工程地质教程课件_情景10平原与山区的道路桥梁工程地质问题.ppt

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1、情景10平原与山区的道路桥梁工程地质问题【学习目标】1. 掌握平原的类型；知道平原路基的地质问题。2. 掌握山地的类型；了解垭口和山坡及其类型；知道山地路桥的工程地质问题。3. 知道隧道位置选择的工程地质条件。4. 了解围岩应力的重分布和保障围岩稳定性的措施。【能力要求】1. 能知道平原类型和分析平原路基的地质问题。2. 能知道山地类型和选择过岭垭口和展线山坡。3. 能分析山地路桥的工程地质问题。4. 能对隧道位置选择进行工程地质条件评价。5. 能对保障围岩稳定提出对策。,必要的理论知识：平原与山区是人类的基本生存活动空间，道路建设基本就在这两个区域内开展，不同的区域带给人们不一样的感受，也给

2、工程建设带来了不同的工作特点。简简单单的平原地区其实制造了许多的工程麻烦，深刻认识平原区域的规律与特点是不可或缺的。山区历来是人类生存与实践的艰难地域，复杂多变的地质规律与外在环境的交互作用，使得这里充满了巨大的不确定性，因而严肃认真对待山区的工程建设活动是不言自明的。10.1平原的类型陆地上起伏很小、与高地毗连或由高地围限的广阔平地，称为平原。平原是在地壳升降运动微弱或长期稳定的前提下，经过风化剥蚀夷平或岩石风化碎屑经过搬运而在低洼地面堆积所形成。其特点是地势平坦开阔，地形起伏不大。平原有利于公路选线，在选择有利地质条件的前提下，可以设计成比较理想的公路线形。平原按高程分为高原、高平原、低平

3、原和洼地。 平原的高度分类表,平原按成因可分为构造平原、剥蚀平原和堆积平原。10.1.1构造平原构造平原是由地壳构造运动形成，其特点是微弱起伏的地形面与岩层面一致，堆积物厚度不大。构造平原地下水一般埋藏较浅，在干旱或半干旱地区若排水不畅，易形成盐渍化，在多雨的冰冻地区则易造成道路的冻胀和翻浆。10.1.2剥蚀平原剥蚀平原是在地壳上升微弱、地表岩层高差不大的条件下经外动力地质作用剥蚀、切割而成。其特点是地形面与岩层面不一致，上覆堆积物常常很薄，基岩常裸露于地表，只是在低洼地段才覆盖有厚度稍大的残积物、坡积物、洪积物等。按外力剥蚀作用的动力性质不同，剥蚀平原又分为河成剥蚀平原、海成剥蚀平原、风成剥

4、蚀平原和冰川剥蚀平原，其中较为常见的是前两种。河成剥蚀平原是河流长期侵蚀作用所形成，亦称准平原，其地形起伏较大，并沿河流向上游逐渐升高，有时在一些地方保留有残丘，如山东泰山外围的平原。海成剥蚀平原由海流的海蚀作用所形成，其地形一般较为平缓，微向现代海平面倾斜。剥蚀平原形成后往往因地壳运动变得活跃，剥蚀作用重新加剧使剥蚀平原遭到破坏，故其分布面积常常不大。剥蚀平原的工程地质条件一般较好。10.1.3堆积平原堆积平原是在地壳缓慢而稳定下降的条件下，经各种外力作用（如河流）的堆积填平所形成的。其特点是地形开阔平缓，起伏不大，往往分布有很厚的松散堆积物。按外力作用的性质不同，又可分为河流冲积平原、山前

5、洪积冲积平原、湖积平原、三角洲平原、风积平原和冰积平原，其中较为常见的是前三种。(1) 河流冲积平原河流冲积平原是由河流改道及多条河流共同沉积所形成的。它大多分布于河流的中、下游地带，如世界著名的冲积平原有我国的华北平原、印度的恒河平原、美国的中央大平原。因为这些地带河床很宽，堆积作用很强，且地面平坦，排水不畅，每当雨季洪水易于泛滥，其所携带的大量碎屑物质便堆积在河床两岸，形成天然堤。当河水继续向河床以外广大地区淹没时，流速锐减，堆积面积愈来愈大，堆积物愈来愈细，久而久之，便形成广阔的冲积平原。此类平原地形开阔平坦，具有良好的工程建设条件，对公路选线十分有利。但其下伏基岩往往埋藏很深，第四纪堆

