草原沼泽地区路基稳定技术研究.docx

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草原沼泽地区路基稳定技术研究

西部交通建设科技项目

合同号：

200131800047

草原（沼泽）地区路基稳定技术研究（一期）

研究报告简本

四川省公路局

交通部公路科学研究所

阿坝州交通局

2004年5月

引言

一、项目概况

《草原（沼泽）地区路基稳定技术研究（一期）》为2001年立项的西部交通建设科技项目。

2001年10月29日至30日在成都通过了由交通部科技教育司组织的可行性研究报告专家评审。

2002年5月14日通过了研究大纲的评审。

根据专家评审意见，重点进行草原（沼泽）地区的软基处治与冻胀翻浆防治技术研究。

试验路段选在红原瓦切至松潘尕力台段

，属州府到县通道建设工程。

2002年4月开始进行路基填料与基层固化材料的室内试验，6月开始利用原有草甸土和加铺土工格栅修筑试验工程，8月底铺设泡沫隔温材料研究冻胀防治技术。

试验段与依托工程已于2003年8月竣工通车。

2003年5~6月份补充道路病害调查分析，调查草原（沼泽）地区的区域地质，7月份开始数据整理与编写报告，12月完成预审稿，2004年3月完成研究报告，5月通过了部科技司的鉴定。

二、总体目标

研究草原（沼泽）地区路基稳定技术，总结和探索草原（沼泽）地区公路病害的种类、成因、发展规律和治理方法，以四川省阿坝州的公路建设工程为依托，确保此项研究的完整性、科学性和先进性，使其预期成果在同类地区具有良好的指导作用和广泛的适用性。

三、技术路线

作为草原（沼泽）地区路基稳定技术一期科研项目，根据当地经济水平，按照科研适当走在设计生产前面的原则，引进国内外较为成熟的技术进行适用性研究。

研究以室内外试验为主，辅之以必要的理论计算。

1草原（沼泽）地区概述

阿坝是全国第二大沼泽类草地，面积占全国的四分之一强，选择阿坝作为科研项目的依托工程所在地具有草原沼泽地区的典型代表性。

阿坝位于四川省西北部，幅员面积8.3万平方公里，素有“雪山草地”之称。

海拔在3500~3600m左右，在公路分区中属于Ⅶ3区，即青藏高寒区的河源山原草甸区。

极端最低气温可达-33~-34℃，平均冻结指数约8769（0.1℃.天）。

最大冻土深度可达101cm，冻土持续时间最长可达210天。

草原（沼泽）地区公路折合成标准车为150辆/日左右。

阿坝州公路特点是：

1）里程长、等级低、密度小；2）高级、次高级路面铺装率低；3）线型差，交通量小，单位运输成本高；4）抗灾害能力弱。

2草原（沼泽）地区的筑路材料与地质状况

2.1筑路材料

草原（沼泽）地区的路基填料主要采用天然混合碎石土，岩性以砂岩为主，风化程度严重。

水泥、石灰来源于汶川、都江堰和兰州等地，沥青主要从成都与兰州两地供应。

2.2地质状况

草原（沼泽）地区从上往下依次分布着：

草甸土─泥炭土─（淤泥质）粉土─粘土─细中砂─砂砾土─基岩等。

由于沼泽地带多由山上风化碎石土等堆积搬运而成，根据沉积规律，底部一般均为砂砾层，表层为草甸土，两者之间的土层往往会缺失其中的某几层，在非沼泽地区则一般不存在泥炭层，但在沼泽地带则必含草甸层与泥炭层，草原（沼泽）地区的地下水对砼无腐蚀性。

各层的力学特性简述如下：

1）草甸土

草甸土由未腐烂草根相互交错缠绕并夹有一定的粘性土所形成，厚约30~120cm，

2）泥炭土

泥炭土层位于草甸层以下，呈软塑~流塑，有机质含量在60％~80%之间，含水量（一般在100％~700%之间）与孔隙比e（一般在3~15之间）极高，各级压力下的渗透系数一般在1*10-3~1*10-4cm/S之间，厚度一般在0~8m之间，属于极不良土层，对路基的稳定与沉降起着主要的作用。

