（岩土工程专业论文）高速公路改扩建新旧路基差异沉降可靠性分析.pdf

r e l i a b i l i t y i ne x p r ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i uj i n l i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f s h e x u e s e n c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叫 主衫 加，多年否月i z 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者躲叫季知 川口年舌月，二日 导师签名： z z 形汐年否月2 日 l 摘要 随着我国国民经济的快速发展，区域间交流日渐频繁，高速公路交通量迅速增 长，但有相当一部分已建高速公路不能满足日益增长的交通量需求，严重影响了经 济的快速发展。对此，越来越多的高速公路面临改建和扩建。高速公路的改扩建工 程将是我国本世纪公路建设所面临的重要和急需解决的问题。本文针对高速公路改 扩建工程中新老路基差异沉降问题，结合西安至潼关高速公路改扩建工程，通过现 场勘测、室内试验等方法，对新老路基下地基土物理力学性质的变化规律进行了研 究；采用j c 法对高速公路改扩建工程新老路基差异沉降进行了可靠度计算，并对 影响因素进行了分析。主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 选取典型断面，通过地质勘察、室内土工试验，研究了新老路基下地基土 物理力学性质的变化规律。 ( 2 ) 采用j c 法对西潼高速公路改扩建工程新旧路基不均匀沉降进行了可靠性 分析，建立新旧路基差异沉降的可靠度分析模型。 ( 3 ) 对西潼高速公路典型路段路基差异沉降进行了可靠度计算。 关键词：高速公路，改扩建，路基差异沉降，可靠性分析 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h er e g i o n a lc o m m u n i c a t i o ni sf r e q u e n td a y a f t e rd a y , t h et r a f f i cv o l u m e so fe x p r e s s w a ya r er a p i d l yi n c r e a s i n g ac o n s i d e r a b l en u m b e ro f e x p r e s s w a y si ns e r v i c ea r e1 1 0l o n g e rs a t i s f y i n gn e e do ft h ei n c r e a s i n gt r a f f i cv o l u m e so f e x p r e s s w a y , w h i c hs e r i o u si n f l u e n c ee c o n o m yf a s td e v e l o p m e n t r e g a r d i n gt h i s ，m o r ea n d m o r eh i g h w a y sa r ep e n d i n gt ob er e c o n s t r u c t e do rw i d e n e d i no u rc o u n t r y , t h ee x p r e s s w a y w i d e n i n gi s a l li m p o r t a n ti s s u ew h i c hs t a r v e df o rs o l v i n gi nh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nt h i s c e n t u r y i nt h i sp a p e r , a i m e da tt h ei s s u e so fd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to fw i d e nr o a d b a s ei nt h e h i g h w a ye x p a n s i o n , u n i f i e sx i a nt ot h et o n g g u a nh i g h w a yw i d e n i n gp r o j e c t ，t h ec h a n g i n g l a wo fe