路基工程地質結構

理論與實踐長安大學李家春博士、副教授1318603817602982334443fz03@長安大學5/10/20251講座主要內容一、本理論的發展過程二、幾個基本概念三、路基工程地質結構四、土體結構、巖體結構及路基結構效應五、路基工程地質結構分析方法六、在工程中應用大約需180分鐘5/10/20252公路災害防治研究所李家春在研究公路地質災害的判別、評價、分析計算時，首先應建立地質模型。孫廣忠先生提出的巖體結構力學是建立地質模型的理論基礎。于2007年，作者提出“邊坡工程地質結構論”，隨后改為“路基工程地質結構論”。一、本理論的發展過程5/10/20253公路災害防治研究所李家春一、本理論的發展過程(續)在我國干線公路災害整治工程調查與治理方案選擇中，應用“路基工程地質結構理論”，為工程提出了合理化建議。在多次交通部西部干部培訓及其他培訓中，作為培訓內容進行講解，受到廣大基層人員的歡迎。本理論也在實踐中得到發展和完善。5/10/20254公路災害防治研究所李家春常見路基地質災害1、滑坡：邊坡中存在傾向臨空的緩傾軟弱帶，由于開挖或填筑等原因使斜坡下部失去支撐，在重力作用下，巖土體整體沿軟弱帶向下、向前滑動的現象。公路工程中出現最多的是堆積層沿基巖頂面滑動的堆積土滑坡、順傾巖層的順層滑坡、斷層破碎帶的破碎巖石滑坡。此外，還有粘性土滑坡、黃土滑坡、昔格達層滑坡等。5/10/20255公路災害防治研究所李家春常見路基地質災害（續）2、崩塌：風化破碎的高陡邊坡，由于一組或多組結構面組合，將巖體切割成大小不等的塊體，主變形結構面陡于邊坡坡率，常在結構面與邊坡坡面結合部首先破壞，后部巖體失去支撐時產生崩落、倒塌、翻滾和剪切下錯的變形破壞現象。多數為局部邊坡變形。5/10/20256公路災害防治研究所李家春常見路基地質災害（續）3、坍塌：介于滑坡與崩塌之間的邊坡破壞形式。沒有固定的滑動面，主要產生于邊坡表面松散的風化破碎層，在自然風蝕、干濕循環和強降雨的表水作用下，或因開挖后地下水滲流條件改變，坡腳或滲水處巖土被軟化、強度降低而引起上部邊坡失穩。是公路邊坡出現頻次最多的災害類型。5/10/20257公路災害防治研究所李家春常見路基地質災害（續）4、錯落：陡傾斜坡地段，坡體中發育一組陡傾的結構面，且下臥一層一定厚度的軟弱破碎帶，形成基座式坡體結構，當軟弱帶產生壓縮變形，上履巖體沿陡傾結構面下錯、張開，巖體以垂直位移為主，水平位移為輔。軟弱帶稱為錯落帶。5/10/20258公路災害防治研究所李家春常見路基地質災害（續）5、傾倒：陡傾的薄層狀巖層，在開挖或溝谷下切卸荷過程中，邊坡松弛，沿結構面產生剪切位移，向臨空面緩慢彎曲變形的現象。此外，還有坡面病害：落石、碎落、坡面沖刷、溜坡等邊坡病害。5/10/20259公路災害防治研究所李家春常見路基地質災害（續）6、路基沉陷7、路基塌陷8、下邊坡垮塌9、路基洪水災害（沖刷、淹沒）10、泥石流可見，災害類型多，形態各異，成因復雜5/10/202510公路災害防治研究所李家春二、幾個基本概念－－巖土巖石巖體巖層土壤/土土體第四紀松散堆積物堆積層巖土5/10/202511公路災害防治研究所李家春二、幾個基本概念－－路基路基－系統地基基底基礎邊坡路基形式路基結構邊坡結構5/10/202512公路災害防治研究所李家春二、幾個基本概念－結構土體結構－土的結構巖體結構－巖石結構巖土體結構邊坡結構路基結構5/10/202513公路災害防治研究所李家春路基斷面圖式路堤低填淺挖半填半挖路塹路基沉陷與塌陷路基滑移與滑坡路基坍塌與崩塌5/10/202514公路災害防治研究所李家春以軟土地區路堤為例最簡單的形式：當基底為軟土，厚度均勻，則路基會發生均勻的沉降，可能的破壞方式為兩側均從坡腳，路堤出現縱向裂縫或側向變形、下沉?？