3）粉土

泥炭层以下为粉土，部分钻孔缺失该层土，有机质含量少于5％，厚度在0~4m之间，天然含水量在20％~30%之间，渗透系数一般在1*10-4~1*10-6cm/S之间，承载力在100kPa左右。

4）粘土

厚度在0.5~3.5m之间，天然含水量在30％~100%之间，渗透系数在1*10-4~1*10-6cm/S之间，承载力在100kPa左右。

5）砂砾层

砂砾层松散~稍密，砾石成分以变质岩为主，粒径2~3cm，呈亚圆形，多混有少量粘性土和细砂，厚度不等，承载力为300kPa左右。

3草原（沼泽）地区的道路病害

草原（沼泽）地区的道路病害主要有：

1）翻浆；2）软基的沉陷；3）路面面层脱落、坑槽、松散；4）道路积冰；5）道路积雪。

其中最主要的是翻浆与软基沉陷。

4草原（沼泽）地区软基处理技术研究

4.1软土的物理力学特性

草原沼泽如下图所示。

草原（沼泽）地区的泥炭土特性如下：

含水量：

100％~700%。

孔隙比：

3~15。

压缩系数：

a1-2=2~20MPa-1，最大可达23MPa-1以上。

渗透系数为：

1x10-3~1x10-4cm/s。

无侧限抗压强度接近于0，基本上呈流塑状态。

厚度分布基本上在0~6m之间，个别地方超过6m。

4.2草原（沼泽）地区的软基处理

综观我国软基处理的工程措施，基本有如下方法：

1）桥梁跨越

2）减轻路堤荷载

3）地基处理，常用方法又可分为土质改良和复合地基两类

4）工后修补

5）综合处理

根据草原（沼泽）地区的公路特点与地质状况确定软基处理方法主要是：

1）利用草甸层有一定的抗拉强度与整体性，直接在草甸层上铺筑路基；2）加铺土工格栅进一步增强路基的整体性与强度，减少差异变形。

4.3试验内容与观测仪器的埋设

1）试验段的确定

试验段K96+000~K97+000进行加铺土工格栅效果试验；K98+000~K99+800及K108+240~500路段进行了不同地质状况、不同填筑高度的路基沉降速率观测，以分析路基的稳定性。

2）试验内容与仪器的埋设

软土地基上观测内容与采用仪器如下：

1）软基表层的竖向位移；2）软基的分层沉降；3）软基的侧向位移；4）孔隙水压力。

仪器埋设平面布置图如下：

4.4试验观测结果分析

K96+380、K96+600两断面的填筑与地表沉降过程曲线见下图。

三点法计算K96+380和K96+600处的总沉降量分别为：

cm，

cm。

4.5草甸土的路用性能

草甸土层的物理力学性质试验参照中华人民共和国交通部行业标准JTJ/T060-98《公路土工合成材料试验规程》和中人民共和国行业标准SL/T235-1999《土工合成材料测试规程》中有关试验方法。

试验结果如下：

草甸土湿密度为1.13g/cm3。

草甸土层的抗拉强度值为9.75kN/m，抗撕裂强度为203N，CBR顶破强度为1.08kN，刺破强度为113N，压缩变形模量约为600kPa，拉伸模量为250kPa。

