黄土地区路基病害类型与成因
一、路基病害及其成因
1．黄土陷穴成因
黄土地区修筑的路基，在雨季时大面积汇集的雨水，沿着黄土的垂直节理和大孔隙向路基内部渗透、潜流，溶解了黄土中的易溶盐，破坏了黄土结构，土体不断崩解，水流带走黄土颗粒，形成暗穴，在水的浸泡和冲刷作用下，洞壁坍塌，逐渐扩大形成更大的暗穴或出露于地表的其他形态的陷穴。特别是在地形起伏多变、地表径流容易汇集的地方，而土质松散、垂直节理较多的新黄土中最易形成陷穴。典型的路基陷穴如图7-1所示。黄土陷穴的产生是黄土的湿陷性及水的潜蚀淋溶作用的结果。黄土的湿陷性是产生陷穴的内在原因，水的潜蚀作用是产生陷穴的外部诱因。湿陷性黄土是一种质地松疏，具有大孔隙和裂隙的土，水较容易在黄土中渗流，当渗透水流的水力梯度较大时，水流将黄土中的黏土粒和粉土粒带走，从而扩大了黄土的裂隙或大孔管道。渗透的水流断面扩大后，渗透流速加快，更加提高了水流的侵蚀和搬运作用。这种由于渗透水流从黄土中携带走细颗粒的过程称为机械潜蚀。除此之外，水在渗透过程中，将土中易溶盐溶解并带走，使黄土固结强度下降，这种作用称为化学溶蚀作用。
黄土的自身特点，为陷穴产生提供了本质条件。(1)湿陷性黄土是一种土质疏松，主要成分为粉土颗粒组成的特殊土，其细微颗粒极易遭受潜蚀；(2)黄土中易溶盐含量丰富，对强度起作用的结构状碳酸钙，在含CO2的水或酸性环境中，易受水溶蚀，破坏黄土的内部结构，使之变得松软，有利于地下水渗透，加速了渗流作用和机构潜蚀作用；(3)大孔隙和裂隙发育，为水的渗透提供了便利通道，加速了机械潜蚀。
黄土地区特殊的水文气候条件，为陷穴的产生提供了有利的外部条件。该地区雨量很少，但较集中，全年暴雨多发生在7、8、9三个月，尤其在暴雨后，大量地表水迅速积聚，且有一定的水压力，水透过黄土像通过一个小吸管被吸下去。陷穴一般中间大，进口和出口小，有直入的也有斜进的，随着水的下渗方向变化各异。水钻进大孔隙后，先就近下渗，挤压临近土体形成空洞，尔后空洞不断扩大，待下层土颗粒逐渐密实，水向下渗的速度变慢。若水源继续有补给，则向横向渗流，待水力逐渐减弱，洞穴出口就变小。由于水开始下渗时冲击力大，直接下渗，向两边扩散小，因而进口也小。
微地形地貌特征，对陷穴产生也有一定影响。一般陷穴多发生在一边靠山，一边临深沟的地段，有时也发生在半填半挖路堑与路堤衔接处、桥涵台背填土处或者填土施工接岔处等，在地形起伏波折变化多的地方，特别是缓坡突然转为陡坡钓地段，也易形成陷穴。另外黄土地区，由于植被不发达，也为水的渗透提供了有利条件。图7-1为西吉一海原公路红羊段出露的典型黄土路基陷穴病害。
2．黄土陷穴类型
(1)根据黄土陷穴的成因划分
①由地表浸水形成的陷穴：黄土经水浸润，可溶盐溶解，同时水对黄土颗粒产生润滑作用，使黄土在水的冲力作用下发生变形位移和机械潜蚀，导致黄土下陷产生陷穴。
②暗流的侵蚀作用形成的陷穴：地下暗流溶解了黄土中的可溶盐，使黄土结构遭受破坏，暗流又使细颗粒带走，在这种溶蚀和潜蚀作用下，使黄土中产生暗穴、暗洞、暗沟等。
③因动植物和微生物作用引起的洞穴：植物根系深入土体，当植物枯死后，根系腐败遗留而成洞穴。也可以是老鼠、蛇、蚂蚁等动物挖掘出的洞穴等。