捎盟槭瘶?、擠密樁等均勻加固處理。5/10/202515公路災害防治研究所李家春其他對稱式處理方式基底填一層卵礫石層反壓護坡換填砂礫5/10/202516公路災害防治研究所李家春如果地基軟土厚度變化大路基的變形破壞方式及處理與上面情況不同。地基處理必然是不對稱的方式，如下圖所示。也可在地基一側設隔墻。5/10/202517公路災害防治研究所李家春側向約束法系桿夯石堆5/10/202518公路災害防治研究所李家春路基的工程地質結構決定了路基的力學性質、變形性質路基工程地質結構5/10/202519三、路基工程地質結構路基工程地質結構：由外部形態、內部結構面及路基巖土組合而成的系統。路基幾何形態內部結構面巖土工程性質三個要素，一個系統三部分相互影響互為依存，并構成路基結構系統5/10/202520公路災害防治研究所李家春路基工程地質結構的性質三要素相互依存、相互聯系和作用因結構而產生新的力學性質和變形性質結構的多樣性和復雜性自然結構與人工結構共存存在不同尺度的結構，決定了不同的路基性能－－結構控制性是開放的系統，受環境影響或制約5/10/202521公路災害防治研究所李家春路基工程地質結構類型巖體結構：整體結構塊狀結構層狀結構碎裂結構土體結構：均質層狀透鏡體邊坡幾何形態：階梯直線折線巖石工程類型，土的工程類型組合為多種類型路基形式：路堤挖方半填半挖路塹5/10/202522公路災害防治研究所李家春路基工程地質結構理論框架內部結構水理效應力學效應變形效應路基材料路基形態路基結構地震地應力水人類5/10/202523公路災害防治研究所李家春路基斷面類型路塹路塹邊坡1、從半坡剪出破壞2、從坡腳剪出破壞3、崩塌路基形態5/10/202524公路災害防治研究所李家春路基斷面類型臺口式路基臺口式挖方路基1、上邊坡滑動破壞2、上邊坡崩塌破壞3、下邊坡垮塌或滑坡路基形態5/10/202525公路災害防治研究所李家春路基斷面類型半填半挖基半填半挖路基1、上邊坡破壞與前述相同2、下邊坡滑移原地面線路基形態5/10/202526公路災害防治研究所李家春路基斷面類型路堤路堤1、路堤不均勻沉降2、路堤邊坡側向滑移長安大學公路災害防治研究所李家春路基形態5/10/202527公路災害防治研究所李家春路堤不均勻沉降及其結構不均勻沉陷不允許變形總沉降量包括地基沉降量和填土沉降量。5/10/202528公路災害防治研究所李家春巖土工程分類巖石：堅硬、次硬、軟弱土：巨粒土、粗粒土、細粒土（粉性土、粘性土），特殊土（黃土、紅粘土、凍土、鹽漬土、沙漠、膨脹土、…）路基材料5/10/202529公路災害防治研究所李家春土的分類成因分類：沖積、洪積、湖積、風積、坡積、殘積、冰磧，等。還有復合類型。粒度分類：巨粒土、粗粒土、細粒土，特殊土。（細粒土再根據塑性圖分。）施工：松土、普通土、硬土、（軟石、次堅石、堅石）密實程度：密實、中密、稍密、松散路基材料5/10/202530公路災害防治研究所李家春土體的概念土體是與一定的工程建筑物的變形和穩定相關的新第三紀以來（通常為第四紀）的地質體。