摘 要

甘肃省是我国发展一带一路的重要支柱，而广泛分布于甘肃省的黄土高原成为了制约其交通通信的关键阻碍，为了更好的贯彻一带一路方针，对黄土湿陷性进行研究并消除其害处显得至关重要。本文在已有研究成果的基础上首先总结了甘肃省黄土分布，以及黄土特征以及渗水性、膨胀性、崩解性及抗剪性等一系列评价黄土性质的水理和力学指标，论述了黄土的湿陷特性及影响因素；其次介绍了黄土路基边坡常见的病害类型，在此基础上分析其病害产生的机理，给出了相应的处治措施；并在最后针对甜永高速路段的黄土病害给出了相应的解决措施。

关键词：黄土，路基，病害，沉降

ABSTRACT

Gansu province is an important pillar for the development of One Belt And One Road in China, and the loess plateau widely distributed in gansu province has become a key obstacle to its traffic and communication. In order to better implement the policy of One Belt And One Road, it is crucial to study the loess collapsibility and eliminate its harm. Based on the existing research results, this paper first summarizes the distribution of loess in gansu province, as well as loess characteristics and a series of hydraulic and mechanical indexes for evaluating loess properties, such as water permeability, expansibility, disintegration and shear resistance, and discusses the collapsibility characteristics and influencing factors of loess. Secondly, the common types of diseases on the loess subgrade slope are introduced, and the mechanism of the diseases is analyzed. Finally, the corresponding measures to solve the loess disease in the section of Tianyong expressway are given.

Keywords: Loess, subgrade, disease, settlement

目录

第一章 前言 1

1.1黄土沉降分析对我国建设的重要作用 1

1.2 项目前期科研及工作基础 1

1.2.1国内外研究现状 1

第二章 黄土性能介绍 4

2.1 黄土高原简介 4

2.1.1 成因 4

2.1.2 地形 4

2.1.3 黄土地层结构 4

2.2 黄土的水理及力学特征 5

2.2.1 黄土的力学特性 5

2.2.2 黄土的湿陷特性 5

第三章 黄土路基病害类型及分析 7

3.1 黄土路基边坡病害类型 7

3.2 黄土路基边坡破坏 7

3.2.1 黄土路基边坡的破坏形式 7

3.2.2 黄土路基边坡破坏的主要原因 7

3.3黄土高填路基破坏 7

3.3.1 黄土高填路基的破坏形式 7

3.3.2 黄土高填路基破坏的主要原因 7

3.4 病害机理分析 8

第四章 黄土路基病害处置及预防措施 9

4.1 路堤边坡 8

4.1.1 路堤边坡的设计 8

4.1.2 排水措施 8

4.1.3 填料选择 8

4.1.4 基底处理 9

4.1.5 路堤压实 9

4.2 路堑边坡 10

4.2.1 选择边坡形式 10

4.2.2 设计坡度 10

4.2.3 黄土边坡的防护工程 10

4.2.4 边坡的稳定判断和防治措施 11

第五章 工程概况及分析处理 13

5.1 工程概述 13

5.1.1 自然特征 13

5.2 特殊路基处理 14

5.2.1 湿陷性黄土路段 15

5.2.2 各个地段湿陷性黄土的处治： 15

5.2.3 各处治方法及适用范围 15

5.2.4 整体式路基挖方横断面的处治 19

5.2.5 高速液压夯实及台背回填 20

5.2.6 8%灰土隔水墙 21

第六章 结论 23

参考文献 24

致谢 26

1. 前言

1.1、黄土沉降分析对我国建设的重要作用

“一带一路”是保证我国和周边国家携手共同发展的重要保障，甘肃省是“一带一路”的重要组成之一，对“一带一路”的建设起着重要的作用。甘肃省地处黄土高原，大部分土地都是黄土，是最有代表性的黄土地区。而黄土地区的道路设施因其当地的黄土特征和亚热带季风性气候特点，容易产生各种典型的病害，病害类型主要包括：填方路基不均匀沉陷和过量沉降；路基边坡坡面的剥落、冲蚀、滑塌、崩塌和整体失稳等；浸水地基承载力不足；路堑段路基软化和翻浆；半刚性基层和沥青面层的裂缝等等。普遍存在于甘肃黄土地区公路的这些病害，严重影响着道路的通行能力和公路建设的发展，严重束缚了我国“一带一路”经济带的建设。因此，解决甘肃省黄土地区路基病害的问题已经迫在眉睫。

