（土木工程专业论文）雅安砾石层工程地质特性及工程措施研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文调查了雅安砾石层的分布概况和分布地区的地质环境特点，在此基础 上较为系统地讨论了雅安砾石层的成因及相关的工程地质特性，论述了土体边 坡的支护理论，并结合一些具体工点的整治，讨论了雅安砾石土边坡的工程处 理措施。 雅安砾石土的力学性质较差，浸水后，其力学性质更有大幅度的降低，主 要不良地质现象为山坡坍滑。每年雨季，路颦边坡( 包括部分填方路堤边坡) 经常发生表面及深层坍滑，影响了铁路的正常运营，工程整治成了一大难题。 本文综合分析已有的一些病害工点情况，研究了雅安砾石土路基边坡需采取的 工程措施，包括支挡措施、坡面防护以及排水措施等。 本文主要考察了位于成昆线k 2 1 0 + 7 0 1 + 9 0 0 地段的病害情况，该病害采 用了以重力式挡土墙为主的综合处理措施。通过检算，本文所设计挡土墙设计 符合力学要求。 根据目前的营运情况，浚工点路基边坡稳定，基本解决了边坡坍滑的病 窖，蜕明本文中所采取的工程处理措施是经济可行的，为今后类似工程提供了 参考。 关键词：雅安砾石层工程地质特性重力式挡土墙 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t b a s i n go f ft h es u r v e yo f t h el a y e r s e x i s t i n gs i t u a t i o na n dg e o l o g y ，t h ep a p e r d i s c u s s e sc o m p a r a t i v e l yt h ec a u s eo ff o r m a t i o na n dt h eg e o l o g i cf e a t u r eo fg r a v e l l a y e r si na r e ao fy a a n o fs i c h u a np r o v i n c e ，t h ep a p e rd e m o n s t r a t e st h ee n g i n e e r i n g m e a s u r eo ft h eg r a v e ls l o p ec o m b i n i n gs o m er e m o v a lw o r ka c c o r d i n gt ot h es l o p e s h o r i n gt h e o r y t h em e c h a n i c sb e h a v i o ro ft h eg r a v e ll a y e r si sc o m p a r a t i v e l yb a de s p e c i a l l y a f t e rs o a k i n gt h ec o l l a p s i n ga n ds l i p p i n go fs l o p ea r et h et y p i c a lg e o l o g i c a ld e f e c t s t h a ti n d u c et h ec o l l a p s i n go fs l o p ei nc u t t i n g sa n ds o m ee m b a n k m e n t s t h ed e f e c t s m o s tt a k ep l a c es u r f a c eo rd e e pi a y e ra n di n f l u e n c et h e n o r m a lr u n n i n go ft h e r a i l w a yi nt w os e a s o n s t h e r e f o r e ，v a r i o u s t r e a t m e n t ss h o u l db et a k e nt or e m o v et h e d e f e c t so fe m b a n k m e n t ，i n c l u d i n gs h o r i n g ，s l o p ep r o t e c t i o na n dd r a i n a g e ， t h i sp a p e re x a m i n e sc o m p r e h e n s i v e l yt h ed e f e c t sl y i n gi n k 2 1 0 + 7 0 l + 9 0 0 o ft h ec h