昔格達(dá)地層公路修建技術(shù)研究總結(jié)

PAGEPAGE3昔格達(dá)地層公路修建技術(shù)研究報告簡本昔格達(dá)地層是形成于第三紀(jì)上新世（N2）～第四紀(jì)下更新世（Q1）的湖相沉積物，主要由淺黃色、肉紅色、灰白色、灰黑色粘土層與淺黃色粉細(xì)砂層呈韻律互層組成，廣泛分布于四川西南部攀西地區(qū)以及云南北部的元謀地區(qū)等十三個縣市區(qū)，尤其是金沙江、安寧河、雅礱江、大渡河流域的山間河谷和盆地區(qū)域，在攀西地區(qū)的安寧河谷、攀枝花市分布面積和沉積厚度較大，以攀枝花市鹽邊縣紅格鄉(xiāng)昔格達(dá)村命名，其中昔格達(dá)村剖面沉積厚約248m。雖然昔格達(dá)地層分布具地域性，但是作為國內(nèi)外極為典型的半成巖地層（N2x～Q1x），因形成時代新、成巖膠接作用差、巖層結(jié)構(gòu)疏松、具崩解性和一定的膨脹性，工程特性差，是我國著名的“易滑”地層，在昔格達(dá)地層中修建公路其修筑技術(shù)資料幾乎空白。昔格達(dá)地層公路修建面臨一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，尤其是項目依托的西攀高速公路沿線穿越的昔格達(dá)地層長達(dá)90km，為了解決工程建設(shè)中路基、邊坡、橋基、滑坡治理等的問題，并為昔格達(dá)地層地區(qū)土木工程建設(shè)提供借鑒和參考，在四川省交通廳和交通部西部科技中心支持下，研究課題“昔格達(dá)地層公路修建技術(shù)研究”于2003年在交通部西部交通建設(shè)科技項目（合同號2003－318－800－55）立項研究。為解決昔格達(dá)地層公路修建的成套關(guān)鍵技術(shù)問題，四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院聯(lián)合四川攀西高速公路開發(fā)股份有限公司、西南交通大學(xué)、成都理工大學(xué)和四川大學(xué)等多家單位組成課題組，以西攀高速公路為依托，通過調(diào)研、室內(nèi)外試驗、理論分析和數(shù)值模擬，對昔格達(dá)地層巖土工程特性、路塹邊坡穩(wěn)定性分析與防治技術(shù)、橋梁樁基承載性能和機理、抗滑樁支擋技術(shù)、昔格達(dá)填料特性與填筑工藝、路堤土工格柵加筋技術(shù)等基礎(chǔ)性問題進行了系統(tǒng)研究，項目獲得的主要研究成果分述如下：一、昔格達(dá)地層巖土工程性質(zhì)研究昔格達(dá)地層作為國內(nèi)外極為典型的跨時代地層（N2x～Q1x），是研究并檢驗青藏高原隆升和現(xiàn)代西南季風(fēng)氣候形成的標(biāo)志性地層之一，我國老一輩地質(zhì)學(xué)家對其形成時代、古地理、古氣候、古生態(tài)、古環(huán)境、古地貌和構(gòu)造運動的演化進行了大量的研究，從上至下可分為三段：上部為厚層狀黃色細(xì)砂巖和雜色粘土巖互層,通常稱為“黃色層”,粘土巖具微層理滑感,滲水性弱；中部以灰色、灰黑色為主的粘土巖和黃色細(xì)砂巖互層,通常稱為“灰色層”；下部由卵石、礫石層或砂礫石層夾棕色砂粘土組成的砂礫巖層。圖1西攀路昔格達(dá)地層（新九）圖2西攀路昔格達(dá)地層（安寧河岸）昔格達(dá)地層巖土工程特性研究方面，除了做常規(guī)的基本的物理力學(xué)實驗外，重點開展了三軸不同圍壓條件下試驗研究、直剪試驗研究、室內(nèi)高精度MTS巖石抗壓試驗、動三軸動模量、阻尼特性試驗、承載板試驗等研究，取得的主要研究成果有：①綜合單軸抗壓強度和其他有關(guān)力學(xué)指標(biāo)，從工程特性角度，明確指出昔格達(dá)巖層應(yīng)屬極軟巖和極硬土之間的過渡類型——半成巖；②采用土力學(xué)和巖石力學(xué)試驗方法相結(jié)合研究了昔格達(dá)半成巖的工程特性，結(jié)合昔格達(dá)地層的沉積環(