公路湿陷性黄土路基分析与处理
总第205期 2004年第4期交 通 科 技
TransportationScience&TechnologySerialNo.205No.4Aug.2004
公路湿陷性黄土路基分析与处理
吴晓霞 陈若翔
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(1.郑州交通高级技工学校 郑州 450053; 2.濮阳市通达路桥工程监理有限公司 濮阳 457000)摘 要 从理论和工程实际两方面,分析湿陷性黄土路基沉陷的原因,提出处理方案,并给出处理实例。
关键词 公路 湿陷性黄土 路基 沉陷
湿陷性黄土在我国分布较广,公路建设经常穿越该种土质地段。由于该土质对公路质量的影响非常重大,故对该种地质做个别处理十分必要。笔者根据近些年在该种土质地段施工的一些经验,提出一些粗浅的看法。1 填土路基沉陷的原因分析
填土路基沉陷由两部分组成:一是新填土的自沉;二是新填筑路基下老地基的沉陷。对湿陷性黄土地段的路基沉陷而言,第二部分沉陷是整个路基沉陷的主要原因。具体分析如下。1.1 新填土的自身沉陷
该沉陷是一个缓慢的过程,公路通车前后,均发生沉陷,但由于该部分土的压实度较高,土体的密度大,所以沉陷量较少。该部分沉陷量可通过现场取样做e-p曲线试验,用分层总和求沉陷量法求得,也可以通过填土施工记录和通车后车流量增加的荷载,结合土工试验成果计算求得。1.2 新填筑路基下原地基的沉陷
该部分沉陷是路基发生破坏的主因,沉陷机理主要包括土体受外力作用后,土体骨架的脆断、土中的空隙被填充压实、土体颗粒重新排列及片状产生弯曲等,同时土中部分气体被挤出,土体向逐步提高其密实度和承载能力的方向转化。通过一定时间的固结,土体的承载力与外来压力逐步相等时,土体趋于稳定,而沉陷逐步终止,这就是湿陷性黄土结构的沉陷机理。该部分土的沉陷量可根据湿陷性黄土的分类、层厚,通过试验做该种湿陷性黄土的e-p曲线,将该种路基按承受均布
:荷载的方法进行计算求得。计算沉陷量时,必须了解土层的构造及其物理力学性质,并应注意在填
前碾压时产生的碾压功对计算土层的影响范围及作用效果。2 理论分析
2.1 沉陷机理
湿陷性黄土一般生成于晚更新世或全新世,即距今也就不足100万年的历史。有的甚至只有几十到几百年的历史。由于其生成年代晚,所受外力作用小。所以本身固结不太完善。未固结的湿陷性黄土由于孔隙大、结构松散,所以其本身强度不高。其本身强度靠土体颗间的机械咬合、分子间的引力与碳酸盐结晶水形成的胶结力而存在。我们不考虑水的影响,但外来作用力大于本身强度时,松散无力的骨架将崩溃,大孔隙将被填充,小的孔隙也会被部分细小颗粒填充,从而使土体间孔隙逐步被填充密实,土体也就逐步趋向于固结,路基因此而形成沉陷。我们考虑水的影响时,湿陷性黄土在水或毛细水的作用下,将丧失基强度,使土体溃散,溶洞被填充,周围土体颗粒重新排列,从而造成路基沉陷。2.2 路基破坏机理
由于路基经过湿陷性黄土地段时,该土层的分布不可能均匀、统一,差异比较明显,甚至很大。路基的填筑厚度也有很大的差异,因此会有不同的外荷作用在连续的路基上,由于种种原因,路基沉陷量的值,就会严重不一致。由于填筑路基的抗剪性能很差,在沉陷量严重不一致时,路基将形成断裂。部分软弱地段的地基经过换填、挤密、强夯、