n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fg r o u n du n d e ro l da n dn e we m b a n k m e n t sa r ea n a l y z e db y u s i n gs i t es u r v e y , f i e l dt e s t ，l a b o r a t o r yt e s ta n ds oo n u s e dt h em e t h o do fj ct oa n a l y z et h e r e l i a b i l i t yo ft h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to fx i a nt ot h et o n g g u a nh i g h w a yw i d e n i n gp r o j e c t ， a n dh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h ei n f l u e n c i n gf a c t o r m a i nr e s e a r c hc o n t e n ti n c l u d i n gt h e f o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： ( 1 ) s e l e c t ss o m et y p i c a ls e c t i o n s ，t h r o u g ht h eg e o l o g i c a lr e c o n n a i s s a n c e ，s o i l m e c h a n i c sa s s a y , r e s e a r c h e dt h ec h a n g i n gl a wo fe n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fg r o u n du n d e ro l d a n dn e we m b a n k m e n t s ( 2 ) u s e dt h em e t h o do fj ct oc a r r yo nt h er e l i a b i l i t ya n a l y s i so fd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t i nt h ex i - t o n gh i g h w a yr e c o n s t r u c t i o na n de x t e n s i o np r o j e c t ，e s t a b l i s h e dt h ed i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n tr e l i a b i l i t ya n a t o m i cm o d e l ( 3 ) h a sc a r r i e do nr e l i a b i l i t yc o m p u t a t i o nt ot h ex i - t o n gh i g h w a yr e c o n s t r u c t i o na n d e x t e n s i o np r o j e c t k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y ；r e c o n s t r u c t i o n ；d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t ；r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 目录 第一章绪论1 1 1 研究课题的提出及意义1 1 2国内外研究现状2 1 2 1国外研究及工程应用现状2 1 2 2 国内研究及工程应用现状一3 1 3 主要研究内容和技术路线4 1 3 1研究内容“4 1 3 2 技术路线5 第二章西潼高速公路改扩建地基土物理力学性质分析6 2 1 工程概况6 2 2 工程地质条件概况7 2 2 1气象水文。7 2 2 2 地形地貌8 2 2 3 地层8 2 2 4 构造8 2 2 5 水文地质9 2 2 6j 也震9 2 3 新旧路基下地基土物理力学性质分析9 2 4 本章小结15 第三章可靠性理论与分析方法1 6 3 1可靠性基本概念及原理16 3 1 1 可靠性与可靠度的概念1 6 3 1 2 极限状态和功能函数一1 6 3 1 3 失效概率和可靠度指标1 8 3 1 4 可靠指标的几何含义2 0 3 2 可靠度分析方法2 1 3 2 1 中心点法。