沙漠地区公路工程幻灯副本文档讲课文档

沙漠地区公路工程幻灯副本文档第一页，共54页。第一节沙漠、沙地的分布与分区一、沙漠、沙地的分布（一）分布范围我国是一个多沙漠的国家，沙漠总面积约63.7万km2，约占全国陆地总面积的6.8%左右。主要分布在新疆（40.4%）、甘肃（6.6%）、内蒙古（5.2%）、宁夏(4.1%)、青海（3.5%）、吉林（1.8%）、辽宁（1%）、陕西（0.9%）与黑龙江（0.2%）等九个省（区），总面积约为70余万km2，主要沙漠、沙地有：塔克拉玛第二页，共54页。干沙漠、古尔班通古特沙漠、乌兰布和沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、柴达木盆地沙漠、库尔齐沙漠、毛乌素沙地、小腾格里沙地、科尔沁沙地及河西走廊沙地。（二）分布特点我国的沙漠、沙地多深居内陆，远离海洋。大致以乌鞘岭和贺兰山一线为界，该线以西，属干旱、过干旱地区，沙漠分布比较集中，占全国沙漠总面积的86%，并以流动沙丘为主；该线以东，属微湿、半干旱地区，沙漠、沙地第三页，共54页。分布比较零散，面积也较小，仅占全国沙漠面积的14%，并以固定、半固定沙丘为主。二、沙漠、沙地的分区我国的沙漠与沙地，从筑路观点可分为微湿沙地、半干旱沙地、干旱沙漠与过干沙漠四区。它们的分界指标采用计算湿润系数的等值线，其值分别为0.5、0.25和0.05。分区情况见表1。

第四页，共54页。分区名称所处自然带路基防护条件包括的沙漠与沙地微湿沙地草原及干草原路基两侧宜于采用乔、灌草结合的植物固沙带，不需要灌溉西辽河沙地、呼伦贝尔沙地半干旱沙地干草原路基两侧宜于采用乔、灌草结合的植物固沙带。一般不需灌溉，但在干旱的年份需要对栽种于梁地上的乔木（特别是幼龄木）进行灌溉小腾格里沙地、毛乌素沙地、库布齐沙漠的东部

干旱沙漠荒漠草原及荒漠宜于采用植物固沙与工程防沙措施相结合的方法。通常采用灌、草结合的植物固沙带。栽植乔木需要灌溉，并需辅助一定的工程措施库布齐沙漠的西部，乌兰布和沙漠、腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠的东部、古尔班通古特沙漠

过干沙漠荒漠以工程防沙措施为主，植物固沙为辅。需要灌溉。利用当地旱生灌木固沙，需结合工程措施进行塔克拉玛干沙漠、河西走廊西部；沙地、巴丹吉林沙漠西部、柴达木盆地沙漠

沙漠沙地分区表第五页，共54页。第二节风沙地貌及风沙运动一、风沙地貌分类（一）依形态特征分1．裸露的平坦沙地；2.新月形沙地；3.新月形沙丘链（横向沙垄）；4.格状沙丘；5.纵向新月形沙丘（纵向沙垄）；6.复合形沙丘；7.金字塔沙丘。（二）依形态与风向的关系分1.横向沙丘；2.纵向沙丘；3.多向风作用下沙丘。

第六页，共54页。（三）依稳定程度分1.固定沙丘；2.半固定沙丘；3.流动沙丘。二、风沙运动规律（一）风沙流的运动规律1．风沙流与起沙风使沙粒开始起动的临界风速称为起动风速。它与沙粒粒径、地表性质、沙的含水量等多种因素有关。所有大于起动风速的风称为起沙风。起沙风将松散沙粒扬起，形成含有沙粒的运动气流，称为风沙流。

