高速公路路基填土及路基边坡稳定性分析.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流高速公路路基填土及路基边坡稳定性分析成绩高速公路课程报告 专业方向： 交建 班 级： 土木085班 学 号： 02080602 姓 名： 王 涛 中国矿业大学力建学院2011年6月平原地区高速公路路基填土材料及路基边坡稳定性分析中文摘要：高速公路在我国发挥着越来越重要的作用，全国各地都在大量的修建高速公路，修建出更高质量的公路，已成为我国公路建设的迫切任务。在这样的大背景下，本文浅谈下在平原地区条件下高速公路常用填土材料的工程性质和路基边坡的破坏类型、原因及稳定性分析。关键词：粉土 粘土 路基边坡 破坏类型 稳定性一， 高速公路的路基填土材料

2、粉土和粘土1.1一般性质1.1.1粉土凡粒径大于0.075mm的颗粒含量小于或等于全重的50，且塑性指数Ip小于或等于10的土，称为粉土。粉土属第四系全新统地层，冲洪积成因，在我国分布广泛，长江以北黄淮冲积平原分布较为普遍。粉土多成棕黄色，散粒结构，是一种具有特殊工程性质的土类。粉土一般呈稍密中密状态，压缩性高，力学强度低。密实的粉土为良好地基；饱和稍密的粉土，地震时易产生液化，为不良地基。该类填料用于路堤下部时，要加强边坡防护力度。粉土的工程性质处于粘性土及沙土之间，粉土的工程特性如下：（1） 粉土中80%以上的粒组是粉粒及粉砂粒，比表面积不大，毛细现象发达。在塑限实验搓条时，毛细压力使土粒

3、聚合，呈现出假塑性，故塑限试验对这类土不适用；液限试验时，圆锥尖沉入土中在限定时间内不能稳定，故液限试验对这类土也不适用。在Ip=10附近曲线出现转折，Wp曲线向下凸，表现出假塑性。（2） 土的力学指标如内摩擦角、内聚力、压缩系数、压缩模量、比贯入阻力等在与塑性指数的Ip曲线上，于Ip=10附近也出现明显转折。（3） 从地震液化特征看，Ip10时，容易液化。（4） 从工程实践中反映出，Ip10的土，由于土中的颗粒组成以粉粒和粘粒为主，因此具有显著不同于无粘性土的特征。粘性土的特征为： （1）粘性和可塑性。 粘粒与水相互作用产生粘结力，表现为土具有粘性和可塑性。粘性的大小取决于两个因素：一是土粒

4、的矿物成分和土粒周围水的成分及其所含离子的种类和特征；二是土颗粒的总比表面积的大小。比表面积定义为单位体积或质量的土中所有土颗粒表面积之和。显然，土的粒度组成中粘粒含量越多，粘性越大。 （2）具有涨缩性。 土的体积由于含水量变化而引起的变化的性质称为胀缩性。粘性土的胀缩性容易使地基产生不均匀变形，并使结构物产生附加应力，造成不利影响。 （3）压缩性和抗剪强度与土的含水量有着密切的关系。 （4）具有结构性。1.2 渗透性质 土空隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象，称为水的渗透。土的渗透性表现为土体被水透过的性能，是土体的基本力学性质之一。在道路工程中常需要了解土的渗透性。由于土的空隙细小，在

5、大多数情况下水在空隙中的流速较小属于层流，因而土中水的渗流规律符合层流渗透定律，这个定律是法国学者达西根据砂土的实验结果而得到的，也称达西定律。它是指水在土中的渗透速度与水头梯度成正比，即式中：v渗透速度，m/s；I水头梯度，即沿着水流方向单位长度上的水头差。影响粉土渗透性的主要因素是颗粒大小、级配、密度以及土中封闭气泡。土的颗粒愈小，土体空隙愈小，渗透性愈小。级配良好，细颗粒填充粗颗粒空隙，土体空隙减小，渗透性较小。密度的影响也是明显的，渗透性随相对密度的增加而减小。土中封闭气体对土体渗透性也有较大影响，封闭气泡不仅会减小土体断面上的过水通道面积，而且会堵塞某些通道，使土体渗透性减小。 影响

