（道路与铁道工程专业论文）高速公路工后地质缺陷路段勘察和加固技术实践与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 在高速公路建设的勘察设计和施工阶段，因公路工程路线太长，难免有局部 路段的不良地质情况没有被揭露，未被处治而隐伏下来，比如地面以下存在较厚 的小范围软弱土层、老河沟回填土、或者采空区、溶洞、地下暗河等不良地质情 况。道路如果修建在这些应该处治但因种种原因又没有得到处治的有缺陷的地段 上，竣工通车后，由于路基和路面及车辆荷载的作用，改变了缺陷地基岩土层的 应力环境，将导致缺陷地基的“活化”，从而使地表产生二次变形，引起路基的不 均匀沉降和线路坡度的改变，路面出现裂隙、错台和高程显著变化等。与工前处 理软弱土层和不良地基不同，竣工通车后处治缺陷路段不仅时间紧、施工场地极 为有限，且需：( 1 ) 尽量不封闭交通，不影响车辆的正常运行。( 2 ) 尽可能不破 坏并要修复好原路面结构层和其它道路设施。( 3 ) 保证综合处治的工期最短、成 本最低和结果的最优。 本文在对高速公路地质缺陷区路段案例充分调研的基础上，结合日东高速公 路k 2 1 9 + 8 4 2 一k 2 2 0 + 0 6 0 路段地质缺陷区路基加固和路面病害治理的勘察设计和 施工工作，对高速公路工后地质缺陷区地质特性和道路病害特点进行了研究，分 析了缺陷地基固结变形与路基失稳及路面结构层次破坏的深层关系；得出了：( 1 ) 对公路工后地质缺陷区路基采用“以工程地质和水文地质调查测绘为先导，理论 反推路基物理力学参数为主要手段，钻探( 竖直孔与倾斜孔结合) 验证并精细化， 建立多因素因果互动的动态演化模型分析、预测缺陷区路基地质当时和未来情 况”的综合勘察理论和方法；( 2 ) 工后缺陷区道路加固设计应从地基、路堤和路 面、汽车荷载相互作用的整体出发，根据病因分路段对症下药，标本兼治的指导 思想和治理方法，以及进行路基强度、稳定性和变形演算的设计参数取值建议和 尽量不封闭交通的斜孔注浆加固缺陷地基和路基的设计施工技术。 研究和实践相结合取得预期效果。 关键词：高速公路；工后；地质缺陷；勘察；处治 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sar e s u l to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o nr o u t eist o ol o n g ，i nt h ed e s i g n a n dc o n s t r u c t i o np h a s eo ft h ei n v e s t i g a t i o no fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，i t i si n e v i t a b l et h a tl o c a ls e c t i o n so ft h ea d v e r s eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s h a v en o tb e e nd i s c l o s e d ，b u tt r e a t m e n th a sn o tb e e n b u r i e dd o w n ，f o r e x a m p l e t h e r ei sas m a l lt h i c ks o f ts o l l ，r i v e r sb a c kt ot h eo l df i l l i n g ， o rm i n e d - o u ta r e a ，k a r s tc a v e s ，u n d e r g r o u n dr i v e ro nt h eg r o u n df l o o r ， a n do t h e ra d v e r s eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so nt h eg r o u n df o l l o w i n g i ft h e h i g h w a yw o u l db eb u i i ti nt h ed e f e c t i v ed i s t r i c t o ft h a ts h o u l db e t r e a t m e n t ，b u td i dn o t r e c e i v et r e a t m e n tf o rv a r i o u sr e a s o n s ，t h e c o m p l e t i o no ft h es i n c et h e n ，r o c ks t r e s se n v i r o n m e n ti nt h ed e f e c t i v e f o u n d a t i o nl a y e rs h o u l db ec h a n g e dd u et ot h er o a d b e da n dr o a ds u r f a c e a n dv e h i c l el o a d i tw i l l l e a dt oad e f e c t i r ef o u n d a t i o no ft h e ”a c t i v a t i o n ”。