论文部分内容阅读
摘要膨胀土对我国的公路建设的危害非常突出。此文从分析膨胀土的病害出发,对膨胀土地区公路路堤直接利用膨胀土作为填料的处治技术和基于保湿原理的支撑渗沟、以土工格栅加筋柔性支护等膨胀土路堑边坡综合支护技术进行了详细的分析。对在设计和施工过程中,处理膨胀土地区公路路基稳定性,提供一定的参考。
关键词膨胀土 路堤处治技术 路堑边坡支护技术
中图分类号:TU5文献标识码:A
近年来,随着我国经济建设的迅猛发展,高速公路向西部地区快速延伸,膨胀土地质灾害对公路建设和运营的危害日益严重,对经济和生态环境破坏也日趋严重。
1 何为膨胀土
膨胀土是自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体,分部十分广泛,对各类浅表层轻型工程建设具有特殊的危害作用。其黏性成分主要有强亲水性矿物蒙脱石及其各类混层黏土矿物组成,具有超固结性,裂隙性,吸水显著膨胀软化、失水收缩开裂,且反复变形等与正常固结黏土不同的工程性质,加上土体中裂隙杂乱分布,修筑在典型膨胀土分布区的公路膨胀土路基常常是“逢堑必滑,有堤必坍”,而且这种破坏作用具有多次反复性和长期潜伏性。因此,被称之为“工程中的癌症”。
2 膨胀土地区公路的主要病害
总结十多年来膨胀土地区高等级公路建设的经验不难发现,膨胀土对公路工程产生的严重破坏或危害有以下几种主要类型:
(1)滑坡。无论是路堤还是路堑,滑坡是膨胀土路基最严重的病害。路堤滑坡往往发生在填土或基底为膨胀(岩)土层的情况,滑体一般长20~50m,厚2~5m;路堑滑坡多发生在膨胀(岩)土分界面,裂隙面或软弱层处,长数十米,厚一般为3~4m,较少超过6m,具有成群分布,浅层性,牵引性,结构性以及多次滑动性等特点。
(2)坍塌。路基施工中,路堤坍塌多发生在路肩,坍壁厚度一般不超过1m,宽几米或十几米不等;路堑坍塌较严重,多发生在堑顶,坍壁一般高2~3m,长几十米甚至达几百米。
(3)溜坍。路堤一般在坡腰和坡脚发生溜坍,厚度多小于1m,路堑多在已剥落、冲蚀或鼓胀的坡面上产生,高度和长度在数米内,厚多在0.2~0.6m,在长路堑边坡中也可见多个溜坍体连成的溜坍群。
(4)边坡其他病害。开裂,发生在路肩和堑顶,方向平行于路线,缝宽1~3m不等;膨胀,由于土体剧烈膨胀致使边坡局部外鼓,大多发生在坡腰和接近坡脚处;冲沟,坡面受雨水冲刷所致,程度比一般土质边坡严重,且形成速度相当快,松散、剥落和泥流,是表层土体性质、干缩湿胀、雨淋综合作用的结合。
(5)结构物破坏。由于膨胀土胀缩变形和膨胀力作用,造成挡墙推移、墙身被剪断、涵洞基础下沉、洞身断裂或涵底隆起、桥台开裂、桥梁锥坡和挡墙开裂外移等。
(6)路面变形、开裂和断板。由于膨胀土用作路基填料时没有采取有效的防排水措施,路表水下渗或地下水影响,导致膨胀土路基易发生胀缩变形或填方不均匀下沉,引起沥青路面产生波浪、拥抱、沉陷,严重变形时可隆起10m作用;半刚性基层、面层开裂引起早期破坏;水泥路面则产生纵向开裂(连续长可达数百米)、断板、唧泥等。
(7)水土流失等生态环境的破坏。由于路堑清、挖的膨胀土不能用作路基填料,借弃土占用大量土地,加上工程建设者不注重对借弃土场的防护,造成严重的水土流失和生态环境破坏。
3 膨胀土地区路基处治技术
3.1 公路膨胀土路堤处治技术