作為土體的組成可以是單一土層的均質土體，也可以是多種性質的多層土層構成的復雜土體。因此，在后一種情況下土體性質不等于某一土層的性質，也不等于各個土層性質的簡單疊加，而是聯合作用相互影響的有機整體。路基材料5/10/202531公路災害防治研究所李家春土體的微結構與宏觀結構當土體的規模較小或性質較均一時，土的微結構可以代表土體的結構。例如，粘性土的微結構概念中既包括土的顆粒組成、顆粒之間的相互關系，游離氧化物、有機質、可溶鹽在土中存在形式。路基材料5/10/202532公路災害防治研究所李家春巖石結構與巖體結構因為巖體結構面的強度遠遠小于巖石材料強度，所以巖體的強度更多地依賴于巖體的宏觀結構－－巖體結構。當結構面對工程有利，如反傾，則巖石結構發揮更大作用。路基材料5/10/202533公路災害防治研究所李家春土體中的節理裂隙以膨脹土為例，它除了具有一般粘性土的微結構外，土體中存在著網狀的收縮裂，光滑的膨脹裂隙，某些情況下還有古滑坡產生的滑坡裂隙，以及層間軟弱夾層，甚至有些地方有構造裂隙和第四紀斷層。黃土中節理裂隙也很發育，特別是垂直裂隙。－結論：巖體和土體中都有節理裂隙。5/10/202534公路災害防治研究所李家春土體結構的含義由各種土層構成的土體的宏觀結構，不僅包括了土層組合，又包括了土層間和土體與巖體間的界面特征、產狀和相互關系。土體的結構效應表現在：力學性質、變形性質、水理性質。5/10/202535公路災害防治研究所李家春對土體結構的認識途徑超宏觀結構－－宏觀結構－－顯微結構－－超顯微結構宏觀結構不是微觀結構的疊加5/10/202536公路災害防治研究所李家春土體的結構效應－膨脹土滑坡膨脹土邊坡邊坡開挖后邊坡表層的土體在干旱季節遭受強烈的風干脫水，土體收縮并形成大量的收縮裂隙，向土體內部脫水收縮程度明顯地減弱，因此它存在著風化影響深度問題。示意圖5/10/202537公路災害防治研究所李家春在膨脹土風化影響深度范圍內，由于大量裂隙的存在，土的性狀和結構強度均與風化影響深度以下的土體具有顯著的區別。膨脹土滑坡幾乎全部位于風化帶內，受風化帶界面的控制示意圖5/10/202538公路災害防治研究所李家春其破壞機埋是大氣降水滲入風化帶內，特別是滲至風化界面處停滯下來，使裂隙和風化界面部位的粘土物質發生水化和膨脹，并導致強度衰減和邊坡破壞?；瑒悠茐牡纳疃却蠖嘣?米以內。因此對膨脹土邊坡必須采取防風干脫水全封閉的工程措施。示意圖5/10/202539公路災害防治研究所李家春當土體中，有不同土層之間層面，或夾極薄軟弱土層或呈光滑界面接觸，這種軟弱土層或界面的存在，以及界面與邊坡坡向的關系，往往控制或導致邊坡的破壞。5/10/202540公路災害防治研究所李家春土體的結構效應－黃土滑坡通過調查發現，純粹的黃土中形成滑動面而產生滑坡是很少見的。5/10/202541公路災害防治研究所李家春黃土滑坡多發于結構面出露時不同黃土層的接觸面，新黃土與老黃土古土壤層黃土與砂礫石層黃土與下伏基巖接觸面黃土與第三紀紅粘土接觸帶（最多）5/10/202542公路災害防治研究所李家春邊坡結構對其穩定性的影響主要是邊坡中存在古土壤、紅粘土、礫石層、黃土與基巖接觸面等。由于它們的存在，黃土邊坡呈層狀結構，或“上土下巖”的二元結構。