s ot h a tt h er e s u l t i n gs u r f a c ed e f o r m a t i o no ft h es e c o n d ， t h e nc a u s e db yu n e v e ns e t t l e m e n to ft h er o a d b e ds l o p ea n dt h es l o p eo f t h el i n ec h a n g e s ，a n dc a u s e db ys o m er o a dc r a c k s ，s l a bs t a g g e r i n ga n d s i g n i f i c a n te l e v a t i o nc h a n g e s ，a n ds oo n a n dt h et r e a t m e n tt h eg e o l o g i c a l d e f e c t ss e c t i o no fr o a da f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h eh i g h w a yo p e n i n gi s d i f f e r e n tf r o md e a li n gw i t ht h ew e a ka n dp o o rs o i lf o u n d a t i o nb e f o r e c o n s t r u c t i o n ，n o to n l yt h et i m ei st i g h t ，t h e c o n s t r u c t i o ns i t ei s e x t r e m e l yl i m i t e d 。a n dt h en e e dt o ：( 1 ) i sn o tc l o s e da sf a ra sp o s s i b l e t h et r a f f i cd o e sn o ta f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ev e h i c l e ( 2 ) a s m u c ha sp o s s i b l et or e p a i rd a m a g ea n dag o o dl a y e ro ft h eo r i g i n a l s t r u c t u r eo ft h es u r f a c er o a d sa n do t h e rf a c i l i t i e s ( 3 ) t oe n s u r e c o m p r e h e n s i v et r e a t m e n to ft h es h o r t e s td u r a t i o n ，l o w e s tc o s ta n do p t i m a l r e s u lt s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ef u l lr e s e a r c hf o rt h ec a s eo ft h eg e o l o g i c a l d e f e c t ss e c t i o no fr o a df o rt h eh i g h w a y ，a n dc o m b i n e dw i t hs u r v e yd e s i g n a n dc o n s t r u c t i o nw o r ko ft h er o a de m b a n k m e n tr e i n f o r c e m e n ta n dd i s e a s e m a n a g e m e n to f t h e g e o l o g i c a l d e f e c t ss e c t i o no f r o a df o rt h e r i z h a o d o n g m i n gh i g h w a yk 2 1 9 + 8 4 2 一k 2 2 0 + 0 6 0 。g e o l o g i c a lf e a t u r e sa n d r o a de h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s e a s ei nt h ed e f e c t sg e o l o g i c a ls e c t i o no f r a o da f t e rc o n s t r u c t i o nf o rt h eh i g h w a yh a v eb e e ns t u d i e d ，a n di n d e p t h a n a l y s i s o ft h er e l a t i o n s h i ph a v e b e e