e n g d u - k u n m i n gr a i l w a ya n dt a k e st h et r e a t m e n to fg r a v i t yr e t a i n i n gw a l l s a n do t h e rt r e a t m e n t s t h ed e s i g no fr e t a i n i n gw a l li s a c c o r dw i t ht h em e c h a n i c s r e q u e s ta f t e rt e s t i n ga n dc a l c u l a t i n g a c c o r d i n g t ot h ep r e s e n to p e r a t i o ns i t u a t i o n ，t h ee m b a n k m e n t i si ns t a b i l i t ya n d t h ed e f e c t sh a v e b e e ne l i m i n a t e d t h em e a s u r et a k e ni nt h i sa r t i c l ei sf e a s i b ea n d e c o n o m i c a l k e yw o r d s ：g r a v e ll a y e r si na r e a o fy a a n ， g e o l o g i cs p e c i f i cp r o p e r t y ， g r a v i t yr e t a i n i n g w a l l 一_ _ ，、一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 前言 第1 章概述 雅安砾石层广泛分布在成都平原及其周边，组成起伏不大的低缓丘陵，延 至名山、蒲江、邛崃，分布范围约数千平方公里，沙湾以南至峨边，沿河低山 地带办常见分布。表现特征为粒径达4 8 c m ( 个别漂石可达6 0 c m ) 、以石英岩 为主的砾石混以粘土，往往被判定为“泥砾”。上个世纪4 0 年代李春昱将其定 名为雅安砾石层，认为属冰永成因，时代属中更新世；5 0 年代李承三将其定 为青衣江冰川名、邛冰汛。1 9 5 8 年成都地质学院水文工程地质教研室在人工 露头中观察到大量仅存砾石外形但已风化成粘土的火成岩砾石，断定粘土为砾 石风化产物而非原始沉积，根据砾石磨圆度及分选度断定是河流冲积砾石层。 8 0 年代，张倬元等在该砾石层的分布范围的1 0 7 个点上各点随机抽取了1 0 0 块砾石，进行了全面、详细的分析，迸一步肯定了其冲积成因。 雅安砾石土以卵石、砾石为主，约占6 0 8 0 ，夹有粘土、砂、砂粘 土浅黄色至棕黄色，厚4 6 m ，个别处可达数十米，常与透镜状的砂层或 砂粘土层相交错。所夹粘土的性质与上覆粘土相似。砾石土中充填的粘土及风 化物颗粒较小。粘粒含量多，比表面大，可塑范围变化大，其稳定性较差。主 要不良地质现象为山坡坍滑，主要地质问题是雅安砾石层的路堑滑坡及浅表性 坍滑。每年雨季，路堑边坡( 包括部分填方路堤边坡) 经常发生表面及深层坍 滑，影响了铁路的正常运营，工程整治成了一大难题。 本文深入讨论了雅安砾石土工程力学性质，论述了土体边坡支护问题，并 结合一具体病害工点的整治，讨论了雅安砾石土边坡的工程处理措施等。根据 目前的营运情况，该工点路基边坡稳定，基本解决了边坡滑塌的病害。为今后 类似工程提供了参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 体边坡支护理论 路基土体边坡多由岩土所筑成，大面积地暴露于空间，长期受自然因素的 侵蚀，岩土在不利的水、温等条件作用下，物理力学性质不断发生变化其中 工程上最关心的是力学强度的降低而导致边坡失稳。路基常见病害包括： ( 1 ) 路堤的沉陷；( 2 ) 路基边坡的坍方；( 3 ) 路基沿山坡滑动：( 4 ) 特殊 地质水文情况的毁坏如：滑坡、岩堆、错落、泥石流、雪崩、岩溶、地震及特 大暴雨。为确保路基的强度和稳定性，路基支挡、防护与加固( 简称支护) 是 不可缺少的工程技术措施。雅安砾石层力学性质较差，边坡防护困难，本章在 讨论路基支护理论的基础之上。提出适合于雅安砾石层土体边坡的路基支护 技术。 合理的路基设计，应在路基位置、横断面尺寸、岩土组成等方面综合考 虑。路基防护工程是防治路基病窖、保证路基稳定、改善环境景观、保护生态 平衡的重要设施。选用防护类型应根据铁路等级、当地气候、水文、地形、地 质条件及筑路材料分布情况确定，并与周围景观协调。