国内外在膨胀土路堤处治过程中,主要采取换填、化学改良、灌浆和铺设土工膜等工程措施。这些措施在封闭隔断水分迁移、改善路基工作性能等方面均具有一定效果,但大量换填必将增加弃借方量,占用大量土地,引起严重的水土流失,破坏生态环境。而化学改良在工程中难以实施,会大大增加工程造价,而且造成环境污染。因此结合我国国情,开发直接将膨胀土用作填料的工程处治新技术具有十分重要的意义。下面介绍几种膨胀土填筑路基的物理处治技术:
物理处治技术的基本思路,是将膨胀土填于特定的路基部位,限制其填筑高度,同时采取有效的保湿防渗物理措施,设法控制路堤中膨胀土的湿度不产生明显变化,使路堤能保持足够的强度和稳定性。
(1)非膨胀性土包边法:填芯膨胀土的四周用非膨胀土封闭包盖,以减少外界干湿循环气候对膨胀土的影响,使填芯膨胀土的湿度变化保持在较小的范围,使其强度不发生大的衰减。
(2)土工格栅(网)边部加筋法:通过土工格栅与边部膨胀土的相互咬合和摩擦,形成一种特殊的筋土混合物,对填芯膨胀土起到框箍、封闭包盖作用。一方面,通过土中的格栅(网)吸收一部分土体因增湿产生的膨胀力,抑制坡面膨胀土的膨胀变形,另一方面,在增湿时又不致产生严重的开裂为外界环境水分入渗提供通道;而且土中加格栅(网)后,又可防止水分进入坡面引起土体膨胀松散,提高路基表层土体的整体性和抗剪强度,保证路基表层土体雨季饱和后,不至于强度降低很多,自重过大而失稳。
(3)土工布加固技术:通过在膨胀土路堤中铺设土工布,提高路堤的强度及其稳定性。其作用一是切断毛细水的上升,同时防止水分入渗而使基地软化,从而使路堤产生破坏。二是通过间隔铺设土工布,调节路堤内的应力分布,使路堤填土的沉降得到一定程度的均化,减少不均匀沉降。而且当路堤中有软弱区域存在时,土工布起到隔离作用,可减弱软弱区域对整个路基稳定性的影响。此外,在膨胀土路堤中加入土工布,还可以提高路堤的承载能力。
3.2 公路膨胀土路堑边坡支护技术
在膨胀土路堑边坡滑坍整治方面,国内外大多采用土钉墙(含钢纤维混凝土喷锚墙)、重力式挡土墙(含重力式锚杆挡土墙)和抗滑桩三大加固类型,并配合短锚杆喷射混凝土(或钢纤维混凝土)和浆砌片石等刚性支护措施,这些措施用于不能适应膨胀土因湿度变化所引起的较大膨胀变形而经常出现结构性破坏。下面介绍几种根据膨胀土的破坏特点,研究开发的新技术。
(1)支撑渗沟结构。支撑渗沟是一种重力结构,一般成群的设置在坡面浅表层前部,支撑不稳定的边坡。该结构以支撑作用为主,兼并排水滑带和疏干其附近滑体裂隙水的作用,在膨胀土边坡上按设计间距布置支撑渗沟,可以将边坡的整体膨胀势和土体自重产生的下滑力分割成一小块一小块,以起到分割支护的作用。在主渗沟骨架和次渗沟骨架间超挖20cm,并回填耕植土种草,可以兼并发挥对边坡的“保湿防渗”作用。同时,在坡脚处砌筑抗滑挡墙与支撑渗沟配合,起到“刚柔相济”的作用。可以更好的处治和防止边坡滑塌。因此,特别适用于含裂隙软弱结构面或层间软弱结构面的路堑高边坡,特别是边坡岩层走向与边坡走向相同,地下水位较高或含有层间潜水,易产生顺层滑塌的边坡。