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层致密,使地基承载力及抗压缩性都显著提高,经过处理的土体将不再具有湿陷性和明显的压缩性。此时地基的压缩量与未经处理的地基衔接处将形成明显的沉陷差,使路基断裂。路基与一般构筑物衔接处也存在不均匀沉陷的情况。一般讲,桥涵经桩基处理过后的沉陷量,相对填土路基基底的沉陷量要小很多,尤其是桥路衔接处的路基填土高度较大时,此部分沉陷量就更为明显,虽然大部分桥台处都进行了桥头地基处理,但处理范围一般不大,路基沉陷的差值在桥头处理段难以完成顺接过度,这种沉陷差也会造成路基断裂或桥头跳车等现象的发生。
3 湿陷性黄土的性质及主要物理力学指标3.1 湿陷性黄土的基本特征
(1)颜色 主色为黄色;次色为褐黄色、灰黄色。(2)颗粒成分 粉粒。
(3)孔隙比 e≥1.0,一般具有肉眼可见的大孔隙。
(4)特性 含有较多可溶性盐类。
(5)构造 竖直节理发育,能保持直立的天然边坡。大孔隙在自然状态下不易破坏。3.2 湿陷性黄土分类
湿陷性黄土按湿陷性的强弱分为3类,采用室内压缩试验的方法分类。
采用公式
Ds=(hp-hp′)/h0
式中:Ds——湿陷性黄土的湿陷性系数;
hp——试件在试验仪中经加压到规定值时
土样压缩稳定后的高度;
hp′——试件在试验仪中经加水浸湿且下沉
稳定后的高度;
h0——试件在试验仪中未经加压前的原始
高度。
分类划分数值依据:
(1)弱湿陷性 0.020.07。
按土的自重湿陷和外力湿陷又分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。
3.3 湿陷性黄土的初始孔隙比eo的求取取样的位置距路基底1.5m高开始,分层e0=Vv/Vs=Cw×ds(1+w)/C-1=
Cw×ds/Cd-1
式中:C——试件重度,kN/m;
ds——土粒相对密度,通过试验求取;
w—C—水的重度,一般取10kN/m;
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w——含水量,通过试验求取;Cd——土的干重度,Cd=C/(1-w)。3.4 用固结仪求取各层土的e-p曲线
室内压缩试验求取e-p曲线时,需将外加荷载P的最大取值升至高于路基压力相对应的应力值一个等级。
e值按以下公式计算。
ei=e0-si/h0×(1+e0)
式中:ei——i级荷载作用下试样的孔隙比,它与
p值相对应;
si——i级荷压作用下试样的压缩值,mm,si=h0-hi。式中h0为试样的初始高度,mm;hi为i级荷压作用下,试样变形稳定后的高度,mm。3.5 求各层黄土的自重应力值及该地段由路基填土引起的附加应力值
自重应力值按以下公式计算。
Dczi=C×Hi
式中:Dczi——自重应力值;
i——计算土层的重度;C
Hi——计算土层的厚度。
同时应注意,有地下水影响时,Dczi表示其有效重度,即应减去水的浮力。
附加应力按条形均布荷载计算,计算条形荷
载宽度时按路基顶面宽度取值即可。
条形均布荷载的计算公式
Dzi=ksz×po
式中:Dzi——某深度处竖向附加应力;
ksz——某深度处竖向附加应力系数,与计
算深度、计算点的水平位置有关。其值可以查有关规范;
p0——填筑路基对地基所产生的压应力。4 湿陷性黄土的沉陷计算法
在此主要讨论分层总和法。该方法按土的不同湿陷性进行分层,求出各层土的各种物理力学指标。土层相同时按1~2m厚进行分层。计算步
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(1)以调查的土层厚度和地下水位作为依据,进行分层。层厚一般不超过2m。
(2)求出路基竖直中心线上,各界面处的自重应力Dczi(从地面起开始计算)。并求出相应界面上的附加应力Dzi。
(3)以自重应力和附加应力的比值,(应力比)等于或小于0.2时的深度处为界面,忽略该界面以下土层的沉陷量。
