黃土地區(qū)路基病害類型與成因
一、路基病害及其成因
1．黃土陷穴成因
黃土地區(qū)修筑的路基，在雨季時大面積匯集的雨水，沿著黃土的垂直節(jié)理和大孔隙向路基內(nèi)部滲透、潛流，溶解了黃土中的易溶鹽，破壞了黃土結(jié)構(gòu)，土體不斷崩解，水流帶走黃土顆粒，形成暗穴，在水的浸泡和沖刷作用下，洞壁坍塌，逐漸擴大形成更大的暗穴或出露于地表的其他形態(tài)的陷穴。特別是在地形起伏多變、地表徑流容易匯集的地方，而土質(zhì)松散、垂直節(jié)理較多的新黃土中最易形成陷穴。典型的路基陷穴如圖7-1所示。黃土陷穴的產(chǎn)生是黃土的濕陷性及水的潛蝕淋溶作用的結(jié)果。黃土的濕陷性是產(chǎn)生陷穴的內(nèi)在原因，水的潛蝕作用是產(chǎn)生陷穴的外部誘因。濕陷性黃土是一種質(zhì)地松疏，具有大孔隙和裂隙的土，水較容易在黃土中滲流，當滲透水流的水力梯度較大時，水流將黃土中的黏土粒和粉土粒帶走，從而擴大了黃土的裂隙或大孔管道。滲透的水流斷面擴大后，滲透流速加快，更加提高了水流的侵蝕和搬運作用。這種由于滲透水流從黃土中攜帶走細顆粒的過程稱為機械潛蝕。除此之外，水在滲透過程中，將土中易溶鹽溶解并帶走，使黃土固結(jié)強度下降，這種作用稱為化學(xué)溶蝕作用。
黃土的自身特點，為陷穴產(chǎn)生提供了本質(zhì)條件。(1)濕陷性黃土是一種土質(zhì)疏松，主要成分為粉土顆粒組成的特殊土，其細微顆粒極易遭受潛蝕；(2)黃土中易溶鹽含量豐富，對強度起作用的結(jié)構(gòu)狀碳酸鈣，在含co2的水或酸性環(huán)境中，易受水溶蝕，破壞黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使之變得松軟，有利于地下水滲透，加速了滲流作用和機構(gòu)潛蝕作用；(3)大孔隙和裂隙發(fā)育，為水的滲透提供了便利通道，加速了機械潛蝕。
黃土地區(qū)特殊的水文氣候條件，為陷穴的產(chǎn)生提供了有利的外部條件。該地區(qū)雨量很少，但較集中，全年暴雨多發(fā)生在7、8、9三個月，尤其在暴雨后，大量地表水迅速積聚，且有一定的水壓力，水透過黃土像通過一個小吸管被吸下去。陷穴一般中間大，進口和出口小，有直入的也有斜進的，隨著水的下滲方向變化各異。水鉆進大孔隙后，先就近下滲，擠壓臨近土體形成空洞，爾后空洞不斷擴大，待下層土顆粒逐漸密實，水向下滲的速度變慢。若水源繼續(xù)有補給，則向橫向滲流，待水力逐漸減弱，洞穴出口就變小。由于水開始下滲時沖擊力大，直接下滲，向兩邊擴散小，因而進口也小。
微地形地貌特征，對陷穴產(chǎn)生也有一定影響。一般陷穴多發(fā)生在一邊靠山，一邊臨深溝的地段，有時也發(fā)生在半填半挖路塹與路堤銜接處、橋涵臺背填土處或者填土施工接岔處等，在地形起伏波折變化多的地方，特別是緩坡突然轉(zhuǎn)為陡坡釣地段，也易形成陷穴。另外黃土地區(qū)，由于植被不發(fā)達，也為水的滲透提供了有利條件。圖7-1為西吉一海原公路紅羊段出露的典型黃土路基陷穴病害。
2．黃土陷穴類型
