（道路与铁道工程专业论文）红粘土路堑边坡防护的稳定性分析.pdf

， 、。 _ k h ， s t a b i l i t ya n a l y s i so fc u t t i n gs l o p ep r o t e c t i o no fr e dc l a y b y w a n g h o n g - x i a n g b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g l n h i g h w a ya n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a x u - d o n g r e s e a r c h e rw a n j i a n - p i n g a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：2 0 i7 学位论文版权使用授权书 年争月刁日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并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。本人授权长沙理工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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者 导师 日期：矽1 f 年 月7 日 日期： 年s 其z 兮b 摘要 红粘土是一类典型的特殊土，广泛分布于我国西南诸省市自治区，如湖南、 广西、云南、贵州等，随着我国高速公路建设在红粘土地区的飞速发展，如何确 保红粘土路基边坡的稳定性并科学合理地利用红粘土做为路基填料就显得越来越 重要。为此，本文依托湖南省郴宁高速公路的建设，通过室内外试验、现场调研 和数值分析，开展了红粘土路堑边坡防护的稳定性分析研究，从而为红粘土地区 公路建设提供指导性建议。 1 ) 利用x 射线衍射仪对依托工程的红粘土进行了矿物成分半定量分析，结 果表明，红粘土矿物组成的主要元素包括硅、铝、氧，占了全部元素的8 0 以 上，且富含高岭石、伊利石、石英等矿物。在此基础上对土样进行了室内试验， 并分析了红粘土的渗透性和胀缩特性，结果表明，红粘士的膨胀特性变化规律与 膨胀土类似。 2 ) 通过现场调研依托工程路堑边坡的病害，采用裂隙等效模型和雨水入渗 计算模型，分别取0 5 m 和l m 的裂隙深度，模拟分析了裂隙分布及雨水在裂隙 土中的入渗规律。结果显示，当裂隙率大于0 2 5 后，边坡安全系数随裂隙率的 增大而迅速降低，o 5 m 和l m 裂隙深度的降低幅度分别达到1 9 2 和3 9 4 ，且 在相同裂隙率时，l m 裂隙深度的边坡安全系数要远小于o 5 m 裂隙深度的结 果。由此表明，当大气影响深度较大、前期蒸发作用剧烈时，降雨过程会导致红 粘士路堑边坡较大的变形，边坡呈现最危险的状态。 3 ) 采用f l a c 2 d 软件对红粘土路堑边坡不同护坡技术的稳定性进行了分 析，据此提出了框锚植草结合的柔性防护技术。结合现场检验发现，采用框锚植 草结合的柔性防护技术后，边坡的剪切应变范围和变化值均明显减小并变化均 匀，最大剪切应变值为1 7 0 3 x 1 0 - 2 ，出现在坡面的坡脚附近，比植物纤维护坡产 生的最大剪应变3 0 4 3 x 1 0 - 2 要小4 4 0 。因此表明采用框锚植草结合的柔性防护 技术后，坡体内部应力应变的分布得到了改善，使坡体的稳定性得到了增强。 综上所述，框锚植草结合的柔性防护技术与传统的防护技术相比，可有效提 高红粘土路堑边坡的稳定性，且具有良好的社会经济效益，可在实际工程中推广 应用。 关键词：红粘土：路堑边坡防护；稳定性；框锚植草；数值分析；病害 a b s t r a c t r e dc l a yi sat y p i c a lk i n do fs p e c i a ls o i l ，a n di ti sw i d e l yd i s t r i b u t e di nt h e p r o v i n c e s ，c i t i e sa n da u t o n o m o u sr e g i o n so ft h es o u t h w e s t e r nc h i n as u c ha sh u n a n ， g u a n g x i ，y u n n a na n dg u i z h o u w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n sa t f a s ts p e e di nr e dc l a ya r e a si nc h i n a ，i tw i l