5/10/202543公路災害防治研究所李家春黃土邊坡結構示意垂直節理裂隙發育，土層的垂向差異性，決定了黃土邊坡的穩定性。5/10/202544公路災害防治研究所李家春雖然黃土地區地下水較少，但黃土層中的砂層透鏡體與具有隔水意義的古土壤層、黃土中的礫石層或黃土高階地下的砂礫石層與下伏的第三系紅粘土或泥巖、頁巖，可以組成較好的含水系統，這將嚴重影響到邊坡的穩定性。5/10/202545公路災害防治研究所李家春土體結構的水理效應由多個土層構成的土體含水、透性性不同，表現出的水理性質也與土層的空間分布及相互關系密切相關。邊坡中粘土透鏡體5/10/202546公路災害防治研究所李家春土體水力學效應往往控制著邊坡的穩定性土體中滑動面往往是潛水面5/10/202547公路災害防治研究所李家春土體的聯合作用與沉降有關的：上硬下軟，上軟下硬應力集中和應力擴散現象5/10/202548公路災害防治研究所李家春與地震效應有關的：地震液化、破壞效應當地下水條件相同，前者易液化，后者不易液化。所需覆蓋層厚度與孔隙水壓力大小有關。5/10/202549公路災害防治研究所李家春結構面從宏觀上，將路基范圍內的結構面分為兩種：工程結構面和地質結構面。工程結構面：填挖交界面，填方與原地表接觸面，不同填料之間的過渡面或接觸面，結構物與巖土接觸面。地質結構面：原生結構面、構造結構面、次生結構面5/10/202550公路災害防治研究所李家春巖體結構面成因類型原生結構面沉積結構面：層理、軟弱夾層、不整合面、沉積間斷面巖漿結構面：侵入體與圍巖接觸面、巖脈或巖墻接觸面、原生冷凝節理變質結構面：片理、片巖軟弱夾層構造結構面節理（X型、張性）、斷層、層間錯動、羽狀裂隙或劈理次生結構面卸荷裂隙、風化裂隙、泥化夾層、次生夾泥層5/10/202551公路災害防治研究所李家春巖體結構面的規律1．在均勻應力場內節理在層面和中間主應力面上是近正交的棋盤格式分布2．在平緩巖層或輕度構造區的巖體剖面上常存在有X形式分布的節理，它的產狀常呈緩傾，傾角多低于40度．5/10/202552公路災害防治研究所李家春地質結構面規律3．節理共軛成組出現，劈理單枝成組出現4．位于均勻應力場內的均質巖體或等厚巖體內的結構面呈等距性分布，不均勻應力場內或不等厚巖體內結構面不呈等距性分布，節理間距與巖層厚度成比例關系。5.不同巖性巖層內節理不切層。5/10/202553公路災害防治研究所李家春地質結構面規律6．層間錯動普遍存在，但多發育在軟弱夾層的頂、底板上。7．在一定巖性組成巖層內發育的結構面組數是有一定限度的，堅硬巖層的節理組數少，軟弱巖層的節理組數多。可多于6組，一般來說少于8組，斷層一般少于3組5/10/202554公路災害防治研究所李家春地質結構面規律8．節埋可分為顯節理和隱節理，隱節理在震動或風化作用下可轉化為顯節理，即開裂節埋，隱節理又可視為閉合膠結節理。9．斷層帶寬度，斷層交匯帶的寬度與巖性、斷層的力學屬性有關。10．按力學性質結構面可分為堅硬結構面與軟弱結構面面。