公路工程地质类型及地基承载力评价技术研究

1引言黄土是一种具有特殊性质的第四纪松散沉积物，我国黄土和黄土状土的分布面积为64万km2，占国土面积的6.3%。在我国西北、华北等大面积黄土分布地区，公路作为一种带状结构物往往要跨越许多不同地质年代、不同地质成因和地貌单元的黄土区，黄土由于其形成的特殊环境和自然条件就使得它具有特殊的物理力学性质和水理特性。此外，随着路堤填土高度的增加，对黄土地基承载力提出了更高的要求，但是公路路基中缺乏相应的依据。因此，正确区分同一条路线上不同时代、不同成因和不同环境下形成的黄土的地基承载力，将是解决黄土地区公路设计、施工中路基稳定性的关键技术。本项目旨在针对公路工程的需要，合理有效地确定、评价黄土地基承载力，并在此基础上提出黄土地基承载力分区及地基处理措施,为公路设计和施工提供指导。2项目研究内容2.1主要研究内容（1）黄土地区地基承载力影响因素研究（2）黄土地区地基承载力评价方法研究（3）黄土地区地基承载力分类研究（4）提高黄土地区地基承载力的工程措施研究2.2拟解决的关键问题（1）黄土地区地基承载力的评价方法（2）黄土地区地基承载力的分类推荐值（3）高黄土地区地基承载力的工程处理措施3黄土地区高等级公路地基处理现状调查根据黄土地区高等级公路路基路面病害发生发展的规律，建议在地基设计和路基路面防排水设计方面采取以下措施：（1）加强对高速公路尤其对于填方路段处湿陷性黄土地基的勘察手段和力度，以利于提高地基评价的可靠性。（2）地基设计时，需要从地基承载力和变形两个方面进行验算，当不能满足设计的要求，则需要进行地基处理。（3）路基路面排水系统设置的是否完善在一定程度上决定了整个工程质量的好坏，在设计时要注意完善，路面排水时应采用集中排水设计，中央分隔带采用地下排水，且注意沟渠的防护和加固以及出水口的设置，并加强防洪和防暴雨的排水措施，在日常养护过程中要保证排水设施的通畅和正常使用。（4）路基超高段中央分隔带的排水设计宜采用地下排水，将分隔带上的地面水下渗，由中央分隔带地下排水设施排除；路堑超高段设计时要注意边沟设置与急流槽、排水沟和涵洞等的相互配合。（5）注意加强和完善湿陷性黄土地基的防排水设施。（6）高填方路段要特别注意保证原地基的处理，并根据场地的湿陷类型和湿陷等级以及上部结构物类型或路基不同的填土高度采取相应的地基处理措施。4黄土地区地基承载力现场测试技术与方法研究4.1主要研究内容及实施通过对不同黄土区域（甘肃兰州、山西介休和陕西阎良）所进行的载荷试验、旁压试验、静力触探试验、动力触探试验、标准贯入试验及室内土工试验，对各种原位测试的方法和测试技术进行了研究（见图4-1~图4-4），具体的工作量见4-1。图4-1兰州试验场地概况图4-2介休试验场地概况图4-3阎良1试验场地概况图4-4阎良2试验场地概况表4-1兰州、介休、阎良1和阎良2场地试验工作量汇总序号工作内容单位兰州试验场地介休试验场地阎良1试验场地阎良2试验场地原地基强夯区冲压区1探井m/井10.0/110.0/19.4/17.2/12.1/15.0/12标准贯入试验m/孔20.2/220.2/220.0/220.0/220.0/220.0/23旁压试验m/孔23.2/417.8/220.9/210.3/27.3/210.0/24重型动力触探试验m/孔20.0/250.0/540.0/420.0/220.0/220.0/25双桥静力触探试验m/孔83.5/850.0/540.0/420.0/220.0/220.0/26单桥静力触探试验m/孔20.0/250.0/540.0/420.0/220.0/220.0/27轻型动力触探试验m/孔7.0/28荷载试验个10872229采取的土样（原状）项30312721121710室内土工试验比重项1089736容重项1089736含水量项1089736液限项1089736塑限项1089736黄土湿陷系数项1089736黄土自重湿陷系数项7743黄土起始压力项7743压缩试验项1089736颗粒分析项3443直剪组655322三轴试验组2232化学成分分析项56515显微结构分析项1310645电镜试验项4334.2主要研究成果（1）黄土地区公路路基地基承载力评价时，不宜采用载荷试验；最好采用旁压试验；也可以用静力触探进行测试；动力触探和标准贯入仅作为辅助的测试方法。