第七页，共54页。2．沙粒运动形式风沙流中沙粒的运动形式与风力的强弱、沙的粒径与质量有关，有蠕移、跃移、悬移三种。跃移是主要形式，平均占总输沙量的78%；蠕移次之，一般占20%左右；悬移甚少。跃移和蠕移主要是在离地面10cm的高度内活动。3．风沙流结构气流中搬运的沙粒在搬运层内不同高度的分布情况称为风沙流结构。风沙流中含沙量的垂直分布是随高度的增加而迅速递减的。第八页，共54页。4．吹蚀与堆积其是否产生主要看风速、沙源、障碍物、下垫面等因素而定。（二）沙丘的移动规律沙丘发生移动是由于组成沙丘的沙在风力作用下产生移动的结果。1．移动方向与起沙风的年合成风向大体一致。我国各地沙漠的移动方向因所处的地理位置不同而有所不同。除塔里木盆地伽师强孜至民丰沙吾扎第九页，共54页。克一线以东的塔克拉玛干沙漠东、北及中部的沙丘是从东北向西南移动外，其它沙漠（沙地）的沙丘都是从西北向东南移动的。2．移动方式沙丘移动的方式主要决定于风向及其变律，有以下三种情况：1）前进式：这是在单一的风向作用下产生的。塔克拉玛干沙漠的东部、中部地区，巴丹吉林沙漠及腾格里沙漠的西部等地主要受单一第十页，共54页。的西北风或东北风的作用，沙丘的移动主要以此种方式为主。2）往复前进式：这是在两个方向相反而风力大小不等的情况下产生的，除上述地区外，其它地区的沙漠多为此种运动形式。3）移动速度①与风速的三次方成正比，与沙丘的高度成反比；②与沙丘间距成正比；③风向单一地区的沙丘移动较快；第十一页，共54页。④平坦地区的沙丘移动速度较快；⑤含水量小和裸露的沙丘移动速度较快；⑥沙粒粒径小的沙丘移动速度较快。按平均移动速度，可将沙丘分为三种类型。慢速（＜5m/y）、中速（5～10m/y）、快速（＞10m/y)。第十二页，共54页。第三节沙漠土的物理力学性质一、沙漠土的物理性质1．非塑性性质松散无粘性，塑性指数近乎于零，使它成形比较困难，且成形后抗剪性能较差，故工程上应对其进行必要的技术处理，使其达到具有一定塑性的土质要求。2．微粒性质主要表征在沙漠的上层，一般情况下，沙漠层越深，颗粒越粗，表层的颗粒最细、其颗第十三页，共54页。粒大小分布不均匀主要是由于沙漠形成时的分选作用造成的，我国沙漠土的颗粒属于细沙，大多数情况下，最大粒径约为0.25mm，最小粒径约在0.01mm以下，沙粒组成具有一定的天然级配，颗粒形状呈似圆形，由于来源于沙岩或石英沙岩，因此，一般质地较好。3．非亲水性质沙粒表面对水几乎没有物理吸附性，最大吸水率不足1%，一般都在零附近。沙漠土的滤水作用十分明显，水在砂层中直接往下渗，使第十四页，共54页。沙漠表层土常处于干燥状态。4．非湿陷性质沙漠土的自然结构或者压密结构都具有非湿陷性质。5．天然含水量由于常年处于干旱状态，因此，沙漠土中的天然含水量很低，最低的地方不足1%，最大含水量也没有超过5%。表面蒸发量大，水分常积在沙漠层的底部，从上到下，含水量呈倒三角形变化。沙漠土中含有少量水分，这对于耐旱植物的生长具有重要作用。第十五页，共54页。二、沙漠土的力学性质1．天然容重沙平均容重一般为1.6g/cm3，但在自然状态下，容重值一般不高。干容重一般为1.4g/cm3，湿容重大约为1.5g/cm3。天然状态沙子的容重大致为它们相对密度的一半多一些，在同一层沙粒中，由上到下，随深度的增加，其容重有所减小，这是由于沙漠在形成时的筛选作用所致。大颗粒沉在下面，孔隙率较大，容重减小；最上层颗粒最细，孔隙率最小，容重相对增加。第十六页，共54页。2．压实状态下的密实度沙土由于本身具有天然级配，压实后沙土的最大密度可以达到1.8～2.1g/cm3，比天然状态下的密度高出1.2～1.4倍。3．饱水状态下的压实性沙土在饱水状态下的压实度要比不饱水时的高，而在干燥状态下的压实度最高，这是由于在这两种状态下不存在由毛细作用所引起的表观内聚力的缘故。第十七页，共54页。4．压实状态下的最佳含水量沙土的压实最佳含水量的变化趋势比较平缓，没有一般土壤那样突出。其值很小，大约为2%左右，只有一般土壤的10%～16%。5．沙土的压实度由于沙土的孔隙率较大，一般约为0.35～0.45，因此，在压实情况下，压实度变化比一般土壤大得多。当用振动压实法时要比普通压实法所获得的沙土密实度高出2.0%～6.3%，则压实度也随之相应提高，国外资料表明，当用第十八页，共54页。振动压实时，对30～50cm厚的沙土层能达到规定的压实度。可见，振动压实对沙漠路基具有很重要的意义。6．沙土的抗剪强度指标值沙土的内摩擦角一般随其粒度变细而逐渐降低。沙土的内聚力十分小，一般近似值为零，因而，在计算抗剪强度时只考虑由角所引起的抗剪力。第十九页，共54页。第四节沙漠地区筑路的主要特点

