黄土地区路基工程技术指标体系与控制参数研究

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1、西部交通建设科技项目 交通编号： 合同编号：2006 318 812 91 单位编号：11941 密 级：公开 分 类 号：U416.1 黄土地区路基工程技术指标体系与控黄土地区路基工程技术指标体系与控 制参数研究 制参数研究 研究报告简本研究报告简本 承担单位：长安大学 二零一一年六月二零一一年六月 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 1 1 项目研究的背景项目研究的背景 黄土是一种第四纪沉积物，在我国，黄土及黄土状土的分布面积约为 64 万（km 2） ， 以北纬 3345，东径 102116之间最为发育，尤其是西北黄河中游地区大面 积黄土连续覆盖所形成的黄土

2、塬地貌地形蔚为大观，就其分布之广、厚度之大、沉积之 典型、地层发育之完整，均属世界罕见。我国的湿陷性黄土分布面积约为黄土分布总面 积的 3/4，湿陷性黄土的主体为晚更新世（Q3）和全新世（Q4）新黄土，它们一般位于地 层上部，其性状对工程建设影响甚大。 二十世纪九十年代后期以来，我国的公路建设发展迅猛，黄土地区的公路建设大面 积展开。在工程建设过程中，发现了不少有关黄土性质的问题。在黄土塬区，高填土路 基（土桥）变形和沟头侵蚀引起的路基滑塌；在黄土坡上，黄土洞穴、涵洞出口冲刷， 山坡滑塌及边沟冲刷；而路基的不均匀变形、沉陷则是普遍存在的问题。病害的防治及 问题的解决，都呼唤着对黄土性质的深入研

3、究。 对于黄土问题的研究，起步于 20 世纪初期，但真正开展工作则是新中国成立后伴 随着大量建设工程的实施而进行的，特别是 1955 年成立了一个全国性的黄土研究委员 会，对黄土开展了多学科的研究工作，取得了长足的进步。建设部所属的勘察院、建筑 研究所等单位在黄土的力学性能上以及湿陷性黄土地基处理方面进行了大量而有成效 的研究工作，并已第四次修订了“湿陷性黄土地区建筑规范” 。但是，这些建筑行业的 规范和相关成果难以适应公路工程占地面积大、变形控制严的特点，也不适应公路沿线 地形地貌变化大、地表水径流条件复杂和地基要求差异性等特点。 1.1 推广项目的特点及原理 项目研究特点与基础 长安大学曾

4、参加了西部交通建设科技项目“黄土地区公路修筑成套技术研究”13 个课题中的 12 课题的研究工作。对黄土的工程特性进行了较为系统的研究，取得了显 著的阶段性成果，形成了相对完整的理论框架体系。 在前期相关的西部课题研究过程中， 通过依托工程的实施， 对黄土地区公路修筑相 关技术进行了较深入的研究，在黄土浸水特性、黄土湿陷变形、黄土固结理论、地基处 理、路基压实、边坡加固与防护、路基路面病害处治、黄土隧道及桥梁桩基的设计与施 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 2 工方面积累了大量经验，设计技术水平得到了很大提高。 通过对已有研究成果的总结，项目主要研究人员已充分认

5、识到前期科研工作中存在 的问题，明确了进一步研究的方向及尚需继续进行研究工作的内容。 以上所开展的工作给本项目的研究奠定了良好基础， 为项目研究取得突破性进展提 供了坚实的前提条件。 应用领域 本项目成果针对广大黄土地区路基工程，应用范围涉及黄河中游的四省一区等广大地 域。根据国家公路建设发展规划，今后 10 年，黄土地区的公路建设任务仍很艰巨，尚 有 6000 余公里高速公路待建，存在的技术问题一定很多。因此，本项目研究成果将具 有广阔的应用市场。 项目创新性 （1）编制出黄土地区路基工程分区及分类图表； （2）建立了黄土路基工程设计技术指标体系； （3）建立了黄土路基工程控制指标体系。 技