6、渗透性的因素要比粉土复杂。粘土中土颗粒尺寸小、成扁平状、比表面积大，颗粒表面处形成扩大的双电层，双电层内的水分子受到吸附作用，其性质与自由水不同。粘土的矿物成分和土的结构与组构都对土体渗透性有影响。粘土矿物成分影响粘土颗粒的大小，而且影响颗粒与周围液相的相互作用。这些都对渗透性产生影响。将相同含水量的粘土矿物作比较，渗透性的大小顺序为：蒙脱石伊利石高岭石。粘土颗粒的形状是扁平的，有定向排列作用。在沉积过程中，是在竖向应力和水平应力不相等的条件下固结的，土体固有各向异性和应力各向异性造成了土体渗透性的各向异性。特别对层状粘土，由于水平粉细沙层的存在，使水平向渗透系数远远大于竖直向渗透系数。1.3

7、结构特征和变形特征 土的结构特征是指土的粒径组成、空间排列形式和土粒间的连结特点。天然土的结构在土的形成过程中和后来所经历的条件下形成，它不仅与土粒大小、形状、矿物成分等因素有关，而且还与周围介质有关。土的结构是其物理力学性质的主要决定因素之一，可据以预测在建筑物作用下土的变形，评价土作为建筑材料的质量。 由粉粒组成的土在水中沉积时，基本上是以单个土粒下沉；当碰上已沉积的土粒时由于他们之间的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，常形成具有很大空隙的蜂窝状结构。 粘土颗粒多成片状或针状，表面带负电荷，而在片地断口处有局部正电荷。粘粒在海水中沉积时，多半以面边的方式接触凝聚成

8、絮状粒团下沉并相继与已沉积的絮状粒团接触，形成类似蜂窝而空隙很大的絮状结构。粘粒在淡水中，将单独下沉，沉积物多半以面面的方式接触，定向程度较高，形成所谓的片锥结构。1.4物质成分 土粒的的矿物组成在很大程度上影响着土的性质。碎石、砾石是由岩石破碎而成的，其颗粒远较岩石中的原有矿物颗粒大，但一般仍保持母岩原有的多矿物结构。砂粒也是岩石物理风化的产物，但其颗粒大小与岩石中原生颗粒的矿物大小相差不多，故多成单矿物形态，常有石英、长石等主要造岩矿物所组成。粉粒的矿物成分较为复杂，其较粗的颗粒一般仍未原生矿物；但在较细的粉粒中，次生矿物常占多数。粘粒主要是由次生矿物即粘土矿物组成的。粘土矿物可分为高岭石

9、、蒙脱石和伊利石三大组。 一种土的固相部分可以含有各种各样的结晶质粘土矿物和非粘土矿物、非晶质粘土矿物、有机质以及沉淀析出的盐类。在实际工程中遇到的多数土的固相，绝大多数是由无机质结晶矿物组成，并且非粘土矿物的含量比粘土矿物多得多。虽然粘土矿物含量少，但粘土矿物成分对土体性状的影响较大，远远超过其相对数量的影响。1.4.1非粘土矿物 非粘土矿物通常是原生矿物，是岩石碎屑或形成岩石结构的矿物颗粒。砾石、砂和粉砂都是由原生矿物组成的。许多土源于火成岩矿物，其中最普遍的成分是长石、辉石、角闪石、石英和云母。然而在大多数土中，含量最丰富的是石英，也有少量长石、云母。其原因是：角闪石和辉石的晶体结构和成

10、分在风化过程中很快被破坏，长石也在化学风化过程中减少了数量，而石英具有很高的稳定性。 非粘土矿物的力学特性主要由矿物类型、颗粒粒径、形状、结构特性和大小分布范围来确定。非粘土矿物化学性质稳定或较稳定，具有强或较强的抗水性和抗风化能力，可以看作惰性较大的物质，他们间相互作用的本质属于物理作用。1.4.2粘土矿物 粘土矿物属次生矿物，是原生矿物进一步经化学风化形成的。粘土矿物结构中有两个基本的单元。粘土矿物的种类很多，主要有高岭石、蒙脱石、伊利石和绿泥石等下面对他们作简略介绍：蒙脱石组的粘土矿物的晶体易于劈开，因而颗粒细小，能吸附大量阳离子，具有很强的亲水性，遇水显著膨胀可塑性高，压缩性高，强度低

11、，渗透性小，液限可达150%700%，塑性指数可达100650；高岭石组粘土矿物则相反，其颗粒较为粗大，甚至可以形成粉粒，水稳定性好，可塑性低，压缩性低，其表面虽能吸附阳离子和水分子形成水化膜，但其亲水性较弱；伊利石组的粘土矿物的特性介于上述两者之间。土中绿泥石总是以混合物的形式同其他粘土矿物混存在一起，其性质类似伊利石。1.4.3非晶质粘土矿物 非晶质粘土矿物包括水铝英石、各种胶体氧化物和含水氧化物。水铝英石是非晶质的硅酸盐粘土矿物的通称。水铝英石没有固定的成分和确定的形状，它可以表现出各种各样的物理性质。凡含有水铝英石的粘土，都具有较高的灵敏性和活动性。最常见的是铝、铁和硅的氧化物和氢氧化