lb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n th o wt o d e t e r m i n et h es t a b i l i t yo fr e dc l a ys u b g r a d es l o p ea n dt oa p p l yt h er e dc l a yf o rt h e s u b g r a d e f i l l e ri nas c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lw a y t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h e c o n s t r u c t i o no fc h e n n i n ge x p r e s s w a yi nh u n a np r o v i n c e ，t h ei n d o o ra n do u t d o o r t e s t s ，t h ef i l e di n v e s t i g a t i o n sa n dt h en u m e r i c a la n a l y s e sw e r ec a r r i e do u tt od e v e l o p t h er e s e a r c ho ns t a b i l i t ya n a l y s i so fc u t t i n gs l o p ep r o t e c t i o no fr e dc l a y ，t h e nt h e t h e s i sc a np r o v i d et h eg u i d a n c es u g g e s t sf o rt h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nr e dc l a y a r e a s 11t h es e m i - q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fm i n e r a lc o m p o s i t i o nw a sa p p l i e df o rt h e r e dc l a yi nt h es u p p o r te n g i n e e r i n gw i t ht h ex r a yd i f f r a c t i o ne q u i p m e n t t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em a i ne l e m e n t so fm i n e r a lc o m p o s i t i o n so fr e dc l a yi n c l u d es i l i c o n ， a l u m i n i u ma n do x y g e no v e r8 0 o ft h et o t a le l e m e n t s ，a n dt h er e dc l a yc o n t a i n s m a i n l yk a o p a q u e ，i l l i t ea n ds i l e x i t e t h el a b o r a t o r yt e s t so fs o i ls a m p l e sw e r e c o n d u c t e dt oa n a l y z et h ep e r m e a b i l i t ya n dt h ee x p a n s i o na n dc o n t r a c t i o np r o p e r t y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a n g el a w so fe x p a n s i o np r o p e r t yo fr e dc l a ya r es i m i l a ra s t h a to ft h ee x p a n s i v es o i l 2 ) t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h ef i e l dd i s e a s e s o fc u t t i n gs l o p ei nt h es u p p o r t e n g i n e e r i n g ，t h e c r e v i c ee q u i v a l e n tm o d e la n dt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fr a i n i