（2）得到了静力触探、动力触探和标准贯入等测试方法确定的强度指标与载荷试验确定的地基承载力特征值之间的回归关系，可供参考使用。（3）了旁压试验与静力触探、动力触探和标准贯入等测试方法确定的强度指标之间的关系。（4）静力触探中单桥的比贯入阻力(Ps)与双桥的锥尖阻力(qc)之间的关系为Ps/qc=1.4。（5）在同一土层进行承载力测试时，不同尺寸的载荷试验得到的地基承载力特征值比较接近，公路工程如用载荷试验确定地基承载力特征值时建议采用0.5m2圆形刚性承压板。（6）地基承载力(fak)与土体的压缩模量(Es)之间关系密切，土体的压缩模量Es可以在一定程度上反映地基土的强度。（7）黄土地区公路工程地基处理后的承载力评价时，宜采用旁压试验。5黄土地区公路地基承载力评价方法及分区研究5.1地基承载力的研究基础1.地基承载力的概念由地基承载力的定义以及其涵义的变化，可见工程技术人员越来越重视对地基变形的控制，并强调了静载荷试验或其它原位测试的重要性，以及系统总结工程实践经验和当地经验的重要性。为了与现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）和《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）相一致，本课题研究时以地基承载力特征值作为地基计算的代表数值，符号表示为fak。2.公路工程黄土地基承载力取值方法（1）考虑黄土属于特殊土质，具有压缩性大的特点，如果P-S曲线具有明显的比例界点，认为宜采用荷载试验P-S曲线上的比例界限点所对应的荷载(P0)作为地基承载力特征值。（2）对于在P-S曲线比例界限点不明显的情况，塑性区相对较长，可考虑采用相对沉降来确定承载力，按沉降与承载板宽度之比s/b=0.01～0.015所对应的值作为取值标准；（3）在P-S曲线上比例界限点不明显，曲线比较平缓，且应用相对沉降s/b=0.01所对应的值都偏大，这种情况下可考虑采用取s/b=0.015所对应的值的1/2作为承载力特征值；（4）对于压缩性大的新近堆积黄土（Q42）应用相对沉降s/b=0.015对应的值作为承载力特征值。5.2黄土地基承载力影响因素分析（1）黄土的区域特征对地基承载力的影响（2）地层类型对地基承载力的影响（3）地形地貌对地基承载力的影响（4）物理力学指标对地基承载力的影响（5）湿陷性对地基承载力的影响（6）压缩模量Es与黄土地基承载力的关系（7）黄土的微观结构特征与地基承载力的关系5.3地基承载力模糊评价系统图5-1模糊综合评判流程图本课题建立的地基承载力模糊评判系统，具有以下几个特点：（1）用模糊数学理论和方法评价地基承载力，从理论上分析是可行的，实际验证效果是可靠的，其结果是满意的，其方法的本质属于间接评价法。（2）在地基承载力模糊综合评判系统中，根据评价因素与承载力的统计关系以及实测物理性质指标的分布规律，选用了正态型隶属函数。在确定权重时，选用了考虑分级的数值权重和各因素特点的特性权重。在数值权重中，考虑了分级对承载力的影响；同时，在专家打分的基础上来确定特性权重，这样确定的综合权重具有一定的代表性。