1.2 项目前期科研及工作基础

1.2.1、国内外研究现状

目前很多评估湿陷性黄土的应力-应变行为的框架，都是基于传统测试的结果而开发的，而不控制或测量不饱和状态变量，此外，很少研究化学稳定的湿陷性土壤的流体力学行为，为建立一个预测石灰稳定的湿陷性土壤的行为的本构模型，以有效性为标准，分析了在石灰处理的黄土上进行的滤纸和不饱和度测试的结果。针对非饱和土的应力方法，相关专家提出了一个解释石灰稳定实验土壤荷载-坍塌行为的经验模型。此外，通过实施扰动状态概念方法（DSC），开发了耦合半经验流体力学模型来预测干扰水平。并计算了由于在正常条件下施加垂直应力而引起的土壤应变。得出了以下结果：

（1）黄土行为很大程度上取决于饱和度，对非饱和土需要进行更彻底土壤行为调查。同时通过控制基质吸力、不同饱和度样品的变形来进行复杂的测试可以有助于预测这种复杂土壤的变形行为的本构模型。

（2）DSC，是一种简单而全面的预测材料变形行为的方法，可用于预测包括土壤在内的不同材料的行为。根据DSC方法，通过获得两个极端结构的土壤响应作为参考，可以简单而精确的预测土壤对不同状态变量变化时的机械响应。两个极端结构的土壤响应分别为最小土壤结构扰动和最大土壤结构扰动。

（3）模型建立的目标主要是：第一，通过前人实验得到的数据，来预测未稳定的湿陷性黄土和石灰稳定的样品中的有效屈服应力，并作出相应于石灰含量的函数的经验LC模型。第二，通过考虑DSC方法，预测石灰稳定的黄土坍塌和压缩行为的本构模型。第三，用根据石灰含量和基质吸力影响预测得到干扰参数的半经验函数。

（4）土壤：是已具有两种不同含量石灰的不稳定黄土和石灰稳定黄土的样品。测试内容是：模拟石灰稳定湿陷性黄土的土-水耦合和非饱和土一维固结行为与处理技术和非饱和度不同下的结果。分别有，滤纸测试，为了研究添加石灰对土壤保水性的影响，对不稳定黄土和石灰稳定黄土样本，分别进行三组实验，湿润和干燥途中含有1%和3%的石灰。不饱和度测试，在阶梯式增加的垂直荷载和不同的恒定基质吸力下，对含石灰率1%和3%的不稳定和稳定试样进行15次不饱和度实验。

（5）分析和建模 非饱和土的有效应力公式

建模结果有，当石灰加入量超过一定值时，向湿陷性黄土中加入石灰的效果会大大降低。[2]

调查结果包括：

1. 在可压缩的土壤中加入石灰会提高土壤的屈服强度。
2. 根据实验数据建模提出的经验LC模型可以很好地预测不稳定黄土和石灰稳定黄土的屈服情况，基本变量还包括石灰含量和基质吸力。
3. 本次实验开发的基于DSC的模型可以很好的预测稳定土壤的应力-应变变化。

（四）将预测的屈服强度和实验室测定的屈服强度相比较，可以确认本模型适用于石灰稳定的可压缩黄土。

Assadi-Langroudi， Arya等人发现在黄土中，影响因素对“沉降比例”的讨论有一定的影响。风积作用是黄土沉积形成形成的开放填料的主要原因;但是有一个随后的事件是一种“随机”类型的事件，在这种事件中，土粒接触方式被修改，可折叠性增强。相对重要性不同的两个事件;哪个事件影响更显著，哪个就控制了黄土的湿陷性。[3]

Xie， Wan-Li等人发现湿陷性土在湿化过程中经历了三个不同的阶段，在此基础上，提出了一种预测湿陷性的方法。为了使用该方法，需要两个参数，临界吸力和坍塌速率。前者为基质吸力下降时发生明显塌陷变形的吸力值，后者为塌缩阶段孔隙率随米制吸力减小的速率。通过湿陷性黄土的田间渗透试验，验证了该方法的有效性。结果表明，该方法能较好地预测湿化引起的倒塌行为。[4]

Feng， Shi-Jin等人发现强夯法是一种有效的地基处理技术，广泛应用于各种土壤类型和条件，特别是在黄土地区。然而，在湿陷性黄土厚度较大的地区，强夯法应用较少。作者通过变形试验、标准贯入试验(SFT)、静贯入试验和板载试验等现场试验，并对直流电前后的湿陷性进行了测定。处理后场地的允许地基承载力和改善深度分别不小于250kpa和10m，湿陷性大大降低或完全消除。[5]

