路基病害整治技术讲义671页 ppt.ppt

路基病害整治,路基病害整治,第一章路基工程认识第二章软土路基病害与防治第三章黄土地区路基病害与防治第四章膨胀土路基病害与防治第五章冻土地区路基病害与防治第六章高填方路堤病害与防治第七章路基横向不均匀沉降病害与防治第八章路桥过渡段路基病害特征与处治技术第九章路基边坡病害整治附：新老路基结合部处治技术,路基病害整治,一路基病害整治课程认识,路基病害整治,路基工程的特点路基工程技术的现状路基工程常见病害路基工程的建筑要求课程特点与学习方法,课程内容,一、路基工程的特点,1、路基工程以岩石和土为基础，并以岩石和土作为建筑材料；2、路基工程完全暴露在自然环境中，受严寒酷暑、狂风暴雨、地震等自然条件影响，将会引起路基边坡坍塌、路基隆起、下沉、翻浆冒泥等各种病害；3、路基同时受静荷载和动荷载的作用，动荷载是造成路基病害的主要原因之一。,二、路基工程技术的现状,1、设计计算技术进步提高，设计理念逐渐转变2、新工艺、新技术、新材料层出不穷（1）滑坡整治重力式挡土墙抗滑桩、仰斜排水孔、锚杆预应力锚索及锚索桩；（2）软土地基处理砂井、反压护道袋装砂井、塑料排水板、真空预压粉喷桩、旋喷桩及土工合成材料加筋地基；（3）基床病害处理换填砂石料、敷设沥青面层、设盲沟排水应用土工合成材料进行加筋和隔离；（4）边坡防护技术工程防护绿色生物防护（5）高速公路路基较多采用粉煤灰，少部分采用水淬矿渣等工业废料，可以减轻结构物质量、保护环境、减少投资等。（6）使用高效施工机械，大大提高了施工速度和施工质量，减轻了工人的劳动强度；（7）爆破技术的进步，减少了施工对路堑边坡的破坏；（8）一些灾害报警装置性能的明显提高，使施工和行车安全有了保障；（9）施工组织、管理水平也逐渐向世界先进水平靠拢。,二、路基工程技术的现状,3.测试手段和设备进一步提高，检测方法更加合理4.规范逐步完善和更新公路工程地质勘察规范(JTJ064-98)公路路基设计规范(JTGD30-2004)公路加筋土工程设计规范(JTJ015-91)公路加筋土工程施工技术规范(JTJ035-91)公路土工合成材料应用技术规范(JTJ/T019-98),二、路基工程技术的现状,公路土工合成材料试验规程(JTGE50-2006)公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范(JTJ016-93)公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ017-96)公路路基施工技术规范(JTGF10-2006)公路工程施工安全技术规程(JTJ076-95)公路路基路面现场测试规程(JTJ059-94)公路工程质量检验评定标准(土建工程)(JTGF80/1-2004),三、路基工程常见病害,1.路基的沉陷2.边坡的滑塌,1.路基的沉陷,路基沉陷是指路基表面在垂直方向产生较大的沉落。路基的沉陷可以有两种情况：一是路基本身的沉缩；二是由于路基下部天然地面承载能力不足，在路基自重的作用下引起沉陷或向两侧挤出，如下图a)所示。,1.路基的沉陷,因路基填料选择不当、填筑方法不合理、压实不足，在路基堤身内部将形成过湿的夹层，在荷载和水温综合作用下，引起路基沉缩，如下图b)所示。,1.路基的沉陷,原天然地面为新近填土、软土、泥沼等，因承载能力不足，路基修筑前未经处理，在路基自重作用下，地基下沉或向两侧挤出，引起路基下陷，如下图c)所示。,2.边坡的滑塌,(1)溜方溜方是由于少量土体沿土质边坡向下移动所形成。溜方通常指的是边坡上薄的表层土下溜。它可能是由于流动水冲刷边坡或施工不当而引起的，如下图所示。,2.边坡的滑塌,(2)滑坡滑坡是指一部分土体在重力作用下沿路堤的某一滑动面滑动。滑坡现象主要是土体的稳定性不足而引起的，分路堤滑坡和路堑滑坡，如下图所示。,2.边坡的滑塌,(3)风化剥落风化剥落指风化的石质路堑边坡，在外界环境因素如降水、强风、振动等影响下，成片或块体剥落，从而危及线路和行车安全。