道路与桥梁工程地质问题

第三节　道路与桥梁工程地质问题

道路工程是线型工程，往往要穿过许多地质条件复杂的地区和不同地貌单元，使道路的结构复杂化。在山区线路中，崩塌、滑坡、泥石流等不良地质作用都是道路的主要威胁，而地形条件又是制约线路的纵向坡度和曲率半径的重要因素。

一、道路工程地质问题

（一）路基工程主要工程地质问题

道路路基包括路堤、路堑和半路堤、半路堑等形式。在平原地区修建道路路基比较简单，工程地质问题较少，但在丘陵区，尤其是在地形起伏较大的山区修建道路时，路基工程量较大，往往需要通过高填或深挖才能满足线路最大纵向坡度的要求。因此，路基的主要工程地质问题是路基边坡稳定性问题、路基基底稳定性问题、道路冻害问题以及天然建筑材料问题等。

1．路基边坡稳定性

路基边坡包括天然边坡、傍山线路的半填半挖路基边坡以及深路堑的人工边坡等。任何边坡都具有一定的坡度和高度，在重力作用下，边坡岩土体均处于一定的应力状态，随着边坡开挖高度的增长和坡度的加大，其应力状态也在不断改变，当坡体内切向应力大于岩土体的抗剪强度时，边坡即发生不同形式的变形与破坏，其破坏形式主要表现为滑坡、崩塌和错落。

1）土质边坡

土质边坡的变形主要决定于土的矿物成分，特别是亲水性强的黏土矿物及其含量，在地下水的作用下，黏土的膨胀使土体的强度显著降低，加速边坡的变形。影响土质边坡稳定性的因素，除受地质（成分、结构和成因类型）、水文地质和自然因素影响外，施工方法是否正确也有很大关系。如违反开挖顺序、在坡体上堆土加载、修建水池及其他建筑物、不合理开挖便道以及爆破等都能引起滑坡的形成和破坏。

2）岩质边坡

岩质边坡的变形主要决定于岩体中各种软弱结构面的性状及其组合关系，它对边坡的变形起着控制作用（图10-5）。在人工边坡形成临空面的条件下，必须具体分析被切割的山体中各种软弱结构面可能引起滑动和切割岩体的作用，只有同时具备临空面、滑动面和切割面三个基本条件，岩质边坡的变形才有发生的可能。影响岩质边坡稳定性的主要因素是岩石性质、构造情况、岩体结构类型、水文地质条件、边坡要素及其规模以及施工条件等。此外，岩石的风化、大气降水的冲刷、地下水的渗流、温差的变化、干湿的交替、裂隙充填物的吸水膨胀等作用，坡体上的堆积加载，地震以及人类的工程活动等都能影响边坡变形的发生和发展。

2．路基基底变形与稳定性

路基基底稳定性多发生于填方路堤地段，其主要表现形式为滑移、挤出和塌陷。一般路堤和高填路堤对路基基底的要求是要有足够的承载力，它不仅承受车辆在运营中产生的动荷载，而且还承受很大的填土压力，因此，基底土的变形性质和变形量的大小主要取决于基底土的力学性质、基底面的倾斜程度、软层或软弱结构面的性质与产状等。此外，水文地质条件也是促进基底不稳定的因素，它往往使基底发生巨大的塑性变形而造成路基的破坏。如路基底下有软弱的泥质夹层，当其倾向与坡向一致时，若在其下方开挖取土或在上方填土加重，都会引起路堤整个滑移；当高填路堤通过河漫滩或阶地时，若基底下分布有饱水厚层淤泥，在高填路堤的压力下，往往使基底产生挤出变形；也有由于基底下岩溶洞穴的塌陷而引起的路堤严重变形。

图10-5　层面裂隙对边坡的稳定性影响

1．有利型；2．不利型；3．有利型

路基基底若为软黏土、淤泥、泥炭、粉砂、风化泥岩或软弱夹层所组成，应结合岩土体的地质特征和水文地质条件进行稳定性分析。若不稳定，可选用下列措施进行处理：①放缓路堤边坡，扩大基底面积，使基底压力小于岩土体的允许承载力；②在通过淤泥软土地区的路堤两侧修筑反压扩道；③把基底软弱土层部分换填或在其上加垫层；④采用砂井预压排除软土中的水分，提高其强度；⑤架桥通过或改线绕避等。

3．道路冻害

道路冻害包括冬季路基土体因冻结作用而引起路面冻胀和春季因融化作用而使路基翻浆。二者都会使路基产生变形破坏，甚至形成显著的不均匀冻胀和使路基土强度发生极大的改变，危害道路的安全和正常使用。