2 l 3 2 2j c 法2 2 1 1 1 3 2 3优化法2 6 3 2 4 蒙特卡罗法( m o n t e c a r l o 法) 2 6 3 3 综合分析2 8 第四章改扩建工程路基差异沉降可靠性分析与计算。2 9 4 1改扩建路基差异沉降计算理论2 9 4 1 1 路基沉降计算方法简介2 9 4 1 2 高速公路改扩建新路基沉降计算31 4 1 3 高速公路改扩建旧路基附加沉降计算3 2 4 2 改扩建路基差异沉降可靠度模型的建立及可靠性分析：3 2 4 2 1改扩建路基沉降的可靠度和极限状态的定义3 2 4 2 2 黄土路基沉降的极限状态方程3 3 4 2 3 极限状态方程的线性化3 4 4 2 4 可靠度指标的计算步骤3 5 4 3 西潼高速公路改扩建路基差异沉降可靠度计算3 7 4 3 1 基本资料和计算参数3 7 4 3 2 可靠度计算。3 8 4 3 3可靠度影响因素分析3 8 4 4 差异沉降控制指标4 1 4 5 地基处理方案4 1 4 4 1重锤夯实+ 砂砾回填4 2 4 4 2 灰土挤密桩+ 灰土垫层：4 3 4 4 3 水泥搅拌桩+ 灰土垫层。4 5 4 4 4 碎石挤密桩+ 砂砾垫层4 6 4 4 5 抛石挤淤4 7 4 5 本章小结4 8 第五章结论与展望4 9 5 1 主要结论。4 9 5 2 展望。4 9 参考文献5 1 致谢5 4 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究课题的提出及意义 近年来，由于经济全球化的影响，我国国民经济发生了日新月异的变化，公路等基 础设施建设也得到了突飞猛进的发展。高等级公路的优势在于其具有运输量大、速度快、 辐射范围广、高效率等，对沿线产业结构的优化和区域经济的发展起到了推动作用。由 此可见，高速公路对国民经济和社会发展的促进作用越来越明显。我国高速公路建设发 展迅猛。截止2 0 0 9 年1 月份，全国高速公路总里程已超过6 万k m ，居世界第二位。但 是早期建设的高速公路，尤其是2 0 世纪8 0 - 9 0 年代建成的高速公路，由于受当时经济 水平和技术水平等原因的限制，大多数高速公路为双向四车道，经过一段时间运营后， 服务水平下降明显，交通事故有所增加，有相当一部分高速公路无法满足交通量增长的 需求，不能满足车辆快速、安全、舒适行驶要求，有的还出现了比较严重的路面病害。 可见，除了新建高速公路来满足日益增长的交通量外，对已有道路进行改扩建也迫在眉 睫。如何保证新旧路基沉降的均匀性，降低新旧路基的不均匀沉降是在高速公路改扩建 工程中最大的技术难题。 原有高速公路已经运营多年，在自然沉降和行车荷载的作用下，路基差异沉降量己 经很小，趋于稳定，而新路基必然要经历一个沉降过程，这必定会造成新旧路基发生不 均匀沉降。高速公路改扩建完成后，如何降低新旧路基的差异沉降成为了首当其冲的问 题，如果这个问题处理不好，将会给整个道路的质量留下安全隐患。 路面也会在新旧路基结合部位产生纵向裂缝，纵向裂缝的产生归根结底是由于新旧 路基的不均匀沉降。在行车荷载、大气温度、雨雪侵蚀等外界影响因素的作用下，这种 病害会进一步恶化，道路的正常使用功能受到影响。其次，原路基经过多年的运行，固 结基本完成，新建路基强度与新加宽路基强度有较大的差异，使新旧路基的强度成为一 个整体成为了设计中的一大难题。在软弱地基路段，路基强度不同的问题会表现得更加 突出。针对这一技术难题，工作人员尝试过多种途径，这些尝试主要是解决道路改扩建 工程中的两个关键问题： ( 1 ) 保证新旧路基的均匀性，减小不均匀沉降； ( 2 ) 使新旧路基成为一个整体，加强其结合强度。 近年来，路基设计的设计原则是保证路基的强度i l 】。但是，事实上，软土、黄土等 特殊土路基在达到强度极限之前，路基就会出现过大的变形、滑坡等破坏，超出了路基 第一章绪论 的正常使用极限状态。路基仅仅按强度要求设计，本质上并不能保证路基在正常使用时 的良好的工作性能和在正常维护下足够的耐久性能要求。可见，在路基设计时仅仅按强 度要求是不够的，为了确保路基的稳定性及安全性，路基设计时不仅要按承载力极限状 态进行设计，使其失效概率降低，而且还应按正常使用极限状态进行设计，控制路基的 沉降和变形。 从目前的文献资料来看，虽然对路基边坡稳定性的可靠度问题研究较多，但对路基 沉降的可靠度问题的相关研究很少。