砂性土路基病害的地质内因与水文外因分析

建材世界2014年第35卷第3期doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2014.03.011砂性土路基病害的地质内因与水文外因分析齐建模1,汤罗圣2,肖斌1,乔松林1,宋挺1(1.武黄高速公路管理处,武汉430205;2.湖北省交通规划设计院,武汉430051)摘要:在分析杭瑞高速砂性土路基段工程地质条件的基础上,采用现场调查方式对该砂性土路基段病害发育位置、规模、类型等进行分析及总结,最后运用室内试验及理论分析等手段,对该砂性土路基段病害成因进行深入分析。分析结果表明强风化花岗残积土填料是该砂性土路基病害的地质内因,地表水流直接冲刷、地表水下渗内部掏空及坡脚水流侵蚀是该砂性土路基病害的水文外因。关键词:砂性土路基;病害成因;地质内因;水文外因AnalysisontheInsideGeologicalandExternalHydrologicalCausesofSand-soilSubgradeDisease1,TANGLuo-sheng2,XIAOBin1,QIAOSong-lin1,SONGTing1QIJian-mo(1.WuhuangHighwayAdministration,Wuhan430205,China;2.CommunicationsPlanning&DesignInstituteofHubeiProvince,Wuhan430051,China)Abstract:Thediseasedevelopmentposition,sizeandtypeofthesand-soilsubgradesectionwereanalyzedandsum-marizedbyfieldinvestigation.Onthebasisoftheanalysisonengineeringgeologicalconditionsofsand-soilsubgradesectioninHangruiHighway,thediseasecausesofthissand-soilsubgradesectionwereanalyzedbymeansofindoortestandtheoreticalanalysis.Analysisresultshowsthatforthesand-soilsubgradedisease,thestronglyweatheredgraniteresidualsoilpackingistheinternalgeologicalcauses,andsurfacewatererosiondirectly,surfacewaterinfiltra-tionemptyinsideandslopetoewatererosionaretheexternalhydrologicalcauses.Keywords:sand-soilsubgrade;diseasecauses;internalgeologicalcause;externalhydrologicalcause杭瑞高速湖北段横贯东南部的阳新县、通山县、崇阳县、通城县,自通车以来,运行状况总体良好,但在通城县境内K730+900-K759+718段砂性土填方路基边坡出现了多处垮塌破坏的病害,给高速公路的运营安全带来了隐患,因此非常有必要对杭瑞高速砂性土路基病害进行成因分析。目前关于砂性土路基病害成因方面的[1]研究较多,如李治平等认为粘粒含量少、活性度低及塑性指数小是粉砂土路基破坏的主要原因;王强等通过[2-4]室内试验及数值模拟等研究表明砂土湿化后土性参数将降低;陈少文等通过室内三轴剪切试验研究表明路[5]基湿化变形与围压和吸力成反比;徐云哲从降雨入渗阶段、入渗饱和阶段和径流形成阶段3个阶段对砂性土[6]路基边坡机理进行研究,研究表明降雨溅蚀和土壤水蚀是砂性土路基边坡破坏的主要方式;朱登元等通过室[7]内试验研究了毛细水作用高度对路堤边坡稳定性的影响;王思海认为粉砂土的低塑性、粘结强度低、抗冲刷[8]性差以及强降雨是粉砂土路基病害的主要原因。