n f i l t r a t i o nw e r ea p p l i e di nas i m u l a t i v ew a yt oa n a l y z et h ec r e v i c ed i s t r i b u t i o n sa n d t h ei n f i l t r a t i o nl a w si nt h ec r e v i c es o i lb yc h o o s i n gt h ec r e v i c ed e p t h so f0 5 ma n d im ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es l o p es a f ef a c t o r sd e c r e a s er a p i d l yw i t h t h ei n c r e a s eo fc r e v i c er a t ew h e nt h ec r e v i c er a t ei sg r e a t e rt h a n0 2 5 t h ed e c r e a s e r a n g e sa r er e s p e c t i v e l ya c h i e v e d19 2 a n d3 9 4 f o rt h ec r e v i c ed e p t ho f0 5 ma n d lm i nt h es a m ec r e v i c er a t i o ，t h es l o p es a f ef a c t o ro flmc r e v i c ed e p t hi sm u c hl e s s t h a nt h a to fo 5 mc r e v i c ed e p t h t h e r e f o r e ，w h e nt h ea t m o s p h e r ei n f l u e n c ed e p t hi s g r e a t e ra n dt h ee a r l ye v a p o r a t i o ne f f e c ti sv i o l e n t ，t h er a i n f a l lp r o c e d u r ew i l ll e a dt h e l a r g e rd e f o r m a t i o nf o r t h er e dc l a y s l o p e ，t h e nt h es l o p ew i l l s h o wt h em o s t d a n g e r o u sc o n d i t i o n 3 1t h es o f t w a r eo ff l a c 2 dw a sa p p l i e dt ot h es t a b i l i t ya n a l y s e sf o rt h ed i f f e r e n t t e e h n o l o g i e s o fs l o p ep r o t e c t i o ni nt h er e dc l a yc u t t i n gs l o p e s ，a n dt h ef l e x i b l e p r o t e c t i o nt e c h n o l o g y o ff r a m e a n c h o rc o m b i n e dw i t hp l a n t i n gg r a s sw a sr a i s e d a c c o r d i n gt ot h ef i l e dt e s t s ，i tw a sf o u n d t h a tt h es h e a rs t r a i nr a n g ea n di t sc h a n g e v a l u eo fs l o p ea r ec l e a r l yd e c r e a s e da n du n i f o r m l yc h a n g e da f t e rt h ea p p l i c a t i o no f t h ef l e x i b l ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g yo ff r a m e a n c h o rc o m b i n e dw i t hp l a n t i n gg r a s s t h e m a x i m u ms h e a rs t r a i ni s1 7 0 3 x1 0 w h i c ha p p e a r e dn e a r l yi nt h es l o pf o o t ，a n dt h e v a l u ei s1 e s st h a n4 4 o ft h em