坡面防护，主要是保证 路基边坡坡面免受雨水冲刷，减缓温差及湿度变化的影响，防止和延缓软弱岩 土表面的风化、破碎、剥蚀演变过程，从而保护路基边坡的整体稳定性，在一 定程度上还可以改善路容，美化铁路。 路基边坡支挡措施包括挡土墙、抗滑桩、锚索以及由此而派生出的种种支 挡工程等。挡土墙是支撑路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳，而 承受侧向土压力的建筑物。它在铁路工程中被广泛地用于支撑路堤或路堑以及 隧道洞口、桥梁两端的路基边坡和河流岸壁等。 土压力的计算是基于各种不同的假定和简化而求得的。所采用的各种计算 图式一方面应不使计算工作过于繁难，同时还要保证计算结果具有一定的可靠 性。本文采用库仑土压力计算理论进行重力式挡土墙设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 雅安砾石土边坡土体支护设计与实践 雅安砾石土的力学性质较差，容易发生坍塌，且浸水后，其力学性质有大 幅度的降低，因此雅安砾石土路基边坡需要采取综合的工程措旌加以防护，包 括支挡措施、坡面防护以及排水措施等。2 0 0 1 年成昆线k 2 1 0 + 7 0 1 k 2 1 0 + 9 0 0 段，发生了一次较严重的水害。该地段路基断面为挖方路堑，路堑 边坡土质为雅安砾石土，右侧靠山部分刷坡坡度为1 ：1 3 5 ，堤下为大渡河， 水流湍急，右侧山坡高较高，植被情况一般，坡面路基土质为雅安砾石土。该 种土质在天晴时易开裂，和易性好，吸水后膨胀，可塑性高。在7 月1 日7 月9 同炎热天形成了多条裂缝，后经1 0 日1 5 日的雨水浸泡后，雨水渗入裂 缝形成滑层，土体随之下滑形成溜坍体，下溜掩埋线路造成水害，终断行车。 坍体坡顶距线路中线2 0 米，高1 5 米，坍体体积为1 9 9 2 0 1 5 米，计5 9 7 0 方，上道掩埋线路1 2 0 米，计1 8 0 0 方。经现场钻孔得出地质资料，垂直坡面 以下1 2 6 米为雅安砾石土；以下5 5 米为粗砂层；再以下4 8 米为砾石层；土 体内无明显含水饱和层，确定无深滑层。该段病害为坡面浅层溜坍。病害工点 采用以重力式挡土墙为主的综合处理措施。本工点地处山区，石料来源较为丰 富，取材容易，据此，采取了以重力式挡土墙为主，辅以拱型护坡以及天沟、 吊沟、植被防护的综合处理措施。具体如下： ( 1 ) 重力式挡土墙：承受边坡土压力，阻止其下滑； ( 2 ) 拱型骨架护坡：稳定边坡表层溜坍体； ( 3 ) 天、吊沟等排水设施：排除地表水，减少水对路堑边坡的危害。 ( 4 ) 植被防护：覆盖表土，防止雨水冲刷；调节土壤湿度，防止裂缝 产生；固结土壤，防止坡面风化剥落，同时还能起到保护环境，美化路容的 作用。 文中还对病害工点的整治工程进行了较详细的概预算及施工组织设计，进 步保证了工程的顺利进行。该段路基的综合处理方案起到了较好的效果，经 过三年多来的运营实践表明，该段路基边坡稳定，保证了成昆线的畅通。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 4 本文主要工作内容 本文主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 雅安砾石层的地质成因及工程地质特性分析； ( 2 ) 土体支护理论分析： ( 3 ) 雅安砾石土工程防护与支挡建筑物设计。 ( 4 ) 根据对雅安砾石土边坡的支护实践，作者得到了一些有意义的结 论，可作为类似工程的参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章雅安砾石层地质成因及工程地质特征分析 2 1 概述 雅安砾石层属新生界第四系中更新统( q 2 ) 。广泛分布于成都平原及周 边一带，形成起伏不大的低缓丘陵，延至名山、邛崃、蒲江、沙湾以南至峨边 沿河低山地带亦常见分布，分布范围约数千平方公里。成都至峨眉一带，往往 组成i i 、i i i 级阶地，上部为成都粘土，下部为雅安砾石层。 雅安砾石土一般由卵石、砾石组成骨架，并且为杂色粘土、砂及砂粘土所 充填。卵石、砾石含量占6 0 8 0 ，主要成分为板岩、花岗岩、基性火成岩 及砂岩等，粒径一般4 8 厘米，越向南，卵石、砾石的保持越好，且粒径亦 偏大，个别漂石达6 0 厘米。卵石、砾石磨圆度好，分选性差，在水平、垂直 方向变化都很大，常夹有砂层或砂粘土层透镜体。成都附近的雅安砾石层，严 重风化，有的卵石砾石虽然仍保持原形，但已风化成粘土或砂，土体强度大为 降低；眉山以南，风化作用逐渐减弱，砾石含量逐渐增强，土体强度也逐步有 所提高。 