一般多指因地形、地质原因而造成的体积较小而数量较多的风化岩石剥落，现场常用设防护网或喷射水泥浆等方法处理。,2.边坡的滑塌,(4)不良地质和水文条件造成的路基破坏公路通过不良地质条件(如泥石流、溶洞等)和较大自然灾害(如大暴雨)地区，均可能导致路基的大规模毁坏。在公路勘测设计过程中，应力求避开这些地区或采取相应的工程技术措施，以保证路基的安全和稳定。,边坡的滑塌图片来自百度网,节理控制蜂子沱崩塌,2003年5月11日贵州省三穗县平溪特大桥滑坡致使35人死亡，毁坏桥墩,大溪沟泥石流,四、路基工程的建筑要求,1.承载能力2.整体稳定3.耐久性,五、课程特点与学习方法,课程简介：本课程是高等级公路维护与管理专业优质核心课程，专业课，在第四学期开设，总课时96学时。通过本课程，学生能够掌握常见路基病害整治设计与施工方法，适应养护工与施工员职业岗位的需求。前导课程有：工程地质与土工试验，建筑材料，工程制图与CAD，道路工程概论，桥梁工程，公路施工，桥梁施工,隧道施工。后续课程：顶岗实习，参与一条公路路基病害整治施工。,本课程是高管专业按照国家示范建设要求进行课改的一门课，针对路桥、隧道养护方向的养护工、施工员岗位。通过本课程的学习，学生可以达到以下能力目标：,（一）课程的能力目标,1、都汶路灾后重建工程认识实习，使学生认识崩塌、滑坡、泥石流、软土路基病害、冻土路基病害、高填方路堤等常见路基病害。2强化训练：分组上网查阅相关讯息，结合都汶路认识实习，参考网络课程中按学科体系授课时制作的ppt，教案，校本教材,教学录像等，完成各种病害防治方法研究报告。,（二）知识的处理方式,（三）能力实训过程设计,（四）教学内容的组织与安排,（五）课程组织形式,（六）实训项目,以“都汶高速路灾后重建”这个真实的的项目为依托，按工作过程系统化的方法设计了一个贯穿性的教学项目都汶高速路路基病害整治，包括如软土路基病害、冻土路基病害、高填方路基病害、路基不均匀沉降病害、路基边坡病害整治、路基病害整治新技术新方法研究六个子项目，十九种整治方法的设计、施工综合实训。,（七）课程实施以第一单元为例，介绍课程的组织实施过程,六个子项目对应六个教学单元，由易到难、由单一到综合、由简单到复杂，反复训练病害识别、整治设计与施工组织设计能力。将学生需要掌握的知识和能力融入到生产项目与案例中学习；采用引导教学和项目教学的方式，使学生掌握必备的专业能力；最后，通过施工现场实习，检验、完善设计理念与能力，提高综合施工能力。每个子项目分3个步骤实施，以第一单元为例，介绍课程的组织实施过程。,（七）课程实施第一单元简介,（七）课程实施第一单元教学目标,1.知识目标：认识软土路基病害。2.能力目标：能根据工程情况分析识别软土路基病害的类型、比选整治措施；能根据工程条件和相关规范编制软土路基病害整治设计；能依据设计文件和相关规范，独立或在专业技术人员指导下进行软土路基病害整治施工；能依据设计文件和相关规范要求，进行软土路基病害整治施工质量控制与竣工验收。3.态度目标：培养学生独立工作能力、协作工作能力、组织协调与沟通能力和表达能力。,（七）课程实施第一单元教学内容与方法,（七）课程实施第一单元教学实施方案,教师提出任务，学生分组（15分钟）都汶路考察，企业兼职教师介绍相关知识，学生选定任务（120分钟）分析任务、分工、互相协作、比选整治方案（20分钟）完成设计任务（115分钟）、策划汇报现场生产实训、学生汇报、专兼职教师点评（35分钟）修改提交成果，教师总结（10分钟），具体实施方案见表：,（七）课程实施第一单元教学实施流程图,实施流程如下图,（八）课程考核方案总成绩,课程考核方案图,课程总成绩为六个单元成绩的平均值，满分为100分，每个单元成绩满分也为100分，见表1。表1每个单元学生个人总成绩表,（八）课程考核方案单元成绩,每个单元考核指标分为团队成果和个人成果两部分综合评定，分别用百分制记分，满分100分。