④人为的洞穴：如坟墓、采矿的坑道、掏砂坑、窑洞等。
(2)根据黄土陷穴的形态划分
①碟形地：具有直径数十米的椭圆形碟状凹地，深度一般为2-3m，边缘较陡。多发生在黄土塬部分或没有排水坡度的地方。由于降水不断聚集，并沿着孔隙和节理逐渐下渗，黄土不断浸湿，由重力作用下陷而成。
②漏斗状陷穴：产生在黄土塬边缘，或谷坡附近，常见成群分布，口径不过数米，底部有时还散布着小孔穴。由于坡面上径流的集中，水沿节理下渗潜蚀而成。
③竖井状陷穴：陷穴边缘陡峭，口径与深度相差数倍。由于陷穴底部堆积着崩塌下的土块，随着地下水进一步的冲刷搬运逐渐加深，有时可达20多米，多发生在阶地的边缘径流汇合处。
④串珠状陷穴：多沿沟床分布，一般发生在沟床的变坡处。沟壁塌落下来的土堆，成为地表水径流的障碍物，当洪水季节，上游水流到此遭受堵塞，遂向下渗流而成。
⑤暗穴：形态多种多样，可直可曲，忽大忽小，通常为陷穴的通道，也有单独成盲沟、暗河存在的。由地下水的溶蚀和潜蚀而成。有些特殊的暗穴是人为因素造成的。
3．黄土陷穴的分布规律
黄土陷穴的分布具有一定的规律性。从地貌看，在黄土塬的边缘、河谷阶地的边缘、冲沟两岸及河床中都常有陷穴分布。阶地边缘、河谷两侧多为坡积的松散黄土，易被冲蚀，因而离阶地斜坡和沟谷斜坡越近，陷穴越多。阶地高差越大，沟谷越深，由于地表水通过阶地边缘斜坡地带和沟谷斜坡地带时下渗越厉害，因而陷穴也越深，有的可深达20余米。从地层上看，在疏松的新黄土层中，尤其是现代上层湿陷性黄土地层，陷穴越多越明显。地层越早，陷穴发育也越受到限制。
4．黄土陷穴的探查和防治
为了判断是否存在陷穴，可对可疑地段进行锥探。锥探时判别陷穴的两种情况：
(1)在紧密土壤中，下锥时其土层对锥头的阻力大，因此，用很大力才能使锥杆进入土中。如锥头进入陷穴，土层对锥头的阻力突然消失，锥杆很快落下，就证明路基下部有陷穴。
(2)在疏松的土壤中，土层对锥杆的阻力很小，此时锥探者要精神集中、细心锥探，降低进锥速度，用高提轻落的方法，缓慢下锥，如遇到陷穴，土层对锥头的阻力突然消失，锥杆自动下落，并在感觉上也有不同，就证明路基下部有陷穴。
锥探工具由锥头、锥杆、接头和手扶把四部分组成。锥杆每根长4m(轻型触探长lm)，两端旋有丝扣，锥头与锥杆的接头处用接箍连接。
黄土陷穴的防治采取预防和处治相结合的原则，首先要查明陷穴的位置和导致其产生的水源，并作出定性和定量分析，根据具体情况分别对待。
陷穴的预防主要是加强地表和路基排水，改善地表性质，整平坡面，消除坑洼，减少水的积聚和渗透；加强植被保护和水土保持，加强路基外雨水的截排和路基的防渗防漏(如采用土工合成材料等)；开展巡查，对容易发生陷穴的地带定期检查。
黄土陷穴的处治，主要是根据陷穴的大小分别采用灌浆、开挖回填等措施。陷穴较小的采用明挖，原土夯填；陷穴较大的灌泥浆，分两次进行，待第一次灌满泥浆干燥收缩后再进行第二次灌浆塞空。
二、路堤病害及其成因
路堤常见的病害主要有：路堤或基底沉陷、土桥病害、路堤局部坍塌与边坡滑动等。
1．沉陷变形