（3）评价系统中地基承载力的影响因素中选择物理性质指标和地质因素二个方面作为评价指标，在物理性质指标中，以密度（孔隙比、天然容重）、液限和含水量作为基本因素，而压缩系数和地形地貌因素起辅助性作用。（4）评价系统以可视化窗口的形式实现了简单的操作，只要输入某处黄土的基本参数，就可以方便快速地计算出地基的承载力值。5.4黄土地基承载力分区1.区划的目的和原则（1）根据载荷试验确定的承载力的变化规律以及承载力各主要影响因素的区域变化规律进行区划。（2）以黄土地区自然环境气候以及地形地貌因素的综合性和主导性相结合，采用以承载力相关分析为基础的主导标志法原则，从分析承载力的变化情况与公路工程的实际关系出发，选出具有分区意义的主导标志。（3）按照综合性与主导因素相结合的原则，并遵循地带性和非地带性理论，还需进行地理相关分析对区界进行修正。2.地基承载力区域划分根据黄土地区承载力的变化规律，按照分区的原则和依据对黄土地区进行承载力分区。可将我国黄土区划分为四个大区，其划分结果如下：Ⅰ区,东部地区（豫、鲁、冀）；Ⅱ区,关中平原地区；Ⅲ区,陇东、陕北－晋西地区；Ⅳ区,陇西黄土地区。3.黄土地基承载力分区图（见图5-2）图5-2黄土地区地基承载力分区图4.地基承载力的回归关系式（1）Q3黄土承载力和主要物理力学指标回归公式（见表5-1）表5-1Q3黄土地基承载力的回归方程汇总地区回归方程样本数相关系数陇西地区480.93关中地区790.88陇东、陕北－晋西地区460.84东部地区500.89式中：fak—容许承载力(kPa)；wL—液限(小数表示)；w—含水量(小数表示)；e—孔隙比（小数表示）。（2）Q42黄土承载力和主要物理力学指标回归公式（相关系数r=0.95）式中：—压缩系数（可取50～150kPa或100～200kPa压力下的大值） 5.黄土地区地基承载力评价地理信息系统该系统不仅将本课题在黄土地区地基承载力研究的成果归纳进来，还建立了各区域内承载力与主要物理指标之间的统计回归关系式与各区域样本点的动态数据连接库，便于在以后的工作中，对目前已有的样本点进行补充和完善，并相应调整承载力的统计回归关系式，使回归关系式具有更好的代表性。同时，还可以预测未知点的地基承载力，并根据湿陷等级和路基填土高度来确定是否进行处理以及提出地基处理的建议方案。6提高黄土地区地基承载力工程处理措施研究6.1黄土地区公路地基承载力设计值（6-1）式中：—修正后的公路地基承载力设计值（kPa）；—相对变形修正系数，高速、一级公路为1.05，二级公路为1.21；—地基承载力特征值（kPa），由载荷试验或其它原位测试、公式计算等方法综合确定。6.2公路工程地基承载力的验算方法根据地基设计原则，公路地基承载力验算需满足强度和变形两方面要求，而修正后的公路地基承载力是一个双控指标，既有强度要求也有变形要求。故地基验算时，只需满足下式要求即可：（6-2）式中：—路堤自重应力（kPa）；—汽车荷载应力（kPa）；—修正后的公路地基承载力设计值（kPa）。6.3湿陷性黄土地基的防排水措施（1）首先要设置完善的路基路面排水设施，因地制宜地采取引、截、排等措施，将水引出路界排入天然沟渠，形成有效的防排水措施；（2）对于湿陷等级为I~II级的非自重湿陷性黄土地基，当路基填土高度较低时，为了防止路基两侧坡脚积水下渗，在路堤坡脚一定范围内，整平地表、填平积水洼地、地表裂缝以及各种小冲沟，必要时加固排水沟和截水沟；（3）对于湿陷等级为I~II的非自重湿陷性黄土地基，路基填土高度较高或湿陷等级为III级以上的湿陷性黄土地基的路段，可以考虑采用复合土工膜隔水墙或在路基基底采用防渗复合土工布。6.4湿陷性黄土地基综合处理方法当地基处理以提高地基承载力为主要目的时，可以依据以下原则来确定地基处理方法：（1）需要提高地基土浅层（1m深度范围内）的地基承载力时，宜采用冲击碾压；（2）需要提高地基土1~3m深度范围内的地基承载力时，宜采用灰土垫层法或强夯法；（3）需要提高地基土3~6m深度范围内的地基承载力时，宜采用强夯法和挤密桩（包括灰土挤密和土桩挤密）。