nc a r r i e do u tb e t w e e nt h e c o n s o l i d a t i o nd e f o r m a t i o no ft h ed e f e c t sf o u n d a t i o na n dt h es t r u c t u r e s e m b a n k m e n ti n s t a b i1i t ya n dr o a dl e v e ld e s t r o y t h e np u tf o r w a r d ： ( 1 ) ”t oe n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dh y d r o g e o l o g i c a lm a p p i n gs u r v e yt og u i d e ，t h e a n t i p u s ht h e o r yo fr o a d b e df o rt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s o ft h em a i nm e a n so fd r i1 1i n g ( v e r t i c a lh o l ea n dt h ec o m b i n a t i o no f t i l t - h o l e ) a n dt ov e r i f yt h ef i n e ，e s t a b li s h m e n to fam u l t i c a u s a lf a c t o r i nt h ed y n a m i ci n t e r a c t i o na n a l y s i so ft h ee v o l u t i o no ft h em o d e lt o 山东大学硕士学位论文 p r e d i c tt h er o a d b e dg e o l o g i c a lc i r c u m s t a n c e si nd e f e c t sa r e aa tt h et i m e a n di nt h ef u t u r e ，”ac o m p r e h e n s i v es u r v e yt h e o r i e sa n dm e t h o d so ft h e d e f e c t sg e o l o g i c a ls e c t i o no fr o a da f t e rc o n s t r u c t i o nf o rt h eh i g h w a y ： ( 2 ) t h eg u i d i n gi d e o l o g ya n dm e t h o d so ft r e a t m e n tt h a tt h eg r o u n d ， e m b a n k m e n t sa n dr o a d s v e h i c l el o a ds h o u l db ei n t e r a c t i o na saw h o l e ， a c c o r d i n gt ot h ec a u s eo fs u b s e c t i o no ft h er i g h tm e d i c i n e ，p r a c t i c eo n r e i n f o r c e df o u n d a t i o nd e s i g no ft h ed e f e c t sg e o l o g i c a ls e c t i o no ft h er o a d a f t e rt h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ：t h ep r o p o s e dd e s i g np a r a m e t e r sf o rt h e s t r e n g t h ，s t a b i1i t ya n d d e f o r m a t i o no ft h ec a l c u l u sv a l u et or o a d b e d ：a n d t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h ed e f e c t sf o u n d a t i o na n dr o a d r e i n f o r c e m e n to ft h es l a n t - h o l eg r o u ti n g ，n o tc l o s e dt ot r a f f i ca sf a r a sp o s s i b l e r e s e a r c ha c h i e v e st h ed e s i r e de f f e c ti nc o n j u n c t i o nw i t hp r a c t i c e k e yw o r d s ：h i g h w a y ：a f t e rc o n s t r u c t i o n ；g e o l o g i c a ld e f e c t s ：s u r v e y ； r e i n f o r c e m e n t 山东大学硕士学位论文 符号说明 凹一路面开裂的百分比； 腮卜沥青层底部拉应力，l o n c m 2 ； 一累积当量单轴荷载e s a l 。 