6、术指标 拟推广项目通过对软土路基、台背跳车及边坡防护处治技术研究，提出了典型软土 路基及桥头沉降处治措施，得出了软土地基上软土地基变形规律，给出了不均匀沉降控 制技术。地基处理措施涵盖了粉喷桩、旋喷桩、水泥搅拌桩、沉管挤密砂石桩复合地基， 土工格室垫层，强夯法，土工格室楔型柔性搭板等各种处理方法；地基处理方法适用于 沿海软土、湖区软土、西北软黄土等不同软土。 经济、社会和生态效益 研究成果将会直接有效地指导黄土地区公路工程设计和施工，提升公路建设总体技 术水平，满足公路耐久性和使用性能，减少建设及维修费用，提高黄土地区公路工程建 设质量和综合效益。 本项目的研究成果除用于公路系统外，其中的不少

7、成果可在铁路、水利、建筑等行 业应用；研究成果不仅可应用于黄土地区公路工程建设，其它地区公路工程建设也可借 鉴。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 3 1.2 项目的总体目标 1.2.1 项目拟研究解决的关键问题 建立和完善黄土地区路基工程技术指标体系，并给出相应的控制参数，为相关设计 施工指南或规范提供依据。 1.2.2 项目所要推广及研究的主要内容 1、黄土地区路基工程分区与分类指标研究； 2、黄土地区公路地基处理技术指标体系与参数控制研究； 3、黄土地区公路路基不均沉降控制技术与指标体系研究； 4、黄土地区公路边坡设计指标体系研究； 5、黄土地区路基构造物

8、计算指标体系研究。 1.3 技术路线 本研究项目属于综合性、交叉性较强的技术基础性和应用性相结合的研究课题。各 研究内容间既有相互关联性，又具一定的差别，特别是第一部分研究内容，是其它研究 内容的基础，认识和揭示黄土的区域分布规律和工程特性，对指标体系内容的研究将起 到至关重要的作用。而关于指标体系的研究，又为黄土山区公路工程分区与分类提供了 最可靠，最具说服力的数据支撑。由于课题各研究内容这种相关性和差异性，使各研究 内容的技术路线有所不同，总体的研究技术路线为：首先充分、广泛调查和收集国内外 与课题研究内容相关的研究成果和技术资料，认真进行总结和分析，制订详细、周密的 研究大纲和具体实施方

9、案；其次确定具体的研究指标，与获取这些指标的理论依据、试 验方法和手段；而后结合实际工程和运营路段，对有关指标进行必要的观测和验证；此 外，加强各研究内容之间的相互交流。 具体技术路线如图 1.1 所示： PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 4 申请项目评审 成果总结、撰写研究报告 理论 分析 数值 分析 室内 试验 现场 试验 黄土地区公路 路基不均沉降 控制技术与指 标体系 黄土地区路基 构造物计算指 标体系 黄土地区公路 边坡设计指标 体系 黄土地区公路 地基处理技术 指标体系与参 数控制 黄土地区路基 工程分区与分 类指标 收集资料、技术调研及现场调查 图

10、图 1.1 研究技术路线研究技术路线 2 主要研究进展主要研究进展 为了建立和完善黄土地区路基工程技术指标体系，并给出相应的控制参数，为相关 设计施工指南或规范提供依据，本课题对黄土地区路基工程分区与分类指标，地基处理 技术指标体系与参数控制，路基不均沉降控制技术与指标体系，边坡设计指标体系，构 造物计算指标体系等方面进行了研究，结合大量已建和在建实体工程，通过大规模的现 场实测、有限元仿真计算、室内试验及大量现场调查，得出如下主要研究进展： 1.针对黄土高原地区特殊的地理、地质、气象等条件，结合公路工程建设的特点， 比较系统地提出和建立了与公路工程建设密切相关的黄土自然坡面冲刷强度指数、黄土

11、 地表形态指数、黄土自然边坡稳定性指数作为公路工程分区的控制性分区指标，用定量 的方法反映和揭示黄土高原主要自然要素对公路工程建设的影响。 2.在进行分区指标的计算过程中，首先对各指标的计算要素的选取不仅经过大量的 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 5 论证，而且充分考虑所选要素对公路工程建设的影响，从而更好的体现出计算要素的选 取的合理性。在计算要素筛选过程中，因为多年平均降雨量不能很好反映黄土地区暴雨 对边坡冲刷造成的影响，所以就将多年平均降雨量剔除掉而采用降雨不均匀系数来反映 降水对冲刷强度的影响，经过计算其效果较好。 3.在地理信息系统的支持下，将地理信