一、不利因素1．粘性材料严重缺乏2．路面骨料缺乏3．水源稀少4．路基施工困难二、有利因素1．路面施工季节较长2．路面修筑无须设置防渗结构3．路基用沙容易第二十页，共54页。

三、路基路面损坏的原因1．路基不断下沉（1）压缩下沉；（2）路基局部下沉；（3）高路堤整体下沉。2．路基侧向变形严重3．风沙流常袭击路面4．风沙流常袭击路基第二十一页，共54页。第五节沙漠地区公路路线设计

一、与一般地区路线设计有明显差异不能照搬一般地区公路路线设计原则，而要根据当地具体情况作出特殊设计，在沙漠地区，影响路线设计的最重要因素就是风沙流，路线设计时，应灵活运用风沙流的运动规律，尽可能地减少沙蚀与沙埋。二、路线设计的一般原则1．路线顺风向设计原则这将会减少很多的养护工作量，降低养护第二十二页，共54页。成本，对低路堤或高路堤效果最显著，但对于在原地的路基，一般情况下不宜与优势方向平行设计，宜与主风向垂直通过，且路线应尽量远离移动沙体，距离可根据有关原则计算确定。2．路线顺地形设计原则即“顺地爬”原则，它是根据风沙流在行进过程中不遇到障碍物就不会沉积的原理确定的。实践证明，在风沙流地区，沙区的自然地貌是长期形成的，路线的铺设只要保持自然地貌，亦即在风沙流行经的方向上不设置障碍，则沙第二十三页，共54页。子不会堆积，也不会沙蚀。相反，若破坏自然地貌则容易产生堆积与沙蚀。也应注意使路线与主导风应保持垂直为宜。3．路线沿稳定沙地通过原则选线时，尽量利用稳定沙地或称“死沙漠”，路线通过沙害较少。如果当地风沙流劲度已大大减弱或退化，接近于“死沙漠”地貌，也应尽量加以利用。4．路线通过多风向地区的设计原则在这种情况下，需要全力查清风沙流在当第二十四页，共54页。地的主导风向，然后再按上述原则来进行设计。5．路线通过沙垄地区的设计原则当路线通过沙垄地区，而周围3km范围内又无可以绕避之地时，则可利用斜交通过原则。采用这一原则可缩短路线长度，提高路线平面线形指标。一般，路线靠近移动沙体，采取与主风向平行设计的方法，6．远距离选线采用通过垭口的设计原则在沙漠地区，垭口是路线穿越高大复合型第二十五页，共54页。沙体群的重要控制点。在晴朗天气，远望垭口十分清晰，而且最易判断哪个垭口最佳。7．路线通过植被分布带的设计原则一般来说，有植被的地方，是沙地稳定的象征，因此，铲除植被，则可能引起风沙流的死灰复燃。第二十六页，共54页。第六节沙漠地区公路路基设计

一、概述路基设计应包括路基横断面设计与路基稳定设计两部分。路基合理的横断面形式能减少或者尽可能地减小风沙流对路基边坡的危害，包括沙蚀与沙埋，能很好地提高沙基的稳定性。可应用空气动力学原理设计各类横断面形式，以及应用加固沙与加筋沙等新技术处理沙漠路基的稳定性问题。二、路基横断面设计

第二十七页，共54页。1．横断面一般设计原则关键是如何保证风沙流能顺利地通过所设计的横断面，而不致于在断面上受阻或断面左右积沙，而影响断面的正常工作状态。按照这一设计原则，设计将归结到主要设计边坡的长度、坡角、坡面形状与状态。可根据空气动力学原理，决定坡道长度与坡角大小。流线是坡面的最佳形式、风沙流通过该种坡面时阻力最小。坡面的状态以光滑为最好。在可能的情况下摩擦系数应控制在低限为宜（0.35左右）。第二十八页，共54页。

2．不填不挖地段的路基横断面设计可以不作特殊处理而保持原地面设计状态，必要时两侧的边坡应做成加速流线形形式（跌坎式边坡或流线形边沟）。3．低路堤设计一般低路堤以流线形边坡为主，边坡长度L=3～5m，坡角一般为25°左右。边坡设计可以两边对称。一般情况下可以不设边沟。当低路堤迎风侧有移动沙丘时，在天然沙第二十九页，共54页。

