束横向变形，同时能起一种张力膜的作用，减少垂直变形，阻断剪切带的产生，从而提高加筋土的承载力，减少路基土的总沉降量。,四、现场试验方案及施工工艺,为了验证应用土工合成材料防治黄土地区路基病害的可行性与有效性，在室内试验和数值分析的基础上，本

36、课题选择银古高速公路辅道、中郝高速公路和银古高速公路中的部分路段，进行了现场试验研究。1土工合成材料防治黄土路堤稳定性破坏的应用技术 1)试验方案 以银古高速公路辅道K13十150一K13+210填方段(填高8.30m)为试验路段，该路段地质特征：表层为风积黄土(低液限黏土)，分布深度0.20-8.00m，为非自重湿陷性黄土场地，总湿陷量厶4.90-24.70cm，湿陷等级为I(轻微)级或II(中等湿陷)级。其下为卵石，局部缺失，厚0.2-1.8m，下伏第三系泥岩。第三系泥岩为膨胀岩土，全风化呈土状，为一般的膨胀性软岩。土工合成材料选择型号为SN一286型土工格栅，其性能指标为：弹性模量正6.

37、289 2X10s(Pa)，单位面积质量623g/m，密度卢210(kg/m3)，纵向抗拉强度8.9(kN/m)，横向抗拉强度5.9(kN/m)，网孔尺寸为28mmX28mm。,根据黄土的物理力学性质及黄土路堤的应力与变形分析计算，确定防治路堤的沉陷和滑坍的加筋设计方案如下：对于填方路段，边坡i1；1.5，在路堤基底以上2m范围内，距路堤边坡外缘5-10cm，路堤的两端铺设宽为4.5m的土工格栅，层间距为50cm，可以起到固结边坡，增加边坡稳定性的作用。为增加路基的承载能力，隔层全断面铺设土工格栅，并在基底铺设50cm的三七灰土稳定层。为保证路堤压实度，路堤施工宽度加宽20-30cm。土工格栅

38、横向铺设，搭接30-50cm。铺完之后，应尽快填土隐蔽，防止车压日晒。铺设方案如下图,2)施工(1)土工格栅的铺设 先用剪刀将土工格栅按设计尺寸裁剪好，整齐堆放。将碾压密实的填土表面整平，清除表面坚硬凸出物。土工格栅外缘距路堤边坡外缘要保持5-10cm，以防止刷坡后，土工格栅外露老化。测设路基边线桩位，挂上线绳，用白灰洒出土工格栅外侧线。将裁剪好的土工格栅逐一密贴摆放在填土面上，并将土工格栅强度高的方向垂直于线路轴线方向。将土工格栅拉紧展开，将相邻的各幅土工格栅用铁丝绑扎搭接起来，每隔10cm一个绑扎点，搭接长度不小于10cm，采用U形铁丝卡将土工格栅固定于土层表面，U形卡间相距50cm，梅花

39、形布置。土工格栅铺设现场如图,土工格栅铺设现场,(2)黄土路堤的填筑 对黄土路堤的填筑，应先做试验段，确定碾压厚度、压实遍数和松铺系数等参数后，再全面展开施工。黄土路堤的填筑，主要是通过自卸汽车运土，推土机初平，平地机精平，压路机分层碾压来完成。自卸汽车卸土时，尽量不要碾压土工格栅，汽车后轮距土工格栅边缘0.2-0.4m，车内土方卸落时，正落于土工格栅的中心部位而后向周围散开，恰好埋住整个土工格栅。这样汽车既不会直接碾压到土工格栅上，造成破坏，同时，土工格栅也不会发生移动，确保位置准确。当两侧土工格栅铺完后，汽车在中间路面剩余的宽度内无法调头时，只能先单侧铺设土工格栅，待其上填土推平碾压后，汽

40、车就可以在这一侧行走、调头，随后铺设另一侧土工格栅。为保证压实质量，路堤每侧加宽20-30cm，并对每层土边缘采取压路机沿路中心线成45角的方向夯压，这样既可保证施工机械的安全，又可保证路堤边缘的压实度。,2土工合成材料防治低填浅挖段路基沉陷和陷穴的应用技术 降低路基的填土高度，不仅可以获得明显的经济效益，而且可以避免由于黄土而产生的一切不良效果，对于低等级公路，更具有现实意义。在路堤底部加铺复合土工膜布，不仅可以阻止地面水向路基底部的下渗，即起到隔水防渗的作用，还可以保证原状土不被扰动，强度不会降低，并可减少沉降量，均化地基应力。土工布的加筋抗拉作用，可使上部填土荷载对地基造成的附加应力传递