6、积物很厚，且地下水一般埋藏较浅，地基土的承载力较低，在冰冻潮湿地区道路的冻胀翻浆问题比较突出。此外，为避免洪水淹没，路线应设在地形较高处，而在淤泥层分布地段，还应注意其对路基、桥基的强度和稳定性的影响。,(2) 山前洪积冲积平原山区中河床纵坡陡、河水流速大，当河流由山区进入平原时，流速骤然降低，大量物质沉积下来，形成冲积扇。冲积扇的形状和特征与洪积扇相似，但冲积扇规模较大，冲积层的分选性及磨圆度更高。如果山麓地带几个大冲积扇相互连接起来，则形成山前倾斜平原。在山前，河流沉积常与山洪急流沉积共同进行，因此山前倾斜平原也常称为冲洪积平原。(3) 湖积平原湖积平原是由河流注入湖泊时，将所携带的泥砂堆

7、积湖底使湖底逐渐淤高，湖水溢出、干涸所形成的，其地形之平坦为各种平原之最。湖积平原中的堆积物，由于是在静水条件下形成的，故淤泥和泥炭的含量较多，其总厚度一般也较大，其中往往夹有多层呈水平层理的薄层细砂或黏土，很少见到圆砾或卵石，且土颗粒由湖岸向湖心逐渐由粗变细。湖积平原地下水一般埋藏较浅，其沉积物由于富含淤泥和泥炭，常具可塑性和流动性，孔隙度大，压缩性高，故承载力很低。10.2平原路基地质问题路基是公路的重要组成部分，它主要承受车辆的动力荷载和其上部建筑的重力。坚固、稳定的路基是公路安全运行的保障。路基包括路堑、路堤和半路堤半路堑式等。在平原地区修建路基比较简单，工程地质问题较少，但在丘陵区，

8、尤其是地形起伏较大的山区修建公路时，路基工程量较大，往往需要通过高填或深挖才能满足线路最大纵向坡度的要求。因此，路基的主要工程地质问题是路基基底稳定性问题、路基边坡稳定性问题、道路冻害问题和天然建筑材料问题等。,10.2.1路基基底稳定性问题路基基底稳定性问题多发生于填方路堤地段，其主要表现形式为塌陷、滑移和挤出。路基基底土的变形性质和变形量的大小主要取决于基底土的力学性质、基底面的倾斜程度、软弱结构面或软弱夹层的性质与产状等。此外，水文地质条件也是促使基底不稳定的因素，它往往使基底产生巨大的塑性变形而造成路基的破坏。如路基底下有软弱的泥质夹层，当其倾向与坡向一致时，若在其下方开挖取土或在上方

9、填土加重，都会引起路堤整个滑移；当高填路堤通过河漫滩或阶地时，若基底下分布有饱水厚层淤泥，在高填路堤的压力下，往往使基底产生挤出变形；路基基底若为不良土，应进行路基处理或架桥通过或改线绕避等；也有的由于基底下岩溶洞穴的塌陷而引起路堤严重变形，如成昆线南段就有路堤塌陷的实例。路基基地若为软土、湿陷性黄土、多年冻土、岩溶空洞和地下矿山采空区等分布区域时，常会出现路基沉陷变形；而在盐渍土和膨胀土分布地区的路基则出现不均匀膨胀变形。10.2.2路基边坡稳定性问题路基边坡包括天然边坡、傍山线路的半填半挖路基边坡以及深路堑的人工边坡等。在重力作用、河流的冲刷或工程的影响下，路基边坡要发生不同形式的变形与破