(1)根據(jù)黃土陷穴的成因劃分
①由地表浸水形成的陷穴：黃土經(jīng)水浸潤，可溶鹽溶解，同時水對黃土顆粒產(chǎn)生潤滑作用，使黃土在水的沖力作用下發(fā)生變形位移和機械潛蝕，導(dǎo)致黃土下陷產(chǎn)生陷穴。
②暗流的侵蝕作用形成的陷穴：地下暗流溶解了黃土中的可溶鹽，使黃土結(jié)構(gòu)遭受破壞，暗流又使細顆粒帶走，在這種溶蝕和潛蝕作用下，使黃土中產(chǎn)生暗穴、暗洞、暗溝等。
③因動植物和微生物作用引起的洞穴：植物根系深入土體，當植物枯死后，根系腐敗遺留而成洞穴。也可以是老鼠、蛇、螞蟻等動物挖掘出的洞穴等。
④人為的洞穴：如墳?zāi)?、采礦的坑道、掏砂坑、窯洞等。
(2)根據(jù)黃土陷穴的形態(tài)劃分
①碟形地：具有直徑數(shù)十米的橢圓形碟狀凹地，深度一般為2-3m，邊緣較陡。多發(fā)生在黃土塬部分或沒有排水坡度的地方。由于降水不斷聚集，并沿著孔隙和節(jié)理逐漸下滲，黃土不斷浸濕，由重力作用下陷而成。
②漏斗狀陷穴：產(chǎn)生在黃土塬邊緣，或谷坡附近，常見成群分布，口徑不過數(shù)米，底部有時還散布著小孔穴。由于坡面上徑流的集中，水沿節(jié)理下滲潛蝕而成。
③豎井狀陷穴：陷穴邊緣陡峭，口徑與深度相差數(shù)倍。由于陷穴底部堆積著崩塌下的土塊，隨著地下水進一步的沖刷搬運逐漸加深，有時可達20多米，多發(fā)生在階地的邊緣徑流匯合處。
④串珠狀陷穴：多沿溝床分布，一般發(fā)生在溝床的變坡處。溝壁塌落下來的土堆，成為地表水徑流的障礙物，當洪水季節(jié)，上游水流到此遭受堵塞，遂向下滲流而成。
⑤暗穴：形態(tài)多種多樣，可直可曲，忽大忽小，通常為陷穴的通道，也有單獨成盲溝、暗河存在的。由地下水的溶蝕和潛蝕而成。有些特殊的暗穴是人為因素造成的。
3．黃土陷穴的分布規(guī)律
黃土陷穴的分布具有一定的規(guī)律性。從地貌看，在黃土塬的邊緣、河谷階地的邊緣、沖溝兩岸及河床中都常有陷穴分布。階地邊緣、河谷兩側(cè)多為坡積的松散黃土，易被沖蝕，因而離階地斜坡和溝谷斜坡越近，陷穴越多。階地高差越大，溝谷越深，由于地表水通過階地邊緣斜坡地帶和溝谷斜坡地帶時下滲越厲害，因而陷穴也越深，有的可深達20余米。從地層上看，在疏松的新黃土層中，尤其是現(xiàn)代上層濕陷性黃土地層，陷穴越多越明顯。地層越早，陷穴發(fā)育也越受到限制。
4．黃土陷穴的探查和防治
為了判斷是否存在陷穴，可對可疑地段進行錐探。錐探時判別陷穴的兩種情況：
(1)在緊密土壤中，下錐時其土層對錐頭的阻力大，因此，用很大力才能使錐桿進入土中。如錐頭進入陷穴，土層對錐頭的阻力突然消失，錐桿很快落下，就證明路基下部有陷穴。
(2)在疏松的土壤中，土層對錐桿的阻力很小，此時錐探者要精神集中、細心錐探，降低進錐速度，用“高提輕落”的方法，緩慢下錐，如遇到陷穴，土層對錐頭的阻力突然消失，錐桿自動下落，并在感覺上也有不同，就證明路基下部有陷穴。
錐探工具由錐頭、錐桿、接頭和手扶把四部分組成。錐桿每根長4m(輕型觸探長lm)，兩端旋有絲扣，錐頭與錐桿的接頭處用接箍連接。