12、息数据库、气象、植被等大量数据资料运用 到分区计算研究中，通过对分区指标各计算要素的计算分析，不仅得到了各分区指标计 算要素的单项分级图， 而且首次得到了黄土地区自然边坡冲刷强度指数、 地表形态指数、 自然边坡稳定性指数的单项分区图，为公路工程分区提供了充分的依据。 4.根据各分区指标的计算结果，依据自然地理区划的相关理论，首次得到了黄土地 区公路工程分区及分区图。将结合黄土高原地区公路建设特点将黄土高原地区分为 3 个 大区：I 山地、断陷河谷盆地黄土大区、鄂尔多斯高原黄土大区、陇西低山、丘陵 黄上大区，每个大区又分 4 个亚区，共 12 个亚区。为黄土地区公路工程建设提供指导 和参考，具有

13、重要的现实意义。 5.将地理信息系统引入到公路工程分区研究中，使整个分区过程数字化，不仅提高 了计算速度、精度，而且提高了分区的质量和精度。为地理信息系统在大范围区域上的 分区研究进行了有益尝试，积累了经验。 6.湿软黄土地基病害主要分路基竖向压缩变形与失稳两类。湿软黄土地基处理方法 主要分为浅层地基处理和深层地基处理两类。浅层处理方法主要包括：换填挤淤法、土 工合成材料加筋垫层、短桩技术及强夯置换等；深层处理方法主要包括：水泥搅拌桩、 挤密碎（砂）石桩、强夯置换墩及旋喷桩等。其中强夯法、振动沉管挤密砂石桩复合地 基、 土工格室垫层、 水泥粉喷桩复合地基应用于湿软黄土地基处理， 实践证明行之有

14、效。 7.柔性基础下复合地基的破坏模式应为桩间土体先破坏，继而引起整个复合地基的 破坏；柔性基础对于复合地基的受力与变形具有较强的协调作用，将其在湿软黄土地基 处理中广泛推广合理有效。 8.研究了压实黄土的湿陷特性与含水量、压实度和龄期之间的关系。压实黄土的湿 陷系数随初始含水量的增大、压实度的增大而减小，随龄期的增长呈现增大的趋势。应 重视低压实度黄土的湿陷性，增大压实度并做好相应的防排水等防治措施。 9.对黄土高路堤进行离心模拟试验，得出一些基本结论。虽然模拟试验具有一定的 近似性，且其试验结论较实测偏大，但对工程分析仍具有指导意义。将压实黄土视为非 PDF 文件使用 “pdfFactor

15、y Pro“ 试用版本创建 6 饱和土，采用各种方法进行黄土路堤的沉降变形数值分析是合理、可行的，能反映黄土 路堤的最终沉降趋势和变形大小。 10.研究提出了在满足路面结构半刚性基层受力变形特征的前提下， 路堤不均匀沉降 的分析计算模型；基于路堤不均匀沉降分析计算模型，提出路堤容许横向不均匀沉降量 指标；基于汽车行驶的舒适性指标，提出路堤容许纵向不均匀沉降量指标。 11.对于公路原状黄土地基来说，填方路堤越高，由地基产生的湿陷量就越小，对 于高于 50 米的路堤，原状黄土地基沉降计算时可只考虑沉降变形而不考虑湿陷变形； 对于低于 2 米高的路堤，一定要注意处理好原状黄土地基的湿陷问题；地基、路

16、堤的 沉降是荷载，时间的随机过程，本项目所提的方法考虑了这个问题，但要进一步地完 善。 12.通过对黄土地区已建公路边坡的现场调查， 综合分析黄土地区的气候差异、 地理 地貌特征、 地质构造以及黄土工程地质特性的基础上， 编制了黄土地区公路工程地质图。 重点解决了公路黄土高边坡一系列技术难题，提出一套适合黄土高边坡（其它土坡也可 借鉴）的稳定性分析、设计和防护决策的方法，确保黄土地区高速公路的顺利实施与安 全营运，改善公路沿线的生态环境，对提高黄土地区公路高边坡设计、施工和防护技术 水平，加强保护生态环境以及修订和完善有关规范都具有重要的理论指导和实际意义。 13.全面动态的阐述了涵土地基相互作用随涵顶填高变化的作用机制。 在传统的 内外土柱沉降差转嫁荷载的思路上构建了动态的“内外土楔”荷载转嫁机制。 3 进一步工作建议进一步工作建议 本课题按照研究大纲完成项目合同规定的研究内容，今后在以下几个方面尚需要进 一步引起重视。 1.本次黄土地区公路工程分区