基于黄土地区路基差异沉降的随机性特点以及沉降 问题的重要性，本文将对黄土地区高速公路改扩建路基沉降的可靠度问题进行研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国外研究及工程应用现状 可靠度理论萌芽于第二次世界大战期间，首先应用于军事领域，在第二次世界大战 结束之后，可靠度理论得到了进一步得发展，研究成果颇丰，并应用于许多工程领域。 二十世纪五十年代，丹麦、芬兰、冰岛、挪威和瑞典等北欧五国成了了房屋建筑规程委 员会，提出了结构荷载与安全设计规范，六十年代和七十年代，土木工程结构可靠 度的研究工作广泛的开展并进入应用阶段。六十年代美国成立了结构安全度委员会，七 十年代，欧洲混凝土委员会、国际预应力混凝土协会、国际桥梁与结构工程协会、国际 建筑研究与文献委员会、国际材料与结构试验研究所联合会和国际壳体与特种结构协会 等国际组织成立了“结构安全度联合委员会( j c s s ) 。这标志着可靠度方法进入实用阶 段。国际标准化组织( i s o ) 也提出“检测结构可靠度总原则 ，为可靠度分析方法的发 展奠定了基础。 1 9 4 7 年，苏联专家尔然尼钦提出了用一次二阶矩理论计算结构可靠性指标的方法， 并用其来估计结构的失效概率 2 1 。 1 9 5 1 年，美国的费罗伊詹特( a m f r e u d e n t h a l ) 提出破坏概率的选择，应该使结构 建造费用与期望的破坏损失费总和为最小的概念【3 1 。 1 9 5 6 年，卡萨格兰特( a c a s a g r a n d e ) 进行了在土工结构和基础工程中计算风险等 相关方面的研究【4 】。 1 9 6 9 年，美国的康乃尔( c a c o m e l l ) 、洪( a h - s ) ，和邓( w h t a n g ) 发展了工 程技术中应用的概率概念和方法【5 】【6 】。 1 9 8 2 年，m a t s u o & a s a o k a 建立了饱和粘土不排水强度的可靠性分析模型，提出了饱 和粘土得变异性来源于取样扰动与土的内在变异性，建立了用两种变异性的卷积来计算 2 长安大学硕士学位论文 不排水强度的概率模型【7 1 。 1 9 9 3 年，d e g r o o t & b a e c h e r 研究了用最大似然法估算土性趋势分量和随机分量，以 及各随机分量的自相关特性。并认为该方法比传统的矩估计法有更好的统计特性【8 】。 19 9 7 年，v a n m a r c k e 在土体参数统计性质方面作了进一步的研究，建立了描述土体 空间自相关特性的随机场模型，并提出了“自相关距离的概念和计算方法1 9 1 。 1 2 2 国内研究及工程应用现状 在我国，结构可靠性理论的研究工作起步虽然比较晚，但是发展速度迅猛。在二十 世纪五十年代初期，在土木工程领域开展了极限状态设计方法研究，在超载系数和材料 的强度系数的确定等方面采用了数理统计的方法。 到六十年代，各工程领域广泛的开展结构安全度的研讨，七十年代建工部门成立了 工业与民用建筑规范系列的建筑结构设计统一标准编制专题小组，并根据国际上的 研究成果，开展了大量的研究工作1 0 】【l l 】，并将此作为制订建筑结构荷载规范、钢结构、 薄壁型钢结构、钢筋混凝土结构、砖石结构、木结构等土工结构的设计规范的依据和共 同遵守的准则。 八十年代，国家计委等有关部门成立的专门机构，并组织大量科研人员开始进行可 靠度设计方法的研究工作，并布置了公路、铁路、建筑、水利和水运等领域的工程结构 可靠度设计统一标准的编制工作，分别编制了公路工程结构可靠度设计统一标准【1 2 l 、 铁道工程结构可靠度设计统一标准【1 3 1 、建筑结构可靠度设计统一标准【1 4 1 、水利 水电工程结构可靠度设计统一标准【1 5 1 和港口工程结构可靠度设计统一标准【1 6 1 。与 此同时，公路、铁路、建筑、水运和水利等5 大部门还联合编制了工程结构可靠度设 计统一标准【1 7 】，标志着我国工程领域中以可靠度理论为基础的设计方法进入实用阶段， 并形成了一个完成的系统体系。 岩土工程可靠度研究是可靠性理论应用的一个重要领域，由于大量不确定性因素和 变化万千的自然因素，使岩土可靠性理论研究工作成为一个难点。一九八三年，中国力 学学会岩土力学专业委员会在上海同济大学召开了“概率论与统计学在岩土工程的应 用”学术座谈会，一九八六年，在长春举行了“岩土力学参数的分析与解释 研讨会， 一九八九年，在上海举行了“岩土力学新分析方法伊讨论会，学术论坛的举行也推动了 这项科研的发展。自二十世纪七十年代至今，可靠度问题在岩土工程领域的研究取得了 丰硕的成果，发表的关于可靠性理论的论文越来越多，其中包括系统性得阐述 【1 8 1 9 1 1 2 0 】【2 1 1 ，沉降概率分析的研究【2 2 】f 2 3 1 ，岩土参数统计规律【2 9 】【3 0 】【3 l 】【3 2 】【3 3 】【3 4 】1 3 5 】、岩土参 第一章绪论 数概率模型研究【2 4 】【2 5 1 ，地基承载力概率分析研究口6 】【2 刀和渗透问题研究口钔，这些成果也 集中体现了我国岩土工程在可靠性研究的方向的进展情况。 