黃土陷穴的防治采取預(yù)防和處治相結(jié)合的原則，首先要查明陷穴的位置和導(dǎo)致其產(chǎn)生的水源，并作出定性和定量分析，根據(jù)具體情況分別對待。
陷穴的預(yù)防主要是加強地表和路基排水，改善地表性質(zhì)，整平坡面，消除坑洼，減少水的積聚和滲透；加強植被保護和水土保持，加強路基外雨水的截排和路基的防滲防漏(如采用土工合成材料等)；開展巡查，對容易發(fā)生陷穴的地帶定期檢查。
黃土陷穴的處治，主要是根據(jù)陷穴的大小分別采用灌漿、開挖回填等措施。陷穴較小的采用明挖，原土夯填；陷穴較大的灌泥漿，分兩次進行，待第一次灌滿泥漿干燥收縮后再進行第二次灌漿塞空。
二、路堤病害及其成因
路堤常見的病害主要有：路堤或基底沉陷、土橋病害、路堤局部坍塌與邊坡滑動等。
1．沉陷變形
路堤的沉陷變形有人為因素和地基因素。人為因素是指路堤本身填筑時碾壓達不到設(shè)計的壓實度要求，這是路堤沉陷變形的主要原因之一。研究表明：濕陷性黃土壓實干密度達到16.5kn/m3可明顯減少路堤本身的沉陷。地基因素指由于堤重或行車荷載的作用引起的固結(jié)沉降，對于濕陷性黃土浸水后則引起濕陷變形。為減少路堤的沉陷變形，應(yīng)根據(jù)黃土的工程性質(zhì)以及路堤的高度采取相應(yīng)措施，其中利用土工合成材料加筋路堤或進行防滲處理，能夠有效防止路堤的沉陷或濕陷變形。
2．土橋病害
黃土橋系指跨越溝谷的高填路堤，坐落于崾峴或沖溝之上。土橋改變了原來的水文、地質(zhì)條件和地形地貌條件，加之車輛動荷載的作用，使得土橋與周圍環(huán)境處于動態(tài)平衡之中，一旦某種因素失去平衡，將會產(chǎn)生土橋病害。水是引起土橋病害的根本原因，對土橋的破壞作用主要表現(xiàn)如下。
(1)地面水對土橋坡面的沖刷：當土橋頂面兩側(cè)排水溝、邊溝及坡面缺少必要的保護措施時，每當雨季，土橋坡面及頂面水只能沿坡面漫流。加之土橋填土高度大，本身匯水面積大，加劇了土橋坡面的沖刷，輕則坡面沖溝縱橫，重則導(dǎo)致坡腳水土流失、崩塌，乃至路基失穩(wěn)。(2)地面水對土橋體的直向溶蝕和潛蝕：
土橋主要修筑在崾峴及沖溝上，往往位于路線的凹形豎曲線上，或者由于土橋沉降造成橋面低洼。下雨時，兩岸斜坡和路面水從兩端流向土橋橋面形成積水，這部分水主要通過向橋體下滲和蒸發(fā)而排除。在黃土的濕陷性作用下，水流溶解掉沉積在土顆粒表面的易溶鹽和中溶鹽以及膠結(jié)物，使水分子浸入土顆粒之間，破壞了土顆粒間的聯(lián)結(jié)薄膜，使土的抗剪強度顯著下降；當滲流速度較大時出現(xiàn)潛蝕，從而導(dǎo)致橋面翻漿、土橋不均勻沉降、裂縫擴大，甚至造成土橋滑塌等，如圖7-4所示。
(3)洪水對土橋的破壞：黃土地區(qū)氣候干燥，植被覆蓋率差，降雨集中，暴雨時地面徑流量大，水土流失嚴重。土橋位于崾峴和溝口處，溝內(nèi)匯水面積較大，暴雨時土橋泄水涵洞不能及時將洪水排出，導(dǎo)致土橋上游臨時性大量積水，浸泡土橋邊坡，沖蝕掏挖原沖溝土層，造成濕陷成穴。特別是土橋填筑土與原狀土的結(jié)合處常常會出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，并貫通整個土橋底部。由于洪水攜帶泥沙在表層沉積，暗穴進口不易發(fā)現(xiàn)，洪水多次侵蝕、沖刷，暗穴內(nèi)部逐漸擴大，從而導(dǎo)致土橋局部或整體崩塌、沖毀，造成交通中斷和經(jīng)濟損失。