41、深度减少，减少地基压缩层影响深度。如果结合三七灰土结构，既可增加地基的承载能力，又可防止地表水的下渗，从而有效地避免沉陷和陷穴的发生。,(1)试验方案 试验路段为银古高速公路辅道K12+190-K12+290段，填土高度0.30m，为低填方路段。试验段地质特征：表层为湿陷等级为级的风积黄土(低液限黏土)，分布深度0.20-8.00m，为非自重湿陷性黄土场地。土工合成材料选择长丝复合土工膜(二布一膜)，其物理力学性能指标见表 长丝复合土工膜物理力学性能指标表,(2)施工工艺 基底处理：当填方高度较小，边坡i1：1.5时，在进行基底处理前，先对基底进行夯实，提高地基的承载力。铺土工膜：在铺设土工膜

42、之前，下层填料或垫层应平整、密实，对表面碎石、块石等坚硬凸出物进行严格清理，防止其对土工膜造成直接破坏，影响土工膜的性能，而起不到防渗的作用。如路基地下水位较高或有积水可能，应考虑横向排水层的设置。铺设复合土工膜时，可采用机械或人工铺设。为控制防渗效果，土工膜的横向搭接长度取30cm。土工膜沿线路纵向两幅的搭接长度不小于0.5m，并保证接头处不渗漏。施工时，严格按照公路土工合成材料应用技术规范(JTJ/T 019-98)进行。,土工膜铺设现场,(3)工后效果检验 该段路基于2003年9月初铺筑完毕，已经过半年多时间，并经历了秋雨的浸蚀和冻融变化，在春融最不利季节，对路况进行了强度测定，结果如表

43、,从路面弯沉测定结果看，路面整体强度未见异常，强度和稳定性能良好。但在雨水的浸蚀下，肯定会有不同变化。,3土工合成材料防治填方段黄土路基沉陷和陷穴的应用技术 1)试验方案(1)方案一 银古高速公路辅道K13+150-K13+210段，填方高度8.3m。地质特征：表层为风积黄土(低液限黏土)，分布深度0.20-8.00m，为非自重湿陷性黄土场地，总湿陷量厶J4.90-24.70cm，湿陷等级为I(轻微)级或(中等湿陷)级。其下为卵石，局部缺失，厚0.2-1.8m，下伏第三系泥岩。考虑路堤横向排水，虽设有涵洞，但在路堤两侧仍有聚水可能，以灰土换填和防水土工膜相结合的方法进行处理。为阻止地表水下渗以

44、增加地基承载力，对原基底进行夯实后，填筑50cm三七灰土，并在路基两侧修筑灰土隔水墙，在隔水墙内侧铺设防水土工膜，并深入基底150cm。基底处理及土工膜铺设方案见下图（尺寸单位cm）,(2)方案二 中郝高速公路兴仁段K295+000一K295+870为填方路段，填方高度3.5m。地质特征：0-5m为较强烈湿陷性黄土，5-10m属轻微湿陷性黄土，10m以下为不湿陷黄土。0-10m均为非自重湿陷性黄土。黄土呈灰黄色，局部夹细砂，强度较低。该段地势低洼，在路基填筑完成后，由于突降暴雨，排水不畅，路基黄土受到积水的浸泡，导致黄土发生显著湿陷下沉，引起路基左侧沿纵向开裂，最宽处达40cm。鉴于此，在路基

45、左侧(迎水面)和右侧分别布置宽8m、4m的护坡道，并在左侧护坡道下50cm处铺设防水土工膜，土工膜伸入地表以下1.5m，如图所示。该方案经专家论证已被采纳。,2)施工工艺(1)方案一：在对基底进行处理前，先对基底进行夯实，提高地基的承载力，压实度不低于93。在对基底夯实后，即可进行三七灰土换填。当换填高度为100cm时，按压实厚度为25cm，分四层进行碾压，压实度不低于95。在路基排水上游一侧，距路基坡角100cm的公路用地范围内，沿路线纵向设置50X150cm的三七灰土挡水墙。铺土工布。参照低填浅挖段土工膜的铺设方法，并严格按照公路土工合成材料应用技术规范(JTJ/T 019-98)进行。,