a x i m u ms h e a rs t r a i no f3 0 4 3 x 1 0 zw h i c hp r o d u c e db y t h ep l a n tf i b e rp r o t e c t i o n t h e r e f o r e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i o n so fs t r e s s a n ds t r a i ni n s i d es l o p e a r ei m p r o v e dt oe n h a n c et h es l o p es t a b i l i t y a f t e rt h e a p p l i c a t i o no ft h ef l e x i b l ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g yo ff r a m e a n c h o r c o m b i n e dw i t h p l a n t i n gg r a s s i ns u m m a r y , c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ef l e x i b l e p r o t e c t i o nt e c h n o l o g yo ff r a m e a n c h o rc o m b i n e dw i t hp l a n t i n gg r a s s c a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h ec u t t i n gs l o p es t a b i l i t yo fr e dc l a y t h et e c h n o l o g yh a sw e l ls o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t s ，a n dc a nb ep o p u l a r i z e da n da p p l i e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：r e dc l a y ；c u t t i n g s l o p ep r o t e c t i o n ；s t a b i l i t y ；f r a m e _ a n c h o r c o m b i n e dw i t hp l a n t i n gg r a s s ；n u m e r i c a la n a l y s i s ；d i s e a s e m i一 目录 摘要1 a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 问题的提出1 1 2 国内外研究概况2 1 3 主要研究内容5 第二章红粘土的矿物组成和工程特性7 2 1 依托工程概况7 2 2 红粘土的矿物组成8 2 3 红粘土工程特性1 0 2 4 小结1 5 第三章红粘土路堑边坡病害调查与成因分析及防护措施1 6 3 1 路堑边坡病害特征及成因分析1 6 3 2 路堑病害防护措施1 9 3 3 小结2 1 第四章降雨入渗下红粘土路堑边坡稳定性分析2 2 4 1 考虑降雨影响的红粘土路堑边坡特性分析2 2 4 2 雨水入渗下的红粘土路堑边坡稳定性分析2 4 4 3 小结3 7 第五章红粘土路堑边坡防护措施效果分析3 9 5 1f l a c 2 d 软件及本构模型简介3 9 5 2 传统防护技术的稳定性分析4 3 5 3 柔性防护技术的稳定性分析4 7 5 4 工程应用验证5 2 5 5 小结5 4 第六章结论与展望5 6 6 1 主要结论5 6 6 2 进一步展望5 7 参考文献5 8 蜀c 谢6 2 附录a 攻读硕士期间发表的论文6 3 附录b 攻读硕士期间参与的科研项目6 4 2 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早珀下匕 随着国民经济的迅猛发展，我国公路建设事业取得了举世瞩目的成就。在 “十一五期间，我国高速公路的发展继续稳步前进，五年新增总里程达6 3 9 万公里。到2 0 1 0 年年底，全国公路总里程达3 9 8 4 万公里，其中等级公路总里 程达3 3 0 4 7 万公里，高速公路总里程已达到7 4 万公里，继续稳居世界第二 位。交通运输是国民经济可持续发展的基础和命脉，高等级公路对促进我国国民 经济的发展起着越来越重要的作用。伴随我国新型工业化与全面建设小康社会的 历史进程，高速公路建设高潮迭起，不良地质条件下路基与桥隧工程的设计优 化、旌工监控及其环境协调等关键技术，已成为我国交通运输建设迫切需要解决 的难题。