(2)柔性支护结构。柔性支护是以土工合成材料加筋边坡土体为主,辅以其他必要综合处治措施的处理方案。柔性支护结构防护体系主要由以下三个部分组成:①柔性支护结构体:将路堑边坡超挖(超挖宽度由干湿循环显著影响区和边坡坡率决定),然后用膨胀土分层回填压实,并分层铺设土工格栅将膨胀土反包,形成具有良好整体性的柔性支护结构。②排水系统:包括坡顶截水沟及截水渗沟、墙背渗水层、墙底排水垫层、墙趾外和墙踵处的排水渗沟。③坡面防护系统:包括坡顶土工布防水封闭层及坡面植被防护层。在该结构体系中,支挡机构体系也起到防护和排水的作用,防排水体系兼并有支挡和防护的作用,同时防排水体系为一连续的系统,与支挡防护结构形成一密切联系,共同作用的整体。放排水体系是有地表水和地下水两个子体系构成。
由天沟、两布一膜隔水土工布封顶层、植被防护层,平台及跛脚边沟等共同构成地表水放排水子系统。其中,天沟用来截排坡后径流;两布一膜隔水土工布封顶层与植草防护层用来进行坡面隔水防渗;平台及坡脚边沟用来拦截坡面及路面径流。
坡顶渗沟、墙背渗水层、底部隔水排水垫层、坡脚前边沟下渗沟、坡脚后渗沟构成地下水截排水子系统。其中。坡面渗沟、墙背渗水层、坡脚后渗沟用来截排坡后地下水;底部隔水排水垫层、墙背渗水层、坡脚后渗沟用来截排渗入加筋土墙体中的地下水。
柔性支护结构整体性强,边坡的超挖破坏了原坡体的结构面,柔性结构允许变形可吸收墙后坡体膨胀土变形的能量,有利于坡面的排水和坡体排水,阻隔地表水下渗及干湿循环作用。用膨胀土作加筋体填料极具经济和环保效益,施工便捷,技术简单,造价低廉,主要采用机械化施工,而且特别适用于发生滑塌的膨胀土路堑边坡处治和新开挖边坡的防护。
4 结束语
面对膨胀土地区对公路建设所造成的各种病害的问题,如何在路基设计过程中,如何针对膨胀土的工程特性,将膨胀土废弃方用作路基填料,并有效的保证膨胀土路基的稳定性,同时减少公路建设取、弃土对环境的影响,将是今后公路建设领域研究的方向。
参考文献
[1]郑建龙,杨和平.公路膨胀土工程.北京:人民交通出版社,2009.3.
[2]廖世文.膨胀土与铁路工程.北京:中国铁路出版社,1984.
[3]郑建龙,杨和平.膨胀土处治理论、技术与实践.北京:人民交通出版社,2009.3.
关键词膨胀土 路堤处治技术 路堑边坡支护技术
中图分类号:TU5文献标识码:A
近年来,随着我国经济建设的迅猛发展,高速公路向西部地区快速延伸,膨胀土地质灾害对公路建设和运营的危害日益严重,对经济和生态环境破坏也日趋严重。
1 何为膨胀土
膨胀土是自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体,分部十分广泛,对各类浅表层轻型工程建设具有特殊的危害作用。其黏性成分主要有强亲水性矿物蒙脱石及其各类混层黏土矿物组成,具有超固结性,裂隙性,吸水显著膨胀软化、失水收缩开裂,且反复变形等与正常固结黏土不同的工程性质,加上土体中裂隙杂乱分布,修筑在典型膨胀土分布区的公路膨胀土路基常常是“逢堑必滑,有堤必坍”,而且这种破坏作用具有多次反复性和长期潜伏性。因此,被称之为“工程中的癌症”。
2 膨胀土地区公路的主要病害
总结十多年来膨胀土地区高等级公路建设的经验不难发现,膨胀土对公路工程产生的严重破坏或危害有以下几种主要类型:
(1)滑坡。无论是路堤还是路堑,滑坡是膨胀土路基最严重的病害。路堤滑坡往往发生在填土或基底为膨胀(岩)土层的情况,滑体一般长20~50m,厚2~5m;路堑滑坡多发生在膨胀(岩)土分界面,裂隙面或软弱层处,长数十米,厚一般为3~4m,较少超过6m,具有成群分布,浅层性,牵引性,结构性以及多次滑动性等特点。
(2)坍塌。路基施工中,路堤坍塌多发生在路肩,坍壁厚度一般不超过1m,宽几米或十几米不等;路堑坍塌较严重,多发生在堑顶,坍壁一般高2~3m,长几十米甚至达几百米。