丘与公路之间设置能截断沙移的防护带（用沥青乳液封面的防护截断带）。4．高填地段的路基横断面设计高填路段的路基横断面由于风沙流受阻而最容易在两侧积沙。因而，防止积沙是设计边坡的关键。在这一设计中应注意两点：一是设计的坡面要长，比一般低路堤要长2倍以上，这样等于把高路堤变成了低路堤，可用低路堤的原则进行设计。二是由于坡道很长，因此，除将坡道做成该线形形式外，表面尚需进行光第三十页，共54页。

滑加固处理。一般3m以上的高路堤，坡长应不小于5m，5m以上的高路堤坡长应大于8m。一般，背风坡道长度为迎风侧的1.2倍左右。5．路堑地段的路基横断面设计（1）浅路堑横断面设计①流线形边坡形式（1m左右路堑）它的主要特点是加强了两侧边坡的流线形式，一般做得很长，约为3～5m，左右两侧基本一样，并对坡面进行加固，以防止风蚀，气第三十一页，共54页。

流中沙子不会沉落。②路堑护坡道形式（1m左右路堑）是常用的断面结构形式，它与上述形式比较，多了一个护坡道。护坡道实质上是一种积沙预留道。③较深路堑横断面形式（1～3m）

它与一般路堑或低路堑断面形式的区别在于坡道加长变缓且护坡道也加长，其长度应大于10m以上。

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（2）深路堑横断面设计在左右侧主风向端设置能提升与加速风沙流迅速通过的工程设施，一般有下列几种类型：①增设增速格栅。风沙流经过格栅板的孔隙时风速加大，使风沙流越过路堑上空而不致沉落，格栅位置与路堑坡顶之间需要预留3～5m的安全距离，因为风沙流经格栅背面时的真空作用，使一小部分沙子沉积。②设置增速堤。经过增速堤的增速，使沙子飞快地越过路堑。第三十三页，共54页。

③组合式增速构造物。主风向前端设置增速格栅，后端设置增速堤，气流经两次增速后可将可能在中途发生沉落的沙子抛在路堑右侧的较远处。三、加固土在沙漠路基设计中的应用1．水泥加固沙土2．石灰加固沙土3．乳化沥青加固沙土4．化学加固沙土5．土工合成材料在沙漠路基中的应用第三十四页，共54页。第七节沙漠地区公路路面设计一、面临的问题1．主要任务：解决用沙漠材料所组成的路面各结构层（包括路基）的强度与稳定性问题。2．用沙材修筑路面结构层存在的问题①路面面层，一般需要0.5～5cm的粗细成一定级配的骨粒，显然沙子太细，成型后经不起较大交通量的考验而毁坏，造成波浪、车辙与网裂。②路面基层，一般需强度高（抗弯强度与抗第三十五页，共54页。剪强度）、变形小的材料，而对于细沙材料来说，难以满足要求。③对路基来说，要求其使用稳定，而沙材路基容易发生整体沉陷与侧向变形，导致整个路面结构层损坏。二、路面结构形式设计1．路基结构形式设计（1）路堤形式①水泥稳定沙土结构，剂量3%～5%；②石灰稳定沙土结构，剂量5%；

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③化学加固沙土结构，少量加固粉剂（如耐固酶等）；④土工合材料加筋沙土结构。常用有土工布加筋沙和土工格栅加筋沙两种结构，常用于较高路堤或高路堤。⑤水结沙基结构。又称水堕路基，适用于一般的沙漠地区。⑥振压式沙基结构。适用于一般的沙漠地区。上述①～⑥路基结构中，一般多用⑤、⑥第三十七页，共54页。

两种。但对等级较高的公路，应用①～④沙基结构为宜，加入少量的添加剂，能得到1倍乃至数倍的沙基模量值。（2）平地沙基结构是指利用原有地基做成沙漠路基的结构。大致有以下几种：①水结沙基，水结后，其表面要用振动压路机稳压1～2遍。②分振式沙基，将地基30～50cm深度内的沙子挖出，然后分两层振压至规定的压实度。

