黄土路基病害与防治.ppt

主讲教师：杨平第七章黄土地区路基病害与防治四川交通职业技术学院道桥系路基病害整治 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φ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、φ指标和密度γd的关系；对非饱和黄土，c、φ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φ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30°－49°，东经75°－127°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①由地表浸水形成的陷穴；②暗流的侵蚀作用形成的陷穴；③因动植物和微生物作用引起的洞穴；④人为的洞穴；(2)根据黄土陷穴的形态划分①碟形地；②漏斗状陷穴；③竖井状陷穴；④串珠状陷穴；⑤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+140－K13+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21.2％－27.4％，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+140—K13+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①路堤的纵向是足够长的，故按平面应变问题来考虑；②填土和地基土的本构关系采用Drucker-Prager弹塑性模型；③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＝6.2892×108(Pa)，面积A＝4.856×10-4(m2)，密度ρ＝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的应用技术1)试验方案以银古高速公路辅道K13十150一K13+210填方段(填高8.30m)为试验路段，该路段地质特征：表层为风积黄土(低液限黏土)，分布深度0.20-8.00m，为非自重湿陷性黄土场地，总湿陷量厶‘＝4.90-24.70cm，湿陷等级为I(轻微)级或II(中等湿陷)级。其下为卵石，局部缺失，厚0.2-1.8m，下伏第三系泥岩。第三系泥岩为膨胀岩土，全风化呈土状，为一般的膨胀性软岩。土工合成材料选择型号为SN一286型土工格栅，其性能指标为：弹性模量正＝6.2892X10s(Pa)，单位面积质量＝623g/m’，密度卢＝210(kg/m3)，纵向抗拉强度8.9(kN/m)，横向抗拉强度5.9(kN/m)，网孔尺寸为28mmX28mm。 根据黄土的物理力学性质及黄土路堤的应力与变形分析计算，确定防治路堤的沉陷和滑坍的加筋设计方案如下：对于填方路段，边坡i＝1；1.5，在路堤基底以上2m范围内，距路堤边坡外缘5-10cm，路堤的两端铺设宽为4.5m的土工格栅，层间距为50cm，可以起到固结边坡，增加边坡稳定性的作用。为增加路基的承载能力，隔层全断面铺设土工格栅，并在基底铺设50cm的三七灰土稳定层。为保证路堤压实度，路堤施工宽度加宽20-30cm。土工格栅横向铺设，搭接30-50cm。铺完之后，应尽快填土隐蔽，防止车压日晒。铺设方案如下图 2)施工(1)土工格栅的铺设①先用剪刀将土工格栅按设计尺寸裁剪好，整齐堆放。②将碾压密实的填土表面整平，清除表面坚硬凸出物。③土工格栅外缘距路堤边坡外缘要保持5-10cm，以防止刷坡后，土工格栅外露老化。④测设路基边线桩位，挂上线绳，用白灰洒出土工格栅外侧线。⑤将裁剪好的土工格栅逐一密贴摆放在填土面上，并将土工格栅强度高的方向垂直于线路轴线方向。⑥将土工格栅拉紧展开，将相邻的各幅土工格栅用铁丝绑扎搭接起来，每隔10cm一个绑扎点，搭接长度不小于10cm，采用U形铁丝卡将土工格栅固定于土层表面，U形卡间相距50cm，梅花形布置。土工格栅铺设现场如图土工格栅铺设现场 (2)黄土路堤的填筑①对黄土路堤的填筑，应先做试验段，确定碾压厚度、压实遍数和松铺系数等参数后，再全面展开施工。②黄土路堤的填筑，主要是通过自卸汽车运土，推土机初平，平地机精平，压路机分层碾压来完成。③自卸汽车卸土时，尽量不要碾压土工格栅，汽车后轮距土工格栅边缘0.2-0.4m，车内土方卸落时，正落于土工格栅的中心部位而后向周围散开，恰好埋住整个土工格栅。这样汽车既不会直接碾压到土工格栅上，造成破坏，同时，土工格栅也不会发生移动，确保位置准确。④当两侧土工格栅铺完后，汽车在中间路面剩余的宽度内无法调头时，只能先单侧铺设土工格栅，待其上填土推平碾压后，汽车就可以在这一侧行走、调头，随后铺设另一侧土工格栅。⑤为保证压实质量，路堤每侧加宽20-30cm，并对每层土边缘采取压路机沿路中心线成45’角的方向夯压，这样既可保证施工机械的安全，又可保证路堤边缘的压实度。 2．土工合成材料防治低填浅挖段路基沉陷和陷穴的应用技术降低路基的填土高度，不仅可以获得明显的经济效益，而且可以避免由于黄土而产生的一切不良效果，对于低等级公路，更具有现实意义。在路堤底部加铺复合土工膜布，不仅可以阻止地面水向路基底部的下渗，即起到隔水防渗的作用，还可以保证原状土不被扰动，强度不会降低，并可减少沉降量，均化地基应力。土工布的加筋抗拉作用，可使上部填土荷载对地基造成的附加应力传递深度减少，减少地基压缩层影响深度。如果结合三七灰土结构，既可增加地基的承载能力，又可防止地表水的下渗，从而有效地避免沉陷和陷穴的发生。 (1)试验方案试验路段为银古高速公路辅道K12+190-K12+290段，填土高度0.30m，为低填方路段。试验段地质特征：表层为湿陷等级为Ⅱ级的风积黄土(低液限黏土)，分布深度0.20-8.00m，为非自重湿陷性黄土场地。土工合成材料选择长丝复合土工膜(二布一膜)，其物理力学性能指标见表长丝复合土工膜物理力学性能指标表 (2)施工工艺①基底处理：当填方高度较小，边坡i＝1：1.5时，在进行基底处理前，先对基底进行夯实，提高地基的承载力。