(3)溜坍。路堤一般在坡腰和坡脚发生溜坍,厚度多小于1m,路堑多在已剥落、冲蚀或鼓胀的坡面上产生,高度和长度在数米内,厚多在0.2~0.6m,在长路堑边坡中也可见多个溜坍体连成的溜坍群。
(4)边坡其他病害。开裂,发生在路肩和堑顶,方向平行于路线,缝宽1~3m不等;膨胀,由于土体剧烈膨胀致使边坡局部外鼓,大多发生在坡腰和接近坡脚处;冲沟,坡面受雨水冲刷所致,程度比一般土质边坡严重,且形成速度相当快,松散、剥落和泥流,是表层土体性质、干缩湿胀、雨淋综合作用的结合。
(5)结构物破坏。由于膨胀土胀缩变形和膨胀力作用,造成挡墙推移、墙身被剪断、涵洞基础下沉、洞身断裂或涵底隆起、桥台开裂、桥梁锥坡和挡墙开裂外移等。
(6)路面变形、开裂和断板。由于膨胀土用作路基填料时没有采取有效的防排水措施,路表水下渗或地下水影响,导致膨胀土路基易发生胀缩变形或填方不均匀下沉,引起沥青路面产生波浪、拥抱、沉陷,严重变形时可隆起10m作用;半刚性基层、面层开裂引起早期破坏;水泥路面则产生纵向开裂(连续长可达数百米)、断板、唧泥等。
(7)水土流失等生态环境的破坏。由于路堑清、挖的膨胀土不能用作路基填料,借弃土占用大量土地,加上工程建设者不注重对借弃土场的防护,造成严重的水土流失和生态环境破坏。
3 膨胀土地区路基处治技术
3.1 公路膨胀土路堤处治技术
国内外在膨胀土路堤处治过程中,主要采取换填、化学改良、灌浆和铺设土工膜等工程措施。这些措施在封闭隔断水分迁移、改善路基工作性能等方面均具有一定效果,但大量换填必将增加弃借方量,占用大量土地,引起严重的水土流失,破坏生态环境。而化学改良在工程中难以实施,会大大增加工程造价,而且造成环境污染。因此结合我国国情,开发直接将膨胀土用作填料的工程处治新技术具有十分重要的意义。下面介绍几种膨胀土填筑路基的物理处治技术:
物理处治技术的基本思路,是将膨胀土填于特定的路基部位,限制其填筑高度,同时采取有效的保湿防渗物理措施,设法控制路堤中膨胀土的湿度不产生明显变化,使路堤能保持足够的强度和稳定性。
(1)非膨胀性土包边法:填芯膨胀土的四周用非膨胀土封闭包盖,以减少外界干湿循环气候对膨胀土的影响,使填芯膨胀土的湿度变化保持在较小的范围,使其强度不发生大的衰减。
(2)土工格栅(网)边部加筋法:通过土工格栅与边部膨胀土的相互咬合和摩擦,形成一种特殊的筋土混合物,对填芯膨胀土起到框箍、封闭包盖作用。一方面,通过土中的格栅(网)吸收一部分土体因增湿产生的膨胀力,抑制坡面膨胀土的膨胀变形,另一方面,在增湿时又不致产生严重的开裂为外界环境水分入渗提供通道;而且土中加格栅(网)后,又可防止水分进入坡面引起土体膨胀松散,提高路基表层土体的整体性和抗剪强度,保证路基表层土体雨季饱和后,不至于强度降低很多,自重过大而失稳。
(3)土工布加固技术:通过在膨胀土路堤中铺设土工布,提高路堤的强度及其稳定性。其作用一是切断毛细水的上升,同时防止水分入渗而使基地软化,从而使路堤产生破坏。二是通过间隔铺设土工布,调节路堤内的应力分布,使路堤填土的沉降得到一定程度的均化,减少不均匀沉降。而且当路堤中有软弱区域存在时,土工布起到隔离作用,可减弱软弱区域对整个路基稳定性的影响。此外,在膨胀土路堤中加入土工布,还可以提高路堤的承载能力。
3.2 公路膨胀土路堑边坡支护技术