huán)境提出了西攀路沿線昔格達(dá)地層可分為安寧河流域和金沙江流域兩個區(qū)段，明確指出昔格達(dá)中段半成巖工程特性較好、工程性質(zhì)更接近極軟巖，而上段半成巖工程特性較差、工程性質(zhì)更接近硬土；圖3粉砂質(zhì)泥巖破壞特征圖4磚紅色泥巖破壞特征③運用伺服控制單軸壓縮試驗和高精度MTS壓縮試驗研究了昔格達(dá)半成巖的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程，運用動三軸儀研究了昔格達(dá)半成巖的動力特性，探究了動、靜力學(xué)特性差異，采用反復(fù)剪試驗?zāi)M了攀西地區(qū)降雨引起昔格達(dá)地層反復(fù)蠕滑的軟弱層帶長期強度；圖5MTS試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖6磚紅色泥巖MTS應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線④建立了昔格達(dá)半成巖各組巖性抗剪強度參數(shù)(c、φ)與基本物理指標(biāo)含水量(w)和孔隙比(e)或干密度(ρd)的復(fù)相關(guān)公式；⑤系統(tǒng)研究了昔格達(dá)半成巖不同巖性的非線性本構(gòu)特性、動力本構(gòu)特性和滑動面的剪切剛度特性，提煉了相應(yīng)的本構(gòu)模型的試驗參數(shù)，豐富了半成巖研究理論，為昔格達(dá)地層公路修筑技術(shù)研究的后續(xù)子課題研究奠定了基礎(chǔ)；圖8圖8昔格達(dá)基底滑坡典型地質(zhì)剖面（如干田灣滑坡）圖圖7覆蓋層滑坡典型地質(zhì)剖面（如永郎互通滑坡）圖9昔格達(dá)組近水平層面滑坡典型地質(zhì)剖面圖10昔格達(dá)組傾斜層面滑坡典型地質(zhì)剖面（如攀枝花服務(wù)區(qū)滑坡）（如K151+300左側(cè)邊坡滑坡）二、昔格達(dá)地層路塹邊坡穩(wěn)定性分析與防護技術(shù)研究近年來，國內(nèi)外邊坡研究進入了定性與定量相結(jié)合、概念模型與仿真模型相結(jié)合、監(jiān)測與反饋分析相結(jié)合的新階段。對于邊坡穩(wěn)定問題的分析評價一般有定性分析和定量分析兩種方法。定性分析即根據(jù)對坡體自然形成歷史和變形破壞特點的研究及對坡體結(jié)構(gòu)、巖性的認(rèn)識，并借鑒對比類似工程經(jīng)驗對坡體的穩(wěn)定性作出定性的判斷。定量分析則需要以詳細(xì)的地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，獲取坡體結(jié)構(gòu)、巖性及工程特性參數(shù)資料，進而采用理論計算和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以判斷坡體的穩(wěn)定程度。對于昔格達(dá)地層邊坡的穩(wěn)定性來講，充分考慮邊坡的結(jié)構(gòu)特性、卸荷應(yīng)力狀態(tài)、水環(huán)境等對其力學(xué)性質(zhì)的影響及流變性，對于準(zhǔn)確、合理的評價昔格達(dá)層邊坡的穩(wěn)定性具有重要的意義。項目研究取得的主要研究成果有：①在對昔格達(dá)地層176處邊坡調(diào)查基礎(chǔ)上，采用物元分析、數(shù)理統(tǒng)計、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模型試驗、數(shù)值計算和工程類比等多種方法相結(jié)合，初步將昔格達(dá)半成巖邊坡分為4個基本類型（穩(wěn)定型、次穩(wěn)定型、次不穩(wěn)定型和不穩(wěn)定型）和17個亞類；圖11離心模擬試驗②采用有限元軟件Ansys程序，對不同類型昔格達(dá)半成巖路塹邊坡穩(wěn)定性進行了量化評價；對昔格達(dá)半成巖路塹邊坡穩(wěn)定性進行了離心模型試驗，預(yù)測了邊坡未來的變形、應(yīng)力和應(yīng)變；圖11離心模擬試驗③針對研究得出的昔格達(dá)半成巖路塹邊坡4個基本類型，提出了一套全面系統(tǒng)的防護措施；④將非線性理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論引入到對昔格達(dá)半成巖路塹邊坡穩(wěn)定性預(yù)測中。