为此，交通运输部公路水路交通中长期科技发展规划纲要 ( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 已将“特殊地质条件下公路建设技术明确列为交通科技重点研 发领域二“特殊自然环境下工程建养技术 研发方向之一，主要研发特殊地质条 件工程地质勘察设计技术，路基与边坡稳定技术，重点路段施工监控技术，桥梁 抗振技术等。特殊土在我国工程建设不良工程地质现象中占有举足轻重的地位， 在诸多省市自治区分布广泛。因此，有针对性地开展特殊土地带公路修筑关键技 术研究，既是我国交通运输事业持续发展的必然需求，也是我国交通科技发展规 划的重大决策。 红粘土作为一类典型的特殊土，其工程性质独特，一方面其具有高含水量、 高塑性、高孔隙比、密度低、压实性差等不良物理性质，另一方面却具有高强 度、中低压缩性的力学特性；在被普遍认为是比较好的天然地基和较好建筑材料 的同时，却又因胀缩性、裂隙性与分布不均匀性( 主要是上硬下软) 等工程地质 特性而存在很大的工程隐患【l 】。正因为对复杂的工程性质难以把握，从而引发大 量边坡失稳、地基不均匀变形、建筑物变形、路面开裂、隆起等工程病害。随着 国民经济建设事业的高速发展，在红粘土地区兴建各类工程项目日益增多，尤其 对于高速公路的建设，更需要大范围地面对红粘土。因此，如何充分发挥红粘土 的有利因素的应用潜能，同时避免其不利因素透发工程病害，提高红粘土路基边 坡的修筑质量与技术水平，以及提高边坡防护技术，是公路交通工程建设中一项 兼顾理论与技术创新的研究课题，将其作为公路交通工程建设的一个重要方面加 以研究，无疑具有重要的理论价值与工程应用意义。 为此，本文结合交通部西部交通建设科技项目“红粘土地区公路修筑关键技 术研究 ( 2 0 0 63 1 8 7 8 53 0 ) 开展红粘土路堑边坡的稳定性分析是十分必要的。 1 2 国内外研究概况 交通运输部在“十五期间，根据西部地区的地形地质和气候条件，针对特 殊地区公路修筑技术，开展了沙漠、黄土、盐渍土、多年冻土、膨胀土、岩溶等 特殊地质条件的公路修筑技术和相应病害的防治研究，取得了卓有成效的业绩， 在诸多方面取得了重大突破。与此同时，各省自治区亦对膨胀土、高液限红粘土 与黄土等进行了大量研究，对红粘土的土质改良也进行了一些研究。但迄今为 止，对红粘土地区的公路修筑技术还缺乏系统的研究，虽然红粘土与高液限红粘 土、膨胀土的工程性质在某些方面具有相似之处，但红粘土工程性质的独特性显 著，现有高液限红粘土与膨胀土研究成果对红粘土研究有一定的借鉴作用，却难 以套用，目前红粘土地区公路建设还存在许多技术难题。交通运输部在西部交通 科技“十一五开局之年，结合我国西南广泛存在的不良土即红粘土地区的公路 修筑，决定资助开展红粘土的工程特性和修筑关键技术研究，对提高利用红粘土 工程应用潜能，同时避免其不利工程灾害的公路建设水平，实施“安全、环保、 和谐、经济”的公路设计与施工理念，提供公路路基施工有效实用新技术，以及 推进公路交通跨越式发展都具有深远的影响。 从2 0 世纪6 0 年底初，我国的工程地质学者们根据云贵高原碳酸盐类岩石上 广泛分布的残积粘土所具有的特殊颗粒成分、物理力学性质等方面就进行了研 究，于1 9 6 4 年在全国第一届土力学及基础工程学术会议上发表了贵州红粘土 的建筑性能一文，标志着红粘土一词的诞生。7 0 年代以来，随着红色粘土的 综合研究的深化和扩展，红粘土所具有的特性已不仅仅是最初定义的碳酸类岩石 的风化产物的专利了，玄武岩、花岗岩、碎屑岩、粉砂岩及某些粘土岩等都有可 能风化形成与碳酸盐风化形成的具有类似特性的红色粘土。m a h a l i n g a - i y e r , u m a r a n y 等研究了红粘土剖面的工程特性。x 射线分析表明红粘土的主要成分为 高岭石、石英和三水铝矿等。化学分析表明其不含有非晶体物质。电镜扫描结果 表明矿物成分含量【2 1 。自然风干和烘干土样具有不同的塑性指数。由于其多微孔 持水，使其具有较高的液限和塑限。由于红粘土特殊的形成过程，这造成了红粘 土比较复杂的工程特性和水理特性，国内外学者通过大量的室内外试验研究了红 粘土的工程性质【3 h 6 1 。继而经过研究发现红粘土的胀缩特性和裂隙特性与膨胀 土基本相似【7 】 【1 0 1 。其中赵颖文、孔令伟等通过室内试验对广西贵港红粘土、湖 北荆门弱膨胀土与中膨胀土的物理力学性质指标、原状样脱湿过程中的强度变 化、击实样泡水前后强度变化以及脱湿吸湿性能等方面进行了对比试验研究。结 果表明：3 种土原状样脱湿过程中的强度指标在土体裂隙性与基质吸力双重因素 2 的作用下表现出完全不同的变化规律；土体因矿物成分的差异而表现出明显不同 的脱湿、吸湿速率。广西贵港红粘土与荆门膨胀土虽然在一些物理力学指标上具 有相似之处，不过力学特性与水敏性特征具有明显的差异【l lj ，d 2 j 。 