②铺土工膜：在铺设土工膜之前，下层填料或垫层应平整、密实，对表面碎石、块石等坚硬凸出物进行严格清理，防止其对土工膜造成直接破坏，影响土工膜的性能，而起不到防渗的作用。如路基地下水位较高或有积水可能，应考虑横向排水层的设置。铺设复合土工膜时，可采用机械或人工铺设。为控制防渗效果，土工膜的横向搭接长度取30cm。土工膜沿线路纵向两幅的搭接长度不小于0.5m，并保证接头处不渗漏。施工时，严格按照《公路土工合成材料应用技术规范》(JTJ/T019-98)进行。土工膜铺设现场 (3)工后效果检验该段路基于2003年9月初铺筑完毕，已经过半年多时间，并经历了秋雨的浸蚀和冻融变化，在春融最不利季节，对路况进行了强度测定，结果如表从路面弯沉测定结果看，路面整体强度未见异常，强度和稳定性能良好。但在雨水的浸蚀下，肯定会有不同变化。 3．土工合成材料防治填方段黄土路基沉陷和陷穴的应用技术1)试验方案(1)方案一银古高速公路辅道K13+150-K13+210段，填方高度8.3m。地质特征：表层为风积黄土(低液限黏土)，分布深度0.20-8.00m，为非自重湿陷性黄土场地，总湿陷量厶J＝4.90-24.70cm，湿陷等级为I(轻微)级或Ⅱ(中等湿陷)级。其下为卵石，局部缺失，厚0.2-1.8m，下伏第三系泥岩。考虑路堤横向排水，虽设有涵洞，但在路堤两侧仍有聚水可能，以灰土换填和防水土工膜相结合的方法进行处理。为阻止地表水下渗以增加地基承载力，对原基底进行夯实后，填筑50cm三七灰土，并在路基两侧修筑灰土隔水墙，在隔水墙内侧铺设防水土工膜，并深入基底150cm。基底处理及土工膜铺设方案见下图（尺寸单位cm） (2)方案二中郝高速公路兴仁段K295+000一K295+870为填方路段，填方高度3.5m。地质特征：0-5m为较强烈湿陷性黄土，5-10m属轻微湿陷性黄土，10m以下为不湿陷黄土。0-10m均为非自重湿陷性黄土。黄土呈灰黄色，局部夹细砂，强度较低。该段地势低洼，在路基填筑完成后，由于突降暴雨，排水不畅，路基黄土受到积水的浸泡，导致黄土发生显著湿陷下沉，引起路基左侧沿纵向开裂，最宽处达40cm。鉴于此，在路基左侧(迎水面)和右侧分别布置宽8m、4m的护坡道，并在左侧护坡道下50cm处铺设防水土工膜，土工膜伸入地表以下1.5m，如图所示。该方案经专家论证已被采纳。 2)施工工艺(1)方案一：①在对基底进行处理前，先对基底进行夯实，提高地基的承载力，压实度不低于93％。②在对基底夯实后，即可进行三七灰土换填。当换填高度为100cm时，按压实厚度为25cm，分四层进行碾压，压实度不低于95％。③在路基排水上游一侧，距路基坡角100cm的公路用地范围内，沿路线纵向设置50X150cm的三七灰土挡水墙。④铺土工布。参照低填浅挖段土工膜的铺设方法，并严格按照《公路土工合成材料应用技术规范》(JTJ/T019-98)进行。 (2)方案二：①在铺设土工膜之前，应整平坡面和护坡道。下层填料或垫层应平整、密实，对表面碎石、块石等坚硬凸出物进行严格清理，防止其对土工膜造成直接破坏，影响土工膜的性能而起不到防渗的作用。②铺设复合土工膜时，可采用机械或人工铺设。铺设前，先将一端用固定器固定，然后用机械或人力拉紧，拉力应适当。铺设时不允许出现卷曲、扭结和褶皱现象，最后用固定器固定另一端。固定器一般采用固定钉和固定铁皮。③为保证防渗效果，土工膜的搭接长度取20一30cm。在坡面上铺设时，宜白下而上铺设并就地联结。土工膜应紧贴被保护层，但不宜拉得过紧。④施工时，严格按照《公路土工合成材料应用技术规范》(JTJ/T019-98)进行。 3)工后效果检验在新建的银古高速公路辅道K13+150-K13+210段，为防止路基的湿陷沉降破坏，按方案一对路基进行了治理，效果明显，虽经过了2003年秋雨和2004年春融，未见异常发生，保持了理想的强度和稳定性。中郝高速公路兴仁段，在2002年夏季，突降暴雨，路基迎水面聚水，由于路基强烈的湿陷沉降，导致路堤破坏。Z003年按方案二对K295+000一K295+870路段重新填筑后，已经历了数场大雨的冲刷和浸泡，即便在2004年春融最不利季节，也保持了良好的整体强度和稳定性。 4．土工合成材料防治新旧黄土路基不均匀沉降的应用技术银古高速公路黄河以东古窑子附近，有部分黄土路段：新路是在老路的基础上双侧加宽的，由于该地区为黄土路基，具有显著的湿陷特征，在新老路基交接处易产生不均匀沉降，防止路基产生不均匀沉降是其主要内容。1)试验方案在填方路段水稳层下的新旧路基交接处，沿纵向各选择100m铺设土工格栅，即K24+500-K24+600和K24+600-K24+700分别布置宽度为2.0m和4.5m的土工格栅，土工格栅纵向搭接长度30cm，用以防止路基不均匀沉降。材料选型为TGDGll0高密度聚乙烯单向拉伸塑料土工格栅，其性能指标见表。 铺设位置如图 2)施工工艺(1)铺设的技术要求①在铺设水稳砂砾之前，使新填路基高程与旧路基一致；②将待铺土工格栅路基上的尖锐物清扫干净，无其他杂物后将路基面平整；③土工格栅的一端要用木方固定在路基上，然后可用人工铺设土工格栅，也可用小型拖拉机拖动，保证纵向拉紧为宜，避免出现皱褶，防止纵向施力过大，纵向格栅之间要用铁丝绑扎搭接起来，每隔10cm一个绑扎点，接缝搭接不小于30cm；④铺设的土工格栅使新旧路基的接缝位于格栅的中央，尽量避免横向搭接，并将土工格栅强度高的方向垂直于线路轴线方向。采用U形铁丝卡将土工格栅固定于土层表面，U形卡间相距50cm，梅花形布置；⑤在铺筑水稳砂砾时，应保证不因车辆的转弯或刹车造成对铺好土工格栅的损害。如有损坏，应立即进行修补，保证其整体性。(2)铺设步骤①整平新旧路基并清理杂物；②铺设并调整土工格栅的位置；③搭接并固定土工格栅，并保证与路基的密贴；④铺筑水稳砂砾，并保证土工格栅完整无损；⑤进行碾压。 3)工后效果检验两路段分别铺设2.0m和4.5m土工格栅后，各阶段弯沉检测结果如表 从弯沉检测结果看，铺2.0m与铺4.5m土工格栅没有明显区别，但是从对公路整体的影响看却不一样，在铺设较窄土工格栅的路段，路面出现了较为明显的纵向裂缝，如图图7-34宽铺和窄铺土工格栅效果对比图a)铺2.0m土工格栅；b)铺4.5m土工格栅 五、试验观测及结果分析为验证试验方案的有效性，对试验路段进行了现场观测，内容包括路基的竖向沉降、应力应变及侧向位移观测。