1 9 8 3 年，高大钊进行了地基土主要指标的变异特征及其分布规律研究，并建立了基 于经验公式的可靠度分析方法【3 6 1 。 1 9 8 8 年，闰澍旺、陈环等按一次二阶矩方法，采用汉森公式对倾斜荷载作用下地基 承载力的进行了可靠度分析【3 7 1 。 1 9 9 8 年，高大钊、熊启东等采用汉森公式，进行了天然地基承载力的可靠度研究， 研究了可靠度指标和安全系数之间的关系，并探讨了抗剪强度指标的影响因素【3 引。 1 9 8 9 年，李启信等将随机场的理论引入桩基承载力研究中【3 9 】。 1 9 9 2 年，李国周，欧阳葆元等经过对软土地基土性参数的概率统计分析，选用工程 实例对软土地基差异沉降、固结度等进行了系统的概率分析研究【4 0 1 。 1 9 9 5 年，冷伍明、赵善锐针对土工参数不确定性的影响因素，提出了土工参数不确 定分析的一种计算途径。改进了相关距离计算的递推空间法，用双曲线的形式拟合方差 折减函数【4 1 1 。 ， 1 9 9 6 年，张庆华对单桩承载力概率评估的进行了分析，对土层的空间自相关特性、 端阻与侧阻间的相关性进行了研究【4 2 1 。 1 9 9 8 年，陈晓平应用可靠度理论对复合地基承载力的可靠度进行了分析，并对复合 桩基的分项系数进行了较为深入的研究【4 3 1 。 2 0 0 4 年，秦玉、倪红、刘新宇等针对土体的不确知性，对地基承载力的进行了可靠 度分析研究，着重研究了土性参数特性可靠度指标的影响】。 综上所述，高速公路改扩建工程中，路基设计时采用可靠度设计方法是国际国内发 展的大方向，可靠度理论的应用前景广阔。随着可靠度分析方法及其理论的日臻完善和 对其研究的不断深入，它将为公路工程的发展做出更大的贡献。 1 3 主要研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 总结国内外结构可靠度理论研究的发展历史及研究现状，系统地介绍了可靠 度理论的基本原理与分析计算方法，通过对可靠度各种计算方法比较分析后，采用j c 法来计算西潼高速公路改扩建工程新旧路基的差异沉降的可靠度指标； ( 2 ) 在西潼高速公路上选取典型断面进行勘探试验，分析西潼高速公路新旧路基 下地基土的物理力学性质； 4 长安大学硕 ( 3 ) 通过分析，建立西潼高速公路改扩 析模型； ( 4 ) 对西潼高速公路改扩建工程新旧路基差异沉降进行可靠度分析； ( 5 ) 分析对路基沉降可靠度分析结果的影响因素。 1 3 2 技术路线 本文的技术路线见图1 1 ： 国内外现状调查研究 - 上 上 现 场室 勘 内 察试 试 验 验 tt 1r 一新旧地基土物理力学性质分析卜 j 理论分析 1 l 建立极限状态方程与分析模型 1 l 新旧路基差异沉降可靠度计算 土 一 影响因素分析 卜 图1 1 技术路线图 第二章西潼高速公路改扩建地基土物理力学性质分析 第二章西潼高速公路改扩建地基土物理力学性质分析 黄土地区高速公路改扩建工程，由于路堤荷载和车辆荷载的作用，原有道路地基的 沉降已基本完成，路基处于稳定状态。经过多年的运营，地基土的工程性质发生了较大 的变化，由于新老路基下的地基土的物理力学性质不同，必将导致新老路基不可避免的 发生差异沉降。因此，为了确保工程建设的顺利进行，高速公路路基拓宽改建设计前， 应搜集原有公路的地基及路基勘察设计、竣工图和养护等方面的资料，并补充勘探，分 析原有路基和加宽路基下地基土的工程地质， 为改扩建工程路基设计提供可靠的依据。本论文以西潼高速公路改扩建项目为依托 工程，对其地基土的工程性状进行分析。 2 1工程概况 西安至潼关高速公路是陕西省“2 3 6 7 高速公路网七条东西横向线中的重要组成部 分，也是国家高速公路“7 9 1 8 ”网连( 云港) 霍( 尔果斯) 线( g 3 0 ) 的重要一段。 西潼高速公路全长1 4 1 6 k m ( 含兵马俑专线) ，西起西安市东郊十里铺，途径西安、 临潼、渭南、华县、华阴、潼关2 市4 县，东连河南三门峡高速，北经风陵渡黄河大桥 接山西运城高速。全线共有互通式立交1 2 个，各类桥梁4 0 5 座，涵洞4 2 5 座，路基宽 2 6 m ；沿线设有收费站1 4 个、服务区3 个，配备有完善的交通、通讯及收费系统等设施。 西潼高速公路路堤除k 31 k 4 3 段为粉煤灰路堤、k 1 6 + 5 0 0 k 2 0 + 4 1 0 段为砂砾石路 堤外，其余路段为填土路堤。