湿陷性黄土地区路基路面病害处治技术研究.docx

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湿陷性黄土地区路基路面病害处治技术研究

西部交通建设科技项目

合同号：

200131800019

湿陷性黄土地区路基路面病害处治技术研究

研究报告简本

甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司

长安大学

甘肃省交通厅工程处

甘肃省公路工程总公司

甘肃省公路局

二○○四年三月

黄土是第四纪的一种特殊堆积物，粉粒含量大，且大孔隙，富含碳酸钙成分及其结晶；无层理、垂直节理发育；具有湿陷性和易溶蚀、易冲刷、各向异性等工程特征。

由于黄土的上述特征和特定的气候特点，导致黄土地区的路基、路面容易产生多种特有的病害，主要表现为：

路基边坡坡面的剥落、冲蚀、滑塌、崩塌和整体失稳等；填方路基不均匀沉陷和过量沉降；路堑段路基软化和翻浆；浸水地基承载力不足；半刚性基层和沥青面层的裂缝等等。

黄土地区公路普遍存在的这些病害，严重影响着公路建设的发展和道路的通行能力。

在黄土地区高等级公路的建设中，路基路面病害的处治技术成为一项急需研究解决的技术难题。

本科研项目为技术应用型的项目，研究过程直接针对当前湿陷性黄土地区公路工程中出现的路基路面病害，依托甘肃省的兰临、兰海、白兰、巉柳、尹中等几条高速公路建设，结合已建的多条湿陷性黄土地区公路的实际情况，总结和借鉴湿陷性黄土地区和其他一些地区在该方面的最新研究成果和经验，对高填土路堤沉陷沉降控制技术、干旱地区湿陷性黄土路基边坡植物防护技术、高填土路堤下复合地基性状试验研究、湿陷性黄土地区挖方路段土基病害防治技术、湿陷性黄土地区沥青面层混合料抗裂技术、湿陷性黄土地区水泥砂砾基层材料裂缝防治技术等六个方面展开了系统研究。

通过大量的室内、室外试验，研究、分析和探求各种病害产生的原因和机理，并对各种病害提出了切实可行的防治措施。

最终形成了一套关于湿陷性黄土地区公路路基路面病害防治的较为系统的理论，为湿陷性黄土地区的公路路基路面病害防治工作建立了理论依据，能够正确的指导该类地区高等级公路的设计、施工和养护工作，可为湿陷性黄土地区有关公路路基、路面的设计和施工规范的编制提供理论依据，同时，研究中提出的病害处治措施，能直接为该类地区公路工程中采用或作为参考，因此，该项目的研究，对于加快湿陷性黄土地区高等级公路的建设速度，提高工程的质量，节约基本建设投资，促进湿陷性黄土地区高等级公路的发展具有重大的现实意义和长远意义。