三、昔格達(dá)地層樁基承載性能試驗研究目前國內(nèi)外對軟巖中灌注樁承載性能的研究主要集中在灌注樁的荷載傳遞機理、灌注樁極限承載力確定方法和如何提高灌注樁承載力等方面。就昔格達(dá)地層的樁基承載特性方面，我國在修建成昆鐵路時曾對昔格達(dá)組地層作過一些研究，并得出昔格達(dá)組地層的臨塑荷載約為300～500kPa，極限荷載約為1000～1500kPa，以昔格達(dá)組地層作為橋梁基礎(chǔ)的持力層，其承載力要綜合考慮膠結(jié)物質(zhì)、節(jié)理裂隙、風(fēng)化程度、受水條件等綜合因素。限于當(dāng)時的條件，試驗主要針對厚層砂巖進行，泥巖做得較少不具代表性。項目研究進行了較多的樁基試驗，取得的主要研究成果有：針對西攀路沿線昔格達(dá)半成巖對應(yīng)的分區(qū)和分帶特征,進行了共13根樁的豎向靜載試驗、2根樁的水平推力試驗和9個點的承壓板試驗，得出昔格達(dá)組中段的半成巖因其較高的承載力、可作為建筑物基礎(chǔ)的持力層的結(jié)論；圖圖12豎向加載及測試系統(tǒng)②針對昔格達(dá)半成巖在飽水和受擾動條件下易軟化和泥化,且暴露于空氣中易風(fēng)化的特點,提出了昔格達(dá)半成巖中樁基礎(chǔ)的施工注意事項和施工指南；③根據(jù)試驗和研究成果,提出了昔格達(dá)半成巖中樁基礎(chǔ)的適用樁型,得出了當(dāng)嵌巖深度接近20d時,昔格達(dá)半成巖中的灌注樁在豎向受力時仍呈現(xiàn)摩擦樁的特點、可按摩擦型灌注樁計算，在水平受荷時可按m法計算的重要結(jié)論；④根據(jù)昔格達(dá)地層巖性存在著較大的變異性和區(qū)域性很強的特點,對不同分區(qū)、分帶的昔格達(dá)半成巖提出了相應(yīng)的地基基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)建議值；⑤本項研究中采用的考慮接觸單元的力學(xué)模型及取用的相關(guān)參數(shù)對樁進行理論分析結(jié)果，試樁的計算與試驗結(jié)果在定性上與定量上均吻合得較好，表明考慮接觸單元的力學(xué)模型計算昔格達(dá)地層樁基承載性能的適宜性；⑥試驗研究了昔格達(dá)地層樁基灌漿以提高承載力的特性。試驗結(jié)果表明，樁端壓力灌漿后樁的承載性能明顯改善，樁端敞開式灌漿的效果優(yōu)于其它灌漿方式。四、昔格達(dá)地層抗滑樁支擋防護技術(shù)研究抗滑樁是目前滑坡治理普遍采用的有效的工程措施之一。昔格達(dá)滑坡治理大多數(shù)采用抗滑樁，西攀路昔格達(dá)滑坡設(shè)計抗滑樁治理滑坡路段有15段，450根，計8000m長，錨固段均在昔格達(dá)地層中，依據(jù)地勘資料并參照鐵路部門得出的經(jīng)驗資料取值計算，較普遍的出現(xiàn)了錨固段偏長，樁截面尺寸偏大的現(xiàn)象，大幅度地增加了工程造價。而現(xiàn)行各規(guī)范對極軟巖中的抗滑樁未有明確完整的計算方法，也未發(fā)現(xiàn)此方面的專門研究文獻(xiàn)。