t 一观测周期，天； ，7 一水准测量平均误差，m m ； s 一地表变形的天下沉量，m m 天； k 一系数( 一般取2 - 3 ) 。 彬卜某年的乘车舒适性指数； a s e 一龄期，年； 月能_ 分段龄期，可分别取1 ，2 ，3 ，4 。 彬卜某年的乘车舒适性指数； r c l 8 一茺就镪r c i ； 彳碰，_ 分段龄期，可分别取1 ，2 ，3 ，4 。 m 一为边坡系数， m = c t g p ； 为路堤坡角角度( 。) ； 只一地面到路面高度n t 后实际车辆荷载换算的当量填土高度，m ； y 一为地面到路面的平均密度k n m 3 ，( 从施工质检资料查取) ； 虞一路面裂缝到路肩外侧距离，m 。 墨一在时间t 时的实测路基轴线地面沉降量，c m ； 一待定的最终地面沉降量，a m ； a 一为待定的经验参数； 岛一施工期半数，天( d ) ； 昂一地基压缩土层平均变形模量，k p a ； 尸一荷载强度p = h c 7 ，k p a ； y 一路堤路面密度加权平均值，k n m ：1 ； v 山东大学硕士学位论文 b 一荷载作用宽度，将梯形路堤转换成矩形荷载的宽度，m ； z 一土的泊松比数值，砂土可取= 0 2 - 0 2 5 ，粘土可取z = 0 2 5 - 0 4 2 ； 缈一无量刚系数，g o = 0 8 8 。 h c 一路堤荷载h c = h + h j ，h 为原地面高程与路面高程之差，一为工后等量 交通荷载填土高度，m ； ，一路面结构层及路提填土容重加权平均值，根据竣工资料取值计算，k n m 3 ； 反一地基压缩土层平均变形模量，k p a ，根据( 1 6 ) 式计算取值。 e 一由式( 1 0 ) 计算的十字板强度g = 0 ，k p a ； 只一单桥的静力触探总的贯入阻力。 蝻洞宽度的一半，m ； 风一溶洞的高度，m ； 舻一岩石内摩擦角，。； f 一岩石强度系数，：- l t a n 汐 仃一垂直应力，k p a ； 吒，盯，一水平应力，k p a ； 卜矿层顶板埋藏深度，m ； 矽一岩层顶板内摩擦角，。 俨巷道单位长度顶板上所受的压力，k n m ； 俨巷道单位长度顶板上岩层所受的总重力，k n m ； 卜巷道单位长度侧壁的摩阻力，k n m ； 卜锲体a b m 和c d n 作用在a b 和c d 面上的主压应力的最大值，k n m ； 扩巷道宽度的一半，m v l f i q xn o ：0 5 3 7 2 7 8 1 2 0 0 2 0 0 9 3 21 6 ：5 5 p 1 山东大学硕士学位论文 碌刨性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 ， 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个入和集体，均 已在文中以明确方式说明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名卫! 旦筮日期：2 丝：墨兰! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签捆蚓琴师签名：日期：2 堕型7 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着我国特别是山东省近年来公路建设的加快，新建高等级公路特别是 高速公路里程的不断增加，由于建设前期勘察设计和施工难免有缺失，也因 为公路车流量大、超载行驶等因素，由地质缺陷引发的道路病害时有发生， 一般的如路面发生不均匀沉降、开裂、错台等，严重的甚至出现整体失稳， 因此摆在公路管理养护单位的当务之急就是加固处理这些路段的路基路面， 保证良好的路况并正常通车。要处治缺陷路段，首先要对地质缺陷区地基进 行勘察，查明地基和路堤填土体或者路堑边坡的地质情况，物理力学性质、 指标；预测缺陷地基固结变形特征，对路基路面和结构物的危害程度；分析 缺陷地基固结变形与路基失稳及路面结构层次破坏的深层关系：进而选择科 学合理的缺陷地基加固处理方案，确定路基路面修复方案，尽快施工，以防 路况的进一步恶化，造成更大的经济损失和不良社会影响。但对缺陷路段的 勘察和处治存在以下特殊问题需研究解决： ( 1 ) 为了尽量不封闭交通，要求采用非常规新的勘察方法，既要尽快 查明缺陷地基的地质情况，又能搞清路基路面破损的程度和地基、路堤与面 层及车辆荷载之间互相作用的关系，还要节省勘察费用。 ( 2 ) 所选择的缺陷地基勘察方案，路堤、路面修复方案，在实施的过 程中尽量不封闭交通，不能对车辆通行造成较大的影响，尽可能不破坏原路 面结构层和其它附属设施。 ( 3 ) 无论实施勘察，还是处治方案的设计和施工，都要把地基、路基 和面层及工后实际交通荷载四者作为一个相互作用的整体来考虑，对设计理 论和施工技术创新，以保证综合处治的工期最短、成本最低和结果的最优。 