12、物。这些氧化物以胶凝质或沉淀物的形式存在，或包裹着矿物颗粒，或把矿物颗粒胶结在一起。1.5粉土的成因及分布规律 粉土按形成的原因可以分为：风成粉土、水成粉土、残积粉土。1.5.1风成粉土 由于风力的携带、沉积作用，形成含有较大空隙的土，习惯上成为黄土，由于残坡积作用和重力堆积作用，广泛分布于丘岗、坡麓、河流阶地上。具有大孔结构和湿陷性，其物理性质、工程性质与黄土相似，成为次生黄土。黄土、次生黄土中粉粒占大多数，砂粒和粘粒含量较少，多表现为粉土、粉质粘土、含砂粉质粘土。1.5.2水成粉土 土粒在水力作用下，经搬运、沉积而形成的粉土。根据其搬运距离、沉积环境、沉积位置的不同，可以分为山区粉土和平原

13、粉土。1. 山区粉土在水力作用下，土粒搬运距离短，一般分布于丘岗、坡麓、冲洪积扇缘、阶地上。这类土一般含僵石结核和一定数量的粗立组，埋藏较浅，一般位于地下水位以上，属欠固结状态。工程性质与风成黄土相近。2. 平原粉土 在水力作用下，土体经长途携带、沉积的粉土，广泛分布于冲红积平原、河流三角洲、沿海平原，是工程建设经常遇到的土层。此类粉土经长途搬运磨圆，粒度成分单一，粉粒占绝对优势，大于0.075mm的粒组几乎没有，小于0.005mm的粒组较少，颗粒级配曲线较陡，Cu值很小。平原地区地下水位埋藏较浅，多为饱和粉土，具有以下性质：（1） 极易震动液化失水。（2） 土层压缩沉降量大，压缩固结稳定较快

14、（3） 现场标准贯入击数较低，地基承载力低，为平原地区不良地基。1.5.3残积粉土 母岩经风化、剥蚀，未被搬运，残留在原地形成的粉土，成为残积粉土。其中较细的碎屑已被风或雨水带走。残积粉土主要分布在岩石出露的地表及经受强烈风化作用的山区、丘陵地带与剥蚀平原。残积粉土裂隙多、无层次，平面分布和厚度不均匀。如以残积粉土作为建筑物地基，应当注意不均匀沉降和土坡稳定性问题。二，路基边坡稳定性分析2.1路基破坏类型和影响因素路基裸露在大气中，经受着土体自重、行车荷载和各种自然因素的作用，路基的各个部分将发生变形。路基的变形可分为可恢复变形和不可恢复变形。路基的不可恢复变形将引起路基标高和边坡坡度、形状的

15、改变严重时造成土体位移，危及路基的整体性和稳定性，造成路基的各种破坏。深入调查公路沿线的自然条件，从地区和具体各个路段的实际情况去进行分析和研究，掌握各有关自然因素的变化规律及其对路基稳定性的影响，才能因地制宜地采取有效的工程技术措施以保证路基具有足够的强度和稳定性。2.1.1路基的破坏类型2.1.1.1路基沉陷路基沉陷是指路基表面在垂直方向产生较大的沉落。路基的沉陷有两种情况:一是路基本身的压缩沉降；二是由于路基下部天然地面的承载力不足，在路基自重的作用下引起沉陷或向两侧挤出而造成的。路基的沉缩是由于路基填料选择不当，填筑方法不合理，压实度不足，在路基堤身内部形成过湿的夹层，加之载荷和水的综

16、合作用而引起的。地基的沉陷是指原天然地面有软土、泥沼或不密实的松土存在，承载能力极低，路基修筑前未经处理，在路基自重的作用下，地基下沉或向两侧挤出引起路基下陷。2.1.1.2边坡滑塌 路基边坡的滑塌是公路工程中最常见的一种破坏形式。根据边坡的土质类型、破坏原因和规模的不同，可分为溜方和滑坡两种情况。 溜方通常指边坡上表面薄层土体下溜，主要是由于流动水冲刷边坡或施工不当而引起的。 滑坡主要是由于土体的稳定性不足所引起的一部分土体在重力作用下沿某一滑动面滑动。2.1.1.3剥落，碎落和崩塌 剥落和碎落是指路堑边坡风化岩层表面在大气温度和湿度的交替作用下以及雨水冲刷和动力作用下，表层岩石从坡面上滑落