以上研究虽然取得了不少成果,但由于砂性土路基病害具有较大的空间差异性,所以将结合杭瑞高速砂性土路基的具体情况,对病害成因进行研究。1工程地质条件气象、水文:杭瑞高速湖北段所在地区属亚热带季风气候区,属湖北两大多雨区之一———鄂东南多雨区,降雨多集中在3~8月份,多年平均降雨量1531.4mm。沿线所经过地段地表水资源比较丰富,主要河流为收稿日期:2014-04-22.作者简介:齐建模(1965-),工程师.E-mail:qijianmo@163.com43 建材世界2014年第35卷第3期富水河、陆水河。地形地貌:表现为松散岩、侵入岩为主的丘陵垄岗地貌交互出现。地层岩性:出露地层主要为花岗岩、花岗闪长岩等中生代侵入岩。基岩出露广泛但风化十分强烈,浅部多为全风化,呈砂砾状。基岩严重风化带厚度一般在20m左右,局部厚度达30m以上。地质构造:主要发育枫林村断裂、沙坪断裂和李家断裂,断裂发育使岩体变得较为破碎,为表层岩体的风化创造了条件。2路基病害现状2.1病害(或潜在病害)路基分布杭瑞高速湖北段砂性土路基主要分布于K730+900-K759+718段,分布总长度近29km。该路段路基有填方路基、半填半挖路基、挖方路基和浅填浅挖路基。根据现场调查结果,目前砂性土路基病害主要发生在填方路基及半填半挖路基的填方边坡一侧,而挖方边坡目前尚未见明显病害。据统计,杭瑞高速K730+900-K759+718段砂性土填方路基分布总长度24009m,其中瑞丽方向分布长度11366m,占该段路基总长度的39.44%,杭州方向分布长度12643m,占该段路基总长度的43.87%。2.2路基主要病害类型通过现场调查,该砂性土路基病害类型主要为路堤边坡浅层垮塌、冲刷成沟、局部整体垮塌、路肩掏空、开裂以及急流槽破坏等,具体分类见表1。表1路基主要病害类型类型具体表现形式及危害路肩病害主要包括路肩掏空、路肩开裂。路肩掏空、开裂一方面将增大降雨入渗,使坡体掏空产生路肩破坏浅层垮塌,另一方面将使防撞护栏悬空,对行车安全将产生重大危害。坡面病害主要包括坡面浅层冲刷成沟槽、坡面浅层垮塌,其不仅会影响坡体的稳定性,同时会使路坡面冲刷、垮塌肩变形开裂,严重时导致路面倾斜、下沉。排水设施病害主要包括浆砌片石急流槽开裂、垮塌,急流槽破坏不仅不利于路基排水,同时将加大排水设施损毁降雨入渗,对路基病害有很大的促进作用。环境问题环境问题主要为冲毁、掩埋农田,造成不良的社会影响。3路基病害成因分析3.1地质内因分析区域地层分布表明,该砂性土路基段沿线以及周边很大范围内皆为花岗岩、花岗闪长岩等中生代侵入岩出露。该地层风化严重,风化带厚度一般在20m左右,局部厚度达30m以上,风化剥蚀作用十分强烈,所以即使在沟谷低洼部位的第四系堆积物,也表现出明显的砂性土特征,极少见粘性土分布。另外,由于建设期间考虑了土方利用及填挖平衡问题,该段路基填料基本采用了附近土场或边坡开挖的弃方,基本上为砂砾状的全风化花岗岩、花岗闪长岩,亦即工程上常说的花岗残积土,它具有明显的砂性土特征,粘聚力基本为零,抗冲刷能力弱,所以在强降雨条件下路堤边坡表层易冲刷成沟槽。该次调查期间共选取了6组样品进行颗粒分析实验,各粒径颗粒百分含量如表2所示。从表2可以看出,该砂性土砂粒(0.075~2mm)百分含量为50.4%,而砾粒(>2mm)百分含量为39.8%,根据《公路土工试验规程》土体定名规则,该砂性土应定名为砾砂。