（道路与铁道工程专业论文）湿陷性黄土地区公路防排水技术研究.pdf

摘要 湿陷性黄土广泛分布于我国西北、华北及黄河中游地区，给公路建设及养护 带来了很大的难度，同时造成了严重的经济损失。、2 0 0 3 年我国北方大部分地区 雨水偏多，由于降雨量大，陕西省关中、陕北黄土地区的公路普遍出现路基沉陷 和水毁，造成公路直接经济损失达数千万元。引起路基沉陷的内因是黄土的湿陷， 外因是降雨形成的地表水的入渗以及地下水分的运移。 结合实际工程，本文分析了黄土路基沉陷形成的条件、原因以及黄土湿陷的 影响因素，指出黄土路基沉陷与水有密切的关系，湿陷性是黄土本身具有的特性， 实际工程不可能大面积的换填，因此要防止湿陷，加强防排水，减少水的影响是 一条行之有效的途径。 湿陷须具备两个条件，一是含水量，二是外在压力。为阻断水分进入路基工 作区，本文提出了湿陷性黄土地区公路常用的排水设施设计、旌工应注意的要点， 重点阐述了黄土地区边沟排水、路面表面排水、中央分割带排水及地下排水措施， 提出了改进边沟设计的方法和设计步骤。 湿陷性黄土地区，尤其是黄土山区，地形复杂多变，排水设计没有统一的模 式，排水设计的关键是排水设施的系统性以及与地形的相适应。本文分析了各排 水类型之间的相互配合，包括路基排水与路面排水的结合、地表排水与地下排水 的结合等，确保排水设施的完整性、系统性。 关键词：湿陷性黄土路基沉陷地面排水地下排水 排水系统性 a b s t r a c t c o l l a p s i b l el o e s sb r o a d l yd i s t r i b u t e si nn o r t h w e s tc h i n a ；n o r t hc h i n ar e c e i v e e x t e n s i v ea r e a so fc o l l a p s i b l el o e s sd i s t r i b u t i o n t o h i g h w a yc o n s t r u c t i o n a n d m a i n t e n a n c e ，a n dh a v eb r o u g h tg r e a td i f f i c u l t i e s ，c a u s i n gs u b s t a n t i a le c o n o m i cl o s s 2 0 0 3r a i nc u tm o s ta r e a so fn o r t h e r nc h i n a ，t h el o e s sr e g i o ni sn oe x c e p t i o nb e c a u s e b i gr a i n f a l l i ns h a a n x ip r o v i n c e ，r o a d b e dd e p r e s s i o ni n n o r t h e r ns h a a n x ib e c a m e w i d e s p r e a d ，r e s u l t i n gi nd i r e c te c o n o m i cl o s s e sa m o u n t i n gt o t e n so fm i l l i o n so f d o l l a r so fr o a d r o a d b e dd e p r e s s i o ni st h ep r i m a r yc a u s eo fi n t e r n a lc o l l a p s e ，e x t e r n a l c a u s e sr a i n f a l li st h ef o r m a t i o no fs u r f a c ew a t e ra n dg r o u n d w a t e rm o v i n g c o n t a c t i n gw i t ht h ea c t u a lp r o j e c t ，a n a l y z e dt h er e a s o n s ，c o n d i t i o na n d i n f l u e n c e o fl o e s sc o l l a p s e ，a n dk n e wt h a tw a t e rh a v eg r e a tr e l a t i o n sw i t hl o e s sc o l ! a p s e c o l l a p s ei st h ec h a r a c t e r i s t i co fl o e s sa n da c t u a lp r o j e c ti sl a r g e f i l l e d ，t h e r e f o r e ，i ti s i m p o s s i b l et oc h a n g ea l lt h el o e s s t op r e v e n tt h er o a d b e dc o l l a p s e ，p r e v e n t i n gw a t e r i sas o u r c eo fe f f e c