項目研究進行了較多的抗滑樁試驗，取得的主要研究成果有：圖14抗滑樁水平加載試驗①根據(jù)現(xiàn)場試驗和分析計算結(jié)果,明確指出將抗滑樁的錨固段設(shè)置在穩(wěn)定的昔格達(dá)半成巖中,可以提供較好的錨固阻力,且抗滑樁性狀更符合土層中水平受荷樁的特性圖14抗滑樁水平加載試驗②得出昔格達(dá)滑坡抗滑樁的計算可按m法和常數(shù)法進行,但m法的計算結(jié)果，安全儲備更高的重要結(jié)論；③結(jié)合現(xiàn)場試驗成果,應(yīng)用三維彈塑性有限元,研究了昔格達(dá)半成巖與樁之間的相互作用機理,對比m法和常數(shù)法，綜合論證昔格達(dá)半成巖中樁的受力特性,推薦了相應(yīng)的計算方法；④根據(jù)昔格達(dá)地層巖性存在著較大的變異性和區(qū)域性很強的特點,對不同分區(qū)、分帶的昔格達(dá)半成巖提出了相應(yīng)的地基基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)建議值。五、昔格達(dá)地層作為路基填料的研究西攀路沿線共開挖上百萬方昔格達(dá)層巖土，如果利用其作為路基填料，不僅可為本工程節(jié)省投資，還可為攀西地區(qū)和類似工程地質(zhì)條件下的環(huán)境保護和工程建設(shè)積累經(jīng)驗。成昆鐵路建設(shè)及現(xiàn)有低等級公路的工程經(jīng)驗表明，昔格達(dá)層巖土填料路基易發(fā)生沉降變形、路面開裂、路基失穩(wěn)等病害。為充分利用昔格達(dá)層棄碴，項目研究進行了現(xiàn)場碾壓工藝試驗，取得的主要研究成果有：圖15填料試驗現(xiàn)場①通過依托工程試驗段的研究,論證了昔格達(dá)半成巖作為路堤填料的可行性,填補了昔格達(dá)半成巖填料用作公路路堤的空白；圖15填料試驗現(xiàn)場②提出了昔格達(dá)混合填料的最大干密度與最優(yōu)含水率應(yīng)根據(jù)不同的泥巖含量與含水量進行動態(tài)取值；③提出了昔格達(dá)填料路堤的填筑施工工藝、檢測技術(shù)和相應(yīng)評定標(biāo)準(zhǔn),編制了相應(yīng)的施工技術(shù)指南。六、土工格柵在昔格達(dá)填土路基中的應(yīng)用研究聚合物格柵在國內(nèi)外作為一種性能獨特的材料，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利、房建等土建工程。目前，對昔格達(dá)層巖土填料路堤中加入格柵的研究很少，尤其缺少設(shè)計所需的基本材料參數(shù)。本項研究除開展現(xiàn)場碾壓工藝試驗外，還嘗試在昔格達(dá)層填料路基中加鋪土工格柵，以提高路基穩(wěn)定性、降低其沉降量，通過大量的試驗和原型觀測資料的分析，取得的主要研究成果有：①研制了直剪－拉拔聯(lián)合試驗儀對昔格達(dá)填料中鋪設(shè)土工格柵進行了直剪及拉拔試驗；②進行昔格達(dá)半成巖填料加鋪土工格柵路基的離心模型試驗和數(shù)值仿真監(jiān)測反饋研究；③全面系統(tǒng)研究了昔格達(dá)路堤填料的工程特性及路堤加鋪土工格柵的作用和參數(shù),以及土工格柵與昔格達(dá)路堤填料間的相互作用機理、路堤的穩(wěn)定和變形計算分析方法；圖16土工格柵室內(nèi)試驗④明確得出了土工格柵－昔格達(dá)填料界面上的極限摩阻力與法向壓力之間的關(guān)系符合Coulomb定律的結(jié)論；圖16土工格柵室內(nèi)試驗⑤明確得出了昔格達(dá)路基填料中加入土工格柵可明顯地改善路基中的應(yīng)力狀態(tài)，并使路基的整體剛度明顯提高的結(jié)論。項目全面系統(tǒng)地完成各專題研究內(nèi)容，項目研究全面系統(tǒng)地解決了昔格達(dá)半成巖地層公路修建的成套關(guān)鍵技術(shù)問題，保證了工程安全，節(jié)約了工程投資，提高了施工進度。研究成果為類似半成巖地層的防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護和工程建設(shè)提供了重要參考。2007年5月25日，交通部西部交通建設(shè)科技項目管理中心組織專家在成都對“昔格達(dá)地層公路修建技術(shù)研究（合同號2003－318－800－55）”進行了評審鑒定和驗收。專家一致認(rèn)為