雅安砾石土的分布地区属川西温湿区，风力不大且多阴雨，年平均降水量 1 0 0 0 1 6 0 0 m m ，年平均蒸发量1 0 0 0 1 2 0 0 m m ，年平均气温1 6 1 7 5 。由 于雨量较充沛，第四系地层广泛发育。雅安砾石层为弱含水层，由大小不等的 砂砾卵石央粘土所组成。含水层多断续分布，水量微小。与下伏白垩系砂岩、 页岩的接触带中含水较多，在成都至眉山间，此接触带通常埋藏较浅，常为铁 路路斯开挖所揭穿，易引起边坡沿接触带的变形，成为较普遍的工程地质问 题，如图2 1 、2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 1 雅安砾石层边坡滑动 图2 2 雅安砾石层边坡溜坍 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 雅安砾石层的分布概况及成因分析 2 2 1分布概况 雅安砾石层属新生界第四系中更新统( q 2 ) ，主要围绕岷江水系、青衣 江水系及大渡河初段( 乐山峨边) 展开分布。北至都江堰、绵竹，西至名 山、雅安，东至仁寿，南至峨边，都有连续或间断性分布，分布范围数千平方 公里。在该分布区域内，笔者认为分布于不同水系的砾石层，其形成年代相 近，形成原因及条件类似，故而形成的结果也类似尽管这些砾石层的形成 可能来自不同水系。 2 2 ，2成因分析 简单来讲，雅安砾石层的成因主要有冰水沉积和河流冲积两种说法。前者 认为在第四纪中期，由雅安冰期的冰川携带大量与杂色粘土相混杂的卵砾石， 运动到川西平原后，冰川融化。粗颗粒在下部形成砾石层，其上沉积粘土层， 即冰川“泥砾”，这一说法以雅安砾石层的定名者李春昱及李承三为代表，李 承三在5 0 年代将其定为“名、邛冰汛”。而后者以张倬元为代表。 1 9 5 8 年成都地质学院水文工程地质教研室在人工露头中观察到大量仅存 砾石外形但已风化成粘土的火成岩砾石，断定粘土为砾石风化产物而非原始沉 积根据砾石磨圆度及分选度断定是河流冲积砾石层。而后沉积学的发展、粒 组分析以及电子计算机的应用更有利于定量研究砾石层的成因。自1 9 7 9 年开 始，张倬元等在该砾石层的分布范围的1 0 7 个点上各点随机抽取了1 0 0 块砾石 测定了粒态、粒度、粒向、风化程度及成份，并根据砾石层分布条件和各次趋 势分析的拟合优化、方差检验选出了最合适的趋势面；结合野外对砾石层结构 构造特征组合的观察和砾石空隙间与二次结构中的粘土、炭化木、泥炭等以 钾氩、c 1 4 等同位素测定的年代，以及x 光、差热分析、化学成分分析等 方面的资料论证了砾石层的来源、搬运介质、搬运方式以及古水流方向，进一 步肯定其冲积成因。笔者对岷江水系、青衣江水系内作小范围调查，也认为在 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 不同水系范围内形成的性状相似的砾石层单幽冰水沉积石等冲积成因解释得更 完全。 2 - 3 分布地区的相关情况 2 3 1地貌与气候 地貌 雅安砾石层基本分布于川西平原地形较为平缓，海拔在4 0 0 8 9 0 m 间， 地势呈南西向北东倾斜，最高点在雅安万古一带，较大河流有岷江、青衣江 等。由于近期地壳上升作用，沿河形成阶地，雅安砾石层一半多分布于i i 级阶 地上。阶地经剥蚀切割后，阶面波状起伏，形成坳谷及垄岗。公兴、普兴及眉 山、央江一带，次级肋状冲沟较发育，构成连续分布的馒头状丘，自然陡坎极 少见，但小型的浅层滑坡、坍塌现象较普遍，人工开挖的边坡多发生坍塌。 气候 地区气候温和湿润，据成都气象站近2 0 年的气象资料表明：相对湿度在 8 0 左右，年均气温t 6 4 c ，年均降水量1 0 0 0 m m - 1 6 0 0 m m ，雨量集中于6 、 7 、8 、9 月，最大月降水量2 2 5 2 6 5 m m ( 7 、8 月) ，最大日降水量1 4 0 r a m ； 年均蒸发量1 0 0 0 m m - 1 2 0 0 m m ，最大月蒸发量1 2 5 1 4 0m m ( 5 8 月) ；年均 地温1 8 2 0 c ，夏秋季地温同差1 8 c 左右，随深度的增加，地温变化幅度渐 小。由于7 、8 、9 月份降水量大于蒸发量，相对湿度大，土体傈水条件良好， 易塑变。 2 3 2地质与地层构造 地层 雅安砾石层的地层自上而下一般主要由粘土层、雅安砾石层及白垩纪红色 页岩所组成，其特征是： 以卵石、砾石为主，约占6 0 , - , 8 0 ，夹有粘土、砂、砂粘土，颜色由浅黄 色至棕黄色，厚度一般为4 6 m ，最厚可达l o m ，普兴一带有尖灭现象。