1 2 国内外有关公路工后缺陷区道路勘察处治研究概况 在对建在地质缺陷区地基上的路基路面进行研究和处治的工作中，技术 性最强的部分是勘察技术方法和工程的加固处理方法。 1 2 1 勘察技术方法 1 2 1 1 国外情况 国外主要采用物探技术经钻探验证对地质缺陷区道路不良地基勘察。 地震法是国外探测地下缺陷地基时常用的方法。美国堪萨斯州地质研究 所用地震反射法探出的地下空洞的埋深、分布范围与钻探资料相一致。美国 还用折射法在科罗拉多的一条公路上测到8 个可疑的空洞地段，经钻探验证， 确定出四个隐伏空洞。日本v i c 公司利用瑞利波技术探测浅层不良地基的范 围空间，所开发的物探设备“g r - 8 1 0 ”除了勘察浅层范围的空洞，也可以给 山东大学硕上学位论文 出采空区岩土工程特性参数。 表1 - 1 国外探测地下缺陷地基常用的方法一览 技术 = j b ? 重 芦 射气 i 方法 电法电磁法地震波 波力 自电瞬地跨高分弹瑞 ：| 彳 微口卡钋 f 日 动阻变面孔辨率性利波重 2 1 8 国家 电测 电雷雷反射波波谐 力 和地文阻井磁达达波法层法振 法 1 率法法析法 法 美国 _0心 、j 一 -0- 日本 -0-00_ 俄罗斯 j、l4 -_ 欧洲 -_ 0 0、|00 图例：先进较好 1 2 1 2 国内情况 国内对地质缺陷区勘测是以钻探为主，物探配合，把物探作为钻探的先 行手段、钻探的辅助手段和现场原位测试手段。 中国有色金属总公司黑龙江省地质勘探公司采用电法勘探中的联合剖 面法进行塌陷区探测，取得良好效果。铁道部第三勘察设计院、河北地质学 院、西安地质学院等单位应用自动电阻率法( 高密度电法) 在军都山隧道、 港泉煤矿、西安地区开展了活断层、地裂缝方面的探测，证明该方法能有效 的解决这些方面的问题。1 9 9 3 年至1 9 9 5 年由山西省和陕西省十几个勘察和 矿业学科的相关单位组成课题组，以钻探为主，物探配合，结合山西省太( 原) 一旧( 关) 高速公路工程建设，研究高速公路地质缺陷区的勘探，危害程度 评价及处治，取得了一定的研究成果。 近年来物探技术的测量精度和信息处理的速度都大为提高，在岩土工程 和工程地质工作中，工程物探已经成为一项重要的有力的勘察、测试手段。 只是要由有经验的人员判读实测资料，在与适当的钻孔资料对比之后，物探 的结果才可以发挥重要作用，作为设计的依据。 1 2 2 加固处理方法 1 2 2 1 国外做法 对地下采空区地基加固方面，美国宾夕法尼亚州采用灌注柱( 桩) 支撑 法处理道路下的缺陷地基( 采空区) ，控制了地面建筑物和道路的下沉。美国 怀俄明州为控制大片的缺陷地基的地表沉降，用灌浆法进行了处理。前苏联 地质注浆专业公司用灌浆法封填了瓦赫鲁舍夫矿一个锅炉房下面的浅井和别 利科夫矿井口大楼下部的空洞。波兰为了保护地面建筑物，对地下采空区的 2 山东大学硕十学位论文 治理方法，主要是采用水砂充填法。以后地面沉降观测证明，经过水砂充填 处理，地面下沉量大为减小，可见充填物对上覆岩层的支承作用很大。 1 2 2 2 国内做法 国内目前加固处理公路工后地质缺陷区路基的方法主要有： ( 1 ) 注浆法：加固处理和强化缺陷区地基和失稳路基，增强它们的强 度和稳定性。 ( 2 ) 反压护道法：在路堤两侧( 或一侧) 填适当高度与宽度的护道， 利用护道荷重的反力矩平衡路堤的滑动力矩，因而保证路堤稳定。 ( 3 ) 水砂充填法：利用水的冲力给缺陷地基内的空间充填砂石，支撑 上覆岩土层，减少地基沉降，保证路堤的稳定。 ( 4 ) 烧结法、冻结法等 冻结法即通过人工冷却，使地基土体温度降低到孔隙水的冰点以下，使 土体冻结，从而有理想的截水性能和较高的承载力。 烧结法即在软弱软土层中加热，通过焙热使周围地基上减少水量，提高 强度，减少压缩性。 1 2 3 国内外技术比较分析 1 2 3 1 勘查技术比较分析 分析国内外有关道路工后有缺陷路基勘察实例及勘测技术，通过常规的 工程地质调查和测绘，可以了解和掌握车辆荷载、路面结构层、路堤填土体 等三方面的有关数据。但对下部处治方案关键的地基部分，即地基土层的地 质特性、地层结构以及岩土层物理力学参数等，只能采用物探和钻探技术对 地基进行勘察。要么以物探为主钻探验证；要么以钻探为主，物探作为先导 起钻探的配角，进而建立原因( 缺陷地质条件) 与结果( 路基路面移动变形) 之问的正向关系。这种勘测和分析的方法有明显的科学性和工程实用性。但 也有一定的局限性，因为缺陷区路段的地基范围一般比较小( 纵向几十米到 几百米，横向为几米或几十米) ，加上场地的限制，尽量不封闭交通的要求， 因此采用物探不仅工作难度大，而且成本高，工期长，并要求有先进的物探 仪器设备，专门的工艺和专门人员，对中小工程及公路工后地质缺陷区道路 小范围场地有一定的难度。但有类似“研究软土地基路堤工后沉降的计算和 建立相关预测模型”等文献资料，综合关于土质学和土力学等方面理论成果， 可以考虑用来借鉴，在勘探时加以利用，取代部分物探或钻探工作。 1 2 3 2 勘查技术比较分析 从目前国内外地质缺陷地基处理措施，特别是软土地基方面，研究较多， 工程实践效果和研究成果来看，都有一定的科学性和工程实用性，但对工后 公路路堤、路基以及路面而进行整体综合性加固的工程实例还比较少，缺少 可借鉴的理论成果和实践经验。