(4)计算出各层土的平均应力,包括自重平均应力p1i=(Dczi-1+Dczi)/2和附加平均应力$pi=(Dz-1+Dz)/2,并取p2i=p1i+$pi。
(5)根据P1i和p2i的值,从已做好的e-p曲线上,分别找出其对应的e值,即e1i和e2i。
(6)按照$si=(e1i-e2i)/(1+e1i)×$h公式,计算出各层土的竖向变形值。
总,求出压缩层范围内总的沉陷量。S=6$si。
另外,还有规范提供的方法,查相关规范即可;弹性力学计算法使用较少,此处不做介绍。5 处理方法
湿陷性黄土应根据具体土质情况选择处治方案。首先勘察地质,了解湿陷性黄土的厚度、路基填筑宽度、高度等基本情况后进行计算。在地质变化区域,如深沟、陡崖、坡地、地质构造发生变化的地方等,相邻两区的计算沉陷差在2cm以内者,笔者认为可不作处理,若超过2cm者,则应予以处理。在结构物与土路基相连接的地方,其相邻地段的计算沉陷差在1.5cm以内者,可不进行处理,超过此值就应处理。需说明的是路基处于横向坡地时,也必须进行计算。地基处理的常用方法有以下几种。5.1 超压固结
超压固结是以时间充裕为前提的,新填筑路基完成后,在路基上堆载超过路基计算压力值一定量值的荷载,对路基进行预压一段时间(此时间参数一般按超压值来确定)的超压值P′与路基填土引起的压力值P0相比,乘以超压时间t′加上路基本身预压时间t,应为(P′/P0)×t′+t=1~1.5年即可。5.2 强夯处理
强夯处理应考虑噪声及振动污染,若环境允(7)对以上各层面计算出的变形值进行汇
5.3 挤密处理
挤密桩处理适合于需处理地段不大的场所或不适合强夯处治的场所,挤密桩可采用振动碎石,打入粘土或灰土等形式。5.4 化学加固
化学加固地基是一种效果明显的处治办法,目前国外主要采用注入水玻璃的办法,效果较为理想。
除以上方法外,还有预浸水法、重锤夯击法、增加板结层等,但经验不太成熟时,宜慎采用。6 实例
某公路湿陷性黄土地段,湿陷性黄土厚度为2~16m不等,路基填土高度在8m以内,大部分地基未做处理。个别地段因试验需要,做了灰土挤密桩加固,下面通过试验分别就加固处理与未处理的地基进行比较。
6.1 未经处治,但自压时间较长的地基
K140+100~K140+400段,填土高度为2~7m,于2000年3月填筑成型。2001年4月路基基槽交验时,该路槽填高出现4~9cm的差值。6.2 经挤密桩处治的试验段地基
K140+424~K140+500路段地基湿陷度为路基填筑高度为7m,2000年10月,对该处II级。
进行了长6m、直径400mm、桩距为1.0m(梅花型布桩)的灰土挤密桩挤密后,路基沉陷结果为:2个月沉陷量4mm,半年沉陷量11mm,1年沉陷量18mm,且通过10~12月3个月的观察结果显示,路基沉陷已基本趋于稳定。据经验估计,公路通车后,该路基还有一个沉陷过程,但沉陷量不可能太大,且会很快趋于稳定。7 结论
公路建设属高投入项目,有质量问题时,其损失一般都比较大,而且修复周期也长,修复成本要大于修建成本的几倍,甚至十几倍。从这个意义上说,建造公路时,适当地考虑其远期使用效益,科学地增加一些必要的投资,从根本上解决一些有可能在使用中发生的问题,是非常必要的。(1)设计方面 工程设计时,不应以控制投资作为设计依据,而应在立项、勘测、选线后,根据公路使用功能要求,综合比选出合理的方案。
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林立新:汽车超载与清连公路路面损坏原因分析 2004年第4期