5/10/202555公路災害防治研究所李家春結構面的特征規模形態物質組成延展性密集程度張開度與充填膠結5/10/202556公路災害防治研究所李家春結構面的力學性質單向擠壓應力下可形成五組結構面：彎張結構面壓性結構面（不發育，少見）剪性結構面（兩組）拉張性5/10/202557公路災害防治研究所李家春結構面的力學性質力偶作用下可形成兩組結構面：張扭性結構面壓扭性結構面重力卸荷下形成結構面5/10/202558公路災害防治研究所李家春在工程荷載作用下，結構面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特性。在工程荷載作用下，結構面的變形將極大地改變巖體的滲透性、應力分布及其強度。工程荷載作用下，巖體中應力分布受結構面及其力學性質的影響。5/10/202559公路災害防治研究所李家春巖體結構及其力學作用（孫廣忠）5/10/202560公路災害防治研究所李家春四級:幾十厘米到20－30米，是構造巖塊的邊界面，破壞了巖體的完整性，影響巖體的力學性質，是結構面統計分析和模擬的對象。五級:數厘米到30cm，隱節理、微層理、微裂隙，不發育的片理、劈理，又稱微結構面。包含在巖塊內，主要影響巖塊的物理力學性質。應根據工程規模選擇調查重點。路基工程一般注重對三級、四級結構面的調查。5/10/202561公路災害防治研究所李家春工程結構面填挖交界面填土與原地面界面不同填筑材料之間的界面最危險破壞面結構物與巖土接觸面5/10/202562公路災害防治研究所李家春路基形態+結構面+巖土類型路堤路塹挖方半填半挖水平順層反傾陡傾斜交硬質巖石次硬巖石軟質巖石巨粒土粗粒土細粒土至少4×5×6=120種，因為還有幾組結構面和幾種巖土的組合。5/10/202563公路災害防治研究所李家春巖體結構與邊坡穩定均質的情況應力與應變5/10/202564公路災害防治研究所李家春卸荷裂隙與松動帶5/10/202565公路災害防治研究所李家春改變應力條件達到穩定路基的目的σ3τσ1σ巖體強度線邊坡預加固的力學原理5/10/202566公路災害防治研究所李家春應力變化與分布特點邊坡開挖就是卸荷，改變了主應力方向和大小。卸荷裂隙普遍存在。邊坡穩定的方法可以從三個途徑入手：

保持原有應力場邊坡防護巖體加固－－注漿5/10/202567公路災害防治研究所李家春路基邊坡結構類型巖質邊坡土質邊坡巖質土質復合邊坡整體結構塊狀結構層狀結構碎裂結構散體結構水平接觸面順傾接觸面反傾接觸面黃土膨脹土殘積坡積層巖堆沖洪積層..5/10/202568公路災害防治研究所李家春邊坡結構類型例舉1、巖質水平層狀結構（1）上硬下軟：上部主要為厚層或巨厚層塊狀結構巖體，下部為一定厚度的軟弱破碎巖體，巖層傾角較小，近水平層狀。5/10/202569公路災害防治研究所李家春巖質順傾層狀結構（1）順傾層狀結構：由軟硬相間、互層或間層狀的砂泥巖或其他巖類組成，巖層傾向臨空，巖層傾角一般在10－30度。順層滑坡5/10/202570公路災害防治研究所李家春巖質反傾層狀結構由軟硬相間、互層或間層狀的砂泥巖或其他巖類組成，傾向坡內。主要發生錯落、崩塌。5/10/202571公路災害防治研究所李家春土質圓弧滑面結構崩積巖堆體洪積錐大型斷裂破碎帶5/10/202572公路災害防治研究所李家春土質圓弧滑面結構旋轉型滑動、坍塌5/10/202573公路災害防治研究所李家春巖土復合順傾結構巖石填土殘積層巖石5/10/202574公路災害防治研究所李家春坡體結構類型與滑坡的破壞模式（據王恭先）坡體結構滑坡破壞模式基本類型亞類型類均質體結構（a）均質黏性土結構旋轉式滑動（b）均質黃土狀土結構（c）強風化殘積