t i v ec h a n n e l s a n a l y z e dt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fd r a i n a g ef a c i l i t i e su s e db yt h eh i 曲w a y ， a n df o c u so nt h el o e s sa r e a sd i t c hd r a i n a g e ，r o a ds u r f a c ed r a i n a g e ，t h ec e n t r a lb e l t d r a i n a g ea n du n d e r g r o u n dd r a i n a g e a n dm e a s u r e sa r ep r o p o s e d t oi m p r o v et h ed i t c h s i d eo f r o a dd e s i g nm e t h o d o l o g ya n dd e s i g ns t e p s c o l l a p s el o e s s a r e ae s p e c i a l l yl o e s sh i l l s ，t h et e r r a i n i s c o m p l i c a t e da n d c h a n g e a b l e ，a n dd r a i n a g ed e s i g nw i l ln o th a v ea u n i f o r mm o d e l ，d r a i n a g ed e s i g ni st h e k e yt ot h es y s t e m i ca n dd r a i n a g ef a c i l i t i e sc o m m e n s u r a t e w i t ht h et e r r a i n t h i sa r t i c l e a n a l y s e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et y p eo fd r a i n a g e ，i n c l u d i n gd r a i n a g ea n dr o a d d r a i n a g er o a d b e di n t e g r a t i o n ，t h ei n t e g r a t i o no fs u r f a c ed r a i n a g e a n du n d e r g r o u n d d r a i n a g e ，d r a i n a g ef a c i l i t i e st oe n s u r et h ei n t e g r i t ya n ds y s t e m i c k e yw o r d s ：c o l l a p s el o e s s ；r o a d b e dc o l l a p s e ；s u r f a c ed r a i n a g e ；s u b s u r f a c ed r a i n a g e ； d r a i n a g es y s t e m i c 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： 了仍g 年t - j 弓毋日 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) 论文作者签名： 导师签名： 妻涛 讹辞 t 只l 蛩b 长安大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景及研究意义 黄土在我国北方分布甚广，主要分布在北纬3 4 4 5 。、东经】0 1 l 】4 。之间 的黄河中游一带。其中以西北地区黄土地层最厚、发育好，且地层全。黄土特征比 较典型：土层连续性差，层厚变化大，分层土体性质差异明显。由于黄土具有特殊 的成分和性质，黄土在工程界占有特殊地位，典型黄土的最大特点是结构性强，遇 水易湿陷，强度迅速降低。因此，黄土地区的工程时常会发生相关的病害。黄土地 区公路路基沉陷是需要关注的问题之一。陕西省关中平原以北是典型的半干旱地区， 雨水是宝贵的自然资源。但该地区又是典型的以梁、卯、沟壑等地貌为主的黄土高 原地区，林草覆盖率低，地表裸露，生态条件差。由于陕北的地质地形特征，地表 不具备涵蓄和截流雨水功能，不能调节径流，减小流速，因此，这样的生态环境条 件与强降水的相互作用，必然导致洪水暴涨暴落，峰高量大，来势汹涌，造成严重 的公路黄土边坡坡面侵蚀、路基毁坏以及排水设施的水毁。且由于黄土特殊的水理 性质，遇水后在自重应力或附加应力作用下容易发生湿陷并沉陷，严重影响路基质 量，并导致路面的破坏。黄土地区公路路基沉陷病害十分严重。 湿陷性黄土广泛分布于我国西北、华北及黄河中游地区”。，其中以黄河支流渭 河、泾河河谷地区分布范围较大，因此陕西省关中平原及关中平原以北、榆林地区 以南是湿陷性黄土的主要分布地区，陕西省铜川地区湿陷性黄土的分布给公路建设 及养护带来了很大的难题，同时造成了大量的经济损失。