现对六个子课题具体的研究内容及创新点总结如下：

1、高填土路堤沉陷沉降控制技术研究

本子课题主要研究内容为：

（1）高路堤受力性状和特点及其基底压应力分布状况；

（2）高路堤沉降规律；

（3）高路堤压实标准和预留沉降量及其设计计算方法；

（4）高路基施工工艺及沉降，沉陷处治措施。

通过本子课题得到以下主要结论：

（1）勘察标准低是导致公路路基产生病害的因素之一；

（2）经过理论与试验研究，建立了可应用于填土路堤沉降计算中应力—应变—时间本构模型；

（3）通过现场及室内试验，得到了高路基的沉降与受力规律，给出了高路基施工的控制指标。

2、干旱地区湿陷性黄土路基边坡植物防护技术研究

本子课题主要研究内容为：

（1）干旱地区湿陷性黄土边坡病害类型和产生机理；

（2）适应于干旱黄土地区生长的植物种类筛选；

（3）干旱地区湿陷性黄土路基边坡防护形式的综合评价分析；

（4）复合型植物防护结构形式。

通过本子课题得到以下主要结论：

（1）在湿陷性黄土地区，植被护坡作为一种柔性，开放式的防护措施很好地克服了刚性护坡措施的不足；

（2）对黄土边坡实施植物防护措施时，土工格室与植草相结合的复合式边坡防护措施能有效保障草种和幼苗免受暴雨冲刷；

（3）提出了解决北方干旱地区边坡植物存活的有效手段，给出了寒冷半干旱带和寒冷干旱带气候带最适合作为公路边坡防护的植物组合；

（4）提出了土工格室+植物复合型护坡设计型式：

土工格室植草护坡设计与生态挡墙设计，给出了格室-种植土体系的安全系数计算采用公式，及施工工序；

（5）提出了生态挡墙设计类型：

路肩式挡墙与路堤式挡墙，给出了相关设计计算方法及施工工序；

（6）生态挡墙现场测试成果证明，若墙身不发生水平位移，则在挡墙设计中，将墙背侧向土压力简化为理论计算中的梯形分布是合理的；

（7）通过数值仿真对土工格室植草护坡受力性状及土工格室生态挡墙的破坏机理进行了系统分析。

3、高填土路堤下复合地基性状试验研究

本子课题主要研究内容为：

（1）运用MARC软件分析了路堤荷载作用下复合地基的受力、变形与复合地基中桩体、土体及路堤荷载各参数的关系，找出影响路堤荷载作用下复合地基受力和变形性状的主要因素并分析其影响程度。

（2）通过室内模型试验，进一步研究柔性基础下复合地基的工作机理。

（3）针对复合地基的两种形式，结合实际工程，选择典型断面进行现场测试。

通过实测得到路堤下复合地基的桩土应力比和沉降量，并与仿真分析结果进行比较。

（4）根据研究结果，确定柔性基础、刚性基础下水泥粉喷桩复合地基设计参数取值范围，为设计优化提供依据。

通过对柔性基础、刚性基础下复合地基进行现场测试、室内仿真分析，所得结论如下：

（1）路堤荷载（柔性基础）作用下复合地基中粉喷桩桩顶和桩间土的应力及桩土应力比均随荷载增加而增大，桩土应力比最终将趋于稳定；

（2）根据实测结果计算出复合地基的承载力－时间关系曲线，由此得出柔性基础下复合地基的破坏模式为桩间土先破坏进而导致复合地基整体破坏；

（3）路堤荷载（柔性基础）作用下复合地基的沉降量随荷载增加而增大，当荷载增加到一定值时，沉降量的增长速率减小。

实测结果表明，支承式复合地基和悬浮式复合地基的沉降减小速率不同，前者大于后者，且沉降很快趋于稳定；

（4）支承式复合地基的沉降量小于悬浮式复合地基的沉降量。

为了减小复合地基的工后沉降，建议在实际工程中尽可能使粉喷桩穿透软弱土层；

（5）根据实测结果得出桩体和土体准模量是一个随时间趋于稳定的值；

（6）在复合地基顶部是否铺设土工格室对复合地基的受力与变形性状有较大的影响，铺设土工格室时的桩土应力比大于不铺设时的计算结果，沉降和侧向位移则小于不铺设土工格室时的计算结果，即铺设土工格室可以适当减小地基的沉降，约束地基的侧向位移，但是却使应力向桩体集中；

（7）路堤荷载（柔性基础）作用下，水泥粉喷桩设计参数取值可适当调整；

（8）刚性基础下地基沉降量随载荷板面积增大而增加，在相同基底压力下三桩复合的沉降量最大，两桩复合的沉降量次之，单桩复合的沉降量最小；

（9）复合地基承载力值随荷载板面积增大依次减小，其中单桩复合静载试验取值较高，三桩复合静载试验取值最小，因此取单桩复合静载荷试验值作为衡量地基承载力的标准偏于不安全；

（10）不论载荷板尺寸大小，桩土应力比在不同荷载下是不同的，应力比随荷载增大而增大，当地基土发生整体剪切破坏时，桩土应力比明显降低。

当地基土没有发生破坏时，桩土应力比曲线在一定界限荷载下存在一个界限值,大于该界线荷载后桩与桩间土的应力分担比不再显著变化，而是趋于一个稳定值。

该稳定的桩土应力比值与载荷板形状存在相关关系；

（11）单桩复合的基底压力分布呈钟形，两桩复合与三桩复合基底压力分布呈马鞍形。

试验荷载大小与土体的稠度状态影响刚性基础基底压力分布形态；

（12）在试验标高铺设土工格室＋50cm厚砂砾石垫层，对地基受力性态的改善十分明显，由土工格室＋砂砾石垫层p-s曲线可知，地基未出现整体剪切破坏形态，而是缓变形的局部剪切破坏形态。