17、下来，向下滚落。崩塌是指大块的岩石沿着边坡滚落。2.1.1.4路基沿山坡滑动 在较陡的山坡上填筑路基，若基底被水侵湿，形成滑动面，坡角未进行必要的支撑，在路基和行车荷载的作用下，整个路基沿倾斜的原地面向下滑动，路基整体失去稳定。2.1.1.5不良地质和水文条件造成的路基破坏 公路通过不良地质条件，如泥石流、溶洞等，和较大自然灾害（如大暴雨）地区均可能导致路基的大规模破坏。2.1.2影响路基稳定性的因素 公路路基裸露在大气中，其稳定性在很大程度上受当地自然因素和人为因素的影响。路基的稳定性主要与下列因素有关：1. 地理条件 本文所研究的地区属于平原地区，地势平坦，排水不易，地表易积水，因而地下水

18、位较高，在路基的填筑时要保持一定的最小填土高度。2. 地质条件 公路沿线的地质条件，如岩石的种类、成因、节理、风化程度和裂隙情况，岩层走向、倾向、倾角、层理和岩层厚度，有无软弱夹层、遇水软化的夹层，以及有无断层或其他特殊的地质现象（如岩溶、泥石流）等，都对路基的稳定性有一定影响。3气候条件 气候条件如气温、降水、湿度、冰冻深度、日照、蒸发量等，都影响公路沿线地面水和地下水的状况，并影响路基的水温情况。随着气候的季节性变化，路基的水温情况也发生季节性的周期变化。4水文和水文地质条件 水文条件如公路沿线地表水的排泄条件，河流洪水位、常水位，有无地表积水和集水期的长短，河岸的冲刷和淤积情况等。水文地

19、质条件如地下水位，地下水移动的规律，有无层间水、裂隙水、泉水等。这些水如处理不当都会引起路基的各种破坏。5. 土的类别 不同土具有不同的工程性质，土的类别会影响路基的设计和施工。粘粒较多的土，其强度构成以粘聚力为主，强度随密实情况的不同而变化较大，强度随湿度的增大而减小。粉类土的毛细现象强烈，其强度随时间的增大而减小。 除了上述的自然因素外，路基结构的形式、行车荷载的大小和作用的频繁程度、路基施工的方法和施工的质量，以及日常的养护工作质量等都是影响路基稳定性的人为因素。2.1.3影响边坡稳定性的因素 边坡的稳定是一个比较复杂的问题，影响边坡稳定性的因素较多，总的来说，主要有以下几个方面。1.

20、自身材料的物理力学性质 本文所研究的区域内的边坡体是土体，一般为粉土和粘土。其中以粉土为主，土体本身的物理力学性质，如抗剪强度、容重对边坡的稳定性影响很大。2. 边坡的形状和尺寸 边坡的尺寸包括边坡的断面形状、坡角和总高度等。一般情况下，边坡越陡，越容易失稳，越缓则越稳定；边坡的高度越高越容易失稳，高度越小越稳定。本文所研究的公路处于平原地区，由于排水等原因采取的是高路堑的设计，因而对边坡的稳定性分析成为其中的一个十分重要的环节，它为公路的使用和维护提供了一个很重要的依据。3. 边坡的工作条件 边坡的工作条件主要是指边坡的外部荷载，包括边坡和边坡顶上的荷载，如公路顶上的行车荷载和行人荷载等。边

21、坡坡体中的水位变化是影响边坡稳定性的一个重要因素，除了它自身对坡体的渗流作用外，水位的变化还会引起边坡体材料物理力学指标的变化。4. 边坡的加固措施 边坡的加固是采取人工的措施将边坡的滑动传送或转移到另一部分稳定体中去，使整个边坡达到一个新的稳定平衡状态。加固措施的不同，对边坡稳定的影响和作用也不尽相同，因而我们要在不同的情况下采取相应的措施，以达到加固的效果和目的。2.2稳定性分析 边坡的坍塌是公路工程中常见的一种破坏现象，它直接影响行车安全，甚至阻塞交通。边坡发生坍塌的原因是多方面的。例如外界不利因素：长期降雨、活在增加、坡顶超载地震荷载、不合理的开挖等。因此，对于可能出现坍塌或者已经出现