第三十八页，共54页。③直振式沙基，最简易，在整平的地表用振动压路机直接振压。适用于干燥与半干燥沙基。④化学加固沙基。用一种液体固化剂（如L-P高分子固化剂），加水配成一定比例的水溶液，均匀洒泼在平整好的地基上，经渗透固化硬结的一种沙基结构。（3）路堑沙基结构。与平地沙基结构相似，根据具体情况选用上述方法。三、基层结构形式设计第三十九页，共54页。从技术经济方面来说主要应该是沙漠基层结构形式。1．无机类加固沙结构①水泥加固沙结构，剂量8%～10%，为防止沙中细料成分的收缩，可适量加入一种AUGHT-SET的土壤加固剂，尽可能地减小水泥细沙的温缩与干缩，效果很明显。②石灰加固沙结构，剂量6%～12%，由于沙子大多为低塑性，因此，使用石灰加固沙作基层是有利的。

第四十页，共54页。③石灰粉煤灰加固沙结构。简称二灰沙结构、由于沙塑性指数低、干裂很小，因此，有较大的实用价值。④泥灰结陶粒结构。用一定塑性的沙土与煤粉按一定比例均匀拌和，再加水拌和成坯，然后烧结而成。常在其摊铺好的孔隙中灌以石灰沙土混合料，以增加其嵌挤能力。显然，它在基层中起到主骨料作用。2．有机类加固沙结构。利用高分子化学添加剂加固沙作为基层材料，加入剂量由试验决定。第四十一页，共54页。3．加筋沙结构。主要形式是在沙层中加入土工格栅，一般加二层，底部一层，上部一层；若为3层，则中间加一层。四、面层结构形式设计一般有沥青类面层结构与板式面层结构两大类。1．沥青类面层①沥青碎石表面处治结构。路拌法成形；②沥青混凝土结构。因沙漠区雨量稀少，一般使用中粒式沥青混凝土为宜，甚至沥青碎石也能满足，采用规范中的最小厚度，如有特第四十二页，共54页。殊需要时，可由设计决定路面厚度。③加筋沥青沙面层结构。将0.5～1.5cm厚的土工桥栅在施工时压入沥青沙中，使该种结构起到了沥青碎石的强度作用，且能防止沥青沙的侧向变形与垂直向的剪切破坏。2．板式路面结构，具有很大的应力扩散作用，使应力分布在沙漠基层上得到减小，但刚性板的抗折性能较低，要求基层有足够的强度。该结构厚12～15cm。用425号高硅酸盐水泥或道路水泥预制而成。第四十三页，共54页。第八节沙区公路防护设计

包括工程防护、植物防护与现代化学防护三部分内容。一、工程防护指利用工程措施来达到固沙、阻沙、导沙或输沙，以消除公路沙害。1．固沙工程。通过工程措施将易于移动的沙堆、小沙丘等就地固定的一种治理方法，主要内容有砌筑护墙、护坡等。在沙体的迎风面宜设置护墙，背风面宜改造成流线型坡道并砌第四十四页，共54页。筑固定。2．阻沙工程。通过工程措施，将行进中的风沙流阻止在距公路较远或有一定距离的地方、以便公路不受沙埋、沙蚀影响。石砌阻沙墙、沙堤、沙障板等，可视当地实际情况选用。3．导沙工程。是通过工程措施将风沙流引开或引到规定的地方。最常用的有导风栅板、导沙栏、加速堤等。4．输沙工程。通过工程措施将危及公路的风沙流加速离开，达到控制沙埋、沙蚀的治第四十五页，共54页。沙效果，常用的输沙工程：加速堤、加速坡、加速墙与路边加速栅板、以及导、输兼用工程等。二、生物防护设计1．主要内容：有固结活动沙丘、阻沙、稳定边坡以及设置沙地林带等。生物一般以灌木与半灌木为主，也有的种植乔木。2．防护生物的基本要求（1）耐高温、干旱与贫瘠；(2）生长迅速、萌发力强，不怕沙埋、沙埋第四十六页，共54页。后能很快地发出不定根和长出侧枝，能耐风蚀；（3）根系发达；（4）种源丰富，繁殖容易。3．生物防护设计（1）对大范围固沙，种植低矮的灌木或半灌木；其种植范围在路基上风侧应不小于500m、下风侧不小于200m。对于大面积防风，应设置林带，与公路最短距离，迎风面应不小于100m，背风面不小于50m；（2）不同降雨量的沙地，合理选择生物配种；

第四十七页，共54页。（3）沙丘、边坡的具体治理设计对沙丘迎风堤的风蚀区，选择生命力很强的柠条、花棒及油蒿。对沙丘坡脚及丘顶的沙埋