设置土工格室＋砂砾石垫层的作用效果十分理想；

（13）在土工格室＋砂砾石＋素土垫层顶面处的试验条件下，不同载荷板面积的承载力不同，其规律为：

承载力随载荷板直径增大而降低，二者为非线性递减关系。

压实素土垫层越厚，传递到软弱复合土层表面的应力越小，软弱下卧层对承载力及变形的影响就越不明显。

对于压实的5.0m填土路基，其作用力传递至软弱复合土层表面的应力将更小，因此该处理方法是可行的。

4、湿陷性黄土地区挖方路段土基病害防治技术研究

本子课题通过室内外的回弹模量与含水量、压实度的关系实验，推荐合理回弹模量的取值。

通过对不同压实机械影响深度及所压实土样的实验研究，推荐合理压实标准及处治措施。

并对黄土挖方路段病害防治措施进行了研究。

课题的依托工程为兰州至临洮高速公路，具体实施方案为水泥加固和石灰加固两种。

石灰加固土试验路位于兰~临高速公路K6+250~K6+320；水泥加固土试验路位于兰~临洮高速公路K6+130~K6+250。

试验路完工后测试已加固的土基顶面的回弹模量与弯沉值。

对各试验路段进行跟踪观测，观察其长期效果。

本课题的主要结论及创新点为：

（1）突破了以往黄土研究中对扰动土和原始原状土性能研究较多的局限，采用压实原状黄土，在保持土体结构性的基础上准确改变含水量、压实度，研究了压实原状黄土的物理力学指标关系的规律。

（2）首创了压实原状土样室内回弹模量的测试方法。

用此方法首次可以计算任意含水量、任意压实深度下的挖方路基整体综合回弹模量。

（3）首次建立了在不破坏路面结构的情况下，测定运行中的公路路基回弹模量E0的技术。

建立起黄土挖方路段压实原状黄土的现场与室内回弹模量的对应关系，通过室内试验确定合理的湿陷性黄土地区挖方路基回弹模量E0取值。

（4）首次根据研究成果提出公路自然区划黄土地区Ⅲ2区路基回弹模量E0取为20-27MPa，公路自然区划黄土地区Ⅲ3区路基回弹模量E0取为20-26.5MPa。

（5）定量研究了提高挖方路基压实度及压实深度对其力学性能、湿陷变形、渗透性产生的影响，确定了湿陷性黄土挖方路基合理的压实度标准。

（6）提出了有效、经济的湿陷性黄土挖方路段病害综合防治措施，有力地保证了路基路面在使用期内的力学性能与稳定性。

（7）通过大量加固材料试验，确定了合理的加固方法和加固剂量。

（8）提出了加固层路基综合当量回弹模量及加固层厚度的设计计算方法，并将计算结果绘制成图表，以方便公路设计。

5、湿陷性黄土地区沥青面层混合料抗裂技术研究

本子课题通过对西部湿陷性黄土地区沥青气候分区，对该地区常用的基质沥青进行了气候分区，并研制开发了评价沥青胶浆方面仪器设备，在此基础上对沥青胶浆进行研究；对不同类型沥青混合料的低温抗裂性能及其他路用性能的综合和规律分析。