陕西北部黄土地区自然条 件比较差，经济落后，是全国的贫困地区。区内交通以公路为主，严峻的公路水毁 形势制约了当地的交通和经济发展。加快公路建设的步伐，提高交通基础设施抵御 自然灾害的能力，己成为当地经济发展和脱贫致富的重要保证。 2 0 0 3 年我国北方大部分地区雨水偏多，黄土地区也不例外。由于降雨量大，陕 西省关中、陕北公路网普遍出现路基沉陷，造成公路直接经济损失达数千万元。引 起路基沉陷的内因是黄土的湿陷，外因是降雨形成的地表水的入渗以及地下水分的 运移。黄土的性质不可能大面积改良，防治沉陷的主要方法只能是尽量阻断黄土与 水的接触。通过对黄土路基沉陷防治的现状调查、资料收集与研究，掌握黄土路基 长安人学硕士学位论文 沉陷的成因机理、形成条件和控制因素，系统地提出黄土路基沉陷的预防和治理对 策，有针对性的解决防治路基沉陷的防排水技术问题，指导黄土地区公路的设计、 施工和养护，才能有效减小黄土路基沉陷所造成的经济损失，确保公路交通畅通安 全。 黄土是广泛分布的，但有些地方路基发生了沉陷，而有的却没有发生沉陷，这 说明有利的工程环境或采取合理的工程措旋，是可以控制沉陷的发生的。在研究黄 土路基沉陷发生条件和控制因素的基础上，通过有针对性地运用防排水技术，控制 地表水的入渗、径流、排泄，及地下水的运移，可以很好地防治路基沉陷。 以上分析可见，本课题研究具有紧迫性和实用性，将在指导设计和减少路基沉 陷病害方面产生巨大的经济效益，具有实施的必要性和迫切性。路基沉陷防治是黄 土地区公路建设中的关键技术，对黄土地区交通及社会经济发展具有重大意义。 1 2 目前研究现状及存在的问题 防排水技术在黄土路基沉陷防治中的应用是一个综合问题，涉及到地质地貌、 水力水文、气象、岩土、路基工程等多门学科。目前，黄土地区的公路防排水技术 在黄土路基沉陷防治中的应用研究尚不多见，现仅就与本项目研究内容有关的国内 外研究现状做简要概述。 1 2 1 国外研究现状 公路排水方面，公路建设起步较早的发达国家公路等级较高，对公路防排水设 计极为重视，在广泛研究和工程实践的基础上提出了一系列设计规范或指南o ，如 美国联邦公路局的设计指南( 1 9 8 6 年) 、德国的公路排水设施规范( 1 9 8 7 ) 、日 本的道路排水工指南( 1 9 8 7 ) 、英国的路边地面排水沟槽出口设计( 1 9 9 6 ) 等。 在欧洲，德国是世界上最早修建高速公路的国家。当前，德国在公路排水基层 研究方面最为成熟。其研究的成果是：在混凝土板下面采用l o c m 厚的沥青处治材 料或贫混凝土或水泥处治的基层。采用贫混凝土时，则粘接到平板上。为防止反射 裂缝，把基层上的接缝或槽缝准确地放在板接缝的下面。底基层是7 5 c m 厚的粒料 层，从一侧向另- - n 有2 5 横坡，水滴从4 斜坡的一端流向平板内暗沟中。在路 肩下，设多孔的混凝土层将水排到暗沟外。德国的排水系统既可以排除路表的水， 蚝安大学硕士学位论文 也可以排除路面结构层中的水。 法国的高速公路路面全部用高质量的沥青或水泥浇注而成，其公路排水目的研 究的重要内容是：试验采用土工织物进行排水。这种做法的具体程序是：把土工织 物置于一个新水泥板和原热拌沥青路面密实集料底基层之间，厚土工织物兼有排水 和过滤石屑的作用。此种方法目前尚在试验阶段还没有正式采用：法国的公路专家 提出，在高速公路排水沟的设计时采取灵活的方案，法国公路排水系统充分利用公 路两侧地形，顺应地形的变化，设计美观实用，节省了工程造价，避免了圬工对环 境的破坏。 美国和许多公路建设技术先进的国家一样把公路排水的研究重点放在排水路面 的应用方面。排水路面最早于十九世纪七、八十年代在美国应用。起初应用未能成 功，经过新技术的改良，排水路面得到了成功的应用，美国公路运输、机场部门开 始进行研究，并应用于工程实际。 美国加利福尼亚洲对公路基层排水设计的研究最具有代表性，该设计于二十世 纪九十年代中期开始正式应用在混凝土公路建设中。在使用基层材料方面，加州过 去允许采用下列四种材料的任一种，即透性沥青处治材料、透水水泥处治材料、贫 混凝土和密级配的沥青稳定材料。沥青处治基层仍可以用小交通量的路面。对于交 通指数小于l o 的路面，加州运输部还规定：标准的基层厚度为1 c m ，此规定生效于 1 9 9 5 年7 月。在 j n 卅l 道路工程投标者可以投标沥青处治透水材料，也可以投标水泥 处治材料，这样可使投标更具竞争力。加州现在路基稳定，边缘排水沟都置有土工 布滤层，以防止水将石屑冲入沟中的透水材料内。如果透水基层放在集料基层，那 么底基层必须浇透层油，例如铺上沥青，这样就能防止石屑被泵吸到透水层。加州 运输部减少了上述底基层的石屑允许量，并规定用浅边缘排水沟排除路表自由水。 这种排水装置位于排水层下2 5 5 c m 处，以截断横向水。如果存在地下水的问题， 就再建一个第二排水系统，它通常是由一个过滤织物做成的透水层，水会进入截断 系统。过去几年，美国加州几乎在所有的州际公路实施了边缘排水计划。所有的路 面改建都采用了边缘排水，其中包括“破裂和加固”工程。