4.6软基固结的有限元计算

采用Biot理论进行软基固结的有限元计算，土体采用Duncan-Chang模型，土工格栅采用的线弹性本构关系。

在节点处格栅与土体变形协调，省去了接触面单元刚度矩阵。

报告分别对如下情况进行了计算：

1）草甸土的加筋作用；

2）土工格栅的加筋作用；

5草原（沼泽）地区道路冻胀与翻浆防治

5.1冻胀、翻浆的机理及其影响因素

冻胀机理主要有以下方面：

1、毛细水上升理论

2、薄膜理论

3、真空抽吸机理

4、离子交换

土的冻胀与土的压实度、含水量、颗粒组成、温度、湿度梯度等密切相关，各因素对冻胀的影响分析见分报告。

5.2草原（沼泽）地区道路冻胀翻浆调查与分析

对翻浆严重与良好的典型路段进行了调查分析，调查方式有：

挖坑取样测含水量与颗粒分析、弯沉、标高，对路基的其它方面进行调查。

草原（沼泽）地区道路冻胀翻浆的原因主要有以下方面：

1）路基的填料路用特性较差，遇水强度低；2）路基的压实度偏低；3）路堤过低，边沟排水不畅，导致路基的含水量较大；4）草原（沼泽）地区的极低平均气温与极大的温差导致冻融交替循环，较大的冻深与长时间的冻结；5）重载运输车辆较多；6）养护不够及时。

5.3道路冻胀翻浆防治技术

根据道路翻浆的原因和草原（沼泽）地区的公路特点，主要采取以下措施防治道路的翻浆：

1）抬高路堤；2）尽量采用路堤形式；3）采用抗冻胀性基层；4）采用泡沫隔温技术；5）路堑地段换填砂砾层；6）加强排水；7）加强路基压实。

一、路基填筑高度的确定

路基填筑高度的确定主要根据以下方面综合确定：

1）路基的毛细上升高度与临界冻结深度

2）冻胀融沉试验

3）路基的冻结深度

4）车辆荷载

5）路面设计对路基的要求

6）路况调查

二、防冻胀基层的研究

基于草原（沼泽）地区的特殊气候条件，通过筛选确定QJ粉体固化剂作为基层稳定材料进行研究，试验内容包括：

液限、塑限、颗粒分析、压碎值、重型击实、无侧限抗压强度、劈裂强度及填料的热融和冻胀性能试验。

三、泡沫隔温材料的应用研究

泡沫隔温板的尺寸为1.25×0.6×0.05m和1.25×0.6×0.075m两种，隔温板的埋设如下图。

在隔温板的上、下面各埋设地温计进行隔温效果监测，经一个冬季后重新开挖进行隔温板的物理性能测试。

四、加强碾压

目前草原（沼泽）地区的道路采用人工摊铺、半幅施工半幅通行交叉进行的方式施工导致压实质量具有很大的提高空间，今后应采用机械化施工。

五、路基排水

草原（沼泽）地区的软基厚度不一，在涵洞的设计与施工中应防止（或预留）涵洞的沉陷淤堵。

在旧路改建加高路段，因加高引起涵洞沉陷的情况较为突出，许多涵洞成了倒虹吸，淤堵现象严重，过水效果差。

草原（沼泽）地区路堑地段、半填半挖的顺坡线边沟除加深加宽外应根据地形地貌等尽量将渗水引离路基。

6草原（沼泽）地区的其它病害的防治

对于沥青面层脱落、坑槽等的防治，应从加强施工入手，关键是在透层油洒铺前将基层表面的细颗粒清扫干净，露出部分粗骨料，稀释沥青，适当增加沥青的用量，使透层油与基层的粘接具有一定的强度，最终使面层与基层连接成整体，从而增强面层抵抗车辆荷载的能力，防止出现脱落、坑槽与松散等。

7草原（沼泽）地区的路基设计与施工须知

从道路勘察、选线、路基设计的一般原则、路基高度、路基排水、路基取土、弃土、软基处理、软基固结速度、冻胀翻浆防治原则、路堑与低路堤的换填、草甸土层的利用、路基的碾压、泡沫隔温板的利用等方面提出了路基设计与施工须知。