1．观测方案(1)沉降观测①观测点布置按有、无土工格栅，共布置两个断面，包括10个沉降板监测点和四个坡角桩水平位移观测点，共计14个监测点。两断面沉降板准确位置见图7-35。在监测时，与附近大地水准点和高级控制点联测，每点监测两个方向的位移，即沉降量和侧向变形。 ②沉降板的安装沉降板的安装如图。沉降板的埋设在填土层压实后进行，当填土层压实后，在选定的位置开出一边长约100cm×100cm的方形槽，深度至本层填土层底部以下(约2cm)；然后在底部铺设厚约2cm的细砂层，捣实整平后，放入沉降板，并确保竖管垂直，作好标记，用10cm护壁套管护壁，进行妥善保护，并用管头保护盖盖好，用同类土回填至该层回填土顶面，并适当振捣固结、密实。 ③观测内容与时间测试内容为各点的沉降量即竖向位移。对于路基的沉降观测，通常根据加载阶段和变形是否稳定确定观测周期。以路基施工期间作为第一阶段，随着荷载逐渐加大，沉降速度加快，正常情况下每填筑1层或3d左右观测一次；第二阶段，即工后沉降期，每半月观测1次，从当年11月份开始，至第二年4月底春融结束，持续观测6个月，共12次；第三阶段为基本稳定期，每月观测1次，至基本稳定为止，详见表7-17。上述观测周期并非一成不变，当有特殊要求或发现有异常情况时，适当缩短观测周期，增加观测次数。 ④观测精度的确定在施工期间，对于高速公路的施工，一般路堤的沉降速率标准为10mm/d，桥头路堤的沉降速率标准为5mm/d。本次以10mm/d作为允许变形值，分析和确定所需要的工后观测精度。⑤观测基准的选择沉降观测的测量点分为水准基点、工作基点和沉降观测点。水准基点和工作基点构成沉降观测控制网，用于对沉降观测点的长期观测。因此从实用出发，公路施工期沉降观测基准应首选固定基准。根据公路带状的特点以及控制网与沉降点观测的方便，在施工路段一侧选埋一组水准基点，将3-4个基准点选埋在变形区以外的基岩上或深埋在原状土上，也可以设置在稳固的建构筑物上。⑥施工过程的动态控制施工过程的动态控制主要分为路堤填筑过程中的动态控制和路堤预压期的动态控制。在路堤填筑过程中，沉降观测的主要目的是防止施工期内路基失稳，因此，重点应对路堤填筑过程中的最高沉降速率加以限制。参考国内已建工程的经验，路堤中线沉降点的沉降速率应小于10mm/d，重点部位如桥头路堤的沉降速率应小于5mm/d，当沉降速率大于上述规定时，作认真细致的分析，必要时通知有关单位采取控制措施。 (2)应力应变观测①压力盒测点布置按有、无土工格栅共布置两个断面，如图所示，合计16个监测点，每点监测两个方向的应力，即竖向应力和侧向应力，压力盒的受力面朝向路堤顶部或中部。同一点位上、下压力盒在公路纵向方向相互错开0.5m。共计埋设了压力盒32个，监测记录仪一台。 ②压力传感器的选择由于监测目的为了解路堤中土压力的大小及其分布情况，因此选择钢弦式压力传感器(压力盒)根据设计要求计算可知，上覆土的自重压力约为200kPa，预计施工压力可达300kPa，确定选择适用压力范围为300-400kPa的压力传感器。③压力传感器的标定压力传感器出厂标定：在出厂时已标定有压力系数K值。压力传感器现场标定：在压力盒埋设前要对压力盒进行检查，记录漂零值。在埋设后未受压力前再次进行检查，确定漂零值和修正系数。 ④压力盒的安装压力盒的埋设在填土层压实后进行，如图7-38。当填土层压实后，在选定的位置开出直径约20cm的两个圆形槽，深度至本层填土层底(对原状土要求进入原状土层20cm)；然后在底部铺设厚约Scm的细砂层，捣实整平后，按规定的方向放入压力盒，并将电缆线沿层顶面刻一沟槽，将其引至路基外边，进行妥善保护，再用中细砂将沟槽回填至该层回填土顶面；最后在回填砂层顶面慢慢加入清水，并适当振捣，以使砂层固结、密实。 ⑤观测内容与时间观测内容为压力盒受压力作用后，钢弦的张力变化所引起的自振频率变化值，进而得到压力盒膜所受的压力。在压力盒埋设完毕后进行一次测试并记录。之后的观测频率与时间如表所列。 (3)侧向位移观测①观测方法的选择侧向位移观测包括边桩位移和沿深度的侧向位移两部分内容。深度侧向位移通过测斜仪在预先埋设于地基中的测斜管内不同深度处量测而得，其变化规律对理论分析有重要意义，但作为施工控制手段目前尚无可行的经验。由于路基填土荷载使地基产生水平位移，而地表水平位移又以坡脚附近最为灵敏。为了保证工程的安全，只在坡脚处设置水平位移边桩，观测其在施工过程和工后的侧向位移变化情况。 ②观测桩的埋设为了对比铺与不铺土工合成材料的路基变化情况，只在铺与不铺土工合成材料的两个断面的两侧分别埋设两排横向混凝土位移桩，即Z1、Z2和Z3、Z4，如图所示，以便对施工过程作进一步的观测。 ③观测基准的选择为了对侧向位移桩进行控制，在试验路段周围建立了三角控制网，并与位移桩Z1、Z2和Z3、Z4进行联测，定期观测其位置的变化情况。④观测周期与精度侧向位移的观测周期见表。位移桩的平面坐标计算应满足三等三角测量精度要求，并将其换算为路基横向位移。 2．观测结果分析(1)沉降观测结果分析，如图所示。 由图可知，在路中线处沉降量较小，路肩处沉降量较大。当路堤高度较小时，应力基本均匀，随着填土高度的增加，路基中竖向应力集中作用点由路中心处逐渐向公路两侧移动，在路肩处或公路半幅的中间地带形成新的应力集中，产生较大的路基沉降。一旦应力超过该处的地基承载能力时，路基即产生破坏，即公路整体失稳，产生滑裂面，并沿滑裂面产生坍塌。由图还可知，当路基中铺设土工网后，公路横断面方向所产生的沉降差明显减小，而在未铺土工网段，虽然填土厚度较小，但沉降差仍然较大。说明加铺土工网可以明显地减小路基的沉降量，使路基中的应力形成重新分布，竖向应力减小，并达到趋近于均匀分布状态。 (2)应力观测结果分析，未铺土工格栅的土压力曲线如图a所示，铺土工格栅的土压力曲线如图b所示。图1 由表可知，铺设土工格栅后路基中水平土压力明显增加，竖向土压力也明显减小。因此在路基中铺设土工格栅可以使路基中土压力进行重新分配，减小应力集中和不均匀沉降，提高路基的整体抗剪强度和稳定性。 