卵 匹南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 石、砾石成分为板岩、片岩、花岗岩、基性火成岩及砂岩等，粒径变化较大， 一般在4 - 8 c m ，越向南，卵石、砾石的保持性越好，且粒径亦偏大，个别漂石 可达6 0 c m 。卵砾石磨圆度较好，分选性较差，在水平与垂直方向上变化都很 大，常和透镜状的砂层或砂粘土相交错。 该层结构较紧密，成都至青龙场一带，其中具有不同方向的枝状或网状发 育的缝隙，充填有白色、浅紫色粘士。卵、砾石成分除少量石英岩质未风化以 外，其余风化成土状或砂状，但仍保持原颗粒外形。 地质构造 上覆粘土、雅安砾石层与下覆白垩系呈不整合接触。在沙河堡地区狮子山 一带，可见清晰的白垩纪页岩向雅安砾石层的逆断层，断层约3 m ，产状为 n 3 0 。w 2 5 0 s w ，在断层上盘页岩中，可见小型舒坦褶曲；在页岩、雅安砾石 层、成都粘土中可见到上下贯通的构造节理，特别是在后两层中，节理平坦而 光滑，延伸长度约7 n 8 m ，节理产状主要有n 3 0 。6 0 0 w 5 8 。8 0 。s w 和 n 1 0 。7 5 。e 6 2 。- 8 5 。s e 两组，由于裂隙或节理的存在，为地下水活动创造了条 件，降低了土、石的物理力学强度。 蒲江以南黄土坡白垩纪硅红色长石石英砂岩逆掩在砾石层上，逆冲牵引现 象明显，破碎带宽约4 0 m ，断层走向n e 5 0 0 ，倾角4 8 。，目前仍在活动。1 9 7 7 年8 1 1 月地震测量队实测其两盘相对上下位移0 5 1 m ，看来倾向滑动分量较 大，向北西方向逆冲积压的现象很明显。从现代构造应力分析，名山、万古一 带应属上升地区。 2 3 3水文地质条件 雅安砾石层基本都分布于川西平原区，地形地势较平坦，雨量充沛，地下 水主要出大气降水补给，且具有明显的季节性，冬少夏多，地下水的主要类型 为冲积洪积层中的潜水，雅安砾石层上覆粘土层以及下覆白垩系砂、页岩 中地下水的特点如下： 雅安砾石层 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 雅安砾石层为弱含水层，有大小不等的沙砾卵石夹粘土所组成，因所夹粘 土较多，其透水性不佳，渗透途径主要靠节理裂隙，即由上覆粘土层的裂隙得 到补给；出露于地表的砾石层，则直接受大气降水补给，由于该层的成分、结 构不均，且具少量孔隙或裂隙潜水，含水层多断续分布，水量微小，类似上层 滞水，仅在砂层透镜体中，含水量较大，地下水埋深一般8 1 2 m ，大多分布 于该层底部，即与下伏白垩系砂岩、页岩的接触带中含水较多。在成都至属山 间，此接触带埋藏较浅，常为路堑开挖新揭穿，易引起边坡沿接触带的变形。 雅安砾石层的渗透系数k = 0 0 1 4 - - 0 0 3 5 r r d d ，滑体内k = 0 0 2 3 0 2 8 6 m d ，属不 均质的弱透水层。 上覆粘土层 雨水沿地表裂隙通道渗入土体，由于裂隙分布不均，故水位高低不一，无统 一地下水面，一般埋深1 - - - 4 m ，水量大小不等。渗透系数k = 0 0 0 2 , - - , 0 0 l1 2 m d ， 在滑坡体的粘土中，k = 0 0 0 7 0 0 1 m d ，属极弱透水层。 白垩系砂岩、页岩 接受上覆雅安砾石层及粘土层中的空隙或裂隙水的补给，主要分布在岩层 顶部的风化层中，水量较上覆层大，部分地区具承压性质。由于风化层裂隙发 育，有较好的透水性，渗透系数变化范围大，一般为o 0 1 3 0 0 2 8 m d ，在滑坡 边缘为0 1 7 2 6 9 9 r n d ，最大可达9 1l m d 。 以上各层地下水的水力联系，首先由大气降水由上层粘土裂隙渗入，然后 沿雅安砾石层中的裂隙移动，因这些裂隙并不完全贯通，故不能全部把粘土层 或砾石层当作含水层。当裂隙水自上而下到达砂页岩层时，由于其顶部裂隙较 多，且多为而浅，分布零乱的风化节理，因此在雅安砾石层底部和砂、页岩顶 部常形成含水层，并进一步促使砂页岩软化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 4 雅安砾石层的相关工程地质特性 2 4l沉积特征 本文重点阐述沉积特征中反映工程地质特性的支撑结构，对说明雅安砾石 层成因的组构及沉积层理不予赘述。 根据粒屑的接触关系，砾石可分为粒屑支撑和基质支撑两种结构：搬运介 质为一定强度的水流，细粒屑呈悬移载荷，这时沉积下来的较粗大的粒屑相互 接触，形成粒眉支撑结构：当流动介质中有大量悬移载荷或者密度大的流体， 则大小粒屑同时混杂沉积，粗大