表2砂性土颗粒百分含量统计表/%粒径大小/mm10~55~22.0~1.01.0~0.50.5~0.250.25~0.075≤0.075平均值11.730.922.616.314.454.31.8最大值18.637.128.517.215.86.43.8最小值2.326.712.815.112.41.00.4标准差7.812.210.46.25.62.41.3变异系数0.70.40.50.40.40.60.7标准值19.220.613.911.119.26.32.9根据表2,得到了该砂性土的颗粒级配曲线。根据该颗粒级配曲线,计算得到了该砂性土特征粒径如表44 建材世界2014年第35卷第3期3所示。根据表3计算该砂性土的不均匀系数表3砂性土特征粒径一览表d60特征粒径分类d60d50d30d10Cu==10.5d10特征粒径大小/mm2.881.670.570.27计算该砂性土的曲率系数2d30Cc==0.41d60·d10由于Cu>5.0且Cc<1.0,该砂性土为级配不连续的非均匀土,所以其渗透性很强,在降雨条件下地表水极易沿裂缝入渗至路基中,从而引起路堤边坡内部掏空等病害。3.2水文外因分析根据上述分析可以看出,该段填方路基属于典型的砂性土路基,由于其特殊的土质,在水流冲刷下极易流失、破坏,这是造成该段路基病害的根本原因。1)地表水流直接冲刷受线型及地形影响,在路线纵断面凹面拐点等路段,在降雨条件下往往造成雨水汇集,由于砂性土粘聚力基本为零,同时砂性土在降雨条件下内摩擦角减小,路堤边坡表层抗冲刷能力较弱,坡体在长期坡面冲刷下形成沟槽,在强降雨条件下沟槽进一步深切并沿坡面向下延伸,在多次降雨条件下沟槽侧边垮塌使沟槽沿侧面延伸,最终导致路堤边坡大量冲刷沟槽形成。2)地表水下渗内部掏空在表层冲刷和路面车辆荷载及重力等条件下,路堤边坡坡面向外侧发生变形,导致路肩开裂,在降雨条件下雨水沿路肩及坡面冲刷坑下渗至坡体中。当降雨强度加大时,入渗水流将坡体中砂性土细小颗粒物质带走,在多次降雨条件下导致坡体内部逐渐被掏空,坡体掏空部位由于失去支撑,在重力等作用下发生浅层垮塌。同时排水设施也发生相应的破坏(如急流槽发生垮塌破坏等),冲刷作用加剧,形成恶性循环,路基进一步被掏空造成路肩下沉甚至路面开裂。3)坡脚水流侵蚀由于地形地貌及公路自身建设条件等原因,在部分砂性土路基段坡脚附近存在小沟、小河,在长期降雨或洪水期间河流满溢短期浸泡坡脚,对砂性土路堤边坡坡脚进行软化、侵蚀,在强降雨等诱发因素下导致坡体发生沿临空面的变形,当变形积累到一定程度导致局部整体沿临空面发生垮塌滑移。4结论a.杭瑞高速砂性土路基段病害类型主要包括路肩掏空及开裂破坏、路堤边坡坡面冲刷成槽及垮塌、排水设施垮塌损毁、砂土冲毁掩埋农田四类。b.杭瑞高速砂性土路基病害的地质内因为:填料是强风化花岗残积土,级配表现为不连续和非均匀,具有渗透性强,粘聚力低的特点。c.杭瑞高速砂性土路基病害的水文外因为:地表水流直接冲刷、地表水下渗内部掏空及坡脚水流侵蚀。参考文献[1]李治平,王洪波.粉土地区公路病害与防治对策研究[J].交通科技,2003(4):48-50.[2]王强,刘仰韶,傅旭东.路基砂土湿化变形的试验研究[J].铁道科学与工程学报,2005,2(4):21-25.[3]王强,傅旭东,罗云华.砂土路基湿化变形的有限元分析[J].公路,2006(1):58-61.[4]王强,刘仰韶,傅旭东,等.砂土路基湿化变形和稳定性的可靠度分析[J].中国公路学报,2007,20(6):7-12.[5]陈少文,田卿燕,钱尼贵,等.非饱和含黏砂土路基的湿化变形试验研究[J].广东公路交通,2011(3):31-35.[6]徐云哲.基于有限元的粉砂土路基边坡稳定性分析[D].哈尔滨:东北农林大学,2012.[7]朱登元,管延华.毛细水作用对粉土路基稳定性的影响[J].山东大学学报:工学版,2012,42(1):93-98.[8]王思海.高速公路粉砂土路基边坡水毁研究[J].公路施工与机械,2013(5):73-75.45