所谓“破裂和加固”工 程，就是破裂混凝土路面，再铺上热拌沥青，对这种“破裂和加固”工程的深入研 究工作目前还在进行当中。 美国在公路排水设计和建设中坚持长远的观点，如美国的高速公路中间带通常 长安大学硕士学位论文 设计的较宽，1 9 5 6 年国家洲际公路和国防公路几何设计标准中规定城区高速公路中 间带宽4 9 m ，乡村区的高速公路中间带宽1 l m ：t 9 6 7 年出版的a a s i f f 0 规范中推荐 的最小中间带宽1 8 2 4 m ，靠近城区的中间带宽7 9 m 。较宽的中问带有利于中央分 隔带排水、管线的布设和交通安全等设施的设置，同时还有利于行车的安全，减少 交通事故，更便于将来扩宽道路及车道的翻新。 美国公路的排水设计非常注重环境保护，其边沟表面上看基本都是坦三角形或 浅蝶形，边沟内并不用圬工铺砌，而是土工织物种草，真正的排水系统是在下面， 由于公路两边的植被非常好，滞留系数大，水流缓慢，雨水通过边坡漫流至边沟， 再渗至边沟下面的暗沟里，然后由地下排水系统排除。即使下大雨也很难看到两侧 边沟的流水，地表径流对边坡冲蚀力很小。对没有地下排水系统的一般公路边沟， 采取在沟内铺碎石和天然石头，以减慢水流速度，防止水土流失。 澳大利亚公路排水系统的主要研究成果是其对公路排水土工材料的研究和应 用，澳大利亚的科研单位倡导复合土工排水体在公路排水系统中的应用，并且现在已 经形成了完整的复合土工排水体家族。它们都由高密度聚乙烯内核外包复合土工滤 膜组成，具有非常好的过滤性和排水性，能满足大多数场合地下排水的要求。按其 性能不同大致可分为4 类：( 1 ) 条状排水体。此类排水体提供了较大的集、排水接触 面，能够比常规排水系统更快速、更有效地排水；容易弯曲、连接，施工时开挖的沟 较窄，施工费用较低。( 2 ) 高强条状排水体。它是经过提高强度处理的条状排水体， 其最小抗压强度为3 0 0 k p a ，适用于有较大荷载的场地，如覆盖层较薄、轴载较大的 公路等。( 3 ) 不透水内核排水体。它是高效、经济的竖直排水系统，采用不透水内核 的特殊设计，减小了构造物后的水压力，有助于构造物的防水。( 4 ) 大型场地专用排 水体。 虽然国外对于排水系统的设计已非常完善，排水效果也相当好，其研究侧重于 路面结构层层排水和排水结构物的安全、环保，但是这些国家很少或没有黄土分布， 对于特殊地区尤其是针对黄土路基沉陷变形方面的防排水技术的研究几乎没有。 1 2 2 国内研究现状 国内对于黄土湿陷性的研究目前已经比较成熟，我国有许多学者对黄土的湿陷 性进行了大量的定量研究。刘祖典、陈正石首先研究黄土湿陷的本构关系，据其试 验结果分析了侧压力( 对应不同应力比k ) 对湿陷量的影响及湿陷变形的力学机制， 长安大学硕士学位论文 同时给出了结合理论分析与实验数据拟合的半经验本构关系式，研究了黄土的浸水 强度与湿陷初始条件。后来陈正汉和谢定义又将现代非饱和土理论的吸力概念引入 到黄土的研究之中，而且谢定义还对我国黄土力学的研究作了深刻的总结与展望。 苗天德等从微结构失稳的观点出发，运用数学突变理论，构造了微结构的破坏模型， 给出了湿陷性黄土的一个本构关系，并阐述了湿陷变形的许多非线性效应。张爱军、 邢义少通过非饱和原状黄土湿陷增湿及孔隙压力特性试验得到的黄土增湿过程中的 有效应力应变关系，采用三维非线性数值分析方法，对黄土地基从天然状态到非 饱和增湿湿陷，直到饱和湿陷的全过程进行了分析，初步得出了黄土湿陷全过程的 变形、应力转换等规律，是黄土湿陷性研究的一次有益尝试，对评价地基在不同浸 水程度下的湿陷变形有重要意义。 长安大学公路学院谢永利等利用t r i m e - - i p h 探头在甘肃媾柳高速公路新庄岭 以及陕西洛川、韩城典型湿陷性黄土地区进行了湿陷性黄土原位浸水试验，现场浸 水池采用圆形，直径1 5 m ，深度5 0 c m ，底层铺设2 0 c m 水洗细砂，浸水试验时控制 浸水池内水头保持在1 5 c m 。通过试验分析及数据处理得出了以下结论：在地表浸水 情况下，湿陷性黄土的湿陷速度和量值与水的入渗速度和量值成i e l l ，是一个时问 过程；在地表浸水情况下，自重湿陷性黄土的地表某点的总湿陷量与正下方土体的 含水量成正比关系：黄土水平入渗时，含水量从初始变为饱和状态的非饱和入渗时 间与土层深度成正比关系：黄土垂直向入渗时，含水量从初始状态变为饱和状态的 过程可分为3 个阶段。其中最有工程意义的是非饱和入渗阶段。在该阶段，含水量 与时间的变化关系近似于线性关系。入渗深度与时间的关系近似于时间平方根的幂 级数关系；黄土垂直向的渗水性大于水平向的渗水性。室内试验的渗水速度可相差 2 l o 倍。现场地表浸水入渗时受重力作用影响，垂直向与水平向渗透速度的差别 更大，甚至可达上百倍：还受黄土各向渗透速度、基质吸力、水重力的影响。原状 黄土地基垂直与水平向入渗的浸润角一般为3 0 0 ：实测和理论分析都证明，地表浸水 入渗时，土体中饱和度( 含水量) 的分布近似为椭球状。该试验从理论上确立了陇 东、陕北地区黄土增湿湿陷与含水量的关系以及湿陷性黄土的入渗规律，为进一步 研究黄土湿陷变形以及排水设施的设计奠定了基础。 黄土地区公路水损坏主要包括三个方面：黄土边坡土壤侵蚀，黄土路基湿陷， 和排水设施自身的水损害。