Wen， SL等人通过强夯试验的实际工程试验，结合室内试验研究和现场试验分析，得出了湿陷性黄土地基的相关实用参数。试验结果表明，动固结处理后的断面具有较高的稳定性，可用于类似地基处理。[6]

Ding Yong等人为了更好的将车辆在桥头发生跳车时的动力分析清楚，提出了一种全新的模型，通过分析车轮在路过路桥过渡段时的振动轨迹，并将之和有限元的相关动力学方法相结合，对车辆上下桥时的动量进行了合理分析。通过对算例的结果进行分析，并考虑了车轮的振动影响之后，发现动力变化会相应的变缓;并且动力变化和跳车动量与车速、车轮数量和分布、桥头连接处的高差等因素有关，和这些因素之间的关系主要表现为[7]:

1)车辆的动荷载与桥头连接处高差成正比，高差越大，跳车的动荷载;

2)对于车轮是独立悬挂的车辆，车速越高，最大动力荷载越大;对于车轮式非独立悬挂的车辆，最大动力荷载随着车速的增大呈现波动变化;

3)上桥时的车辆最大荷载作用位置位于错台上，下桥时后轮作用位置则较近，前、中轮的车辆最大荷载作用位置离桥头错台较远。

1. 黄土性能介绍

2.1 黄土简介

2.1.1 成因

黄土的形成最早可以追溯到地质时代的第四纪期间，在那时由风力裹挟的黄土颗粒或土块，集中于某处，在风力的作用下按颗粒质量的大小分层沉积。因为风力裹挟的影响，所以黄土的出现往往是成片成层存在的，逐层逐渐积压，形成如今的黄土地形。但是由于黄土沉积地在风土由风力携带到之前已有其原地形，因此黄土通常是覆盖在原有地形之上。但由于黄土存在空隙较大的情况，所以与原有地形的结合往往并非十分紧密，常存在孔洞等情况。

上述由风力裹挟堆积而成的黄土称为原生黄土。此外，由其他地质作用或者水力作用而形成的黄土地貌称为次生黄土。次生黄土的主要成因是洪水堆积和水力冲刷等。因此常常出现在古河流的堆积平原。

2.1.2 黄土高原地形

黄土高原是指横跨中国青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西和河南七省，主要由黄土构成的高原，同时也是世界上最大的黄土集中区域。黄土高原的基本走势是西北高而东南低，与黄河的基本流向一致，并且海拔下降基本呈现波形下降。按照地形的不同黄土高原大致可以分为，山地、丘陵、塬、台塬和河谷平原等地形。山地主要指海拔高度较高且地形之间的相对高差较大，这些地形主要分布在黄土高原的西部。丘陵地貌主要是指相对高差较山地地形而言较小的地形。其基本地貌特点与山地无较大区别，只是地形相对高差较小，因此受到的流水冲刷和重力冲刷相较于山地地貌也会更小。塬的外形更像是被磨掉顶的丘陵，其顶上平面面积较大，相较于前两种地形，此种地形的高度变化更加柔和，且首次出现了平面。台塬地区则是指原本存在于塬地区的沟壑地区由于雨水的作用，成为了新的河流，从而使塬顶的平面成为了水边的低高度坡面。河谷平原指的是，原本在台塬的沟壑部分流动的河流对黄土发生冲刷，从而在下游形成了更大的冲刷谷地，并且由于洪水的作用，使冲刷形成的谷地往往比河流流动面积更大，从而形成了海拔较低且高差变化不大的平面区域。

2.2 黄土的水理及力学特征

黄土作为一种形成与第四纪的复杂地貌，其形成机理十分复杂，因此其物理特性和力学特性也随之而变得相当复杂。但在前人多次研究和实验总结的基础之上，以及考虑到地壳构造运动、黄土附近岩土性质和水力作用风力作用等因素的影响，通常认为黄土具有以下几个特点：

2.2.1 黄土的渗透特性

黄土的渗透特性对黄土的其他多种特性均有十分重要的影响，如结构强度、稳定性、湿陷性等等等等。但是由于各地区的黄土颗粒大小，黄土下的地层结构和其基本物质成分以及黄土颗粒的堆积结构不一样，不同地区的黄土渗透性有着较大的差异。尽管黄土的渗透性影响因素众多，探究其与某一种特定变量之间的关系时会存在较大的困难。但是在结果研究人员的崇高冲比对试验之下，一般认为，水分子在黄土中竖向运动比横向运动具有更小的阻力，也就是说黄土的竖向渗透性比水平渗透性更好。这是由于黄土的竖向节理和大孔隙发育所导致的。