本课题的依托工程为：

SMA-13、SMA-16试验路位于白～兰高速公路K1654+000~K1657+000双幅：

SMA-16试验路位于巉柳K42+670~K44+815右幅。

经过检测，试验路构造深度良好，没有裂缝发生。

纤维混凝土试验路位于尹中高速公路K17+000~K20+000：

左幅采用TF聚酯纤维；右幅采用佳路德聚酯纤维。

对试验路段检测，得出TF聚酯纤维沥青混合料的低温抗裂性能优于佳路德聚酯纤维沥青混合料。

西户Superpave试验路：

经过一年多时间的运营使用，试验路段路况完好，无车辙、裂缝及其它病害发生。

主要结论及创新点：

（1）以路面温度为依据，首次提出了西部湿陷性黄土地区沥青PG气候分区，为该地区沥青的选择提供了理论依据；

（2）确定了西部湿陷性黄土地区常用基质沥青的性能分级，针对不同地区的特点，对西部湿陷性黄土地区的公路沥青种类及标号的选择提出了推荐值；

（3）首次解决了SHRP规范中PG分级存在的不能够区分不同标号沥青的问题。

提出：

以沥青在抗车辙因子G*/sinδ=1.0和G*/sinδ=2.2时所对应的试验温度来主导评价沥青的高温性能；以沥青在蠕变速率m=0.3时所对应的试验温度来主导评价沥青的低温性能；

（4）首次提出采用锥入度试验评价沥青胶浆的高温性能及其规律，试验方法简单易操作，试验结果可靠；

（5）首次提出采用低温蠕变试验评价沥青胶浆的低温性能及其规律，试验方法简单易操作，试验结果可靠；

（6）对由KOCH改性沥青、石灰岩矿粉、木质素纤维组成的玛蹄脂，首次提出SMA-13混合料的最优粉油比范围在1.667～1.852之间；

（7）首次提出SMA混合料在满足规范规定的VCAmix≤VCADRC时，路用性能并不最优，在（VCAmix-VCADRC）约为[-2，2]区间时，路用性能最优；

（8）首次大规模系统的对基质沥青AC、Superpave、纤维沥青混合料、改性沥青AC、SMA、Superpave沥青混合料的综合路用性能进行了优选评价，为西部湿陷性黄土地区高等级公路优选高抗裂性能沥青混合料提供了理论依据。

6、湿陷性黄土地区水泥砂砾基层材料裂缝防治技术研究

湿陷性黄土地区砂砾料源广，广泛用于基层，但也存在不少的问题，例如,路用性能差、水泥类基层技术指标过于单一、缺乏提高水泥稳定砂砾抗裂性能的措施等。

本子课题通过对水泥稳定砂砾混合料配合比设计方法的研究，提出了一种全新的设计方法—体积设计法。

对半刚性基层设计参数进行正交试验和敏感性分析，分析出基层模量值的选择对于半刚性基层材料的抗裂性能和疲劳寿命的影响，对综合稳定剂水泥砂砾基层混合料（CLFG）路用性能及级配比选进行研究，并且对掺入引气剂前后材料的抗裂性能进行试验研究，并用干缩抗裂系数和温缩抗裂系数表征其抗裂性能。

在理论研究的基础上，铺筑了古浪－永昌高速公路试验工程K2439+300～K2439+900。

2003年8月6日对路表状况进行简单观测，试验段路表面平整，无裂缝。

个别地点有轻微泛油。

生产路情况类似，部分地段有轻微车辙。

主要结论和创新点：

（1）提出一种新的基层混合料配合比设计方法——体积设计法；

（2）通过对半刚性基层设计参数进行正交试验和敏感性分析，得出在半刚性基层路面结构设计时，尽量使基层模量接近于1000～1100MPa，沥青路面具有最优的抗裂性能和疲劳寿命；

（3）当水泥∶石灰∶粉煤灰比例在3∶1∶4～4∶1∶4之间，通过采用体积设计法设计的水泥稳定砂砾其综合路用性能最优；

（4）在抗裂评价时，使用了基于应变控制的收缩抗裂系数评价指标，通过分析表明：

对于材料抗裂性能而言，掺入石灰粉煤灰综合稳定剂可以大大提高水泥稳定砂砾材料的抗裂能力；

（5）在抗裂评价时，采用了基于断裂力学的韧度评价指标，其分析结果表明：

体积法设计可以较大幅度地提高材料的韧性，增强材料的抗裂性能；

（6）通过对规范中所给出的上、中、下限三种级配在同等条件下抗裂性能和综合路用性能的试验，可以看出规范中限级配表现出较好的综合路用性能，推荐使用；

（7）掺入引气剂前后材料抗裂性能对比结果表明：

在5%水泥剂量下最佳引气剂掺量为3%，此时，混合料的抗裂性能最优。

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