查阅目前的科研成果，也未见对公路工后不 良地质路段地基加固的研究成果，大都是关于路面加固维修或路堤加固的分 3 山东大学硕士学位论文 项研究成果或工程实例。原因有三：第一，在公路建设方面人们往往在工程 建设的前期重视不良地基和软弱地基的加固处理，通过对软基的处治来满足 路堤和车辆荷载对地基强度和变形的要求，而在工后，对暴露出来的缺陷地 基，则采取加铺面层，给路面板下灌浆，给裂缝中注浆等办法进行维修。其 实质就是以治表的办法适应缺陷地基深层的移动和变形对道路路面和路堤破 坏的要求；第二，工后要对缺陷地基进行加固的确有一定的难度，首先是场 地有限，其次是一般要求尽量不封闭交通，尽量不破坏原有路面的整体结构； 再次是认为要进行路基和路面的全面综合治理的一次性投资较大。因此，如 何综合考虑各方面因素，采取合理的加固处治方案，满足尽量不封闭交通， 标本兼治，投资最少，效果好的要求，值得探讨和研究。 1 3 研究内容 1 3 1 相关地质背景和工后缺陷病害研究 从实际出发，结合日东高速公路k 2 2 0 处工后发生的路基沉降问题，开 展高速公路工后地质缺陷区路段地基的特点和常见病害研究，以便对不良路 基沉降的评价和发展趋势的预测提供指导，为采取适用的勘察和处治方案等 提供背景性资料。 1 3 2 勘查技术研究与实践 通过提炼现有勘测理论和方法，提出传统地质调查测绘、理论反推分析、 钻探验证相结合的勘察分析方法，推算并验证地基物理参数，确定路基沉降 的原因、地质条件及沉降趋势，结合既有病害认真实践检验，为地基和路堤 加固提供依据。 1 3 3 加固技术研究及应用 通过系统分析病害产生的原因，探讨加固处治的要点和原则，在尽量不 封闭交通条件下，综合考虑地基、路堤和路面、汽车荷载等各方面条件，提 出切实可行、标本兼治的加固处理方案，结合既有病害处置方案与施工，总 结形成一套符合目标的技术理论方法 1 4 技术路线 从地质背景和工后道路病害研究入手，依托日东高速公路k 2 2 0 处工后 路基沉降的勘察处治实践，开展采用工程地质和水文地质调查测绘、理论反 算分析和钻探验证，推算并验证地基物理参数，以确定沉降原因、地质条件 和沉降趋势的理论研究。同时作为自然延伸，从整体出发考虑，进行处治方 案的研究，提出在不封闭交通的条件下，标本兼治的加固处治方案和质量检 测方法，并进行经济和社会效益分析，对技术应用前景做出总体评价。 4 山东大学硕十学位论文 第二章高速公路工后地质缺陷区路段地基特点和常见病害 2 1概论 高速公路工后地质缺陷区路段是指在公路建设的前期选线勘察和设计 以及施工阶段存在的但没有被发现也就没有进行处治的不良地基( 或局部强 度不满足要求的填土路堤) ，在道路通车前后出现路况严重恶化必须进行加固 处理的特殊路段。这种地质缺陷路段一般范围不大，纵向路段长度少则几十 米，多则几百米不等，横向可能是全部或者部分路基，在修建的前期勘察、 设计和施工中易被忽视，没有得到应有的处治。这类路段路基的稳定性问题 和路面病害常发生在工程接近竣工时和工后运营初期，表现为路基的滑塌， 不均匀沉陷、路面和路基开裂、错台、变形、坡脚以外地面隆起等病害，造 成路况整体恶化，影响正常通车，造成经济损失和不良的社会影响。 随着近年来高速公路建设的加快，新建高速公路里程的增加，工前勘察 设计和施工难免有缺失，也由于公路车速高、流量大，加上超载和超速行驶， 需要加固处理的工后缺陷路段越来越多。要处治好这些缺陷路段，首先就要 对对这些工后地质缺陷区路段的地质特性、类别、模式和道路病害特点进行 系统和专项研究。下面就根据对国内等多条高速公路案例的调研分析和日东 高速公路地质缺陷路段处置实践，提出关于高速公路工后缺陷路段路基的特 点和分类、地质特征、常见病害等的意见，同时也为随后章节研究缺陷路段的 勘察技术、处治方案设计、路面的修复施工等提供背景信息。 2 2 高速公路工后地质缺陷路段地基的特点和分类 2 2 1 特殊地质构造的缺陷地基 特殊地质构造的缺陷地基指在路基范围内存在土层厚度较小但其下持 力层为梯度变化很大斜面的软弱地基，这种情况在河塘交织的沿海平原和山 区以及丘陵地区容易遇上，也是本文重点探讨研究的情况。 实例一：如图卜1 所示为古河道与公路地基斜交的示意图，由于古河道 与相邻区域淤泥厚度差别在软基内形成斜面持力层，当地基沉降时古河道内 的下滑力p 指向古河轴线方向。图中阴影部分的下滑力大小相等，方向相反， 相互平衡。而阴影外古河道内的下滑力( 指向路基外) ，由于古河道与路堤斜 交，无法从局部找到与之相互平衡的力，只能通过斜持力层处的摩阻力与之 平衡。这种摩阻抗力的大小与下卧层土体物理力学指标，路堤填土高度，斜 持力层梯度，淤泥深度等有关，而且随沉降速度和差异沉降而变化。 山东大学硕士学位论文 z ， 毛一一 肓 ， 堡竺耍立：! ：墅 竺竺圭 丑二! ：垫 亚粘土持力层 图卜1 古河道与公路路基斜交的示意图 实例二：如图1 - 2 所示为某高速公路路堤右幅地基内存在由于淤泥厚度 差别形成斜持力层，当地基沉降时，斜面的路堤荷载产生指向山脚外方向的 下滑力，这种下滑力也只能通过斜持力层处的摩阻抗力与之平衡，摩阻抗力 的性质与实例一相同。 