当地基处理以消除或消减黄土地基的湿陷性为主要目的时，可以依据以下原则来确定地基处理方法：（1）对于湿陷等级为I~II的非自重湿陷性黄土地基，如需要消除地基土1m深度左右范围内的湿陷性，宜采用冲击碾压；（2）对于Ⅱ级以上自重湿陷性黄土地基，如需要消除地基土1~3m深度范围内的湿陷性，宜采用灰土垫层或强夯法；（3）对于Ⅱ级以上自重湿陷性黄土地基，如需要消除地基土3~6m深度范围内的湿陷性，宜采用土桩挤密或强夯法。如湿陷性黄土地基即要提高地基承载力，又要消除湿陷性，则需要根据工程的实际情况并参考上述的有关原则综合确定。7小结7.1主要结论（1）开展了黄土地区高等级公路地基处理现状调查，从地基处理和防排水设计的角度对路基路面的病害进行了分析，提出了地基处理和防排水的设计要点；（2）通过对承载力现场测试结果的分析，提出了黄土地区公路工程地基承载力评价时，不宜采用载荷试验；最好采用旁压试验；也可以用静力触探进行测试；动力触探和标准贯入仅作为辅助的测试方法；（3）建立了由静力触探、动力触探和标准贯入等测试方法得到的强度指标与载荷试验确定的地基承载力特征值之间的回归公式；（4）根据不同尺寸载荷板的测试结果，对载荷试验尺寸效应进行了分析，得出同一土层进行承载力测试时，不同尺寸的载荷试验得到的地基承载力特征值比较接近，公路工程如用载荷试验确定地基承载力特征值时建议采用0.5m2圆形刚性承压板；（5）提出了根据现场承载板试验P-S曲线确定地基承载力的可操作性强的取值方法；（6）对黄土地基承载力的各影响因素进行了定性和定量分析；（7）利用显微镜和扫描电镜（SEM）对土样的微观图像进行分析，揭示了黄土地基承载力与微观结构的内在联系；（8）建立了黄土地区地基承载力的模糊数学评价系统；（9）提出了黄土地区地基承载力分区，并给出了各区地基承载力与主要物理指标之间的非线性回归关系式和承载力表；（10）通过实测数据的分析，建立了压缩模量和地基承载力的关系式；（11）对黄土地区建筑部门地基承载力特征值进行了宽度修正、相对容许变形修正和刚柔修正，提出了符合公路工程特点的地基承载力计算公式；（12）提出了黄土地区公路地基设计的原则、标准和地基处理的建议措施，确定了黄土地区公路工程地基处理后的承载力评价时，宜采用旁压试验；（13）建立了黄土地区地基承载力评价地理信息系统。7.2技术创新性（1）在黄土地区代表性路段比较系统、全面地分析了黄土地基承载力的测试技术与方法，提出公路部门实用、简便的测试技术；（2）针对黄土地区地基承载力的分布特点，进行了黄土地区地基承载力的分区，并给出黄土地区公路工程地基承载力的分区图、分类推荐值和适用范围；（3）对黄土地区建筑部门地基承载力特征值进行了宽度修正、相对容许变形修正和刚柔修正，提出了符合公路工程特点的地基承载力计算公式；（4）建立了黄土地区地基承载力评价地理信息系统，将黄土地区承载力的相关研究成果以GIS系统的形式展现，也便于在以后研究中对已有的研究成果进行补充和完善，同时可以预测未知点的地基承载力，还可以根据湿陷等级和路基填土高度通过该系统确定是否进行处理以及提出地基处理的建议方案。7.3社会、经济效益通过对黄土地区地基承载力影响因素、评价技术和处理措施等一系列问题的探讨，所得研究成果不仅可以作为现行《规范》的相关技术内容，而且可以为黄土地区公路路基修筑技术和地基评价、处理技术提供技术指南，使之更加合理、可行、可靠。从而减少由于地基承载力不足或地基处理方法不当而引起路基路面工程的病害，保证公路功能的正常发挥。随着该项目研究成果在公路工程建设中的使用，其社会经济效益会更加显著。