天然状态下的红粘土工程性质较好，但是对气候变化特别敏感，这种敏感性 会对红粘土边坡造成严重的危害【l3 1 。气候变化尤其是降雨作用和蒸发作用的进 行，使得红粘土的含水率不断变化，引起红粘土的收缩或膨胀变形，强度降低； 干湿循环次数增加，强度衰减幅度增大，并造成土体裂隙的发生和拓展。裂隙的 存在破坏了土体的整体性，强度大大降低，同时方便了水分的入渗和蒸发，气候 变化时将导致裂隙的进一步拓展和向土层深部发展。对于红粘土边坡，一旦开挖 暴露，因其超固结应力释放而失去平衡，裂隙就会发展，使强度降低【1 4 】。裂隙 对于红粘土工程性质的更主要的影响在于其内部裂隙的开展发育与水的流入和蒸 发，而目前对裂隙的研究主要集中在表面裂隙的形态化研究方面，如d a s o g 在 现场用细线测l m 2 内裂隙的总长，r i n g r o s e v o a s e 用6 个直径1 m 的半圆环组合 在一起进行表面裂隙测量。易顺民采用分形几何的方法，对表面裂隙的开展和发 育进行量化。唐朝生等通过试验，研究了黏性土干缩裂缝与温度之间的关系，并 对不同温度下形成的黏性土干缩裂缝的表面结构特征进行了描述和定量分析。马 佳等通过室内试验与数值图像处理技术，再现了裂土在脱湿情况下裂隙产生、传 播、扩展的过程情况。国内谈云志等研究了压实红黏土水分传输的毛细效应，他 们在水平吸渗试验原理的基础上略加改进，自制了一套毛细上升试验装置，进行 了三种不同初始干密度试样的试验。结果表明，毛细上升高度与含水率的关系类 似于土水特征曲线；试样的干密度越大，在相同的时间内毛细上升高度越小：水分 因毛细效应的扩散能力随初始含水率的变化存在一个最优含水率点。最后，利用 有限元方法模拟了水分在不同时刻沿着试样高度的分布规律，并对比分析了试验 终了时刻的计算值与实测值，二者之间的分布规律比较一致。 综上所述，气候变化给红粘土性状带来的影响是不容忽视的。r u p r e c h t ，j k ； s c h o f i e l d ，n j 研究了复杂的红粘土剖面的渗透特征。他们通过大型的现场渗透试 验，结果表明试验过程较好地反映了现场渗透系数，有效地反映了表面下红粘土 硬壳有相对较高的渗透系数。表面下有“洞一的地方表现出高的渗透系数，但是 硬壳层相对渗透系数较小。这些可以用于最大洪水设计计算及水利影响【”】。 o s i n u b i ，k o l a w o l ej 等研究了压实红粘土的渗透特性，对三种取自同一地区的红 粘土，8 4 个试样进行渗透试验。结果表明，随着饱和度和干密度，尤其是细粒 含量的增加，渗透系数逐渐减小。同时指出了由于含水率和压实功不同而引起的 渗透系数的变化【1 6 】。 红粘土路堑边坡的传统处治方案一般是采用刚性防护，防护形式采用全封闭 式的，这样可以防止降水被非饱和土吸收，亦可阻断地下水上渗引起坡面土体松 3 散。其主要措施包括满铺浆砌片石或水泥混凝土六角块进行防护，还有做土钉墙 加陶边坡等。新开挖的红粘土边坡坡面受到大气、地下水以及土压力等多种变化 因素的影响，很难避免地会发生一定的胀缩，这就会导致结构体欲达到新的平衡 而发生结构变形。对刚性防护结构而言，即使这种变形不大，也会导致结构体的 破坏。据统计，一般在3 5 年内，采用浆砌片石全封闭防护的红粘土边坡大多 会遭到破坏。此外刚性防护结构还有噪音大，阳光照射后眩光，破坏大自然的原 生态环境等一系列缺点。 堑坡柔性防护是一种以工程措旌结合植被生态防护的新型防护措施。其利用 植被含水固土的原理稳定岩土边坡，同时美化生态环境，是涉及岩土工程、恢复 生态学、植物学、土壤肥料学等多学科于一体的综合工程技术。目前常用的有框 格绿化法、土工网植草护坡等多种【1 3 】。框格植草护坡这种防护通过分散坡面上 的雨水径流，减缓水流速度，可以有效地防止坡面被雨水冲刷形成冲沟，该种防 护模式还可以边坡表面的粗度加固边坡，保护草皮生长。其方法是在修整好的边 坡坡面上，采用混凝土预制块、浆砌片石等拼成六角形框格，在框格内铺填适于 植物生长的种植土，再将草种种植在框格内的一项边坡防护措施。土工网植被护 坡是指将活性植物土工合成材料相结合，使二者在边坡的坡面构建成防护系统， 一个具有自身生长能力的防护系统。通过植物的繁殖生长对边坡进行加固防护。 根据边坡地形地貌、土质特征和区域气候等特点，在坡面上铺一层土工合成材 料，且设定为一定的的组合与间距，然后选择性地种植草籽，通过植物发达的根 系来起到加筋和茎叶防冲蚀的作用。 在专利文章“a n c h o rs y s t e mo fc o n c r e t er e t a i n i n gw a l la n ds l o p sf r a m ef o r r e i n f o r c e m e n ta n c h o r ，【1 7 】一文中报道了混凝土挡土墙锚固系统与边坡框架加筋锚 固系统。