層結構（d）類均質堆填土結構5/10/202575公路災害防治研究所李家春坡體結構類型與滑坡的破壞模式（據王恭先）坡體結構滑坡破壞模式基本類型亞類型近水平層狀結構(α＜10°)（e）河湖相沉積層結構（f）黃土軟巖層狀結構（g）軟、硬巖互層結構（h）厚層硬巖下伏軟巖結構5/10/202576公路災害防治研究所李家春坡體結構類型與滑坡的破壞模式（據王恭先）坡體結構滑坡破壞模式基本類型亞類型順傾層狀結構(α≥10°)（i）黃土順傾層狀結構（j）堆積土順傾層狀結構（k）巖層緩傾層狀結構（l）巖層陡傾層狀結構5/10/202577公路災害防治研究所李家春坡體結構類型與滑坡的破壞模式（據王恭先）坡體結構滑坡破壞模式基本類型亞類型反傾層狀結構(α≥10°)（m）緩傾層狀結構（n）陡傾層狀結構5/10/202578公路災害防治研究所李家春坡體結構類型與滑坡的破壞模式（據王恭先）坡體結構滑坡破壞模式基本類型亞類型碎裂狀結構（o）碎塊狀結構（p）碎裂狀結構5/10/202579公路災害防治研究所李家春坡體結構類型與滑坡的破壞模式（據王恭先）坡體結構滑坡破壞模式基本類型亞類型塊狀結構（q）似層狀結構（r）眼球狀結構5/10/202580公路災害防治研究所李家春結構分析的原則與步驟巖土類型及性質、結構面性質及布局、環境條件5/10/202581公路災害防治研究所李家春路基工程地質結構分析原則巖性組合分析原則結構面控制原則路基形態相關原則系統分析原則1、巖土類型、巖土性質、各種巖土類型的規模和分布2、結構面的類型、組數、力學性質和變形性質、規模和延伸性3、路基類型、橫斷面形態及幾何尺寸、支擋結構的類型和位置4、三要素在空間上的組合和相互作用，導致路基性能不同。三要素分析互為前提。5/10/202582公路災害防治研究所李家春巖性相關原則－－易滑路段1）膨脹土分布地段；2）厚層粘性土分布地段；3）黃土，特別是Q3和Q4黃土分布地段及黃土下伏泥質巖層的地段；4）厚層山坡堆積層地段，包括坡積、崩積、洪積及它們的互層地段；（如大保路坦底磨滑坡）5）地下水發育地段；5/10/202583公路災害防治研究所李家春6）砂、頁、泥頁分布地段；（如元磨路K335滑坡）7）煤系地層分布地段；8）變質巖分布地段；9）構造面發育地段，特別是緩傾角斷層傾向臨空面（開挖面）的地段；10）大斷層破碎帶分布地段；11）厚層風化殼分布地段；（如嵩待路K110滑坡）12）山坡高陡、上部硬巖下伏軟巖的地段。5/10/202584公路災害防治研究所李家春從宏觀到細觀山體結構---坡體結構---山坡結構---邊坡結構---路基結構---路基的工程環境---巖土性質、結構面性質（包括各種工況下的性質）五、路基工程地質結構分析方法5/10/202585公路災害防治研究所李家春結構面的調查規模形態物質組成延展性密集程度張開度與充填膠結查閱資料：地質圖或工程地質圖；工程竣工資料；養護記錄；氣象水文資料。現場調查：簡單實用的工具—羅盤、卷尺。水準測量。注意觀察識別。5/10/202586公路災害防治研究所李家春結構面調查產狀節理間距延伸度粗糙度巖壁抗壓強度隙寬充填物產狀及形態延伸度物質組成抗剪強度厚度含水情況巖體土體5/10/202587公路災害防治研究所李家春5/10/202588公路災害防治研究所李家春地面測繪為施工圖設計服務的測繪，應測出斷面圖，在地形圖上切