(4)地下水對橋基的水平溶蝕、潛蝕以及水對土體的凍融作用：不同黃土地區(qū)的土橋病害特征各異。土橋中涵洞病害率高，是土橋最主要的病害，因此排水系統(tǒng)對于土橋來說是十分重要的。在塬梁峁區(qū)，由于黃土的濕陷性強、干密度小，土橋的病害率高于河谷階地區(qū)。為防治土橋病害，在土橋修建和養(yǎng)護中應(yīng)盡可能建立和完善排水、防滲系統(tǒng)，種草植樹，固化邊坡。
3．路堤坍塌與邊坡滑動
產(chǎn)生路堤坍塌與邊坡滑動的主要原因有：路堤填筑質(zhì)量，表現(xiàn)為壓實度達不到設(shè)計標準；邊坡設(shè)計不當，即確定的設(shè)計邊坡形式和坡度與實際情況不符；路堤地基土軟弱，當路堤高度大于臨界值時，造成路堤整體滑動；邊溝或邊坡沖刷，邊溝水沖刷掏空坡腳可造成路堤坍塌與邊坡滑動。
調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當路線通過重丘區(qū)時，凹曲線半徑較小，設(shè)計縱坡往往大于路面橫坡，導(dǎo)致路面水向凹曲線底部匯集，有些泄水槽未起到應(yīng)有的作用，加之重丘地區(qū)暴雨來得猛，路面積水來不及排出，漫過擋水坎，沿邊坡漫流而下，積水浸入路堤中，引起邊坡滑坍、坡面開裂，有的地方硬路肩已懸空，已危及路面，如圖7-5。另外，路堤邊坡急流槽基礎(chǔ)壓實不足、急流槽漿砌片石防護質(zhì)量不好、局部勾縫脫落時，容易導(dǎo)致雨水下滲，黃土濕陷，槽底局部淘蝕，急流槽破壞。
三、邊坡病害及其成因
1．邊坡病害類型
公路路塹一般位于地面表層，開挖后暴露于大氣中，受各種自然和人為因素影響，路塹邊坡易發(fā)生破壞變形。
黃土路塹邊坡變形破壞方式可分為剝蝕(包括剝落和沖刷)和滑塌(包括滑坍、崩坍、坡腳坍塌等)兩種。
(1)邊坡剝蝕
坡面剝蝕是黃土邊坡變形的一種普通現(xiàn)象，一般發(fā)生在各種黃土層中。雖然這種邊坡變形不是坡體整體變形，但對路塹邊溝危害較大，會引起其他更嚴重的邊坡變形或破壞。在寧夏，黃土路塹邊坡剝蝕十分嚴重。影響坡面剝蝕的因素主要與土質(zhì)特性、地質(zhì)年代以及風(fēng)化條件等有關(guān)。黃土含鹽量不同，邊坡所處位置不同都會影響剝蝕程度。
由于黃土強度低、節(jié)理裂隙發(fā)育，當坡面受到?jīng)_刷作用時，常引起大量的水土流失，使坡面被沖刷成紋溝、細溝及洞穴，并發(fā)展成沖溝或暗溝。一般坡面沖刷可形成坡肩沖刷坍塌、坡面沖刷串溝、坡面沖刷跌水、坡腳沖刷掏空、坡面沖刷溝穴等。