由图可知，加铺土工格栅后，路堤中下部土压力进行了重新分布，同一观测点竖向应力明显减小，水平应力增加，土的自重应力和上覆荷载有效地传递给土工格栅，且应力分布均匀化，有效地增加了路堤边坡的稳定性，减小了路堤的沉降变形。同时在路堤上部由于没有加铺土工格栅，则路堤中土压力曲线形状与未铺土工格栅时基本相同，没有大的改变，而下部铺设了土工格栅后，路基中各点的竖向自重应力值有明显的减小。 (3)横向位移观测结果分析随着填土高度的增加，路基横向位移的变化如图所示。由图可以看出，在路基填筑开始以后，随着荷载的增加，侧向位移也缓慢增加，但每天的位移值增加不大。对不加格网的路基，如图b)，随着荷载增加并接近地基极限荷载时，边桩位移迅速增大，地基有破坏可能；而加格网的路基，如图a)，横向位移变化比较平缓，加筋的分荷作用也较为明显。路基填土高度与横向位移量关系图a)加铺格网路堤横向位移；b)未加格网路堤横向位移路基填土高度与横向位移量关系图a)加铺格网路堤横向位移；b)未加格网路堤横向位移 六、黄土路基病害的综合防治黄土地区道路病害的室内外试验研究表明，黄土的湿陷性是引发路基病害的最主要原因。显然，单靠土工合成材料不能从根本上解决问题，必须辅之以其他综合防治措施。多年来，为了防治黄土在不利条件下造成的危害，在设计施工方法和改善处理途径方面已经积累了丰富的经验，由早期的大开挖到后来的垫层(灰土或沙石)、强夯(表面强夯、深孔强夯、置换强夯)、挤密(灰土桩、饱和土时的振冲碎石柱)、沉桩(预制打入桩、钻孔灌注桩、大径扩底底注桩、水泥搅拌桩)、化学加固(碱液法、加气硅化法)和防水(基本防水、检测防水、严格防水及施工防水)等均做了一系列的研究工作，在工程实践中发挥了重要作用。目前，处治湿陷性黄土路基的方法很多，通常采用的有密实法、置换法、复合地基法等，再配合排水措施，形成一个体系。这些方法的特点是技术可靠、经济适用、施工简单、有较好的处理效果，便于掌握及推广应用。 1．密实法密实法是对非饱和湿陷性黄土在动载冲击荷载作用下，使土体的孔隙减少，密实度提高，地基土的承载力增加，压缩性降低，目前主要有强夯法和冲击压实法等。(1)强夯法强夯法是用重量为80-400kN的重锤，落距6-40m冲击地基，使地基土压密和振密，以加固地基土，达到提高强度、降低压缩性的目的。强夯法处理湿陷性黄土是一种很好的方法，简单实用，易于施工，效果良好，适用于要求消除的湿陷性土层厚度为3-6m。对于要夯实的湿陷性黄土，其含水量宜低于塑限含水量1％-3％，当其含水量低于10％时，宜加水至塑限含水量，当含水量大于塑限含水量3％时，应采取措施降低含水量至塑限含水量。(2)冲击压实法冲击压实法采用冲击压实机处理湿陷性黄土地基。冲击压实机由牵引车拖动，靠凸轮瓣对土进行冲击压实，压实次数宜选择20-40次为宜，其击实能可达2000-3000kJ，有效压实深度为2m。冲击压实机对土击实后，土的密度超出了常规压路机的压实效果，且使天然土在压实过程中完成了沉降要求，具有压实和击实两种功效，适用于处理浅层湿陷性黄土。 2．置换法置换法是将基础地面下一定范围内的湿陷性黄土挖除，然后分层换填强度和模量相对较高的沙石、碎石、灰土、素土等，并夯实至要求的密度，形成一个较好的持力层，以达到提高承载力和减少变形的目的。置换法主要适用于浅层湿陷性黄土，一般厚度不大于3m，具体方法有灰土垫层、土垫层等。3．复合地基法复合地基法是在天然地基中设置一定比例的增强体(桩体)，使桩土共同承担荷载，并具有密实法和置换法的效应，具体方法有高压旋喷法、粉喷桩法、灰土挤密桩等。 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 一、黄土的浸水破坏机理黄土湿陷的产生机理有各种各样的假说，如毛管假说、溶盐假说、胶粒不足说、水膜楔入说以及欠压密理论等等，这些假说分别从物理学、物理化学、地质学等各个方面对湿陷现象作了解释，但都只能说明问题的一个方面，不能充分解释所有湿陷现象及其本质。在湿陷性黄土地区，湿陷实际情况相差甚远,由多种复杂因素决定，其中土性特点是最重要的因素。不同土性的土在场地不同深度的组合，可以使场地的湿陷敏感性有很大不同。以往对湿陷性黄土的研究，多侧重于饱水情况下的湿陷，而实际建筑物地基浸水后有一个渗透过程，并非突然全部饱和。有大体积的非饱和增湿土体参与了整个湿陷过程，并影响到湿陷的发展。不同土性的土在低压力、低增湿下变形的不同，直接影响到场地湿陷的敏感性，增湿试验能了解在不同的应力和湿度条件下黄土的变形及湿陷特征。 1．黄土浸水破坏的结构理论黄土湿陷变形的最根本原因是黄土具有比较特殊的粒状架空结构体系，这个结构体系中的非正常配位的架空孔隙，是在干湿交替、以干旱为主的气候环境中堆积形成的。粒状架空结构体系在天然状态下是稳定的并具有一定强度，但是当水浸入这个体系中就会使联结点的强度降低，特别是在附加荷重同时作用下，粒状架空结构体系立即失去稳定，导致突然的湿陷变形。黄土微结构特征的区域性变化规律与工程实践中所发现的湿陷性由西北向东南逐渐减弱的总趋势相吻合，说明中国黄土湿陷性与它的微结构有着密切的关系。2．黄土浸水破坏的内在原因研究表明，黄土结构中骨架的结构单元可分为单粒、集粒和凝块。单粒主要为少量的砂粒和构成黄土土体的粗粉粒。因此，黄土结构体系的稳定性和强度将取决于联结点的数目和联结点的强度。(1)黄土宏观结构与湿陷性的关系 (2)黄土微观结构与湿陷性的关系电镜分析研究表明，黄土的微观结构主要有以下特点：①颗粒主要为粒状，多是形态各异、大小不同、具有一定磨圆度的单个碎屑颗粒及在表面附着有较多微小黏粒和碳酸钙晶体的粗碎屑颗粒，此外，还有部分由微晶碳酸钙将大量微碎屑和黏粒胶结成的集粒。②骨架颗粒间的联结形式主要为接触联结③黄土结构较疏松，肉眼可观察到的大孔隙分布较多 大量镜下观察表明，黄土孔隙往往是几种类型同时出现，构成一定的组合，不同湿陷等级的黄土具有明显不同的孔隙组合，如表所示。根据孔隙组合比根据单一孔隙类型更能可靠地判断黄土湿陷等级。 (3)黄土矿物成分与湿陷性的关系黄土矿物成分与湿陷性的关系可归纳如下：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。易溶盐的种类和含量与黄土的成岩作用有关，影响着黄土的工程性能。易溶盐含量越高，其湿陷性一般越大。