一座护坡混凝土挡土墙以木材和加筋锚固系统为主，通过利用由木材做 成的碎石和土填补挡土墙可以建设植物区。利用木材做成的混凝土挡土墙包括很 多锚固系统，有方形锚固、大量的连接系统、支撑系统和基底。木材是连接锚固 中的连接系统，并且使得在混凝土挡土墙或边坡中留出空间。通过在该空间中加 入土和碎石，将一个椰子状得纤维网络覆盖上面，这样就形成了一个植物区。在 “s l o p ep r o t e c t i o nc o n s t r u c t i o nm e t h o da n ds l o p ef r a m em e m b e r 【1 8 】一文中报道了边 坡保护建设方法和边坡框架结构。通过在边坡上建筑箱型结构的护坡构件，可以 在边坡上大量种植树木。这些护坡构件互相交叉，在这些构件的上部通过一段锚 固带与边坡相连，在内部种植。在“s l o p ep r o t e c t i o nm e t h o d ”【1 9 】一文中报道为了 防止植被基材流出，在边坡形成横纵结构形式之后铺上一层网络结构，然后在边 坡上通过将锥形结构锚固在边坡上之后，喷洒砂浆，在边坡上形成一种斜坡形 状。 综上所述，国内外学者针对红粘土的工程特性、水理特性以及边坡防护技术 4 等各方面做了大量的研究，虽然现有的高液限红粘土与膨胀土研究成果对红粘土 研究有一定的借鉴作用，但是因中国湘西南的红粘土具有特殊的工程性质，而且 现有的一些路堑边坡防护技术尚不完善，在红粘土地区难以大范围应用，所以难 以完全套用现有技术成果。为此，本文将通过室内外试验、现场调研以及数值分 析等方法研究分析红粘土路堑边坡的稳定性，以改进现有的防护措施，提高红粘 土路堑边坡防护的稳定性、经济型，并提高其社会效益。 1 3 主要研究内容 为了分析研究红粘土路堑边坡防护的稳定性，本文根据交通运输部西部交通 建设科技项目“红粘土地区公路修筑关键技术研究课题，以湖南省郴宁高速公 路为依托工程，通过室内外试验和现场实地调查，对红粘土路堑边坡防护技术进 行对比分析，主要包括以下几方面的内容： ( 1 ) 红粘土的矿物组成与工程特性。为了了解红粘土的工程特性，通过现场 采集大量土样，采用微观分析技术分析红粘土的矿物组成和结构。在此基础上， 根据公路土工试验规程( j t ce 4 0 2 0 0 7 ) 的规定，对土样进行颗粒分析试验、 液塑限联合测定试验、颗粒比重试验、渗透性试验，从而确定其工程定名。同时 研究红粘土的胀缩性和裂隙性等工程特性。 ( 2 ) 红粘土路堑边坡病害调查与防治措施研究。通过查阅国内外文献资料和 实地调研，深入了解和调查红粘土路堑边坡存在的病害，并分析病害的成因，研 究路堑边坡病害的防治措施。 ( 3 ) 针对现场发现红粘土开裂较严重的情况，将通过建立模型模拟降雨入渗 时的边坡状态，在此基础上，通过数值分析研究红粘土路堑边坡的稳定性。 ( 4 ) 红粘土路堑边坡防护研究。运用f l a c 2 d 软件对传统防护技术和现有的 柔性防护技术进行稳定性对比分析研究，在此基础上提出新的防护技术，并与传 统防护技术和现有的柔性防护技术进行对比，分析研究其合理性和可行性。 根据上述研究内容，将采用理论分析、试验研究、模拟分析与工程验证等相结合 的方法，以试验和理论为依据，通过模拟分析各种路堑边坡防护形式的稳定性， 验证最适用于红粘土路堑边坡的防护措旖，并应用于工程实践，从而确定研究的 技术路线如图1 1 所示。 5 图1 1 研究技术路线图 6 第二章红粘土的矿物组成和工程特性 红粘土的形成是一个复杂的物理化学过程，首先在潮湿气候下，碳酸盐经过 复杂的风化作用和化学物理的双重叠加作用后，生成了以次生矿物为主的风化产 物。产物继续遭到干湿循环作用下的破坏，发展成为基本的结构单元，在这个过 程中，基本结构单元因干燥失水而硬化的过程不可逆，这样一来，前面形成的微 细团粒子与基本结构单元就组成了松散状的土体，最后在重力作用下固结。在固 结过程中遇到降水或是地下水中包含的铁离子，结果就形成现在常见的红粘土。 红粘土的工程特性和水理特性研究是研究红粘土路基病害、红粘土改良与路基填 筑控制的基础，因此，本章主要分析红粘土矿物的微观组构和矿物组成，从本质 上揭示红粘土的特殊力学特征，并通过室内试验对其基本物理性质进行分析，着 重分析红粘土的胀缩特性。 2 1 依托工程概况 本课题以郴宁高速公路为依托工程，郴宁高速公路为厦门至成都高速公路在 湖南省境内三个建设项目的第二段，郴州至宁远高速公路是国家高速公路网 7 9 1 8 规划1 8 横中的第1 6 横，也是湖南省规划的“五纵七横 高速公路网中的 一段。项目的建成，会将纵向的京珠国道主干线( g 0 3 0 ) 和二广国家公路连接起 来，形成纵横交织的交通网络，有效地改善湖南省南部地区的交通联系，形成湖 南省以及东中西部省份通往厦门、台湾的东西大动脉。 该路段起点位于郴州市苏仙区坳上镇水龙村附近( 接厦蓉线汝城至郴州高速 公路终点) ，止于永州市蓝山县祠堂圩镇( 接厦蓉线宁远至道县高速公路起 点) 。