关于土壤侵蚀研究，引人注目的研究成果是1 9 6 0 年美国 长安大学硕士学位论文 农业部建立的通用土壤流失方程，该方程考虑了降雨因子、坡度、坡长因子、土壤 可蚀性因子、作物管理因子和土壤保持措施因子。1 9 7 5 年w i l l a m s 提出了以径流因 子代替降雨因子的修正流失方程( m u s l e ) 。8 0 年代，国外学者的研究更细致，例如 击溅侵蚀、细沟流泥沙、侵蚀起始临界条件等，并在侵蚀预测模型中考虑更多因素。 我国土壤侵蚀研究解放后才有重大进展，并主要集中研究黄土的侵蚀问题。王万忠 指出，黄土高原引起侵蚀的降雨次数为平均每年6 次，仅占年雨次的6 9 6 ，引起 侵蚀的雨量平均每年为1 4 0 m m ，占年降雨量的2 6 4 9 6 ，降雨侵蚀主要是产流后1 5 2 0 分钟内的径流过程。周佩华等利用人工模拟降雨装置研究了雨强与降雨动能的关系。 王兴奎等证实了降雨击溅侵蚀在黄土地区侵蚀过程中的重要作用。陈永宗指出：坡地 上流水侵蚀存在一个坡度临界值。8 0 年代，江忠善、郑粉莉、黄秉维、朱显漠等对 黄土径流侵蚀进行了探索，有关人员还提出了黄土侵蚀预报模型。9 0 年代李占斌等 用人工模拟降雨装置对坡地系统进行了系统研究。吴普特等对坡面降雨形成的薄层 水流的流态、流速进行了研究，并指出坡面薄层水流为搅动层流，处于急流状态， 揭示了雨滴对流速的影响。 我国交通部1 9 9 7 年颁布了公路排水设计规范，该规范主要参照了r 本、美 国、德国等国家相应的公路排水规范，再加上国内同济大学、重庆公路所的路面排 水研究成果。姚祖康的公路排水设计手册概述了公路排水的类型，公路排水设 计的一般原则、内容和步骤，重点介绍了路界表面排水、横向穿越排水、地下排水、 路面结构内部排水设计的相关知识点，对我国公路排水设施的设计、施工、养护有 一定的指导意义。但是，由于自然因素的复杂多变，这些原则性和一般性的规定难 以满足特殊地区的公路排水设计要求，特别是对黄土地区公路排水针对性比较强的 内容涉及较少。 长安大学公路学院道路灾害防治研究所罔伟平教授综合分析了陕北铜川及延安 黄土地区地形地质特征后，针对这几年发生的公路水毁，做了大量的研究工作，具 体包括：陕北黄土地区公路水毁的因素分析、黄土路基冲蚀破坏机理分析与研究、 黄土路堤边坡漫流侵蚀研究、路面表面排水研究与试验、黄土地区公路水毁主要防 治措旌研究等，为解决黄土地区的公路水毁提供了很好的理论基础及技术支持。 1 2 3 黄土地区公路排水存在的问题 对于黄土地区的防排水设计，湿陷性黄土地区设计规范中作了原则性规定， 长安大学硕士学位论文 但主要侧重于工民建，在公路工程中的应用还没有形成完整的技术。黄土地区的公 路工程技术人员，对黄土地区公路修筑技术做了大量的研究工作，针对不同地区的 特点，采用基底强夯、增大填土压实度、化学改良等方法进行了一些尝试，但由于 成本等原因，不可能对黄土进行大面积处理，所总结归纳出的些预防和治理方法 和工程措施也只能在局部应用，还没有形成完整的技术，特别是没有将排水与防水 相结合，路基沉陷的控制因素、发生条件与治理措施结合，还不能全面解决黄土路 基沉陷问题。 交通部西部交通建设科技项目列了1 2 个黄土科研项目，对黄土浸水特性、黄土 地基承载力、黄土边坡稳定性及防护、黄土压实性能及压实技术、黄土路基路面病 害、土工合成材料应用等方面进行了研究，其中个别项目也涉及到黄土路基沉陷问 题，但对黄土路基沉陷形成条件及控制措施方面没有直接应用的成果。目前，黄土 路基沉陷的原因已比较清楚，但实际形成条件仍不清楚，没有将防排水技术应用到 实际工作中，使理论与实践出现了脱节。 本项目所提出的问题来源于近年陕西省关中、陕北公路网，甘肃黄土地区普遍 出现的黄土路基沉陷病害，研究成果将服务于黄土地区的公路设计、施工和养护， 是提高公路建设及养护水平的关键技术，符合国家交通科技发展方向，并将产生巨 大的经济效益。 1 3 研究的主要内容及技术路线 1 3 1 本文研究的主要内容 ( 1 ) 搜集湿陷性黄土地区路基沉陷的有关资料：降雨资料、土性参数、沉陷发生 位置及周围环境、排水系统情况等。对陕西省铜川地区及其他邻近黄土地区路基进 行调查，具体包括沿线黄土的成因类型、地层特征；路线所处的地貌单元及地形特 征。此外，还应调查路线通过地区的自然排水条件，地表水、地下水活动特征及危 害程度，当地水土保持的经验、有关措施及其效果等。 ( 2 ) 本课题将通过实验和理论分析，运用土力学固结理论，分析黄土路基沉陷发 生的力学条件、水力条件，通过土的渗透研究及非饱和土理论，将降雨、地表水条 件与黄土路基沉陷建立对应关系，从而揭示黄土路基沉陷的形成条件及分布规律。 ( 3 ) 根据沉陷发生条件及分布规律，运用水力、水文学相关理论计算排水系统有 长安大学硕士学位论文 关设计参数的选取方法，包括路面排水方案( 路面表面排水、路面边缘排水系统等) 的优化选择、主要设计参数的确定方法；路基综合排水技术研究；黄土边坡坡面排 水技术研究；防治沉陷的防水技术研究。根据黄土地区降雨、水文、土性、地形的 特殊性，通过试验和理论分析，提出具有特色的排水结构型式，分析各类排水设施 的优化组合，使湿陷性黄土地区公路排水系统具有连贯性、整体性，确保快速排除 地面水，阻断地下水渗入路基工作区。