黄土地区路基病害类型与成因.docx

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黄土地区路基病害类型与成因

黄土地区路基病害类型与成因

黄土地区路基病害类型与成因

一、路基病害及其成因

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。

典型的路基陷穴如图7-1所示。

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。

湿陷性黄土是一种质地松疏，具有大孔隙和裂隙的土，水较容易在黄土中渗流，当渗透水流的水力梯度较大时，水流将黄土中的黏土粒和粉土粒带走，从而扩大了黄土的裂隙或大孔管道。

渗透的水流断面扩大后，渗透流速加快，更加提高了水流的侵蚀和搬运作用。

这种由于渗透水流从黄土中携带走细颗粒的过程称为机械潜蚀。

除此之外，水在渗透过程中，将土中易溶盐溶解并带走，使黄土固结强度下降，这种作用称为化学溶蚀作用。

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，有直入的也有斜进的，随着水的下渗方向变化各异。

水钻进大孔隙后，先就近下渗，挤压临近土体形成空洞，尔后空洞不断扩大，待下层土颗粒逐渐密实，水向下渗的速度变慢。

若水源继续有补给，则向横向渗流，待水力逐渐减弱，洞穴出口就变小。

由于水开始下渗时冲击力大，直接下渗，向两边扩散小，因而进口也小。

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钓地段，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。

图7-1为西吉一海原公路红羊段出露的典型黄土路基陷穴病害。

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：

黄土经水浸润，可溶盐溶解，同时水对黄土颗粒产生润滑作用，使黄土在水的冲力作用下发生变形位移和机械潜蚀，导致黄土下陷产生陷穴。

②暗流的侵蚀作用形成的陷穴：

地下暗流溶解了黄土中的可溶盐，使黄土结构遭受破坏，暗流又使细颗粒带走，在这种溶蚀和潜蚀作用下，使黄土中产生暗穴、暗洞、暗沟等。

③因动植物和微生物作用引起的洞穴：

植物根系深入土体，当植物枯死后，根系腐败遗留而成洞穴。

也可以是老鼠、蛇、蚂蚁等动物挖掘出的洞穴等。

④人为的洞穴：

如坟墓、采矿的坑道、掏砂坑、窑洞等。

（2）根据黄土陷穴的形态划分

①碟形地：

具有直径数十米的椭圆形碟状凹地，深度一般为2-3m，边缘较陡。

多发生在黄土塬部分或没有排水坡度的地方。

由于降水不断聚集，并沿着孔隙和节理逐渐下渗，黄土不断浸湿，由重力作用下陷而成。

②漏斗状陷穴：

产生在黄土塬边缘，或谷坡附近，常见成群分布，口径不过数米，底部有时还散布着小孔穴。

由于坡面上径流的集中，水沿节理下渗潜蚀而成。

③竖井状陷穴：

陷穴边缘陡峭，口径与深度相差数倍。

由于陷穴底部堆积着崩塌下的土块，随着地下水进一步的冲刷搬运逐渐加深，有时可达20多米，多发生在阶地的边缘径流汇合处。

④串珠状陷穴：

多沿沟床分布，一般发生在沟床的变坡处。

沟壁塌落下来的土堆，成为地表水径流的障碍物，当洪水季节，上游水流到此遭受堵塞，遂向下渗流而成。

⑤暗穴：

形态多种多样，可直可曲，忽大忽小，通常为陷穴的通道，也有单独成盲沟、暗河存在的。

由地下水的溶蚀和潜蚀而成。

有些特殊的暗穴是人为因素造成的。

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

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。

锥探工具由锥头、锥杆、接头和手扶把四部分组成。

锥杆每根长4m（轻型触探长lm），两端旋有丝扣，锥头与锥杆的接头处用接箍连接。

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。

（2）地面水对土桥体的直向溶蚀和潜蚀：

土桥主要修筑在崾岘及冲沟上，往往位于路线的凹形竖曲线上，或者由于土桥沉降造成桥面低洼。

下雨时，两岸斜坡和路面水从两端流向土桥桥面形成积水，这部分水主要通过向桥体下渗和蒸发而排除。

在黄土的湿陷性作用下，水流溶解掉沉积在土颗粒表面的易溶盐和中溶盐以及胶结物，使水分子浸入土颗粒之间，破坏了土颗粒间的联结薄膜，使土的抗剪强度显著下降；当渗流速度较大时出现潜蚀，从而导致桥面翻浆、土桥不均匀沉降、裂缝扩大，甚至造成土桥滑塌等，如图7-4所示。

（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。

土桥位于崾岘和沟口处，沟内汇水面积较大，暴雨时土桥泄水涵洞不能及时将洪水排出，导致土桥上游临时性大量积水，浸泡土桥边坡，冲蚀掏挖原冲沟土层，造成湿陷成穴。

特别是土桥填筑土与原状土的结合处常常会出现穿孔现象，并贯通整个土桥底部。

由于洪水携带泥沙在表层沉积，暗穴进口不易发现，洪水多次侵蚀、冲刷，暗穴内部逐渐扩大，从而导致土桥局部或整体崩塌、冲毁，造成交通中断和经济损失。

（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。

在塬梁峁区，由于黄土的湿陷性强、干密度小，土桥的病害率高于河谷阶地区。

为防治土桥病害，在土桥修建和养护中应尽可能建立和完善排水、防渗系统，种草植树，固化边坡。

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。

调查发现，当路线通过重丘区时，凹曲线半径较小，设计纵坡往往大于路面横坡，导致路面水向凹曲线底部汇集，有些泄水槽未起到应有的作用，加之重丘地区暴雨来得猛，路面积水来不及排出，漫过挡水坎，沿边坡漫流而下，积水浸入路堤中，引起边坡滑坍、坡面开裂，有的地方硬路肩已悬空，已危及路面，如图7-5。

另外，路堤边坡急流槽基础压实不足、急流槽浆砌片石防护质量不好、局部勾缝脱落时，容易导致雨水下渗，黄土湿陷，槽底局部淘蚀，急流槽破坏。

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。

在宁夏，黄土路堑边坡剥蚀十分严重。

影响坡面剥蚀的因素主要与土质特性、地质年代以及风化条件等有关。

黄土含盐量不同，边坡所处位置不同都会影响剥蚀程度。

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、细沟及洞穴，并发展成冲沟或暗沟。

一般坡面冲刷可形成坡肩冲刷坍塌、坡面冲刷串沟、坡面冲刷跌水、坡脚冲刷掏空、坡面冲刷沟穴等。

松散结构的湿陷性黄土抗冲刷性比密实结构老黄土差。

在新黄土层中开挖的陡边坡，如果径流集中，则边坡在冲刷下易形成深沟或沟穴；当边坡由不同性质的黄土层构成时，在接触面处易形成洞穴或冲沟；密实结构的老黄土边坡，具有较好的抗冲刷能力，当受到均匀坡面的水流作用时，常在坡面形成明显的条带，当受到集中水流冲刷时，形成小冲沟中的跌水。

路堑边坡受到不同程度的冲刷作用，使得坡面形成洞穴状或沟状。

调查路段宁夏黑一海路沿线，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。

黄土边坡崩坍是多种自然因素及人为因素综合作用的结果，其中地质条件是形成崩坍的基本原因。

对黄土而言