在膨胀土路堑边坡滑坍整治方面,国内外大多采用土钉墙(含钢纤维混凝土喷锚墙)、重力式挡土墙(含重力式锚杆挡土墙)和抗滑桩三大加固类型,并配合短锚杆喷射混凝土(或钢纤维混凝土)和浆砌片石等刚性支护措施,这些措施用于不能适应膨胀土因湿度变化所引起的较大膨胀变形而经常出现结构性破坏。下面介绍几种根据膨胀土的破坏特点,研究开发的新技术。
(1)支撑渗沟结构。支撑渗沟是一种重力结构,一般成群的设置在坡面浅表层前部,支撑不稳定的边坡。该结构以支撑作用为主,兼并排水滑带和疏干其附近滑体裂隙水的作用,在膨胀土边坡上按设计间距布置支撑渗沟,可以将边坡的整体膨胀势和土体自重产生的下滑力分割成一小块一小块,以起到分割支护的作用。在主渗沟骨架和次渗沟骨架间超挖20cm,并回填耕植土种草,可以兼并发挥对边坡的“保湿防渗”作用。同时,在坡脚处砌筑抗滑挡墙与支撑渗沟配合,起到“刚柔相济”的作用。可以更好的处治和防止边坡滑塌。因此,特别适用于含裂隙软弱结构面或层间软弱结构面的路堑高边坡,特别是边坡岩层走向与边坡走向相同,地下水位较高或含有层间潜水,易产生顺层滑塌的边坡。
(2)柔性支护结构。柔性支护是以土工合成材料加筋边坡土体为主,辅以其他必要综合处治措施的处理方案。柔性支护结构防护体系主要由以下三个部分组成:①柔性支护结构体:将路堑边坡超挖(超挖宽度由干湿循环显著影响区和边坡坡率决定),然后用膨胀土分层回填压实,并分层铺设土工格栅将膨胀土反包,形成具有良好整体性的柔性支护结构。②排水系统:包括坡顶截水沟及截水渗沟、墙背渗水层、墙底排水垫层、墙趾外和墙踵处的排水渗沟。③坡面防护系统:包括坡顶土工布防水封闭层及坡面植被防护层。在该结构体系中,支挡机构体系也起到防护和排水的作用,防排水体系兼并有支挡和防护的作用,同时防排水体系为一连续的系统,与支挡防护结构形成一密切联系,共同作用的整体。放排水体系是有地表水和地下水两个子体系构成。
由天沟、两布一膜隔水土工布封顶层、植被防护层,平台及跛脚边沟等共同构成地表水放排水子系统。其中,天沟用来截排坡后径流;两布一膜隔水土工布封顶层与植草防护层用来进行坡面隔水防渗;平台及坡脚边沟用来拦截坡面及路面径流。
坡顶渗沟、墙背渗水层、底部隔水排水垫层、坡脚前边沟下渗沟、坡脚后渗沟构成地下水截排水子系统。其中。坡面渗沟、墙背渗水层、坡脚后渗沟用来截排坡后地下水;底部隔水排水垫层、墙背渗水层、坡脚后渗沟用来截排渗入加筋土墙体中的地下水。
柔性支护结构整体性强,边坡的超挖破坏了原坡体的结构面,柔性结构允许变形可吸收墙后坡体膨胀土变形的能量,有利于坡面的排水和坡体排水,阻隔地表水下渗及干湿循环作用。用膨胀土作加筋体填料极具经济和环保效益,施工便捷,技术简单,造价低廉,主要采用机械化施工,而且特别适用于发生滑塌的膨胀土路堑边坡处治和新开挖边坡的防护。
4 结束语
面对膨胀土地区对公路建设所造成的各种病害的问题,如何在路基设计过程中,如何针对膨胀土的工程特性,将膨胀土废弃方用作路基填料,并有效的保证膨胀土路基的稳定性,同时减少公路建设取、弃土对环境的影响,将是今后公路建设领域研究的方向。
参考文献
[1]郑建龙,杨和平.公路膨胀土工程.北京:人民交通出版社,2009.3.
[2]廖世文.膨胀土与铁路工程.北京:中国铁路出版社,1984.
[3]郑建龙,杨和平.膨胀土处治理论、技术与实践.北京:人民交通出版社,2009.3.