中溶盐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。难溶盐在黄土中既起骨架作用，又起胶结作用。起胶结作用的碳酸钙对黄土的湿陷性有明显的影响。 (4)黄土成因与湿陷性的关系导致黄土湿陷的直接原因是架空孔隙和支架孔隙.除黄土这种特殊成因的堆积物外，其他成因的、未受成壤作用改造的堆积物常常不具湿陷性。由此看来，黄土的成因与湿陷性的产生有十分密切的关系。所以，黄土湿陷性的形成与干旱和半干旱地区的土壤化过程是分不开的。对于不具湿陷性的细粒堆积物而言，只要经历干旱和半干旱地区的成壤作用，就会产生湿陷性。弱的成壤作用会使土层产生不稳定的孔隙，使土层变得疏松，从而导致湿陷性出现。湿润地区成壤作用较强，黏化普遍，发育的是湿陷性弱的黄土或不具湿陷性的红褐色古土壤。较早的黄土在形成时或形成后不久也具有湿陷性。只是后来受上覆地层重力的影响才失去了湿陷性。 3．黄土浸水破坏的外因作用黄土的湿陷性是一个多因素综合作用的结果，水和压力是湿陷的必要条件。(1)水对黄土湿陷性的影响水的浸入是黄土湿陷的先决条件，不同的浸水量，其湿陷量不同。当浸水区域较小时，非增湿区域或非饱和区域有较大的摩阻力，限制了饱和区域的湿陷，使浸水中心区域的饱和黄土湿陷沉降不能充分展开。由于土性质的不同，这种限制很不相同。有的土水稳性较强，它的湿陷需要较大的压力及较高的增湿量，抗剪强度随湿度的增加而衰减较慢，因此，非饱和浸湿区内土体变形很小。有的土水稳性很差，微量增湿则抗剪强度骤减，因此，非饱和增湿区不但不能限制饱和区黄土的湿陷，反而参与并加剧了整个场地的湿陷，湿陷范围比浸水饱和区大得多，湿陷的侧向发展较快，使浸水中心区湿陷约束力很快降到最低，湿陷得更充分。因而，它能在较少的浸水量或小面积浸水时，很快地产生非饱和湿陷，浸湿范围比较接近湿陷的变形范围，湿陷迅捷。 根据室内土工试验，可以得到黄土的浸水时间与湿陷系数关系图由图可知，不同地区由于黄土的颗粒组成和化学成分不同，湿陷产生的速度不同。在西部和北部地区，颗粒直径相对较大，并含有较多的可溶盐类，产生湿陷的速度相对较慢，湿陷变形量也相对较小，大约产生湿陷的过程需要10-20min。而南部和东部地区黄土，颗粒较细，而且湿陷变形量往往较大，产生湿陷的过程较短，一般在几十秒内即形成大范围的湿陷。 (2)水压力对黄土湿陷性的影响因压力不同使同等增湿产生的湿陷变形很不相等。小压力下的湿陷需要更高的增湿量，对场地土而言就需要更长的浸水渗透时间，表现为湿陷的敏感性弱。因此，选用较低建筑荷载可减少干燥性黄土湿陷的敏感性。在大压力时，随含水量的增大，湿陷的敏感性逐渐减弱，但是在较小压力时，湿陷敏感性在某一范围内逐渐增强。。同土的增湿、压力及湿陷关系曲线图的差异，动态地反映出各种土的本质区别。不同初始状态的土样，其峰值湿陷系数值所对应的饱和度区间(简称“峰值饱和度”)不同。一般情况下，高原黄土比阶地黄土具有更高的峰值饱和度，相比之下前者的峰值饱和度与其充分浸水时的饱和度差异性较小。 (3)土压力对黄土湿陷性影响不同黄土对产生湿陷的湿度条件和压力条件的要求有很大差异。湿陷敏感性较强的土能在远小于上覆饱和土自重压力下湿陷，并能在较少的增湿量下产生非饱和湿陷。湿陷不敏感场地的湿陷需要较高的湿度和压力，它的自重湿陷就愈不易发生。局部增湿与整个场区大面积增湿相比，相当于点增湿与面增湿之比。点增湿湿陷会受到边界条件的强烈限制，而面增湿却没有限制，因此，在同等增湿情况下，面增湿将获得更大湿陷量。由于环境工程地质条件的改变带来的大面积增湿，应引起高度重视。没有足够的浸湿范围就产生不了足够的自重压力，也就不会产生足够的湿陷。同等浸湿条件下，因压力条件的不同会产生不同的湿陷结果。压力也是湿陷的必要条件，而仅有浸湿是不够的。干燥性自重湿陷性黄土有较高强度，但在大压力下，不高的增湿会产生显著变形。因此，路堑边坡的稳定性与土的湿陷性及防水措施密切相关。在湿陷过程中，土中的压力条件处于变化之中，受许多边界条件的影响。自重湿陷量的大小与试坑面积有很大关系，在一定范围内两者呈正比。 (4)饱水湿陷一增湿湿陷研究黄土在充分浸水条件下发生的湿陷量，是一种极端的情况。事实上，经常遇到的湿陷往往发生在沿上层达到不同增湿含水量的情况下(广义的湿陷)。黄土在先加压后浸水的作用下，分别产生压缩变形与湿陷变形，但总的变形量与起始含水量无关，只是应力状态的单值函数。起始含水量的不同只影响二者之间的分配比例，随着起始含水量的增大，压缩变形越来越大，湿陷变形越来越小。应当指出，黄土的增湿，可以由地下水位上升引起，也可以由地表水的入渗引起。前者增湿自下而上发展，浸水面积大，湿陷均匀，浸湿速率一般较慢，湿陷变形的过程较长。 二、土工合成材料防治公路边坡病害的应用技术1．黄土地区公路边坡病害类型及成因黄土地区公路边坡病害破坏形式可归结为两种基本类型，即坡面破坏，包括剥落和冲刷等；坡体破坏，包括崩坍、坡脚坍塌、滑坡和流泥等。1)边坡坡面破坏(1)剥落坡面剥落是黄土边坡变形的一种普通现象，处理也十分困难。剥落按其形态一般有以下4类：①鱼鳞状剥落：这种变形易发生在含易溶盐多(一般为1％-2％)的地区。②片状剥落：主要发生在新第四系风积和近代坡积的均质黄土层中。③层状剥落：主要发生在洪积冲积黄土互层中，这类黄土多由黏土、砂黏土及砂等互层构成。④混合状剥落：边坡坡面剥落并非如上面那样类型单一，有时几种剥蚀类型同时出现。(2)坡面冲刷坡面冲刷是常见的公路边坡变形，会引起大量的水土流失。坡面冲刷使坡面呈沟状或洞穴状。黄土边坡坡面冲刷与土层、岩性、微地貌条件、水文条件等有密切的关系。 2)边坡坡体破坏①崩坍：黄土边坡崩坍是土体沿节理面倒坍和下错的斜坡动力地质现象，是多种自然因素及人为因素综合作用的结果。对黄土而言，土层节理发育，边坡陡峻，在风化和水的冲蚀、浸润作用下，坡脚严重冲刷，往往会使坡体崩坍。②坡脚坍塌：坡脚坍塌易在湿陷性新黄土中发生。因其结构松散，坡脚松软受水浸湿或冲刷会发生坡脚局部坍塌，一般规模较小，但较普遍。坡脚坍塌是产生滑坡的前提，也有可能诱发规模更大的坍塌。③滑坡：滑坡是土体沿着明显的滑动带或滑动面下滑，滑动面呈上陡下缓的圆弧状。其产生原因，主要是由于黄土的强度下降引起的土体稳定性平衡破坏。