其中，团队成果占75分，由学生自评、互评、指导教师和专家点评产生；个人成果占25分，由学生互评产生。,（八）课程考核方案每个单元学生个人总成绩评价标准表2,（八）课程考核方案每个单元团队成绩评分表表3,（八）课程考核方案每个单元学生互评表表4,（八）课程考核方案单元成绩综合评定表表5,二软土地基路基病害与防治,路基病害整治,一、软土的概念软土是指在滨海、湖泊、谷地、河滩上沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性强、抗剪强度和承载力低的软塑到流塑状态的细粒土。如淤泥和淤泥质土，以及其他高压缩性饱和粘性土、粉土,概述,天然孔隙比大：e1,天然含水量高：wwl,压缩系数高,渗透系数小,抗剪强度低,灵敏度高,具有明显的流变性,软土的物理力学特性,流变：在应力不变的情况下，土体的剪应变和体应变仍随时间而增长的现象。,软土地基的工程特性,由于软土地基的承载力较低，如果不做任何处理，一般不能承受较大的荷载。软土上的路堤可能会因为过大的沉降引起开裂甚至剪切破坏。因此在软土地基上修建路基，要求对软土地基进行处理。,软土地基处理的必要性,主要是改善地基的工程性质，包括改善地基土的变形特性和渗透性，提高其抗剪强度等。,地基处理的目的,地基处理有许多方法，各种方法都有各自的特点和作用机理。没有哪一种方法是万能的，对于每一个工程都必须进行综合考虑，通过几种可能采用的地基处理方案的比较，选择一种技术可靠、经济合理、施工可行的方案，既可以是单一的地基处理方法，也可以是多种地基处理方法的综合。,地基处理的原则,当持力层比较软弱、不能满足上部荷载对地基的要求时，常采用换土法来处理软弱土地基，即将基础下一定深度内的土层挖去，然后回填以强度较高的砂、碎石或灰土等，并夯至密实。换土法按回填材料的不同，命名为不同的垫层，如砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰土垫层等。,第1节换土法1,利用施工机械将路基底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂(碎石、素土、灰土、二灰土等)或其他强度较高、性能稳定、无侵蚀性的材料，并用人工或机械方法压(夯、振)实至要求的密实度为止，这种地基处理的方法称为开挖换填法。适用于软弱土层位于地表，换挖深度不超过3m的场合，也不宜小于0.5m，因为垫层太薄，则换土法的作用也不显著。,1.开挖换填,第1节换土法2,第1节换土法3,借助换填材料的自重或利用其他外力，如压载、振动、爆炸、强夯等，使软弱层遭受破坏后被强制挤出而进行的换填处理。适用于排水困难，软弱土层易于滑动，厚度又较薄，表层无硬壳，石料来源充分地段,2.抛石挤淤,适用于换填深度超过3m，需要快速施工且允许爆破的场合。对于稠度较大的软土采用先爆后填，对于稠度小的软土，可以先填后爆破。,第1节换土法4,3、爆破挤淤,实践证明：换土法可以有效地处理某些荷载不大的地基问题。1.提高浅基础下地基的承载力；2.减少沉降量；3.加速基底下软弱土层的排水固结；4.防止冻胀；5.消除膨胀土的胀缩作用。,换土法的主要作用,土是三相体，通过碾压机械，夯击或碾压填土、疏松土层，使其孔隙体积减少、密实程度提高，这种作用称为压实。压实能降低土的压缩性、提高其抗剪强度、减弱土的透水性，使经过处理的表层弱土成为能承担较大荷载的地基持力层。,第2节挤压法1碾压,常见压路机,大量工程实践和试验研究表明，影响土的压实效果的主要因素是：土的含水量，土层厚度、压实机械及其压实功能等。土的压实效果常用压实度来衡量。,影响土的压实效果的主要因素,挤密法的加固机理主要靠桩管打入地基中，对土产生横向挤密作用，在一定挤密功能作用下，土粒彼此移动，小颗粒填入大颗粒的空隙，颗粒排列紧密，孔隙体积减少，地基土的强度也随之增强。所以挤密法主要是使松软土地基挤密，改善土的强度和变形特性。