图i - 2 软基横面内有梯度变化很大的斜面持力层的示意图 从上述两实例可以看出，尽管两例路基发生变形的形式有所差异，但从 地质资料上看，具有一个共同特点，即在公路软路基弱土层以下有一个梯度 变化很大的斜面持力层，斜面持力层的存在常常导致局部差异沉降的加剧， 下滑力随之逐步增大，当大于摩阻抗力后即发生路基的滑塌、沉陷，路基路 面开裂等病害。由于差异沉降的发展以路堤和车辆荷载为外因条件，所以有 一个发生、发展和加剧的过程，因而这类缺陷软基病害常常发生在施工后期 和工后道路运行期。需指出的是，不是所有软基内有斜持力层的缺陷地基都 会导致软基病害，只要产生的下滑力小于斜持力层上的摩阻抗力，就不会出 现病害。 2 2 2 下伏空洞情况下的缺陷地基 公路工后路基下伏的空洞，可分为自然地质作用形成的空洞和人类活动 6 山东大学硕士学位论文 形成的空洞。前者有各种溶洞，地下河等；后者有人工挖掘的各种地下隧道， 开采金属、非金属矿产所产生的采空区等。 下伏空洞的形成，赋存的地质背景，演化特征及其对地表的影响可参考 有关文献，本文只研究那些在公路前期勘察、设计和施工期容易被忽视，而 在工后才表现出来的特殊空洞区。这些空洞往往规模较小，隐蔽或者年代久 远，因而在工程建设前期被忽视，存在这样空洞的缺陷路基，虽然因时间长 久已在自重作用下处于平衡状态，对路基影响的规模也比较小，但其应力环 境可能会因为路堤填土体和车辆荷载作用而改变，导致地基岩土体的“活化 ， 从而使地表产生二次变形，进而影响公路安全。 ( 1 ) 岩溶地区的主要工程地质问题 岩溶地貌千姿百态，与道路工程有关的常见岩溶形态有： 地表岩溶地貌：常见的有石芽与溶沟，如图1 - 3 ；漏斗；如落水洞、 竖井；溶蚀洼地；溶蚀谷地( 坡立谷) ，如图1 - 4 ；干谷和盲谷如图卜5 ；还 有岩溶丘陵、峰林、峰丛等。 地下岩溶地貌：主要有溶洞，暗河土洞，天生桥等，如图卜6 。 埋藏石芽 i i 半裸露石芽 l l i 全裸露石芽 i 图卜3 石芽分布图 图卜4 桂林溶蚀谷地 卜溶蚀洼地；2 一漏斗；3 一竖井；4 一溶洞；5 一阶地；6 一地下河 山东大学硕上学位论文 一- 歹，一、 、 ， ，千 l | 图卜5 干谷形成示意图 盲洞 团衄w i 田l e 洞穴堆积红色沙质粘土 水平洞( 迁江王汉村) 通山洞( 迁江大村岩) 圃 钟乳石 图卜6 溶洞形态 岩溶地区主要的公路工程地质问题 道路是一种线状人工构筑物，需要跨越各种各样的地貌和工程地质区 段，在岩溶分布较广的地区，必然要遇到岩溶地貌带来的工程地质和水文地 质问题。 a 路基、结构物的不均匀沉降 在埋藏的岩溶分布区，第四系覆盖层下，常发育有大量溶蚀沟、槽和石芽， 基岩顶面起伏、变化很大，有的甚至在不到一、两米的范围内，基岩顶面高 程就差数米至数十米，致使覆盖厚度和土质变化很大。在一些覆盖层厚度大 的地方，其下部往往因透水性差而成为软土。由于地基的强烈不均匀性，建 筑在这种软土上的路基和人工构造物( 涵洞、采用浅基础的桥梁等) 将不可 参圣 山东大学硕士学位论文 避免地遇到地基的不均匀沉降及由此引起的工程质量事故。b 路基、隧道遭 受水淹、水毁 在雨季，因为落水洞和漏斗的排水能力不足或堵塞，大量岩溶水从消水 洞涌出往往造成地表水排泄不畅，这些都可致使位于岩溶谷槽和溶蚀洼地的 路基遭受水淹和水毁。当利用岩溶地区的天生桥、涵洞和暗河做路基工程时 或利用溶洞作为隧道工程时，岩溶水的突然大量涌出，也会淹没和毁坏路基 及隧道结构、设施。 c 地下岩溶塌陷导致地表沉陷及道路工程的破坏 地下溶洞、土洞的塌陷常引起地表发生沉陷而造成严重的地质灾害，致 使建筑在地表的道路、房屋及各种结构物的毁灭性破坏。如2 0 0 0 年湖南宁 ( 乡) 横( 市) 一级公路k 1 6 + 6 7 0 k 1 7 + 3 1 0 施工时，因附近煤矿排水，地下 水位下降，导致大量土洞形成、地下溶洞和土洞塌陷。最大塌陷面积达2 0 0 余平方米，发现大小溶洞5 4 0 余个，密集程度颇为罕见。5 0 0 多米的路段不 得不由原设计的路堤改为高架桥，为此大大延误了工期，增加了投资。仅挖 孔桩就施工9 2 根，单桩最大深度就达7 0 8 m 。路基两侧的稻田出现了多处塌 陷坑，农田漏水，地表开裂。 ( 2 ) 采空区的工程地质问题 采空区的分类 采空区根据开采现状可分为老采空区、现采空区和未来采空区三类。老 采空区是指建造物兴建时，历史上已经形成的采空区；现采空区是指建造物 兴建过程中，地下正在采掘而形成的采空区；未来采空区是指建造物兴建时， 地下赋存有工业价值的矿床，日前尚未开采，而规划中要开采的场地。 采空区地表移动特征 a 连续的地表移动和非连续的地表移动 地下矿床开采以后，采空区上的覆盖岩层和地表失去平衡而发生移动和 变形。当采深与采厚比值较大时，h h 大于2 5 - - - 3 0 ，无地质构造破坏和采用 正规采矿方法开采的条件下，地表不会出现大的裂缝和塌陷，即出现连续的 有规律的地表移动和变形。采深与采厚比较小时，h h 小于2 5 3 0 ，或虽大 于2 5 , - - , 3 0 ，但地表覆盖层很薄，且采用非正规开采方法或上覆岩层受地质构 造破坏时，地表易出现非连续的地表移动和变形。 b 充分采动和非充分采动 在既定采深的条件下，当采空区面积的长度和宽度均小于开采深度时， 地表移动盆地呈碗状，地表不出现应有的最大下沉值，这时的采动称非充分 采动；当采空区面积的长度和宽度分别等于或大于开采深度时，地表移动盆 地呈盘状，地表出现应有的最大下沉值，这时的采动称充分采动；当采空区 面积的长度和宽度继续增大，使最大下沉和其他最大移动、变形不再增大时 的采动称超充分采动。 