结合工程实践，提出适合黄土地区的公路排 水系统自身防护加固措施，确保排水系统自身安全。 1 32 本文采用的主要技术路线 图1 1 研究的技术路线 k 安人学硕士学位论文 2 黄土的工程特性及湿陷性影响因素 2 1 湿陷性黄土工程特性分析 211 湿陷性黄土的主要特征 湿陷性黄土是黄土的一种3 。黄土是第四纪堆积的，以粉土颗粒为主，富含碳 酸盐，具有大孔性，黄色的松散沉积物。 黄土在一定的压力和受水浸湿作用下，土结构迅速破坏而发生显著附加下沉的 性质，叫做黄土的湿陷性。“一定的压力”是指土的自重压力( 黄土自身重量的压力) 或者土的自重压力与附加压力( 即外荷压力) 的总和；所谓“土结构迅速破坏”，并不 是一般性的土颗粒问的孔隙压缩，而是土的结构( 即多孔性结构) 发生了改变，土颗 粒产生滑动、滚动或者跃动进行了重新排列。这种结构破坏，一般较为猛烈而迅速。 所说的“显著附加下沉”，是指远远大于它的正常压密或塑性变形。黄土的湿陷，是 在水的作用下产生的，没有水这个因素，“湿陷”与否就无从谈起。 根据研究资料，湿陷性黄土的主要特征，可归纳为： ( 1 ) 黄色是基本色凋，通常为黄褐、褐黄、灰黄、棕黄等颜色； ( 2 ) 含盐量较大，特别是碳酸盐含量尤为突出，另外硫酸盐、氯化物等含量也都 比较高； ( 3 ) 矿物组成主要为石英、粘土矿物等。粘土矿物以伊利石为主。化学成分中 s i 0 2 、a 1 2 0 3 和碱土金属钙镁含量都较高； ( 4 ) 粉土颗粒含量较多，我国湿陷性黄土粉土颗粒( 0 0 5 o 0 0 5 m m ) - - 般占半数 以上，5 5 6 0 者居多； ( 5 ) 一般具有大孔性，大孑l 隙常常肉眼可见。孔隙比常在1 0 左右，呈松散结构 状念； ( 6 ) 在天然剖面上，具有垂直节理； ( 7 ) 具有湿陷性。 2 1 2 湿陷性的有关概念 湿陷性黄土由于特定的形成环境、埋藏产状、地理位置、气候条件、物质成分， 尤其是它的特殊结构、特殊组成，致使黄土在压力和水的作用下发生湿陷，产生湿 9 跃安大学硕士学位论文 陷变形。现将湿陷性黄土的有关概念及其含义简单介绍如下。 1 ) 湿陷变形 当湿陷性黄土在定的压力( 包括自重压力或者自重压力和附加压力) 作用下受 水浸湿产生下沉变形，下沉变形中除掉f 常压缩变形外，还有一部分附加下沉变形， 这部分附加下沉变形，称为湿陷变形。湿陷变形值，叫做湿陷量。湿陷量有时也叫 湿陷变形量在数值上等于总下沉变形量( 也叫总下沉量) 减去压缩下沉量。 湿陷变形量( 即湿陷量) 又分为总湿陷变形量和相对湿陷变形量两种。总湿陷变 形量( 也叫总湿陷量) 指地基土中全部湿陷变形值：相对混陷变形量( 也叫相对湿陷量) 是指单位厚度的土层具有的湿陷量。 相对湿陷量应用得比较广泛，特别是湿陷系数更被广泛的应用到生产实践之中。 湿陷系数是相对湿陷量的种特殊形式，是用室内压缩试验求得的环刀土样的相对 湿陷量，去代表某一采样点的土层的相对湿陷量。湿陷系数的含义是l c m 厚的压缩 稳定后的土样浸水湿陷了多少。 湿陷量还分为实际湿陷量、实测湿陷量、假定湿陷量、自重湿陷量、剩余湿陷 量等等： ( 1 ) 实际湿陷量：湿陷性黄土地基的真实湿陷变形值，它是不易测得的，往往用 实测湿陷量代替； ( 2 ) 实测湿陷量：通过实地观察测量得到的一种地基土的总湿陷变形量值。由于 一些原因，实测湿陷量往往不与实际湿陷量相等； ( 3 ) 假定湿陷量：是根据湿陷系数计算来的，即把需要计算的土层分成若干计算 层，用每个计算层的厚度乘上它的湿陷系数得出计算层的湿陷量，然后把计算层湿 陷量加起来，就得出所要计算的整个土层的假定湿陷量。假定湿陷量往往用来划分 湿陷等级，所以把划分湿陷等级用的假定湿陷量又叫做分级湿陷量( 分级湿陷虽的计 算土层厚度规定5 m 或1 0 m ) ； ( 4 ) 自重湿陷量：用自重压力求得的整个湿陷性黄土总厚度的湿陷变形量： ( 5 ) 自重湿陷系数：它的定义和湿陷系数一样( 即单位自重湿陷量或称相对自重 湿陷量) 。它与湿陷系数不同的是，不像湿陷系数求测时用一个规定好的固定压力进 行试验，而是用土样在地层中全部上覆土层的饱和自重压力求得的： ( 6 ) 剩余湿陷量：是指地基处理后，其湿陷量还剩下多少。 o 长安大学硕士学位论文 2 ) 湿陷性质及评价标准 黄土受压后浸水，能发生湿陷者叫混陷性黄土，湿陷性黄土具有湿陷性。黄土 受压后浸水，不发生湿陷者叫做非湿陷性黄土。 在黄土湿陷性评价的实际工作中，为了反映黄土湿陷性的大小，我国采用湿陷 系数蘸来体现湿陷变形的特征。 g b j 2 5 - - 9 0 规范规定：自基础底面算起，1 0 m 以内土层应用2 0 0 k p a 的压 力测定黄土的湿陷系数，1 0 m 以下土层应用其上覆土的饱和自重压力测定黄土的湿 陷系数。湿陷系数即为单位厚度黄土( 起始含水量为w ) 在某一压力下浸水所发 生的湿陷变形量的大小，其值一般通过试验和如下公式计算试验得到： 正：毕 ( 2 1 ) b 式中：h p 一一保持天然湿度和结构的土样，加压至一定压力时，下沉稳定后的 高度( c m ) ； h p l 一上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度( c m ) ； 玩一一土样的原始高度( e r a ) 。 