西潼公路路堤长1 3 5 6 k m ，其中最大填方高度为2 9 0 6 m ， 位于k 8 1 + 6 3 4 处。填方高度大于1 0 m 的有1 2 5k m ，占总长度1 ；大于5 m 的有2 4 3k m ， 占总长度2 0 ；小于0 5 m 的有6 2 2 k m ，占总长度5 。 西潼高速公路分西安临潼、临潼渭南、渭南潼关三段开工建设，分别于1 9 9 0 年1 2 月、1 9 9 6 年1 2 月、1 9 9 9 年1 0 月建成通车，设计速度为1 2 0 k m h 。 西潼高速公路打通了关中地区通往华北、华东地区的交通要道，连接了古城西安与 闻名中外的秦兵马俑、唐华清池、西岳华山等名胜古迹。为满足经济发展、人民群众出 行的需求，西潼高速公路四改八扩建工程于2 0 0 8 年1 1 月开工，计划于2 0 1 0 年完工。 西潼高速公路路基改扩建方案采用在原有路基两侧加宽的路基拼接方案，将原整体 式双向四车道扩建为双向八车道高速公路，仍采用原设计速度1 2 0 k m h ，路基宽度 4 1 0 m 。 横断面布置：中央隔离带2 0 m ，左侧路缘带2 0 7 5 m ，行车道为2 x 4 x 3 7 5 m ， 6 长安大学硕士学位论文 硬路基2 x 3 0 m ( 含右侧路缘带2 0 5 m ) ，土路肩2 0 7 5 m 。 路基边坡设计根据地基土或填料性质，参照规范推荐值，根据路基的高度分别确定。 对于填方路基，当填方路基边坡高度小于8 m 时，采用直线边坡，设计坡率l ：1 5 ；当 填方边坡高度大于8 m 时，采用台阶型边坡，上部边坡设计坡率1 ：1 5 ，控制坡高6 - 8 m ， 下部边坡设计坡率1 ：1 7 5 ，边坡平台2 o m ，本段最大边坡填方高度1 l m 。 对于挖方路基，高度小于2 0 m 的一般挖方边坡主要位于渭河高阶地，设计边坡坡率 为1 ：1 0 ，每段边坡高度l o m ，边坡平台宽度3 0 m 。 西潼高速公路改扩建路线图见图2 1 。 图2 1 西潼高速公路改扩建路线图 2 2 工程地质条件概况 2 2 1气象水文 西潼高速公路所经地域属于大陆性半湿润暖温带气候，年平均气温值为1 3 4 。c 左 右，1 月份的气温平均值为1 2 ，7 月份的气温平均值为2 7 3 ，极端最高气温4 2 左右，极端最低气温1 6 左右，年降雨量5 9 0 m m - - 7 9 0 m m ，主要发生在七至九月份。 最大冻土深度3 l m m - - - , 4 0 c m ，最大积雪深度为1 2 c m 左右。 沿线的主要水系为渭河。路线跨越的河流均系渭河支流，其主要河流有赤水河、遇 7 第二章西潼高速公路改扩建地基土物理力学性质分析 仙河、罗纹河、构峪河、方仙河、葱峪河、华山峪河、长涧河、白龙涧河、潼洛河、望 远沟等河流，形状多为羽毛状，与渭河常为直角交汇，均由南向北流入渭河。除构峪河、 方仙河、白龙涧河平时无水外，其余各河流平时均为小溪，但在七至九月份雨季，水量 大增，因南岸支流发源于石质山区，汛期山洪暴发时连水带石倾注渭河，形成支流河口 三角洲，或形成山前洪积扇，洪积扇的前缘为地下水溢出带，形成扇前洼地，如“二华 夹槽 ，即为洪积扇前和渭河自然堤问的夹槽。 2 2 2 地形地貌 西潼高速公路位于关中平原东部的渭河亚区，分布在渭河南岸，河流阶地是沿线主 要地貌。土性主要为中液限粘土，层厚度为1 7 5 9 m ，层状分布不均匀，强度低。在 秦岭北坡山地和平原之间，分布着山前洪冲扇( 裙) 带和黄土台塬，塬坡面较破碎，因 受河流切割，冲沟发育。洪积扇和台塬多呈南北向的条带分布。在支流的汇合处形成洪 积扇带( 裙) ，主要分布在k 2 9 + 7 0 0 - - 一k 3 6 + 6 0 0 ，k 4 1 + 6 0 0 - - - k 7 8 + 5 1 6 。 2 2 3 地层 潼关渭南段上部地层为渭河平原一级冲积阶地，岩性主要为淡黄色棕红色粉质亚 粘土，土质均匀，结构致密，硬塑半硬状；下部地层主要由为砂、砾、卵、漂石等组 成，中间有亚黏土，松散中密状。 渭南段- - - t l 伍潼段上部地层为亚黏土，厚1 9 0 - 2 0 o m ，硬塑半干硬状，下部为软 塑状，容许承载力2 2 0 k p a 左右；下部地层主要为中细砂、小砾石，含水量较高，接近 饱和，容许承载力15 0k p a - - 一3 0 0 k p a 。 临潼西安段上部地层主要是褐红色亚黏土、淡黄色亚黏土，主要成分是蒙托石和 伊利石；下步地层主要是碎石土层，厚度6 m 7 m ，表现为渭河阶地与骊山附近的花岗 闪长岩碎屑交织堆积，既有其阶地型，也具洪积扇型沉积。 2 2 4 构造 西潼高速公路在区域构造上属祁吕贺山字型秦岭纬向和新华夏等构造体系经复合 而成的渭河断陷盆地，断层由西向东切割，形成断陷基岩构造。