松散結(jié)構(gòu)的濕陷性黃土抗沖刷性比密實結(jié)構(gòu)老黃土差。在新黃土層中開挖的陡邊坡，如果徑流集中，則邊坡在沖刷下易形成深溝或溝穴；當邊坡由不同性質(zhì)的黃土層構(gòu)成時，在接觸面處易形成洞穴或沖溝；密實結(jié)構(gòu)的老黃土邊坡，具有較好的抗沖刷能力，當受到均勻坡面的水流作用時，常在坡面形成明顯的條帶，當受到集中水流沖刷時，形成小沖溝中的跌水。
路塹邊坡受到不同程度的沖刷作用，使得坡面形成洞穴狀或溝狀。
調(diào)查路段寧夏黑一海路沿線，屬于典型的黃土邊坡，由于黃土強度低、節(jié)理裂隙發(fā)育，當坡面受到?jīng)_刷作用時，常引起大量的水土流失，使坡面被沖刷成紋溝、細溝、洞穴，并發(fā)展成暗溝、沖溝等，同時坡體局部有坍塌破壞現(xiàn)象。
(2)邊坡滑塌
黃土邊坡的破壞方式和規(guī)模與黃土層的構(gòu)造特征密切相關(guān)。具有構(gòu)造節(jié)理的黃土邊坡，常呈現(xiàn)沿節(jié)理面滑落；具有垂直節(jié)理的黃土邊坡，其破壞方式常呈現(xiàn)為坍塌；無構(gòu)造節(jié)理的黃土邊坡則主要為滑坡破壞。
黃土邊坡崩坍是多種自然因素及人為因素綜合作用的結(jié)果，其中地質(zhì)條件是形成崩坍的基本原因。對黃土而言，由于豎向節(jié)理發(fā)育，邊坡陡峻，地表水易向下和臨空面滲透，形成了由潮濕或近飽和黃土組成的弧狀軟弱介質(zhì)體，導(dǎo)致局部土體失穩(wěn)。紅橙色老黃土，普遍存在垂直節(jié)理、構(gòu)造節(jié)理及風(fēng)化節(jié)理，坡面開挖后節(jié)理易張開，在外界因素影響下，易引起崩坍。對于濕陷性新黃土，在邊坡處受水浸濕或沖刷會發(fā)生坡腳局部坍塌，這是產(chǎn)生滑坡的前提，同時也有可能誘發(fā)更大規(guī)模的滑坡。
滑坡產(chǎn)生的原因主要是由于黃土的強度下降引起土體穩(wěn)定性平衡的破壞。滑坡常發(fā)生在松散結(jié)構(gòu)或濕陷性黃土層中，在老黃土和巖土間不整合傾斜接觸面處，當遇水或其他因素作用等，也極易產(chǎn)生滑坡和崩坍
當邊坡出現(xiàn)崩塌時，土體掉到路基邊溝時，如不及時處理，將影響邊溝排水，雨水下滲穿過路基，常引起黃土濕陷，進而使路面和邊溝兩側(cè)發(fā)生局部破壞，如圖7-14。同時路堤邊坡急流槽數(shù)量不足或設(shè)置不當，未能將低洼處的水充分引排遠離路基，將導(dǎo)致路基邊緣黃土受水侵蝕、濕陷坍落，并形成沖洞，危及路基穩(wěn)定。
2．邊坡侵蝕破壞機理
黃土高原降雨量不大，在全國屬中下等水平，但該地區(qū)的侵蝕強度卻為全國之最。由于地表起伏的存在及地表抗沖蝕性的不均勻，徑流在順坡向下流動的過程中必然發(fā)生匯集，水深和流速逐漸增加，最后形成股流。這個過程最初以面狀侵蝕為主，之后發(fā)展為細溝侵蝕，以至于淺溝侵蝕。在細溝開始發(fā)生后，水流搬運土粒的方式發(fā)生急劇變化，對土壤的侵蝕量也急劇增加。