同时规定了一个湿陷系数界限值，这个界限值点= o 0 1 5 或o 0 2 0 。就是况，凡 是湿陷系数大于等于o 叭5 ( 或者o 0 2 0 ) 的黄土层，就定为湿陷性黄土，而小于o 0 1 5 ( 或 者o 0 2 0 ) 就定为非湿陷性黄土。湿陷与非湿陷的界限值又叫湿陷标准。 湿陷性土层厚度( 湿陷深度、湿陷带下限) 也是用湿陷性界限值确定的。 3 ) 湿陷类型 湿陷性黄土地基或场地分为自重湿陷与非自重湿陷两种类型。当湿陷性黄土地 基或场地浸水后，没有任何外部的附加荷载，仅在地基土的自重压力作用下发生湿 陷的，称为自重湿陷性黄土地基或场地；当湿陷性黄土地基或场地没有外部附加荷 载的作用下浸水不发生湿陷，需要有一定的附加荷载作用下浸水才能发生湿陷的， 叫非自重湿陷性黄土地基或场地。 划分湿陷类型的界限值有两个，根据野外试坑浸水原位试验划分湿陷类型时， 规定野外试坑浸水原位试验测量自重湿陷量大于7 c m 时，定为自重渝陷黄土地基或 场地，小于7 c m 时，定为非自重湿陷黄土地基或场地：如根据室内试验划分，则计 民安大学碗士学位论文 算湿陷深度的自重湿陷量大于7 1l c m 时，定为自重湿陷黄土地基或场地，小于7 1 l c m 时，定为非自重湿陷黄土地基或场地。 4 ) 湿陷程度 湿陷程度有两种评价方法，即强烈程度和湿陷等级。 ( 1 ) 湿陷强烈程度：般按规定压力下测得湿陷系数值按o 0 3 、0 0 7 划分为轻微 湿陷、中等湿陷和强烈湿陷三种。 ( 2 ) 湿陷等级：根据规定厚度计算的分缴湿陷量按照l5 、3 5 ( 或4 0 ) c r l l 划分为三 级： i 级一一计算的分级湿陷量5 1 5 c m ： i i 级一一计算的分级湿陷量为1 5 3 5 ( 或4 0 ) c m ： i i l 级一一计算的分级湿陷量 3 5 ( 或4 0 ) c m 。 2 1 3 黄土湿陷性原理及影响因素 湿陷性黄土发生湿陷的原因很复杂，其湿陷过程是一个物理化学过程。湿陷的 发生是由土内部固有的特殊因素和外界适当条件共同作用的结果。有关资料指出， 黄土湿陷的原因可以分为内因和诱因两类。 湿陷的内因有： ( 1 ) 湿陷性黄土的颗粒级配特征一一粉土粒为主。 ( 2 ) 黄土的孔隙比大，通常等于或大于1 。 ( 3 ) 湿陷性黄土的组织结构特征一一粉粒点式接触大孔性结构和粉粒叠盖式多 孔性结构。 ( 4 ) 湿陷性黄土化学成分特征一含有水溶盐： 难溶盐c a c 0 3 、m g c 0 3 等含量l l 左右： 中溶盐c a s 0 4 2 h 2 0 、c a s 0 4 等含量 o 0 1 6 m m ) 主要包括虫洞、根洞、裂隙和团块间 的孔隙，还包括少量骨架颗粒相互支架构成的支架孔隙。中孔隙( 孔隙半径 o0 1 6 o 0 0 4 m m ) 主要是支架孔隙。由于构成中孔隙的骨架颗粒多以棱边或棱角相互接触， 接触面积甚小，很不牢固。当水浸x n 弱了颗粒间的连接强度时，在压力作用下整个 结构体系就迅速崩溃，造成湿陷。大孔隙在湿陷性变形过程中被破坏的程度取决于孔 隙的坚固程度。坚固性高的孔隙多是由碳酸钙等物质胶结其孔壁，常常形成管道状， 它即使在较高的压力下，仍可保持原始状态。 黄土中的d , - j = l 隙( 孔隙半径为o 0 0 4 o 0 0 1 m m ) 主要是骨架颗粒相互穿插所构 成的镶嵌孔隙。这种结构的特点是骨架颗粒多以面接触，接触面积较大，稳定性较 高，一般不易变形。微孔隙( 孔隙半径小于0 0 0 1 m m ) 主要是粘粒间的孔隙，还包括 存在于土体中起到骨架支撑作用的集粒内的孔隙。微孔隙体积小，数量多，稳定性 高，它在压力下浸水时不会发生破坏的。当小、微孔隙( 即孔隙半径小于o 0 0 4 m m 的孔隙) 含量超过6 0 时，土体趋于稳定，般不会产生湿陷现象( 在2 0 0 k p a 压力 下) ，若低于这个界限，就是湿陷性黄土。因此，黄土中的小、微孔隙含量愈高，土 体的稳定性愈高。 ( 2 ) 黄土的显微结构类型对湿陷性的影响 总的来说，在黄土高原区，自西向东及从北而南，随着黄土粘粒含量增多及j x l 化成土作用程度增强，晚更新世黄土的微结构类型由支架大孔微胶结结构逐渐过渡 为絮凝胶结结构和凝块胶结结构，黄土的湿陷系数及自重湿陷系数显著由大减小， 在剖面中自上而下，随着上覆土层自重压力增大，粘粒含量增多以及风化成土作用 由弱增强，黄土的微结构由支架大孔微胶结结构逐渐过渡为镶嵌微孔微胶结结构或 镶嵌微孔半胶结结构以至胶结结构，土体的力学性质相应由差变好，黄土的湿陷性 逐渐减弱。 一 总之，黄土微结构类型和湿陷性强弱及湿陷起始压力值的大小有着较为明显的 相关关系，说明黄土的微结构特征对其湿陷性有着决定性的影响作用。 长安大学顶士学位论文 2 2 地下水及地表径流浸入对湿陷变形的影响 本课题主要研究水影响下黄土路基的沉陷特性，因此对于地下水及地表水对湿 陷性的影响主要关注土体中水的存在形式、压实黄土的渗透规律、黄土浸水强度与 变形特性的关系、黄土浸水对公路路基与边坡等构筑物的影响等内容。 