22、坍塌的路基有必要进行稳定性分析，以便采取合理的有效的防止或整治措施。2.2.1路基稳定性分析 路基能否稳定不仅取决于路面的断面形状和尺寸（边坡高度和坡度等）而且受填土性质、荷载、排水条件、气候、地震等诸多环境因素的影响。 路基的稳定性分析按其原理的不同可以分为工程地质发和力学性质验算法两种。实际工程中往往是两种方法相辅相成，运用两种方法的分析结果相互核对，对路基的稳定性作出综合的正确的评价。后面的边坡稳定性分析将对此详细阐述。2.2.2边坡稳定性分析 边坡作为岩土工程的一个重要领域，其研究历史已有100多年。边坡工程研究的范围涉及所有人类工程活动所形成的各种人工边坡、自然滑坡及崩塌体。这方面的

23、国际学术活动和技术合作非常活跃，边坡工程已成为许多国际会议中心议题或主要议题，还出版了许多对边坡工程的研究与治理有重要指导意义的专注和工程手册。 随着大规模经济建设的开展，国内滑坡研究也日益广泛深入。20世纪70年代铁道部成立了“滑坡分类与分布”专题研究组，对全国铁路沿线进行普查。在“六五”期间，地质矿产部将“中国西南、西北崩滑灾害与山区斜坡稳定性研究”列为专题进行重点攻关。“七五”期间，三峡工程地质地震专题组对三峡库区沿岸重点滑坡进行了登记和调查。“八五”期间水利水电部的“岩质高边坡稳定及处理技术”被列为国家重点攻关项目，由中国水利水电科学研究院的陈祖煜教授组织研究。80年代以来，水利水电部

24、门对龙羊峡、天生桥、鲁布革、李家峡、安康、漫湾、五强溪、龙滩等水电工程的边坡工程进行了系统的研究，取得了丰硕的成果。边坡工程研究的理论基础需要多种学科相互结合、相互渗透，不仅包括工程数学、工程力学、工程地质学、岩土力学，还应结合计算机仿真技术、岩土工程测试技术等手段。经过一百多年的研究和发展，从边坡的规律性分析，到边坡的变形破机制研究，以及边坡稳定性评价和预测预报，边坡工程研究取得了令人瞩目的成果，已初步形成边坡工程独立的学科体系。这一体系包括下列四个部分：（1） 边坡区域分布规律性研究；（2） 边坡变形破坏机制研究；（3） 边坡稳定性评价和预测预报；（4） 边坡工程治理。 事实上，边坡工程研

25、究理论和治理技术多种多样，各有其优点和局限性，系统完善边坡工程领域的理论研究和应用开发是一项艰巨的任务。稳定性分析方法 定性分析方法主要是分析影响边坡稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的可能方式及工程的综合功能等，对边坡的成因及演化历史进行分析，以此评价边坡稳定状况及其可能的发展趋势。该方法的优点是综合考虑影响边坡稳定的因素，快速地对边坡的稳定性作出评价和预测。常用的方法有：1. 地质分析法 根据边坡的地形地貌形态、地质条件和边坡变形破坏的基本规律，追溯边坡演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对边坡的稳定性作出评价。对已发生过滑坡的边坡，则判断其能否复活或转化。2

26、. 工程地质类比法 其实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验应用到条件相似的新边坡的研究和人工边坡的研究设计中去。需要对已有边坡进行详细的调查研究，全面分析工程地质因素的相似性和差异性，分析影响边坡变形发展的主导因素的相似性和差异性，同时还应考虑工程的类别、等级及其对边坡的特定要求等。它虽然是一种经验方法，但在边坡设计中，特别是在中小型工程的设计中是很通用的方法。3. 图解法 图解法可以分为两类：（1） 用一定的曲线和诺谟图来表征边坡有关参数之间的定量关系，由此求出边坡稳定性参数，或已知稳定系数及其他参数仅一个未知的情况下，求出稳定坡角或极限坡高。这是力学计算途径的简化，在使用时绘制成不同坡脚、不同内摩擦角对应的图，是一种比较实用的方法。（2） 利用图解求边坡变形破坏的边界条件，分析软弱结构面的组合关系，分析滑体的形态、滑动方向，评价边坡的稳定程度，为力学计算创造条件。常用的有赤平极射投影分析法及实体比例投影法。 参考文献： 1.地基处理手册（第二版） 北京：中国建筑工业出版社，2000 2.边坡稳定性评价方法及发展趋势 岩土工程技术，2004(2) 3.影响边坡稳定性的分析 山西水利，2004 4.路基路面工程 北京：高等教育出版社，2005.精品文档.