8项目的经济、社会、环境效益及推广应用前景

采用科研成果可延长道路的使用寿命与服务水平，降低运输成本与车辆的损耗，提高运输安全性，减少日后整治与养护费用。

降低运输成本，促进民族地区与外界的交流，开发丰富的旅游资源，发展有特色的草原经济，促进民族地区的安定团结等具有重要的政治与长远的社会意义。

我国是草地资源大国，随着国家西部大开发的实施，特别是阿坝州和其它各地丰富旅游资源的开发，草原（沼泽）地区必将修建更多更好的公路，本项目的完成必将对草原（沼泽）地区今后的公路建设产生积极的作用。

9结束语

9.1主要科研成果与结论

通过本项目的研究，取得了如下主要研究成果：

1、通过对草原（沼泽）地区道路病害的调查，明确了草原（沼泽）地区道路的主要病害类型为：

软基沉陷、冻胀翻浆和面层的坑槽松散，分析了成因，提出了草原（沼泽）地区的路基修筑应重视四个方面：

泥炭土厚度、路基排水、路基高度和路基压实度的技术对策。

2、通过对草原（沼泽）地区的地质勘察，基本明确了草原（沼泽）地区的地质状况、地层分布特点、软土特性，为合理设计与软基处治提供了依据与基础资料。

认为草原（沼泽）地区的地层分布较为简单明确，草原（沼泽）地区的地质勘察以查明泥炭土的厚度与含水量为主，可采用多种简易可行的勘察工具与方法，减少了勘察成本，提高了工作效率。

3、通过对泥炭软基路段的试验路的铺筑，得到了泥炭软基的沉降规律，得出了软基厚度4m以内，路基填筑完成后1年的固结度可达90％以上。

泥炭土具有较高的渗透系数，有利于路基的稳定，草原沼泽地区的软基厚度在6米以下时不必进行专门处理，6米以上的可采用加铺土工格栅，加强养护的方法使其稳定。

泥炭土层的厚度对路基的总沉降量起决定作用，一般情况下路基总沉降量约为软基厚度（含草甸土层）的2/5左右；草原（沼泽）地区软基沉降计算的沉降系数m取值在1.3左右。

在软基厚度小于6米的情况下可不进行路基的整体稳定计算，施工速度可放宽。

4、首次对草甸土层进行了详细的研究，草甸土为三维絮状结构，具有良好的透水性，一定的抗拉强度（约为10kN/m）、抗撕裂、抗顶破性能。

草甸土层性能稳定，是用于路基填料反滤的良好材料，因此在草甸土上直接填筑有利于路基的固结与稳定。

5、通过对已建道路的调查，翻浆路段主要位于路堑、半填半挖的顺坡线以及路堤高度低于50cm的路段。

为防止翻浆，提出草原（沼泽）地区的路基应尽量采用路堤形式。

通过对路基填料、冻深计算、车辆荷载作用、毛细上升高度和现场调查资料的综合分析，提出路堤的合理高度为1.0米。

6、通过对QJ粉状固化剂的详细室内试验，认为QJ固化剂具有良好的抗冻融性能，可用于草原（沼泽）地区的基层；

7、泡沫隔温板强度高、隔温效果好，能够防止冻胀，丰富了我国的防冻胀翻浆措施。

8、基于草原（沼泽）地区道路施工存在许多不规范性，提出必须加强路基与基层的碾压与施工质量检查与控制。

9、通过对科研成果的总结，编写了草原（沼泽）地区路基设计与施工技术须知。

9.2存在问题与下步研究计划

1、存在问题

由于草原（沼泽）地区海拔高3500~3600m（拉萨3700m），为高寒高原藏族聚居区，依托工程所在路段人烟稀少，气候恶劣，路途遥远、通讯极为不便，当地实验条件几乎为零，技术人员缺乏，科研经费十分紧张。

今后在类似地区进行科研时应对项目实施的困难有更充分的估计。

2、下步研究计划

1）继续对草原（沼泽）地区已采用的各项软基处理、冻胀翻浆的防治措施效果进行跟踪观测，以验证其长期效果。

2）对草原（沼泽）地区的桥涵设计、施工等进行研究。

3）进一步开展其它道路病害的防治与适用技术的应用研究。