9 山东大学硕十学位论文 采空区对公路工程的影响 采空区坍塌引起的地层移动及变形超过公路的容许值就会导致公路路 面开裂等危害，其危害程度视公路路面、路基结构形式不同，当遇到公路桥 梁等构造物时，危害将更为严重。 由于公路路线一般不正好位于移动盆地的主断面上，路基除了承受垂直 移动和变形外，还要承受纵向、横向的移动和变形，如： a 地表下沉将引起路基的沉落和线路坡度的改变。 b 地表的横向水平变形将致使路基弯曲，并引起路面倾斜或曲线超高改 变。 c 地表的纵向水平变形，如地面的压缩和伸张将使路面挤紧或断开。 d 地表的上述移动和变形，对桥涵、隧道等都有相应的，不同程度的影 响。 2 2 3 局部软弱地基 局部软弱地基是指在较小的范围内地基的主要受力层较厚( 大于3 m ) 且 由高压缩性的软土所组成，这些软弱土一般是指淤泥，淤泥质土、软粘土、 某些充填土、杂填土、饱和细粉砂。杂填土是人类活动所形成的无规则堆积 物，其它软弱土类广泛的分布在我国东南沿海及内地一些江河湖泊沿岸、池 塘近旁和山间各地。由于其存在的面积较小，也由于人类活动( 地表种植) 等的掩盖，才在公路建设前期的勘察设计和施工期所忽视，而在工后路堤和 车辆荷载的作用下才表现出来。在软弱地基岩土层以下往往有下卧持力层， 持力层的顶面可能是水平的，也可能与水平面有一定的夹角。 2 2 4 强度欠缺的路堤填土体 存在局部强度不满足要求的路堤填土体的缺陷路基，一般是在公路设计 和施工阶段由于人为失误所造成的强度偏小、压缩性大的缺陷路基，当然也 有自然因素如雨水冲刷浸泡等，还有超限车辆加重以及渠化行驶等原因。这 类缺陷路基在施工中常常被质检部门忽视，直到竣工通车后才发现，如台后 过大的沉降、普通路面的出现较大的沉降和不均匀沉降，匝道的渠化沉降等。 2 2 5 其它角度的分类 在上述基础上，还可以按以下角度分类： ( 1 ) 根据地质缺陷的成因分类，缺陷区路基可分为自然地质形成的缺 陷路基和人类活动形成的缺陷路基。前者有自然形成的软土地基、空洞等； 后者有人工杂填土、人工挖掘的地下隧道、防空洞、采空区等。 ( 2 ) 根据规模分类，缺陷路段的纵横范围有大有小，纵向从几米到几 百米，横向上也从几米到整个横断面；对下伏空洞的不良地基，地下空洞的 体积也有大有小，按体积大小可将其分为小型空洞( 1 l o m 3 ) ，中型空洞( 1 0 1 0 山东大学硕士学位论文 l o o m 3 ) ，大型空洞( 1 0 0 1 0 0 0 m 3 ) ，巨型空洞( 1 0 0 0 m 3 ) 。不同体积的空洞， 在其工后失稳时，所产生的地表变形破坏方式及对路基路面的破坏程度也有 差异。 ( 3 ) 根据埋深分类，缺陷地基的软弱土层有厚有薄，即下卧持力层埋 深有深有浅。按软弱土层的厚度可分为：薄层软土( 1 2 m ) ，对土类相似的软土层，其厚 度越大即下卧持力层越深，对公路的危害越大；地下空洞埋深也有深有浅， 按埋深程度也可分为：浅部空洞( 2 0 0 m ) ，当空洞上覆岩性相同，埋藏越浅，对公路危害的程度越大。 ( 4 ) 按岩性及稳定性分类：软土层岩性有不同的分类，如饱和软粘土， 黄土，细粉沙，淤泥质土等，因其成因不同，如水成，风成，人工素填等， 年代有别，在自重作用下固结程度各异；空洞上覆岩层按其成因可分为火成 岩，变质岩和沉积岩。按其强度也可分为坚硬岩，软弱岩( 泥岩、页岩) ，松 散堆积岩( 砂、粘土、黄土、强风化层等) ，按其稳定性可分为稳定类，临界 类和不稳定类。 2 3高速公路工后缺陷区路段常见病害 路基是公路的承重主体。按路基断面形式，可分为路堤、路堑和挖填综 合这三类主要类型。路基之下为地基，地基承托着路基。地基工程地质特性 直接关系到路基工程的好坏。路基又承托着路面，路基的质量的好坏直接关 系到路面结构层的状况，地基、路基和面层组成一个相互作用的整体承托车 辆荷载并经受自重和各种自然因素( 雨水、温度等) 的作用。如果地基存在 不良情况或软土层、填土路堤强度欠缺，工后缺陷路段当然会出现路基路面 病害。 2 3 1 路基病害 路基裸露在大气中，经受着自重、路面结构层重量及汽车荷载和各种自 然因素作用，路基的各个部位将产生变形。如果是缺陷区路基，这种变形将 大大超过规范规定。路基的变形分为可恢复的变形和不可恢复的变形，缺陷 路基不可恢复变形要比正常路基的不可恢复变形大的多，较大的不可恢复变 形势必引起路基标高和边坡坡度、形状的改变，严重时会造成土体位移，危 及路基的整体性和稳定性，造成路基的各种破坏。 ( 1 ) 路基沉陷 路基沉陷是指路基表面在垂直方向产生较大的沉落。路基的沉陷可分为 两种情况，一是强度欠缺的路堤填土体在载荷及水、温度综合作用下固结沉 陷；二是不良地基或软弱地基在路基修筑前未经加固处理，在附加载荷及自 重作用下地面下沉或向两侧挤出，引起路基下陷。不均匀下陷会造成路堤拉 山东大学硕士学位论文 裂缝，坡脚以外地面常出现隆起和水平位移。 ( 2 ) 边坡滑塌 路基边坡滑塌是工后缺陷区路段常见的路基病害，根据边坡土质类别， 破坏原因和规模的不同，可分为溜方与滑坡两种情况