路堤的沉陷变形有人为因素和地基因素。人为因素是指路堤本身填筑时碾压达不到设计的压实度要求，这是路堤沉陷变形的主要原因之一。研究表明：湿陷性黄土压实干密度达到16.5kN/m3可明显减少路堤本身的沉陷。地基因素指由于堤重或行车荷载的作用引起的固结沉降，对于湿陷性黄土浸水后则引起湿陷变形。为减少路堤的沉陷变形，应根据黄土的工程性质以及路堤的高度采取相应措施，其中利用土工合成材料加筋路堤或进行防渗处理，能够有效防止路堤的沉陷或湿陷变形。
2．土桥病害
黄土桥系指跨越沟谷的高填路堤，坐落于崾岘或冲沟之上。土桥改变了原来的水文、地质条件和地形地貌条件，加之车辆动荷载的作用，使得土桥与周围环境处于动态平衡之中，一旦某种因素失去平衡，将会产生土桥病害。水是引起土桥病害的根本原因，对土桥的破坏作用主要表现如下。
(1)地面水对土桥坡面的冲刷：当土桥顶面两侧排水沟、边沟及坡面缺少必要的保护措施时，每当雨季，土桥坡面及顶面水只能沿坡面漫流。加之土桥填土高度大，本身汇水面积大，加剧了土桥坡面的冲刷，轻则坡面冲沟纵横，重则导致坡脚水土流失、崩塌，乃至路基失稳。(2)地面水对土桥体的直向溶蚀和潜蚀：
土桥主要修筑在崾岘及冲沟上，往往位于路线的凹形竖曲线上，或者由于土桥沉降造成桥面低洼。下雨时，两岸斜坡和路面水从两端流向土桥桥面形成积水，这部分水主要通过向桥体下渗和蒸发而排除。在黄土的湿陷性作用下，水流溶解掉沉积在土颗粒表面的易溶盐和中溶盐以及胶结物，使水分子浸入土颗粒之间，破坏了土颗粒间的联结薄膜，使土的抗剪强度显著下降；当渗流速度较大时出现潜蚀，从而导致桥面翻浆、土桥不均匀沉降、裂缝扩大，甚至造成土桥滑塌等，如图7-4所示。
(3)洪水对土桥的破坏：黄土地区气候干燥，植被覆盖率差，降雨集中，暴雨时地面径流量大，水土流失严重。土桥位于崾岘和沟口处，沟内汇水面积较大，暴雨时土桥泄水涵洞不能及时将洪水排出，导致土桥上游临时性大量积水，浸泡土桥边坡，冲蚀掏挖原冲沟土层，造成湿陷成穴。特别是土桥填筑土与原状土的结合处常常会出现穿孔现象，并贯通整个土桥底部。由于洪水携带泥沙在表层沉积，暗穴进口不易发现，洪水多次侵蚀、冲刷，暗穴内部逐渐扩大，从而导致土桥局部或整体崩塌、冲毁，造成交通中断和经济损失。
(4)地下水对桥基的水平溶蚀、潜蚀以及水对土体的冻融作用：不同黄土地区的土桥病害特征各异。土桥中涵洞病害率高，是土桥最主要的病害，因此排水系统对于土桥来说是十分重要的。在塬梁峁区，由于黄土的湿陷性强、干密度小，土桥的病害率高于河谷阶地区。为防治土桥病害，在土桥修建和养护中应尽可能建立和完善排水、防渗系统，种草植树，固化边坡。
3．路堤坍塌与边坡滑动
产生路堤坍塌与边坡滑动的主要原因有：路堤填筑质量，表现为压实度达不到设计标准；边坡设计不当，即确定的设计边坡形式和坡度与实际情况不符；路堤地基土软弱，当路堤高度大于临界值时，造成路堤整体滑动；边沟或边坡冲刷，边沟水冲刷掏空坡脚可造成路堤坍塌与边坡滑动。
调查发现，当路线通过重丘区时，凹曲线半径较小，设计纵坡往往大于路面横坡，导致路面水向凹曲线底部汇集，有些泄水槽未起到应有的作用，加之重丘地区暴雨来得猛，路面积水来不及排出，漫过挡水坎，沿边坡漫流而下，积水浸入路堤中，引起边坡滑坍、坡面开裂，有的地方硬路肩已悬空，已危及路面，如图7-5。另外，路堤边坡急流槽基础压实不足、急流槽浆砌片石防护质量不好、局部勾缝脱落时，容易导致雨水下渗，黄土湿陷，槽底局部淘蚀，急流槽破坏。