主线全长1 0 4 2 5 2 k m ，采用四车道高速公路标准修建，设计车速为 1 0 0 k m h ，路基宽度采用2 6 m 。郴州联络线长7 0 7 k i n ，按一级公路标准修建，路 基宽度采用2 4 5 m 。按照公路自然区划标准( j t j0 0 3 8 6 ) ，该工程段地处i v 5 区。从现场采集的土样如图2 1 所示，从色泽上看，为红粘土。全线位于亚热带 湿润性气候，故湿热对当地工程建设有较大影响。郴宁高速公路沿线碳酸盐类岩 广泛出露，在漫长的地质历史过程中，岩石风化剥蚀作用强烈，经红土化作用， 在路线沿线地段形成红粘土( 弱膨胀土) 或高液限土。如图2 1 所示。根据前期 调查，全线红粘土用量约为5 7 5 万m 3 ，主要分布在溶蚀洼地底部、沟谷底部和 山麓坡地等地段。根据地面综合工程地质测绘结果，该地质岩组属于第四系更新 统残坡积层( q 酬) ；具有上硬下软的特点，分布厚度随下伏基岩面的起伏大，垂 直裂隙较发育，具有高液限、高塑限和低压缩性；局部地段受下伏岩溶发育有土 7 洞。 2 2 红粘土的矿物组成 图2 1 红粘土样本 x 射线分析表明红粘土的主要成分为高岭石、石英和三水铝矿等。化学分析 表明其不含有非晶体物质。 2 2 1 粘土矿物的晶体结构 ( 1 ) 高岭土 高岭土是由一个水合硅土层的o h 空心六角环和水矾土层的任何一个o h 之 间脱水缩合而成。每个六角环顶上只剩下一个氧连接水矾土的铝和水合硅土的 硅，这样二层o h 六角环缩合的结果形成一层氧的六角环。由于水合硅土的o h 六角环是空心的，水矾土的o h 六角环中心的o h 不能缩合而仍保留在氧六角环 的中心。这样，由二个三层结构缩合而成的五层结构就是高岭土的晶体结构。这 五层之间，前三层的空间关系如水合硅土，后三层的空间关系如水矾土。 ( 2 ) 蒙脱土 如在高岭土中水矾土的另一面再缩合上一个水合硅土层，即二个水合硅土层 夹一个水矾土层缩合成七层的结构而形成蒙脱土的晶体结构。 ( 3 ) 伊利土 其结构类似于蒙脱土，只是晶格中的硅部分被铝取代，晶胞间吸附有k + 离 子以补偿不足的电荷。 8 表2 1 列出了三种典型粘土矿物的主要特征与性质。从表列情况可见粘土矿 物的晶体结构与其性质之间有着极其密切的关系。 表2 1 主要粘土矿物的特征 ： 高岭土 伊利土 蒙脱土 性质指标 具有鲜明外形，半透明窄长薄片外形不明显，薄 颗粒形状六角形薄片，晶状或外形鲜明的鳞片状或窄长鳞 边夹角1 0 6 1 4 0 0鳞片状片状 厚 2 0 9 m 1 肛m 长、宽 1 0 0 p m 1 0 0 9 m 比表面( m 2 g ) l o 2 0 6 5 l o o7 0 0 - 8 4 0 形成条件酸性介质碱性介质碱性介质 离子交换容量( 毫当量 3 1 5 1 0 4 08 0 1 0 0 l o o g ) 大部分在晶胞间 被交换离子在晶格中的 仅在颗粒两侧交接面处 位置 ( 8 0 ) 塑性性质 钙钠 液限 6 01 0 0 1 2 01 6 0 - 5 0 0 塑限 3 59 0 1 0 0 塑指 2 55 0 6 5 7 0 4 0 0 活动性指数 0 。2 芝0 6l 6 最大膨胀率( ) 6 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 3 0 0 ，6 0 0 7 0 0 与水形成触变混合物时 的土水比 l ：1l ：2 l ：3l ：1 0 - 2 0 压缩系数 0 0 7o 5 51 0 p = o 15 0 2 m p a 渗透系数( c m s ) 靠1 0 4”1 0 。5 x l o 7 2 2 2 红粘土试验结果 利用荷兰帕纳科公司生产的x 射线衍射仪，对依托工程的红粘土样本进行 矿物成分半定量分析，分析的结果如表2 2 表2 3 。 表2 2 红粘土矿物元素含量 元素 c on a m g a ls i k t if e 含量( ) 6 1 4 9 6o 6o 91 4 51 9 4 1 3 0 77 o 9 表2 3 红粘土矿物成分含量 成分 绿泥石 伊利石叶腊石 高岭石长石石英赤铁矿 含量( ) 1 51 52 54 05 从表2 2 和表2 3 可以看出，样本土样中所含矿物元素主要是硅、铝、氧， 占了总元素含量的8 3 9 ，且富含高岭石、伊利石、石英等矿物，故所取土样与 典型的红粘土组成特征吻合，为典型红粘土。 2 3 红粘土工程特性 2 3 1 土样的工程命名 土的常用物理性质指标有：含水率、比重、湿密度、干密度、饱和密度、浮 密度、孔隙率、孔隙比和饱和度这九个指标。其中前三个为试验指标，后六个为 计算指标。常用的物理状态指标有：液限、塑限、缩限、塑性指数和砂的相对密 度，前四个描述的对象是细粒土，最后一个描述的对象是砂土。为了分析红粘土 的基本特性，选取依托工程的典型断面土样进行了相关的基本物性指标的