2.2.1 黄土的湿陷特性

黄土的湿陷特性一般认为和黄土的形成年代、沉积深度和原始沉积地貌等因素有较为密切的联系。一般来说，形成年代越早的黄土（即为老黄土），其湿陷特性由于长期沉积积压的作用，已经变得较为不明显，主要原因是黄土内部的孔隙结构已经被长期的堆积作用而被挤密了。而形成年代较新的黄土（新黄土），湿陷性则较为明显。此外，土质越致密、压缩性越低和强度越高的黄土往往具有更低的湿陷性。

2.2.2 黄土的力学特性

黄土的力学特性主要由摩擦力与粘结力形成，主要表现为抗剪强度。

根据压实黄土强度特性影响因素的试验研究，以延安新区某高填方填筑土为研究对象，对试样进行直剪试验，然后测定压实黄土强度特性和击实能和含水率之间的关系，经过总结数据后得出如下结论：

(1) 击实能的增大确实能有效地提高土体的干密度，但是随着含水率的增加，增大击实能所能提高的土体干密度效果有限。可见，在填筑体施工时，一味地增大击实能而不考虑含水率的影响所获得的压实效果并不理想。因此，在施工时，应注意选择合理经济的击实能，结合含水率的考虑，力求获得最大程度的压实效果。

(2) 压实黄土的抗剪强度与各垂直压力之间均呈线性递增的关系。击实能和含水率共同保证了土体的强度。含水率的增加，击实能越小时，其抗剪强度反而更高些，这与最优含水率密切相关。在最优含水率的干侧击实，抗剪强度随击实能的增大而增大，在最优含水量的湿侧击实，抗剪强度随击实能的增大而减小。

(3) 黏聚力和内摩擦角也表现出与抗剪强度相同的变化规律。大击实能下压实土体内摩擦角随含水率的增加变化趋势较大，而小击实能下压实土体内摩擦角随含水率增加变化趋势较小。

、

1. 黄土路基病害类型及分析

3.1 黄土路基病害类型

黄土由于其湿陷特性和高压缩性的特点，在作为路基填土的时候，常常会发生湿陷，进而导致各种工程病害。通过研究人员长期以来对于黄土路基病害的总结，将黄土路基病害归结为以下几种：路基陷穴、路基沉陷和路基边坡破坏。但是对于本工程项目的情况，研究对象主要是桥后填土和背坡填土，因此暂时不考虑路基陷穴和路基沉陷在此情况下发生的可能。而黄土路基边坡破坏主要分为普通黄土路基边坡破坏和高填土黄土路基边坡破坏。

3.2 黄土路基边坡破坏

3.2.1 黄土路基边坡的破坏形式

黄土路基发生破坏存在多种因素的影响，而破坏的形式也随原因不同而可能有不同的表现，主要有坡面冲刷侵蚀，滑坡等。而这些病害发生的原因有可能是，暴雨冲刷边坡表面，雨水侵入路基内部使黄土路基的剪破角发生变化，导致原本稳定的边坡发生失稳，同时也有可能是边坡坡度过高导致的滑坡，对于易吸水而难排水的黄土路基而言，有更大的可能发生边坡滑坡等破坏。

3.2.2 黄土路基边坡破坏的主要原因

黄土路基边坡破坏的主要原因归结起来，其实就是雨水的作用，但是雨水的作用位置和作用机理不同，对黄土路基产生的破坏方式也会有所不同。当坡面防水设施不完善或者排水设施不齐全时，雨水的堆积会使路堤坡面受到剧烈冲刷，从而可能会使路堤边坡原有设计坡形受到破坏，影响边坡的稳定性。同时，由于黄土的节理类型主要是竖向节理，雨水在黄土中沿竖直方向的流动速度将比水平方向更快，长此以往将导致，雨水在黄土内部堆积，增加黄土路基的内部应力，使黄土边坡极易发生破坏。相关研究表明，当湿陷性黄土压实之后的干重度达到了16.5kN /m3的临界值后，黄土在雨水的作用下发生湿陷的程度会明显缩小。同时雨水的作用也对边坡的坡高产生了一定约束，如果边坡填土太高，雨水沉积高度过高，内部应力过大，甚至会发生边坡破裂，乃至于倒塌。

3.3黄土高填路基破坏