[00136432]季节冻土区黄土路基多级湿陷与防治技术研究

针对甘肃省黄土地区公路路基病害,从冻融、干湿循环和压实黄土多级湿陷的关联性入手,从宏观和微观角度研究冻融、干湿循环对压实黄土物理力学性质、结构等的影响,探求季节冻土区黄土路基多级湿陷机理,提出黄土路基多级湿陷防治措施,提高湿陷性黄土地区公路设计水平和施工质量,降低病害发生几率,减少维护费用,延长公路使用寿命,为甘肃乃至西部黄土地区公路建设服务。 本项目取得了如下的研究成果： 1.甘肃省黄土地区公路路基病害类型主要有以下几种： （1）路堤沉降过大、不均匀沉降; （2）路堤失稳、滑塌、整体滑移; （3）半填半挖路段黄土路基的湿陷、陷穴等病害; （4）路堤边坡滑塌; （5）路堤边坡风化侵蚀,出现骨架掏空、冲沟等; （6）防排水设施的损毁。病害成因主要有以下几种： （1）黄土固有的大孔隙、欠压密、湿陷等特性; （2）降雨的影响; （3）冻融、干湿循环对路基黄土结构与强度的影响; （4）黄土路基设计中还存在一些缺陷和不足; （5）许多黄土路基病害都与防排水设施的损坏有关。 2.甘肃省黄土地区公路路基病害主要预防措施主要有以下两种 （1）采用完善、合理的路基综合防排水设施; （2）加强强夯加固、冲击压实等黄土路基和地基处理措施。针对发生的病害,处治措施有： （1）重新补强、填筑路基; （2）重新铺筑路面; （3）完善、优化防排水设施设计,加强施工质量。 3. 现场观测结果表明,永古、巉柳等已运营高速公路黄土路基含水率变化均表现出季节性特征,夏季含水率高,冬季含水率低,表明甘肃黄土地区公路路基含水率受降雨影响较大,路基压实黄土会发生剧烈的干湿交替现象。永古高速公路路堤顶面下1m范围内土体温度冬季会降到0摄氏度以下,土体冻结,后温度回升,土体融化,该范围内压实黄土出现冻融交替现象,而作为路堑段路基的巉柳高速公路路基土体在观测期间内均无负温出现,说明路堑段黄土路基冬春交替时不发生冻融循环现象。 4. 通过不同次数的干湿循环试验,研究了干湿循环作用对压实黄土的湿陷性、强度、干密度及孔隙比的影响,揭示了干湿循环对压实黄土湿陷变形影响的原因、过程和机理,研究发现：未进行干湿循环的压实黄土的湿陷系数小于0.015,1次、5次、10次、 20次循环后的湿陷系数均大于0.015,说明干湿循环使已消除湿陷性的压实黄土重新具有了湿陷性。同时,试验结果表明干湿循环对压实黄土的物理力学特性、结构均有较大影响。随着干湿循环次数的增加,压实黄土的干密度、强度逐渐减小,孔隙比逐渐增大,使得经压实后消除了湿陷性的黄土重新具有了湿陷性,这是压实黄土路基多级湿陷的重要原因。 5.室内冻融循环试验表明底板补水和顶板封闭条件下冻融循环使得土样含水量增加,且随着冻融循环次数的增加,含水率增加幅度越大。这种增湿作用和聚集效应对黄土地基和路基稳定性可能会造成严重的影响。同时冻融循环导致压实黄土土样的干密度减小,孔隙比增加,且随冻融循环越次数增加,干密度减小和孔隙比增加程度加剧。微观结构观测发现,随冻融循环次数的增加,压实黄土样中大中孔隙的个数及面积不断增加,其占孔隙总面积的百分比也相应增加,冻融循环使得压实黄土内部结构发生弱化。 6.冻融循环对压实黄土湿陷变形影响的主要过程和机制是,反复冻融循环作用引起压实黄土反复冻胀和融沉,使得土体水分重新分布且不断增加,干密度减小,孔隙比增加,结构弱化,强度降低,这种反复的冻融作用和增湿作用最终导致了压实黄土湿陷变形的增加,引起季节冻土区黄土路基的破坏。 7. 在冻融、干湿循环对压实黄土物理力学特性、微观结构等的影响及压实黄土多级湿陷机理的研究的基础上,建立了季节冻土区黄土路基多级湿陷的理论计算方法和数值计算方法,同时结合已有研究成果,提出了湿陷系数随冻融循环次数变化的指数函数 和季节冻土区黄土路基多级湿陷量的计算公式 ; 8.黄土路基多级湿陷防治措施室内模拟试验与现场观测结果均证明,保温隔水路基新结构中的保温材料具有很好的保温效果,土工布具有良好隔水效果,新结构能有效减小冻结深度,阻隔水分浸入路堤内部,减弱冻融与干湿循环对路基内部压实黄土的影响,减小了季节冻土区黄土路基多级湿陷发生的风险。