,第2节挤压法2挤密法,利用成孔过程中沉管对土的横向济密及振密作用，使土休向桩周挤压，桩周土体得以挤密，同时分层填人并夯实碎石，形成碎石桩，使桩与土形成复合地基适用于处理松砂、杂填土和粘粒含量不大的普通粘土，亦能有效防止砂土基地的液化,挤密法1.粒料桩（碎石桩）,挤密法2.石灰桩,利用打桩机成孔过程中，沉管对土体的挤密作用和新鲜的生石灰成桩时对桩周土体的脱水挤密作用使周围土休固结;同时由于一系列的物理化学反应、桩身与桩同土硬壳层组成变形模量较大的桩体，以置换部分软土，同原地基土形成复合地基，从而提高了地基的承载力适用于含砂量低，没有滞水砂层的软土,挤密法3、CFG桩,利用振动打桩机击沉直径300400的桩管，在管内边振动边填入碎石、粉煤灰、水泥和水按一定比例的配合材料，形成半刚性的桩体，与原地基形成复介地基。从而提高地基承载力，也可用其他方法成孔,振冲法是利用一个振冲器，在高压水流的作用下边振边冲，使松砂地基变密；或在粘性土地基中成孔。如在孔中填入砂、碎石，将形成一根根的桩体，对原地基起到挤密作用。这样的桩体和原来的土构成复合地基。在砂土中和粘性土中振冲法的加固机理是不同的。在砂土中主要是振动挤密和振动液化作用；在粘性土中主要是振冲置换作用，置换的桩体与土组成复合地基。,第2节挤压法3振冲法,强夯法是用几吨至几十吨的重锤从高处落下，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。这种强大的夯击力在地基中产生动应力和振动，从夯击点发出纵波和横波，向地基纵深方向传播，使地基浅层和深处产生不同程度的加固作用。,第2节挤压法4强夯法,广泛适用于杂填土、碎石土、砂土、粘性土、湿陷性黄土和沼泽土，还可用于水下,强夯法,排水固结法是利用地基土排水固结的特性，通过施加预压荷载，并增设各种排水条件（砂井/袋装砂井/塑料排水板和排水垫层等排水体），以加速饱和软粘土固结发展的一种软土地基处理方法。,第3节排水固结法,土层的排水固结效果和它的排水边界条件有关。当土层厚度相对于荷载宽度比较小时，土层中孔隙水向上下面透水层排出而使土层发生固结，称为竖向排水固结。根据固结理论，粘性土固结所需时间与排水距离的平方成正比。因此，为了加速土层的固结，最有效的方法是增加土层的排水途径，缩短排水距离。,固结理论1,固结理论图解,排水固结法主要适用于处理淤、淤泥质土及其他饱和软粘土。对于砂类土和粉土，因其透水性良好，无需用此法处理。一、堆载预压法二、砂井/袋装砂井/塑料排水板排水法堆载预压法三、真空预压法,排水固结法分类,适用于：a.路堤高度小于两倍极限高度，软土表面无透水性低的硬壳；b.软土层不很厚，或虽稍厚，但具有双面排水条件；c.当地有砂，运距不太远；d.施工期限不甚紧迫。,砂垫层的厚度一般为0.61.0m，视路堤高度、软土层的厚度及压缩性而定。,1.砂垫层法,广泛适用于各类饱和粘土、粉土,2.砂井/袋装砂井/塑料排水板原理,3.塑料排水板施工图片,深层搅拌法深层搅拌法（DeepMixingMethodDMM）是一种化学加固地基的方法。它通过特制机械各种深层搅拌机，沿深度将固化剂（水泥浆、水泥粉或石灰粉，外掺一定的添加剂）与地基土强制就地搅拌，利用固化剂自身及其与地基土之间所产生的一系列物理、化学反应，使地基土硬结成为具有整体性、水稳定性、较低渗透性和一定强度的复合土桩（体），或与地基土构成复合地基，从而提高软土地基的承载力、减小地基的变形。,第4节胶结硬化法1深层搅拌法,深层搅拌法的分类,深层搅拌法按固化主剂的不同可分为水泥系深层搅拌法和石灰系深层搅拌法；水泥适用于含砂量较大的软土，石灰适用于含沙量较低的软土或淤泥质土。深层搅拌法按施工工艺又可分为浆体喷射深层搅拌法（旋喷桩）和粉体喷射深层搅拌法（粉喷桩）。,深层搅拌法的工艺,粉体搅拌复合地基技术处理厦门海沧大道海滩,第4节胶结硬化法2灌浆法,灌浆法是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置，经一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度高、防水性能好和化学稳定性良好的“结石体”。