④流泥：呈斜坡状的黄土如果土质松散，具有渗水性较小的下卧层时，土体在地下水或在地下水与地表水相互作用下浸润黄土土体，使土饱和形成塑性流动，称之为流泥。它可能诱发其他病害，使边坡出现崩坍或滑坡等更严重的破坏。 3)边坡破坏的影响因素(1)内在因素①黄土的成因：松散结构的新黄土和密实结构的黄土，具有不同的密实性和物质组成，稳定性也不一样，一般坡积的松散结构黄土最不稳定。②黄土的结构和构造：黄土中存在不同节理且特性不同，组成结构的均匀程度、结构孔隙特征、夹层及构造的变动等都影响着边坡的稳定。③下卧层：下卧层的岩性、产状、风化程度及与黄土的接触关系等，也影响着边坡的稳定。④物质成分：由于易溶盐含量的变迁，矿物组成不同，土体的变形状况也不一样，都会引起土体强度的变化，从而影响边坡的稳定。⑤物理力学性质：与黄土边坡稳定性有关的物理力学指标有黏粒和砂粒含量、干密度、液限等，以及塑性指数、天然含水量、孔隙率和抗剪强度等物理力学指标。(2)外界因素环境条件的改变是促使边坡变形发生发展的外界原因。①地貌单元和微地貌特征：边坡在阶地上所处位置、坡顶的汇水条件及陷穴、暗洞、坑沟、低洼积水、冲沟的位置和分布状况等，对边坡的稳定有直接影响。②水文条件：如地下水的出露，地表水对坡面、坡脚、截水沟和边沟的浸湿和冲刷等。渗入土体中的水将引起土体重量增加及强度的降低，渗入裂隙和节理中的水产生的静水压力，将促进冲沟、陷穴的发展，对边坡的稳定极为不利。③风化与震动等自然外力：由于黄土节理发育，受大气雨水和地震及车辆行车引起的震动等，都有可能促使边坡变形，导致边坡失稳。(3)人为因素设计、施工和养护不当，人为对边坡的破坏，都是引起边坡破坏的直接原因。 2．黄土地区公路边坡病害防治方案的选择黄土边坡的防护是黄土地区公路建设中的一个突出问题。如果不能及时有效地对黄土边坡进行科学防护，不仅容易造成水土流失，严重时还会危及工程的安全，造成巨大浪费。图所示为未做防护的边坡破坏情况。目前，在黄土地区常用的边坡防护方法有直接植草防护、拱式砌石或3m×3m浆砌片石结合植草防护、六角形预制块边坡防护及土工网植被防护等，各自有各自的优缺点。未做防护的路堑边坡典型病害 (1)直接植草防护直接植草防护具有方法简单、施工方便、成本低廉的优点，但在黄土地区有着不宜植物生长的致命缺点。草籽撒播后，容易受风吹雨淋等因素的影响而大量流失，导致坡面植草覆盖率很低。同时坡面又没有任何加筋处理，雨季时，在暴雨和径流的冲蚀下最终导致坡面破坏，如图所示。因此，直接植草防护可靠度极低，不适宜于黄土边坡防护。(1)直接植草防护的路堤边坡典型病害 (2)拱式砌石或3m×3m浆砌片石结合植草防护该方法由于施工繁琐、速度慢、劳动强度大、造价高等缺点不宜推广应用。(3)六角形预制块防护是上述3m×3m骨架防护的改进。由于六角形预制块中间空格面积较小，最大限度地减小了坡面防护对植草绿化的依赖性。换言之，即使坡面绿化效果不好，也不容易产生太严重的冲蚀现象，目前应用较多。(4)土工网植被防护为了满足护坡和绿化的要求，近年来多采用土工网(CE131)与植被结合的方法。土工网的厚度为5mm，开孔尺寸为27mm×27mm，其开孔率为70％，即30％的坡面被土工网覆盖，以免受雨水的直接冲击。该方法的优点是造价较低，施工方便，能满足一定的护坡绿化要求；缺点是由于其厚度只有5mm，所以在草皮未长成之前草籽易被风雨冲蚀，致使表面绿化效果参差不齐。同时，由于其网眼较大，导致草根的连接和啮合作用较小，这样就削弱了护坡的整体效果。因此可靠度较低，在暴雨的冲刷下容易产生冲沟。 下部为挡墙，上部为六角形预制块护坡 下部为挡墙，上部为网格骨架护坡 下部为浆砌片石护面墙，上部为加固台阶 上述四种方法的比较见表各种护坡方法的比较 3．土工合成材料防治黄土地区公路边坡病害的基本原理将土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通过，从而防止由于土颗粒的过量流失造成土体的破坏。同时，允许土中的水或气体穿过织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。土工网垫是由单层或多层塑料凹凸网和平面网经热熔后黏结成的一种稳定立体结构。面层外观凸凹不平，材质疏松柔韧，留有约90％的空间填充土壤及砂粒；底部平面网延伸率较低，强度较高，能防止土体滑坡，植物根系可穿过土壤深入地下0.5-2m深，使植被、网垫和土形成牢固的嵌锁。因此，土工网垫一方面具有防止水土流失的作用，同时又具有保持水流通畅的效果，能够起到护坡的作用。土工格室弥补了片石骨架防护具有的松动、塌陷、架空等缺陷，并且具有施工快捷、造价低等优点。黄土地区公路边坡形成的雨水径流，可能使边坡土体产生严重渗透和冲刷而导致破坏。利用土工格室可以通过换土改变边坡土的性质，保证坡面的整体稳定性；利用土工网垫的过滤、排水及防冲刷机理，结合生物防护，通过对地表水形成的径流的疏排、截阻、封闭等，可防止地表水的冲刷和渗入，起到护坡和美化环境的作用。如果将二者结合使用，不仅可以保护路基边坡表面免受雨水冲刷、减缓温差及温度变化的影响，而且还能够防止坡面失稳，保证路基边坡的整体稳定性，并达到路基美化和协调自然环境的效果。 4．土工格室换土稳定边坡结合三维网垫植草护坡的应用技术(1)材料选型①土工格室试验方案选择型号为TGLG－PE－100的高密度聚乙烯土工格室，其物理力学指标见表。高密度聚乙烯土工格室物理力学指标 ②土工网垫由于土工网垫长期裸露于大气中受紫外线照射，具有褪色变脆的缺点，因此，要求所选型号在暴露下的使用寿命不小于5年；水土保持能力系数不小于5；30mm的回弹恢复率不小于80％。本试验方案选择型号为EM3的三维土工网垫，其技术指标见表。三维土工网垫技术指标 (2)土工格室施工工艺①先将边坡上的碎石、杂草等杂物清理干净，然后将边坡整平到设计坡度。②挂线确定固定钉位置，如图所示。③坡顶修整成外高内低的反坡槽，槽宽1-2m，内深0.5m。从坡顶反坡槽挂起，然后顺坡自上而下铺设。④按同样方法铺设第二块格室，上下及左右相邻格室之间用10mm的塑料螺栓、螺母通过格室孔连接，要求死扣并扣紧。⑤考虑到坡面的稳定性，根据边坡不同的坡度和高度，在坡面顶部和坡面中间位置，做一部分混凝土桩，以增加格室面的稳定性，顶部可用排水沟压住。⑥重复以上3-5道工序。