路线位于秦岭北坡山前 的渭河亚区。覆盖尽为中生代晚期及新生代沉积物。沉积物为全新世晚期( q 4 2 ) 冲积 的粉质亚黏土，亚砂土和砂砾组成，二元结构明显，上部细颗粒是漫滩相，下部粗颗粒 是河床相。二华夹槽南部为华山深大断裂长期活动带，在黄土塬和高阶地缺失的情况下， 山前许多峪口洪积扇普遍发育，自西向东洪积扇交替穿插，形成广阔的洪积扇，以较大 8 长安大学硕士学位论文 的坡度倾向渭河。洪积物质由块石、砂砾和砂质黏土组成，边缘地带随着坡降减小，颗 粒越来越细，多为砂、砂砾石夹有亚砂土、亚黏土。 2 2 5水文地质 潜水是沿线地下水的主要类型，大气降水与地表径流也是地下水的补给来源。但是 由于地形变化较大，地下水埋藏深度变化也比较大，变化幅度为9 m - - - 2 5 m ，二级阶地 区无含水层。由勘探资料可见，地下水含量不大，含水层主要为第四纪更新统风积黄土， 弱中等富水，水质较好。 沿线路基土以亚黏土为主，土质分布较均匀。地质情况较好，地层为中等压缩性， 湿陷性不明显。靠近良田地段地层表现出较小的湿陷性，硬塑半干硬状。容许承载力 2 1 0k p a - - 2 6 0 k p a 。由于地下水埋藏较深，并不影响路基的稳定性。地下水位埋藏深度大 约为1 0 m - - , 3 0 m ，边缘埋藏深度比较浅。 2 2 6 地震 按照地震分布及与第四纪活动构造的关系，该区域属宝鸡至潼关地震带，其地震强 度大，频率高，是关中最大的地震活动带，地震基本烈度为度。 2 3 新旧路基下地基土物理力学性质分析 为了研究西潼高速公路原路基地基土的物理力学性质，本文选取k 1 3 、k 3 5 、k 6 2 和k 1 1 3 作为典型断面进行了现场勘察，结果见表2 1 ；并根据表2 1 对西潼高速公路新 旧路基下地基土的物理力学性质进行分析对比，分析结果见图2 2 - - 图2 5 9 凶 寸 盆寸叫 小n寸 心 n 越 卜 式 寸 o卜o n _ 曩 - 一 n 褪 _ _ t qn 小 nf _ 、 n n心 n o _ 皿- _ _ 一 - 叫 _ 甙 o 譬 犍 o o寸 卜寸n 海 _ n寸 nn o o 螺 _ t q 一 凶 卜i n呐 一n 寸 栽 卜 _ n n r - - r a - _ 口 o - _ o - _ o f 岔寸 _ 岔 寸 t q t q控 岔q v 、 口 皿 卜 卜n o 2 _- _ 一 _ _ o 准 昏口 ni n n 汝 卜 _ n n 昏o心 o o 辅 _- _一- o _ 凶 寸寸n 、 n _ - 稠 心 寸 n - n 口 卜o 曩 _ 卜 o 卜 _ 岔i n 柱 - - - n nn 寸 _ no 心 峪 i n 2 r r r r n - _ o o t n n 控 寸 t n 卜寸 岔t q 汝 岔 n ，一 卜o 塔 _ o 凶 卜n a t qn 寸 越 口寸 寸寸 t q n口 o or - - i - 一 _ 卜 o - _ 丰 卜 i n 一 _ n ：窿 卜 卜on n 一 皿 n口 2 _ 田n o o _ 卜n ：寝 i ni n n寸昏 n n 螯 岭 o 卜 口 o o n m o _ 埔 _ _ o 星 摹 卿1 ，、籁， 陋 十 嚣 卿口 丑 镣至 藿室 缸籁 辎罡 罄登 长 篷 出。 婪 撂 ：- k 钿 趟j 甾枯 副 卜p j 墨 计 坦婿踞黛 僻丑茛蠖霉扑r翻霉雠州州郴霉议轼怒密冬锻恒潮陋一d嵌 嚣冬矮誊扑r尉st+磷鼋剖奄籁蟹匈嘲嬗颦区褂躲 长安大学硕 3 型 赚 醐 舞 0 ，一2 4 证6 鹾 埔8 睾l o 1 2 天然密度( g c m 3 ) 1 51 61 71 81 9 ( a ) 麟系数( 1 舻a - 1 ) 0o 1n 20 30 4o 5 0 2 皇4 蜊6 翥8 舞1 0 1 2 ! ：堑壁垦二! 篁堕二! ! 萱i ：! ：篓堕煎旦萱堑壁匡i ( c )( d ) 图2 2k 1 3 断面拓宽区与路堤地基土主要物理力学指标的对比 ( 1 ) k 1 3 断面分析结果 该路段加宽区地基土的天然含水量，接近于原路基筑路前的天然含水量，在1 5 3 1 6 5 之间，比通车运营后地基土的天然含水量要高，高约2 0 5 ；地基土的天然密度， 与原路基筑路前的天然密度相比，其大小接近，在1 6 5 9 c m 3 左右，与通车运营后地基 土相比，目前路基的地基土的天然密度明显提高，增幅大约为6 ；地基土的孔隙比， 与原路基筑路前的孔隙比相近，在0 6 4 5 左右，加宽区路基的地基土的孔隙比通车运营 后地基土孔隙比要高，增幅大约为6 1 ；地基土的塑性指数，接近于原路基筑路前的 塑性指数，在7 5 左右，比通车运营后地基土的塑性指数要高，高约1 1 8 ；地基土的 压缩系数，接近于原路基筑路前的压缩系数，为0 2 5 ，比通车运营后地基土的压缩系数 要高，高约1 4 3 ；地基土的压缩模量，接近于原路基筑路前的压缩模量，分别为 1 0 4 3 m p a 和1 0 9 2 m p a ，比通车运营后地基土的压缩模量要低，低约1 5 0 1 。 ? o 2 * 6 8 o 2 西潼高速公路改扩建地基土物理力学性质分析 o 一2 4 蓑e 埔8 蕞1 0 1 2 0 2 4 6 茸 一8 羹1 0 棚书1 2 舞 孔隙比 o 30 4o 5 o 60 7 0 80 9 l o 2 目4 越6 鬟8 簧l o 1 2 匡亟受匾珂巨亟匾三垂匹亘圃 ( c )( d ) 图2 3k 3 5 断面拓宽区与路堤地基土主要物理力学指标的对比 ( 2 ) k 3 5 断面分析结果 该路段加宽区地基土的天然含水量，接近于原路基筑路前的天然含水量，在1 8 5 左右，比通车运营后地基土的天然含水量要高，高约1 2 8 ；地基土的天然密度，与原 路基筑路前的天然密度相比，其大小接近，在1 9 9 c m 3 左右，与通车运营后地基土相比， 目前路基的地基土的天然密度明显提高，增幅为9 ；地基土的孔隙比，与原路基筑路 前的孔隙比相近，在0 5 4 5 左右，加宽区路基的地基土的孔隙比通车运营后地基土孔隙 比要高，增幅大约为3 2 ；地基土的塑性指数，接近于原路基筑路前的塑性指数，在 7 6 2 - 8 7 左右，比通车运营后地基土的塑性指数要高，高约2 1 ；地基土的压缩系数， 接近于原路基筑路前的压缩系数，为0 2 2 ，比通车运营后地基土的压缩系数要高，高约 1 1 ；地基土的压缩模量，接近于原路基筑路前的压缩模量，为7 9 2 m p a ，比通车运营 后地基土的压缩模量要低，低约5 8 。 1 2 巫 鬻 区 。 长安大学硕 - 、 吕 、- ， 毯 殛 醐 碧 0 2 目4 巡6 聪8 ：啁 1 1 0 嗣1 2 1 4 天然密度( g c m 3 ) 1 51 61 7 1 8 1 92 ( a ) 压缩系数( 咿a - 1 ) o0 10 20 30 40 5 孔隙比 0 2 目4 趟6 蚕s 裂l o 1 2 ( b ) 压缩模量( - 阮) 681 01 21 41 6 ：! ：篁堕二! 旦煎= 生堑壁匡i ：! ：塑萱! 旦萱! 堑星匡i ( c )( d ) 图2 4k 6 2 断面拓宽区与路堤地基土主要物理力学指标的对比 ( 3 ) k 6 2 断面分析结果 该路段加宽区地基土的天然含水量，接近于原路基筑路前的天然含水量，在1 9 5 左右，比通车运营后地基土的天然含水量要高，高约1 4 ；地基土的天然密度，与原路 基筑路前的天然密度相比，其大小接近，在1 7 8 9 c m 3 左右，与通车运营后地基土相比， 目前路基的地基土的天然密度明显提高，增幅为7 8 ；地基土的孔隙比，与原路基筑 路前的孔隙比相近，在0 6 l 左右，加宽区路基的地基土的孔隙比通车运营后地基土孔隙 比要高，增幅大约为2 ；地基土的塑性指数，接近于原路基筑路前的塑性指数，在1 0 6 1 1 5 左右，比通车运营后地基土的塑性指数要高，高约3 2 ；该路段加宽区地基土的压 缩系数，接近于原路基筑路前的压缩系数，为o 2 3 左右，比通车运营后地基土的压缩系 数要高，高约1 4 3 ；该路段加宽区地基土的压缩模量，接近于原路基筑路前的压缩模 量，为1 0 3 5 m p a ，比通车运营后地基土的压缩模量要低，低约1 6 9 。 1 3 o 2 4 6 8 0 2 第二章西潼高速公路改扩建地基土物理力学性质分析 0 2 - 4 冀6 娄8 1 0 1 2 天然密度( g c m 3 ) 1 51 71 92 12 3 o 2 三4 趟6 嫩8 醐1 0 舞1 2 1 4 ( a ) 压缩系数( m p a q ) 00 20 40 6o 8 o 2 4 6 置 。8 嫠- 。 司 | 1 2 孔隙比 o 4o 50 6o 7o 8o 91 卜筑路前一目前十拓展区i ( b ) 压缩模量( 咿a ) 5 1 0 1 5 2 0 0 2 吕4 瑙6 鬟s 嗣1 0 1 2 e ：! ：塑萱二兰旦萱二! 堑壁匡i ：! ：塑煎! 旦煎! 堑垦匡l ( c )( d ) 图2 5k 1 1 3 断面拓宽区与路堤地基土主要物理力学指标的对比 ( 4 ) k 1 1 3 断面分析结果 该路段加宽区地基土的天然含水量，接近于原路基筑路前的天然含水量，在2 2 7 5 左右，通车运营后路基的天然含水量为1 9 2 1 ，加宽区路基地基土的天然含水量比通 车运营后地基土的天然含水量要高，高约1 4 ；地基土的天然密度，与原路基筑路前的