灌浆法按加固原理可分为渗透灌浆、挤密灌浆、劈裂灌浆和电动化学灌浆。,灌浆法工艺,电化学灌浆,劈裂灌浆,高压喷射注浆法（HighPressureJetGrouting）是用工程钻机钻至预定深度后，用高压泥浆泵等发生装置，通过安装在钻杆机端的特殊喷嘴，向周围土体喷射化学浆液(常用水泥浆液)，同时钻杆以一定的速度徐徐提升，高压射流破坏了附近的土体结构，并强制与化学浆液混合，在地基中硬化成直径均匀的圆柱体。,第4节胶结硬化法3高压喷射注浆法,高压喷射注浆动画,高压喷射注浆法分类,固结体的形态和喷射流移动方向有关，一般分为旋转喷射(旋喷)、定向喷射(定喷)和摆动喷射(摆喷)三种。,高压喷射注浆法的基本工艺,当前，高压喷射注浆法的基本工艺类别有：单管法、二重管法、三重管法和多重管法等4种方法。,高压喷射注浆法在工程上的应用主要有两方面：1.加固地基，提高地基的承载力，改善地基的变形性质，既可应用于拟建道路的地基处理，又可应用于已建道路的事故处理。2.地基或土体的防渗处理，形成防渗帷幕，防止渗流破坏、流土或管涌。,注浆法的工程应用,1.反压护道法,反压护道法是指在路堤两侧填筑一定宽度和高度的护道，使路堤下的淤泥或泥炭向两侧隆起的趋势得到平衡，从而保证路堤的稳定性。适用于：a.非耕作区和取土不困难的地区；b.路堤高度不大于5/32倍极限高度；c.主要用于处理软土，对泥沼有时也可以采用。,第5节调整路基结构法1,第5节调整路基结构法2,通过带状拉筋与填土的摩擦力来平衡、减小作用于挡上墙的土压力土工织物加筋反铺塔头材排或梢捆,2.路堤加筋法,3侧向约束法,第三章黄土地区路基病害与防治,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,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1000mm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，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，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。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。,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。,ab,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、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。,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1.45-158g/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K13+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)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6.2892108(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，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。(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