⑦坡面格室铺完之后，即可向格室内填充种植土。种植土按15(土)：1(羊粪)比例，并按每平方米加入20g复合肥进行混合。种植土要求经反复浇水、补土，直至拍实填满，并辅以人工木板使坡面平齐，并保证坡面密实平顺。 (3)土工网垫施工工艺①准备：根据坡面长度将土工网垫裁剪好，搬运到工地，开始铺设三维植被网。②覆网：土工网垫上下边均按倒L形埋入土中，埋深不小于0.4m，回转长度不小于0.2m，埋入后应充分夯实，不得有凹坑造成积水。③固定：土工网垫平铺于坡面上，铺设范围包括路肩和坡脚，其搭接宽度不小于5cm。当网垫需要上下连接时，应让坡上部分压住坡下部分10cm以上。铺设时网垫与格室用铁丝或U形梢钉将其按梅花形固定，间距1.0m。④网上覆土：在平铺固定密贴的土工网垫上撒细粒腐殖土，稍盖住网垫并拍实，使土粒充满网泡。喷水使松散的种植土沉降密实，再向坡面填充细粒腐殖土，覆土以不超过中层网面为准。⑤播种：在平整密贴的网垫上适当洒水使土粒密实湿润，将草籽与肥料、保水剂、黏合剂、纤维等辅助材料均匀搅拌，利用专用液力喷播机进行喷播植草。⑥覆土：如果采用人工播种，应在已播种的土工网垫上用过筛的细粒腐殖土，将种子盖住，并保证种子的均匀和稳定，以防网垫悬空。⑦覆盖遮阴网：由于宁夏属于干旱地区，紫外线辐射强烈，为降低强光照射，保持水分，以提高种子的成活率，宜加盖遮阴网。⑧洒水：浇水时应呈雾状喷洒，时间选在早晨或傍晚进行，必须避开阳光强烈的时段。⑨后期管理：肥料应根据土质和草的生长期进行科学选择，施肥应适量、适时。 (4)效果分析将土工格室与三维网垫结合用于黄土边坡防护，效果十分明显。①土工格室是由聚乙烯片材经高强度焊接而制成的一种三维密封小室结构，展开后的小室内可以填充种植土并均匀撒播草籽，能使不毛之地的边坡充分绿化。同时，带孔的格室还能提高坡面的排水性能。与六角形预制块相比，土工格室造价降低一半，施工速度更快。②三维网垫是由多层塑料凹凸网和高强度平面网组成，并在交接点处经热熔后形成的一种稳定的立体网结构。③三维网与平面网比较，具有良好的固土效果。④在撒种之后，草皮没有长成之前，网垫可以牢固地保护草种，免受风吹雨冲而散失，并使之均匀地分布在坡面上，同时还可保护坡面免受风雨侵蚀。⑤由于网垫表面粗糙凹凸，使风、水流在网垫表面产生无数的小漩涡，起到消能作用。当草皮长成之后，与网垫及泥土三者形成一种牢固的复合嵌锁体。三维网的表层、中间及网下的土已被植被的根系盘错、连接、穿越和纠缠时，坡土会上下穿接，左右相连，集点成面，整坡一体。三维网与根系、土壤所形成的强有力格室与三维网垫植被防护的护坡面壳，依然可防止暴雨及狂风的冲袭，也是较佳的防护方法。 图所示为当年的护坡效果。植物生长以后形成的复合保护层，可作为永久性的护坡层。与前述各种护坡方式比较，土工格室换土稳定边坡结合三维网垫植草护坡的优缺点见表。土工格室与三维网垫结合植草护坡图土工格室和三维网垫的适用性 三、土工合成材料防治公路排水构造物病害的应用技术1．黄土地区公路排水设施的主要破坏方式黄土地区地下水埋藏较深，一般均大于10m。因此，在公路设计中，一般不考虑地下水对路基的影响，故黄土地区公路排水的核心问题是路界地表排水。路界地表排水系统如图。路面排水有两种基本形式，一种是以横向漫流形式向路堤坡面分散排放，另一种是在路肩外侧边缘处设置拦水带，然后通过泄水口和急流槽集中排放到路堤坡脚外。由于黄土地区降雨集中，汇水量大，且黄土坡面耐冲刷等力差，若采用分散漫流式排水，极易形成冲沟进而导致水土流失和边坡失稳。因此，应尽量采用集中排水。 采用集中排水时，由于土质和施工等方面的原因，易在下列部位产生破坏。(1)拦水带出水口处产生裂缝(2)中央分隔带雨水下渗导致的路面破坏分隔带一般都用黄土回填，当其下埋设通信电缆及管线时，势必会给雨水渗入路基深处留下更多通道。这种渗流还会顺着纵坡向低凹处集中，导致低处的地基土含水量过大，如遇桥梁或其他构造物，纵向渗流被阻断，则沿着桥台或构造物台背进一步下渗，从而造成路基路面及桥台路堤的破坏。如果是黄土路堤，危害更大，这个问题应引起充分重视。 (3)边沟长度和坡度设计不合理由于边沟出水口间距过长，坡度过小或过大，淤积和冲刷严重，边沟两侧首先沉陷，进而导致整个边沟的湿陷破坏。典型情况如图所示。 (4)排水系统的协调性不足设计时对边沟的设置与急流槽、排水沟和涵洞的配合未作充分考虑，致使排水系统在局部路段失效，并相继发生湿陷性破坏，造成整个排水系统失效，如图左所示。(5)浆砌防护严重破损主要是由于施工时压实不充足、坐浆不饱满、养护不及时，以及勾缝时表面清理不干净且夹有黄土，在雨水的冲刷下勾缝脱落，表面破损，产生裂缝，当雨水下渗时发生沉陷破坏，如图右所示。 (6)急流槽破坏急流槽主要用于路堤和路堑陡坡处的竖向排水。急流槽常见病害有：①由于急流槽的进水口与沟渠泄水口之间的喇叭口式联结处基底层压实不足，联结不顺，防护不够及变宽段不满足至少15cm的下凹量要求，导致急流槽进水口下渗破坏。②由于缺乏消能设施，致使出水口周围产生严重冲刷形成冲沟，导致出水口严重破坏。③由于急流槽槽身有裂缝，或急流槽周边雨水下渗，致使槽底局部淘蚀及周边土体沉陷，部分脱空，最终导致急流槽及坡体的破坏，如图所示。调查表明，急流槽产生破坏的主要原因有：基础压实不足；浆砌片石防护质量不好，局部勾缝脱落，雨水渗入；断面过小，水流溢出使其周边土体湿陷淘空，导致断裂破坏。 (7)排水涵洞破坏涵洞的破坏形式与急流槽有相似之处。主要破坏部位是涵洞的进水口、出水口及涵身。除此之外，由于涵位设置不合理，也会使涵洞产生淤堵和排水不畅，导致路堤的湿陷破坏，如图所示。涵洞淤堵使整个路堤湿陷下沉 2．土工合成材料防治黄土地区公路排水构造物病害的试验研究(1)试验路段概况在银古高速公路辅道上，选择K12+686圆管涵；K13+190盖板暗涵的排水构造物进行试验.该路段所处地区以黄土为主，表层为风积黄土，分布深度0.20-8.00m，为非自重湿陷性黄土场地，总湿陷量△s＝4.90-24.70cm。其下为卵石，局部缺失，厚0.2-1.8m，下伏第三系泥岩。在路基施工时，应避免大挖大填，并应作好防水措施。(2)土工合成材料选型选择复合土工膜进行试验。复合土工膜是用土工织物与土工膜加热压合或用胶黏剂复合而成的不透水材料，由于它具有防渗性好、侧向排水功能强、耐水压力大等优点，常用于公路路堤和排水结构物的防渗处理。 (3)试验方案土工合成材料的铺设部位如下两图所示 (4)施工工艺涵洞洞身基础部分用重锤夯实后换填50cm灰土层，石夯重不小于50kg，落距不小于50cm，夯实3遍，或用人力夯夯打3-4遍。涵洞洞口及两端一定范围，用人工进行夯实，夯实方法同上，然后换填50cm三七灰土垫层。在洞口铺设复合土工膜。铺设20cm砂垫层并用10号混凝土护面。急流槽的施工工艺参照涵洞进行。 (5)后期观测图左所示为银古高速公路辅道K13+415处涵洞的整修现场，该涵洞施工时未铺设防水土工膜。在完工后半年时间内，由于雨水渗漏，使地基产生湿陷性破坏，最终导致路面的沉降和破坏。如图右所示银古高速公路铺路K13+180处涵洞，由于在施工过程中加铺了防水土工膜，半年内虽然经过了大水浸泡，但路基和路面安然无恙。 四、黄土地区公路边坡及排水构造物病害的综合防治造成黄土地区公路边坡及排水构造物病害的主要原因是黄土本身的特殊工程地质特性。显然，单靠土工合成材料不能从根本上解决问题，必须辅之以其他综合防治措施。1．提高黄土边坡稳定性的措施(1)减小坡度(2)减小坡长(3)积极恢复植被(4)加强工程措施①护坡工程：当公路边坡坡度大时，易发生崩塌等重力侵蚀。因此，可通过加强护坡工程来提高边坡的稳定性。②排水工程：许多公路边坡上部为田地，由于西部地区年降雨量集中，在降雨季节多大雨，因此，应在边坡上方修筑排水设施，来减少边坡的径流量，从而提高边坡的稳定性。 2．排水系统病害的综合防治措施1)路面表面排水设施一是严格控制路面施工质量，必须满足空隙率的设计要求，按设计要求选择防水层材料和进行施工，保证防渗漏效果。二是加强各路段养护，特别是雨季养护工作的力度，及时排除路表积水。2)中央分隔带排水设施中央分隔带排水应根据分隔带宽度、绿化和交通安全设施的形式、分隔带表面的处理方式等因素选择不同的排水方式。①表面采用铺装封闭的中央分隔带排水。②表面无铺装且未采用表面排水设施的中央分隔带。③对于超高路段表面排水设计的重点是超高外侧路面雨水的处理。 3)坡面排水设施坡面排水设施主要由各种形状和不同尺寸的沟渠(槽)组成，横断面的形状和尺寸取决于设计流量的大小；纵向坡度应满足不淤积不冲刷。(1)边沟黄土地区公路边沟的设计，应注意如下要点：①综合考虑路面排水、路基排水及构造物排水等问题；②边沟设计应分段进行，亦即根据沿线的实际地形、地貌、地表径流及人工构造物的分布情况划分段落，从而设计不同类型的边沟；③根据各自然段的纵坡、排水面的高程等因素确定边沟的类型和尺寸；④合理的截面形式及适当的纵坡是满足排水要求的关键；⑤边沟设计应与附近的水土保持、灌溉沟渠、天然冲沟、涵洞等排水设施一起综合考虑。边沟的施工质量对于黄土地区公路排水意义重大。最大限度地发挥边沟的功能，必须提高公路养护技术和服务水平，贯彻“预防为主，防治结合”的方针。 (2)截水沟对于干旱少雨、降雨集中、暴雨强度大的黄土地区，地表径流往往是造成边坡冲刷坍塌破坏的一个重要原因因此，设置截水沟非常必要。黄土地区公路截水沟的设置应重视如下几点。①在详细调查气候特征、地形和地貌等因素的基础上，综合规划排水系统，将截水沟的设置纳入工程生物防护与小流域综合治理的大系统中；②严把截水沟施工质量关，保证沟底土基的压实度，防冲刷、防渗漏；③在滑坡周围设置环形截水沟，防止外来的地表水流入滑坡区内。(3)排水沟排水沟主要用于将边沟、截水沟、取土坑、边坡和路基附近积水，引排至桥涵或路基以外。黄土地区公路排水沟的设计应重视如下几点。①要特别重视野外调查，做到周密调查、精心设计；②体现近期目标与长远发展相结合的原则，综合考虑路基稳定、水土保持、环境保护、生态平衡等因素；③排水沟若处于特殊地段，例如小型冲沟地带，一定要加强防护，采取一定的工程防护措施；④考虑设置跌水、急流槽、水簸箕等，以降低高差，减小水能，尽可能减少冲刷。此外，一定加强养护力度，养护可以有效地防止或抑制病害发展，并能避免引发其他病害。 (4)急流槽急流槽(跌水)作为人工排水沟渠的特殊形式，用于陡坡处的竖向排水，主要是路堤和路堑的坡面排水。根据急流槽病害的具体情况，可采取不同的处治措施。①急流槽进水口处有轻微破损，出水口部位有冲刷破坏，周围坡地产生严重冲刷形成冲沟。其处治措施除设置消力坪或消力池外，可采用抛石防护或石笼防护，加固冲沟，减小冲刷，延缓该处冲沟进一步发展。②路堤边坡急流槽周边雨水下渗，黄土湿陷，槽底局部淘蚀，急流槽产生破坏。由于压实度是关系黄土湿陷性的重要因素，压实黄土的湿陷性随含水量的减小而增加，而随干密度的增大而减小。因此，一定要保证急流槽基础的压实效果。另外，当急流槽坡度很陡、降雨集中时，坡面径流雨水渗入路基边坡在所难免，建议在槽底专门设置石灰土砂砾垫层，使其达到一定的压实度，可以增强基础的强度与抗冲刷的能力。 4)公路综合排水系统①排水系统设计要综合考虑气候、地形地貌、不良水文地质、人类活动、生态环境、水土保持等因素，特别是黄土地区普遍存在的黄土的特殊工程性质对排水系统的要求。②排水系统设计应体现超前性与主动性，正确处理长期使用性能与短期发展的关系。③要彻底扭转仅重视公路的主体工程而忽视辅助工程的错误观念。④加强养护力度，做到早发现问题，早采取措施，这在一定程度上可以减少经济损失。⑤进一步全面核实与调查各路段排水系统的系统性与完整性。对于不能修复或修复资金要求过大的路段，考虑改线或重新布设排水系统；对于由于排水系统的不完整而导致大量病害的情况，通过增加排水沟、截水沟、急流槽、挡墙以及植被与圬工防护相结合的方法进行处治。 5)结构措施对于位于厚层湿陷性黄土地基上的桥涵等排水构造物，一般地基加固处理难以满足设计变形或强度要求时，应采取结构措施。桥涵构造物位于沟谷底部，黄土地基受水浸湿的可能性相对较大，当地基沉降变形或强度满足不了构造物要求时，就必须对地基进行处理。构造物地基处理的设计要求如下。①对于非自重湿陷性黄土地基，应将基础下湿陷起始压力小于附加压力与上覆土的饱和自重压力之和的所有土层进行处理，处理至基础下的压缩层下限为止；②对于自重湿陷性黄土地基，应处理基础以下的全部湿陷性土层；③处理后的地基承载力应满足构造物的要求，且其下卧层顶面的承载力不小于下卧层顶面的附加应力与土自重压力之和。