三、边坡病害及其成因
1．边坡病害类型
公路路堑一般位于地面表层，开挖后暴露于大气中，受各种自然和人为因素影响，路堑边坡易发生破坏变形。
黄土路堑边坡变形破坏方式可分为剥蚀(包括剥落和冲刷)和滑塌(包括滑坍、崩坍、坡脚坍塌等)两种。
(1)边坡剥蚀
坡面剥蚀是黄土边坡变形的一种普通现象，一般发生在各种黄土层中。虽然这种边坡变形不是坡体整体变形，但对路堑边沟危害较大，会引起其他更严重的边坡变形或破坏。在宁夏，黄土路堑边坡剥蚀十分严重。影响坡面剥蚀的因素主要与土质特性、地质年代以及风化条件等有关。黄土含盐量不同，边坡所处位置不同都会影响剥蚀程度。
由于黄土强度低、节理裂隙发育，当坡面受到冲刷作用时，常引起大量的水土流失，使坡面被冲刷成纹沟、细沟及洞穴，并发展成冲沟或暗沟。一般坡面冲刷可形成坡肩冲刷坍塌、坡面冲刷串沟、坡面冲刷跌水、坡脚冲刷掏空、坡面冲刷沟穴等。
松散结构的湿陷性黄土抗冲刷性比密实结构老黄土差。在新黄土层中开挖的陡边坡，如果径流集中，则边坡在冲刷下易形成深沟或沟穴；当边坡由不同性质的黄土层构成时，在接触面处易形成洞穴或冲沟；密实结构的老黄土边坡，具有较好的抗冲刷能力，当受到均匀坡面的水流作用时，常在坡面形成明显的条带，当受到集中水流冲刷时，形成小冲沟中的跌水。
路堑边坡受到不同程度的冲刷作用，使得坡面形成洞穴状或沟状。
调查路段宁夏黑一海路沿线，属于典型的黄土边坡，由于黄土强度低、节理裂隙发育，当坡面受到冲刷作用时，常引起大量的水土流失，使坡面被冲刷成纹沟、细沟、洞穴，并发展成暗沟、冲沟等，同时坡体局部有坍塌破坏现象。
(2)边坡滑塌
黄土边坡的破坏方式和规模与黄土层的构造特征密切相关。具有构造节理的黄土边坡，常呈现沿节理面滑落；具有垂直节理的黄土边坡，其破坏方式常呈现为坍塌；无构造节理的黄土边坡则主要为滑坡破坏。
黄土边坡崩坍是多种自然因素及人为因素综合作用的结果，其中地质条件是形成崩坍的基本原因。对黄土而言，由于竖向节理发育，边坡陡峻，地表水易向下和临空面渗透，形成了由潮湿或近饱和黄土组成的弧状软弱介质体，导致局部土体失稳。红橙色老黄土，普遍存在垂直节理、构造节理及风化节理，坡面开挖后节理易张开，在外界因素影响下，易引起崩坍。对于湿陷性新黄土，在边坡处受水浸湿或冲刷会发生坡脚局部坍塌，这是产生滑坡的前提，同时也有可能诱发更大规模的滑坡。
滑坡产生的原因主要是由于黄土的强度下降引起土体稳定性平衡的破坏。滑坡常发生在松散结构或湿陷性黄土层中，在老黄土和岩土间不整合倾斜接触面处，当遇水或其他因素作用等，也极易产生滑坡和崩坍
当边坡出现崩塌时，土体掉到路基边沟时，如不及时处理，将影响边沟排水，雨水下渗穿过路基，常引起黄土湿陷，进而使路面和边沟两侧发生局部破坏，如图7-14。同时路堤边坡急流槽数量不足或设置不当，未能将低洼处的水充分引排远离路基，将导致路基边缘黄土受水侵蚀、湿陷坍落，并形成冲洞，危及路基稳定。
2．边坡侵蚀破坏机理