车半挂车136后轴91.6%超载,其中后轴5.6%的轴重在100~105t之间。超载车已到了非整治不可的地步。3 路面损坏原因分析
经过对收集的资料进行分析研究,认为造成路面过早出现大面积损坏有超载,基层、底基层质量差,原路面设计标准偏低等主要原因。3.1 车辆严重超载
根据调查资料,清连公路通车至今的设计车道标准轴载累计作用次数计算结果显示,累计轴次已达5.22×1010(南下)或3.74×109(北上)数量级,远大于原设计路面的累计轴次为4.28×107次,可见清连一级公路早已达到了其路面的设计使用寿命。南下车道累计轴次远远大于北上车道,反映了南下车道重载和超载车的影响,导致其路面损坏比北上车道更为严重。
在路面调查中还发现,清连一级公路处于粤北山区,弯多坡陡,长下坡路段路况较其他路段尤差,板底脱空也更严重。其原因是超载车辆在长下坡路段车辆刹车鼓过热,需不停洒水降温。长年累月的刹车水通过裂缝渗透到基层,引起基层掏空而致使路面破坏。
根据现有的实际轴载及交通量预测结果,按实际超载数来计算,设计年限的累计轴次将达到3.47×10数量级,对于类似的交通环境,国外均通过修建重车专用公路的方式来解决,路面厚达38cm,按如此标准设计路面结构,显然目前在技术和经济上难以接受,因此轴载超限部分只能通过综合治理和行政处罚的方法解决。
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3.2 基层质量不均,垫层质量差
基层是保证水泥混凝土路面板具有均匀而稳定的支承,防止唧泥和错台,延长路面使用寿命的重要结构层。清连一级公路钻探资料显示,有的基层芯样较松散,抗冲刷能力差。垫层材料大部分是天然的砂砾土或泥结碎石,含泥量较大,无法起到排水作用。在水的作用下,基层受冲刷而掏空。这也是一些石质挖方路段路面破损严重的原因。
3.3 路面设计标准偏低
原路面板设计厚度为26cm(南下)或25cm(北上);路面基层仅为15cm水泥稳定粒料基层和15~20cm粒料垫层,原路面设计的累计轴次为4.28×107次(实际轴次远大于此数)。总体说来,路面设计标准偏低,路面整体强度偏低,与清连公路的大交通量,众多重载车、超载车的交通现状不能相适应。4 结论与建议
(1)由于重载车辆,特别是超载车辆过多,道路使用寿命大幅度缩短。大量的严重超载货车已使得路面的承受力远远超过了设计范围内的负荷,单靠提高路面结构厚度很难满足要求,社会有关部门应高度重视这个问题。
(2)水泥砼路面的水病害防治也非常重要,路面结构应有防、排水及基层的抗冲刷设计,养护中应及时灌缝封水。
(3)路面结构设计应建立在详实的交通量调查及轴载调查的基础上,路面结构设计既要技术经济可行,也要符合实际国情。
(上接第52页)
方案应包含其远期的使用效益,比如公路经过地段有山体滑坡、或者有软土地基、湿陷性黄土地段等。这些地段是否应该进行前期处理、何时处理,处理是否涉及安全责任等,都应加以考虑。总的说来,从设计方面予以考虑有两点优势,一是方案更为合理,二是可以消除施工期间技术处理处治的单一性、片面性。
(2)施工环节 目前,我国实行工程质量终身制,施工企业树立品牌意识等,这都要求承包商
在施工中全面控制工程质量,掌握施工现场第一手资料,随时发现施工过程中的细节变化,消除突发性的质量隐患,做到防患于未然。
总之,湿陷性黄土地段的公路工程施工,应着眼于未来。笔者认为,凡经过湿陷性黄土地段的公路路基工程,都应做详细计算。理论上应进行处理的地段就一定要进行处理,切不可只考虑眼前利益,节省投资而给将来使用造成隐患。至于处理办法,则应以技术上可行、质量上可靠、经济合理、方便施工为主。