道路冻害具有季节性。冬季时，在负气温长期作用下，路基土中水的冻结和水的迁移作用，使土体中的水分重新分布，并平行于冻结界面而形成数层冻层，局部地段尚有冰透镜体或冰块，会使土体体积增大（约9%）而产生路基隆起现象；春季时，地表冰层融化较早，而下层尚未解冻，融化层的水分难以下渗，致使上层土的含水量增大而软化，强度显著降低，在外荷作用下，路基会出现翻浆现象。翻浆是道路严重冻害的一种特殊现象，它不仅与冻胀有密切关系，而且与运输量的发展有关。在冻胀量相同的条件下，交通频繁的地区，其翻浆现象更为严重。翻浆对铁路影响较小，仅对公路的危害比较明显。

影响道路冻胀的主要因素有：负气温的高低、冻结期的长短、路基土层性质和含水情况、土体的成因类型及其层状结构、水文地质条件、地形特征和植被情况等。

防止道路冻害的措施有：①铺设毛细隔水材料层，以断绝补给水源；②把粉、黏粒含量较细的冻胀性土换为粗分散的砂砾石抗冻胀性土；③采用纵横盲沟和竖井，排除地表水，降低地下水位，减少路基土的含水情况；④提高路基标高；⑤修筑隔热层，防止冻结向路基深处发展等。

二、桥梁工程地质问题

桥梁由正桥、引桥和导流建筑等工程组成，正桥是主体，位于河两岸桥台之间，桥墩均位于河中；引桥是连接正桥与原线的建筑物，常位于河漫滩或阶地之上，它可以是高路堤或桥梁；导流建筑包括护岸、护坡、导流堤和丁坝等，是保护桥梁等各种建筑物稳定、不受河流冲刷破坏的附属工程。

桥墩台主要工程地质问题包括桥墩台地基稳定性、桥台的偏心受压及桥墩台地基的冲刷问题等，分述如下。

（一）桥墩台地基稳定性问题

桥墩台地基稳定性主要取决于墩台地基中岩土体的允许承载力，它是桥梁设计中最重要的力学数据之一，它对选择桥梁的基础和确定桥梁的结构型式起决定性作用，对造价影响极大，是关键性的资料。

桥墩台地基为土基时，其允许承载力的计算方法和基本原理与大型工业民用建筑物地基是相同的，但是超静定结构的大跨度桥梁，对不均匀沉降特别敏感，故其地基允许承载力必须取保守值；而岩质地基允许承载力主要决定于岩体的力学性质、结构特征以及水文地质条件，按道路工程技术规范规定，一般由岩石强度、节理间距、节理发育密度等来确定地基的允许承载力。但对断层、软弱夹层及易溶岩等，则应通过室内试验及现场原位测试等慎重确定，对风化残积层按碎石类土确定地基的允许承载力。

（二）桥台的偏心受压问题

桥台除了承受垂直压力外，还承受岸坡的侧向主动土压力，在有滑坡的情况下，还受到滑坡的水平推力，使桥台基底总是处在偏心荷载状态下。桥墩的偏心荷载，主要是由于机动车在桥梁上行驶突然中断而产生的，对桥墩台的稳定性影响很大，必须慎重考虑。

工程实践中常采用材料力学中的偏心受力公式来计算矩形平面的桥基，尤其是桥台基底的总压力。

（三）桥墩台地基的冲刷问题

桥墩和桥台的修建，使原来的河槽过水断面减小，局部增大了河水流速，改变了流态，对桥基产生强烈冲刷，有时可把河床中的松散沉积物局部或全部冲走，使桥墩台基础直接受到流水冲刷，威胁桥墩台的安全。因此，桥墩台基础的埋深，除决定于持力层的埋深与性质外，还应满足下列要求。

（1）在无冲刷处，除坚硬岩石地基外，应埋置在地面以下不小于1m处。

（2）在有冲刷处，应埋置在墩台附近最大冲刷线以下不小于表10-6规定的数值。

（3）基础建于抗冲刷较差的岩石上（如页岩、泥岩、千枚岩和泥砾岩等），应适当加深。

复习思考题

1．如何确定地基承载力？

2．路基与桥梁可能存在哪些工程地质问题？

3．洞室围岩稳定性的影响因素与评价方法有哪些？

表10-6　墩台基础在最大冲刷线以下的最小埋深

注：1．净冲刷深度是自计算冲刷的河床面算起的冲刷总深度，即一般冲刷与局部冲刷之和（据《铁路工程地质手册》，略有修改）；

　　2．最大冲刷深度可按300年一遇最高洪水位深度的40%计算。