黄土高原降雨量不大，在全国属中下等水平，但该地区的侵蚀强度却为全国之最。由于地表起伏的存在及地表抗冲蚀性的不均匀，径流在顺坡向下流动的过程中必然发生汇集，水深和流速逐渐增加，最后形成股流。这个过程最初以面状侵蚀为主，之后发展为细沟侵蚀，以至于浅沟侵蚀。在细沟开始发生后，水流搬运土粒的方式发生急剧变化，对土壤的侵蚀量也急剧增加。
在坡面径流过程中，径流汇集成股流是细沟侵蚀发生的必要条件。径流汇集以后，水深及流速都比薄层漫流增大若干倍，水流侵蚀力及搬运泥沙的能力也都成倍增加。其结果使得地表横向不均匀性进一步加大，径流流路渐渐固定，水流的紊动性也不断加剧。但此时水流侵蚀搬运土粒的方式与漫流只有强度上的区别，侵蚀作用力都是水流的剪切应力，起动模式也主要是表层松散状的土粒受水流拖曳，均匀地以单粒或团粒状进入悬浮状态。因此，尽管这时地表已经出现了细沟的雏形，但还不表明细沟已经形成。
随着径流过程的不断持续，便会在流路上开始出现一系列的跌水。跌水出现后，流路纵断面上形成了许多不连续的断点，每个断点都是侵蚀的最活跃点。由于在断点处存在有垂直的陡壁，此处的土粒被剥离分散的方式已发生了质的变化。除了水流剪切应力外，重力的影响程度大大增强。土粒也不再是均匀地以单粒或团粒进入悬浮状态，而是以块状滚落进入运动状态，侵蚀强度也随之急剧增加。这些侵蚀断点便会成为细沟的沟头，在流水作用下，不断发生溯源侵蚀，细沟也就不断加长，直至多处沟头贯通，形成完整的细沟。
跌水形成是坡面侵蚀方式发生变化的重要分界点，它标志着细沟开始形成，同时也表明在径流流路上，侵蚀方式已由面状侵蚀转为沟状侵蚀。跌水的形成具有随机性、突发性特点，关于水流侵蚀作用发生突变的原因，目前还未见到专门的研究，有人将其归因于地表既有的微小低洼。一般认为，耕作时留下的洼坑或雨滴打击后的麻坑，以及其他人类和牲畜留下的足痕等是导致坡面形成跌水的直接原因。
当已进入急流状态的坡面股流顺坡流下时，径流流路的宽度会有很大的变化，且在坡面不同的地方具有不同程度的宽窄变化。由于边界条件的不规则性，边壁状况的改变会使水流的扰动产生一种波动现象，即急流冲击波。水流出现冲击波时，水面不仅沿纵向起伏变化，而且在横断面上的水深也发生局部壅高，水面上形成菱形波浪。由于急流具有很大的惯性，遇到边壁扰动时，便会以很大的速度冲击边壁。而边壁也对水流施加反力，迫使水流沿边壁转向，产生动量变化，造成水面的局部壅高。冲击波产生后水深、流速的变化与水流的性质及引起扰动的边界条件有关。
径流深度的局部增大，冲击波的出现，使得径流在冲击波交汇的地方出现局部径流深度剧增，其剥蚀分散土壤的剪切应力也随之增大，其结果便会在此形成跌水，从而诱导细沟发生。急流冲击波的形成，在引起水深增大的同时，也增加了水流的局部扰动，使得水流流速及紊动强度局部剧增，在水流方向上出现一系列的能量激增点，相应地侵蚀剪切应力也在这些地方突然增强。径流侵蚀作用力的突然成倍增大及紊动强度的增加，便会在冲击波交汇处形成一系列跌水。作为一个个剧烈侵蚀点，跌水很快变深加长，在坡面纵向贯通连接，最后发展成细沟，及至形成冲沟或暗沟等。因此，水流本身的流态变化及局部扰动是导致细沟沟头形成的直接内在的原因。