在坡面徑流過程中，徑流匯集成股流是細溝侵蝕發(fā)生的必要條件。徑流匯集以后，水深及流速都比薄層漫流增大若干倍，水流侵蝕力及搬運泥沙的能力也都成倍增加。其結(jié)果使得地表橫向不均勻性進一步加大，徑流流路漸漸固定，水流的紊動性也不斷加劇。但此時水流侵蝕搬運土粒的方式與漫流只有強度上的區(qū)別，侵蝕作用力都是水流的剪切應(yīng)力，起動模式也主要是表層松散狀的土粒受水流拖曳，均勻地以單?；驁F粒狀進入懸浮狀態(tài)。因此，盡管這時地表已經(jīng)出現(xiàn)了細溝的雛形，但還不表明細溝已經(jīng)形成。
隨著徑流過程的不斷持續(xù)，便會在流路上開始出現(xiàn)一系列的跌水。跌水出現(xiàn)后，流路縱斷面上形成了許多不連續(xù)的斷點，每個斷點都是侵蝕的最活躍點。由于在斷點處存在有垂直的陡壁，此處的土粒被剝離分散的方式已發(fā)生了質(zhì)的變化。除了水流剪切應(yīng)力外，重力的影響程度大大增強。土粒也不再是均勻地以單?；驁F粒進入懸浮狀態(tài)，而是以塊狀滾落進入運動狀態(tài)，侵蝕強度也隨之急劇增加。這些侵蝕斷點便會成為細溝的溝頭，在流水作用下，不斷發(fā)生溯源侵蝕，細溝也就不斷加長，直至多處溝頭貫通，形成完整的細溝。
跌水形成是坡面侵蝕方式發(fā)生變化的重要分界點，它標志著細溝開始形成，同時也表明在徑流流路上，侵蝕方式已由面狀侵蝕轉(zhuǎn)為溝狀侵蝕。跌水的形成具有隨機性、突發(fā)性特點，關(guān)于水流侵蝕作用發(fā)生突變的原因，目前還未見到專門的研究，有人將其歸因于地表既有的微小低洼。一般認為，耕作時留下的洼坑或雨滴打擊后的麻坑，以及其他人類和牲畜留下的足痕等是導(dǎo)致坡面形成跌水的直接原因。
當已進入急流狀態(tài)的坡面股流順坡流下時，徑流流路的寬度會有很大的變化，且在坡面不同的地方具有不同程度的寬窄變化。由于邊界條件的不規(guī)則性，邊壁狀況的改變會使水流的擾動產(chǎn)生一種波動現(xiàn)象，即急流沖擊波。水流出現(xiàn)沖擊波時，水面不僅沿縱向起伏變化，而且在橫斷面上的水深也發(fā)生局部壅高，水面上形成菱形波浪。由于急流具有很大的慣性，遇到邊壁擾動時，便會以很大的速度沖擊邊壁。而邊壁也對水流施加反力，迫使水流沿邊壁轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生動量變化，造成水面的局部壅高。沖擊波產(chǎn)生后水深、流速的變化與水流的性質(zhì)及引起擾動的邊界條件有關(guān)。
徑流深度的局部增大，沖擊波的出現(xiàn)，使得徑流在沖擊波交匯的地方出現(xiàn)局部徑流深度劇增，其剝蝕分散土壤的剪切應(yīng)力也隨之增大，其結(jié)果便會在此形成跌水，從而誘導(dǎo)細溝發(fā)生。急流沖擊波的形成，在引起水深增大的同時，也增加了水流的局部擾動，使得水流流速及紊動強度局部劇增，在水流方向上出現(xiàn)一系列的能量激增點，相應(yīng)地侵蝕剪切應(yīng)力也在這些地方突然增強。徑流侵蝕作用力的突然成倍增大及紊動強度的增加，便會在沖擊波交匯處形成一系列跌水。作為一個個劇烈侵蝕點，跌水很快變深加長，在坡面縱向貫通連接，最后發(fā)展成細溝，及至形成沖溝或暗溝等。因此，水流本身的流態(tài)變化及局部擾動是導(dǎo)致細溝溝頭形成的直接內(nèi)在的原因。