221 土体中水的存在形式 水是黄土的物质组成之一，土中水的存在形态有结合水、自由水、气态水、固 态水。不同形态的水在一定条件会互相转化，并对土的性质起着重要的作用。因固 态水和气态水存在条件有限，故本文主要分析自由水和结合水n 1 。 ， 1 ) 结合水 吸附在土颗粒表面的水为结合水。这部分水所占水量一般不变，可以看成黄土 的组成部分，结合水受土颗粒表面引力的控制，故不服从静水力学的规律。水分子 越靠近土粒表面，所受引力越大；反之，越小，根据引力的强弱，结合水又可以分 为强结合水和弱结合水。 压力和温度对结合水形态的转化有很大的影响。当压力增大时，能使部分吸附 水向渗透结合水转化，渗透结合水向自由水转化。对饱和土加压，当压力低于1 m p a 时，自由水排出，压力增加至3 m p a 时，渗透结合水渗出，当压力增至l o m p a 时， 部分吸附结合水压出。当温度为5 5 7 0 c 时，部分吸附结合水转化为自由水；当温 度达到8 0 9 0 c 时，部分弱结合水排出。 2 ) 自由水 不受土颗粒引力作用的水为自由水。自由水受重力控制，能流动和传递静水压 力。根据是否受表面张力的作用，自由水又可分为毛细水和重力水。重力水连续存 在于土的7 l 隙中。毛细水在土骨架孔隙内分布不连续，由于表面张力的作用，毛细 水会沿着土的孔隙上升，故毛细水对公路路基的干湿状态及沉陷、冻害有重要的影 响。 222 黄土的渗透性 黄土的渗透性，是黄土的重要工程性质之一f la i l ，许多工程如湿陷性黄土地基的 湿陷变形大小和湿陷变形速度，灌溉水渠和水库的渗漏量，挡水坝和水坠坝等的渗 长安大学硕士学位论文 流稳定性，给排水设计以及人工降低地下水位，黄土地区的公路路基的湿化水毁等 都同黄土的渗透性密切相关。但是，由于影响黄土渗透性的因素很多( 土粒性质、形 状和级配、土的孔隙比、结构、裂隙、层理、饱和度以及水的粘滞性等) ，对于不同 成岩类型的黄土，其影响程度又不相同，同一地区不同地段，黄土的渗透系数都有 很大的差异。因而到目前为止，对黄土渗透性的研究远远不适应工程实际的需要。 黄土的渗透性与其他土质相同，均以单位水力梯度作用下的渗流速度即渗透系 数来表示。 目前测定黄土渗透系数有室内和野外两类方法： ( 1 ) 室内常水头和变水头试验； ( 2 ) 为了获得地基和黄土建筑物的渗透性在野外进行试验，常用双环法、抽水法 和模型试验。由于很多因素影响渗透性，目前室内渗透试验同黄土的实际渗透情况 又有很大的差距，因而常会得到不能令人满意的试验结果。由于土样质量和测试方 法等不同，实践表明，现场试验结果总是大于室内试验成果。对同一种黄土室内外 试验结果可相差达几百倍，而且室内试验总是偏小。由于野外双环法比较简单，试 验结果又接近实际，故是一种接近实际的试验方法。 黄土渗透系数常在4 8 x l o 。4 5 8 1 0 4 c m s 之间变动，平均为1 5 1 0 。4 c m s ，属 中等透水性。一般来说，q l 、q 2 黄土的渗透性均小于q 3 、q 4 黄土的渗透性。由于 黄土中有竖直管状大孔隙，所以黄土的渗透性具有明显的各向异性的性质，垂直向 渗透性远比水平向渗透性强，大孔隙越发育，差值越大。浸水后的黄土，由于天然 结构已经破坏，两个方向的渗透性逐渐接近。黄土的颗粒组成和结构特性对渗透性 有明显的影响，陇西、陇东、陕北黄土颗粒较大，微观结构多呈粒状、架空接触结 构，因而渗透性较大：河南西部地区黄土颗粒较小，微观结构多呈凝块、镶嵌胶结 结构，因而渗透性较小。黄河中游地区自西向东、自北向南，黄土的渗透系数的变 化趋势是由大变小。 相关研究资料表明，黄土渗透性的一般规律为： ( 1 ) 黄土中有垂直管状大孔隙，所以黄土的渗透性具有明显的各向异性的性质， 垂直向渗透性远比水平向渗透性强，大孔隙越发育，其差值越大，二者的比值一般 在2 l o 范围内。作为公路路基的压实黄土和浸水湿陷后的黄土，由于天然结构己 经破坏，则两个方向的渗透性逐渐接近。故天然状态黄土渗透试验的水流方向，应 氏安人学硕士学位论文 同工程实际的渗流方向一致。 ( 2 ) 天然状态黄土的渗透系数k l 与孔隙比e 之问无明显的关系，压实后的黄土， 出于消除了黄土中分布不均的大孔隙，则k ，值随e 值的减小而减小，其关系是非线 性的，一般成对数函数关系。 ( 3 ) 黄土的渗透性与其颗粒组成和结构特征有密切关系。陇东、陕北的黄土的颗 粒较粗，微观结构多呈粒状、架空接触状态，因而渗透性较大。河南豫西地区黄土 颗粒较细，微观结构多呈凝块、镶嵌胶结状态，因而渗透性较小；关中地区黄土颗 粒组成及结构特征介于二者之间。这就表明颗粒组成和结构特征对渗透性有明显的 影响。黄河中游地区自西向东和自北向南，黄土的渗透系数亦由大变小。 ( 4 ) 当密度相同时，天然状态黄土的渗透性较击实黄土的渗透性强，这是由于天 然状态黄土中存在着大i l 隙，而水在大孔隙中流动时阻力较小的缘故。 ( 5 ) 湿陷性黄土，在湿陷发生和发展的过程中，由于土的结构状态发生了变化， 因而渗透系数也发生了变化，即逐渐减小。根据苏联安德鲁欣的野外试验，天然状 态的湿陷性黄土，其渗透系数为0 0 2 1 2 m d ；湿陷稳定后的渗透系