46、(2)方案二：在铺设土工膜之前，应整平坡面和护坡道。下层填料或垫层应平整、密实，对表面碎石、块石等坚硬凸出物进行严格清理，防止其对土工膜造成直接破坏，影响土工膜的性能而起不到防渗的作用。铺设复合土工膜时，可采用机械或人工铺设。铺设前，先将一端用固定器固定，然后用机械或人力拉紧，拉力应适当。铺设时不允许出现卷曲、扭结和褶皱现象，最后用固定器固定另一端。固定器一般采用固定钉和固定铁皮。为保证防渗效果，土工膜的搭接长度取20一30cm。在坡面上铺设时，宜白下而上铺设并就地联结。土工膜应紧贴被保护层，但不宜拉得过紧。施工时，严格按照公路土工合成材料应用技术规范(JTJ/T 019-98)进行。,3)工

47、后效果检验 在新建的银古高速公路辅道K13+150-K13+210段，为防止路基的湿陷沉降破坏，按方案一对路基进行了治理，效果明显，虽经过了2003年秋雨和2004年春融，未见异常发生，保持了理想的强度和稳定性。中郝高速公路兴仁段，在2002年夏季，突降暴雨，路基迎水面聚水，由于路基强烈的湿陷沉降，导致路堤破坏。Z003年按方案二对K295+000一K295+870路段重新填筑后，已经历了数场大雨的冲刷和浸泡，即便在2004年春融最不利季节，也保持了良好的整体强度和稳定性。,4土工合成材料防治新旧黄土路基不均匀沉降的应用技术 银古高速公路黄河以东古窑子附近，有部分黄土路段：新路是在老路的基础上

48、双侧加宽的，由于该地区为黄土路基，具有显著的湿陷特征，在新老路基交接处易产生不均匀沉降，防止路基产生不均匀沉降是其主要内容。1)试验方案 在填方路段水稳层下的新旧路基交接处，沿纵向各选择100m铺设土工格栅，即K24+500-K24+600和K24+600-K24+700分别布置宽度为2.0m和4.5m的土工格栅，土工格栅纵向搭接长度30cm，用以防止路基不均匀沉降。材料选型为TGDGll0高密度聚乙烯单向拉伸塑料土工格栅，其性能指标见表。,铺设位置如图,2)施工工艺(1)铺设的技术要求 在铺设水稳砂砾之前，使新填路基高程与旧路基一致；将待铺土工格栅路基上的尖锐物清扫干净，无其他杂物后将路基面

49、平整；土工格栅的一端要用木方固定在路基上，然后可用人工铺设土工格栅，也可用小型拖拉机拖动，保证纵向拉紧为宜，避免出现皱褶，防止纵向施力过大，纵向格栅之间要用铁丝绑扎搭接起来，每隔10cm一个绑扎点，接缝搭接不小于30cm；铺设的土工格栅使新旧路基的接缝位于格栅的中央，尽量避免横向搭接，并将土工格栅强度高的方向垂直于线路轴线方向。采用U形铁丝卡将土工格栅固定于土层表面，U形卡间相距50cm，梅花形布置；在铺筑水稳砂砾时，应保证不因车辆的转弯或刹车造成对铺好土工格栅的损害。如有损坏，应立即进行修补，保证其整体性。(2)铺设步骤 整平新旧路基并清理杂物；铺设并调整土工格栅的位置；搭接并固定土工格栅，

50、并保证与路基的密贴；铺筑水稳砂砾，并保证土工格栅完整无损；进行碾压。,3)工后效果检验两路段分别铺设2.0m和4.5m土工格栅后，各阶段弯沉检测结果如表,从弯沉检测结果看，铺2.0m与铺4.5m土工格栅没有明显区别，但是从对公路整体的影响看却不一样，在铺设较窄土工格栅的路段，路面出现了较为明显的纵向裂缝，如图,图7-34宽铺和窄铺土工格栅效果对比图a)铺2.0m土工格栅；b)铺4.5m土工格栅,五、试验观测及结果分析,为验证试验方案的有效性，对试验路段进行了现场观测，内容包括路基的竖向沉降、应力应变及侧向位移观测。1观测方案(1)沉降观测 观测点布置 按有、无土工格栅，共布置两个断面，包括10