10、坏，其破坏形式主要表现为滑坡和崩塌。当施工开挖使其滑动面临空时，易引起处于休止阶段的古滑坡重新活动，造成滑坡灾害。滑坡对路基的危害程度，主要取决于滑坡的性质、规模，滑体中含水情况以及滑动面的倾斜程度。,10.2.3道路冻害问题道路冻害包括冬季路基土体因冻结作用而引起路面冻胀和春季因融化作用而使路基翻浆。结果都会使路基产生变形破坏，甚至形成显著的不均匀冻胀和使路基土强度发生极大改变，危害道路的安全和正常使用。如青藏公路格尔木至拉萨段位于青藏高原腹地，穿越500多千米的多年冻土分布区，自20世纪70年代以来，出现了大范围较严重的路基、路面沉陷，病害主要集中出现在不稳定和较不稳定冻土带。另外，路基下

11、的冰丘、冰锥和季节活动层的冻融作用往往会使路基鼓胀，引起路基、路面的开裂与变形；当冰丘、冰锥融化后，路基又发生不均匀沉陷。东北大、小兴安岭多年冻土地区的道路受冰丘、冰锥的影响，鼓胀和沉陷变形较为明显；青藏公路则以路基、路面开裂较为严重。多年冻土路基处于特殊的自然环境状态，年均气温低于0，多年冻土地层结构从地表向下依次为随季节变化而处于冻结和融化状态的季节活动层、保持常年冻结的多年冻土层、常年融化层。多年冻土层的顶面称为多年冻土上限，底面则称为多年冻土下限。天然状态下，在多年冻土下限以下存在厚度不等的冰层或含土冰层。影响道路冻胀的主要因素是负气候的高低、冻结期的长短、路基土层性质和含水情况、土体

12、的成因类型及其层状结构、水文地质条件、地形特征和植被情况等。一般来讲，气温、地温愈低，地表植被愈好，冻土稳定性愈好；因为水的热容量较大，所以含冰量愈大，冻土稳定性愈好。防止道路冻害的措施有：提高路基标高；把粉、黏粒含量较高的冻胀性土换为粗的砂砾石抗冻胀性土；铺设毛细割断层，以断绝补给水源；采用纵横盲沟和竖井，排除地表水，降低地下水位，减少路基土的含水情况；修筑隔热层，防止冻结向路基深处发展等。另外，针对多年冻土特性和道路病害，多年冻土地区路基设计采用“保护、一般保护和不保护”三种原则。保护原则也称为被动原则，是采用工程措施严格控制多年冻土不发生变化；一般保护是采取工程措施，控制冻土变形速率和变

13、形总量；不保护也称主动原则，是采取措施加速冻土融化或清除冻土以及不采取任何工程保护措施的原则。保护原则适用于重要和对变形敏感的工程结构物，且冻土为稳定或较稳定型；一般保护原则适用于变形影响不敏感的工程，适用的冻土类型为较稳定型；不保护原则一般适用于不稳定冻土。,10.2.4天然建筑材料问题路基工程需要天然建筑材料的种类较多，包括道渣、土料、片石、砂和碎石等。它不仅在数量上需要量较大，而且要求各种建材产地沿线两侧零散分布。这些建材品质的好坏和运输距离的远近，直接影响工程的质量和造价，有时还会影响路线的布局。10.3山地的类型10.3.1山地的形态要素山是陆地上海拔500m以上，地面上被平地围绕的

14、、与其周围平地的交界处有明显坡度转折的孤立高地，具有山顶、山脊、山坡、山鞍、山麓（山脚）等明显的形态要素。山地的最高部分称为山顶。山顶呈线状延伸的叫做山脊。山脊上相对低凹似马鞍状的地形称为山鞍或垭口。一般来说，山体岩件坚硬、岩层倾斜或因受冰川的刨蚀时，多呈尖顶或很狭窄的山脊；气候湿热，风化作用强烈的花岗岩或其他松软岩石分布区，多呈圆顶；在水平岩层或古夷平面分布区，则多呈平顶，典型的如方山、桌状山等。,山坡是山岭地貌的重要组成部分，介于山顶与山麓之间。在山岭地区，山坡分布的面积最广。山坡的形状有直线形、凹形、凸形以及复合形等各种类型，这取决于新构造运动、岩性、岩体结构及坡面剥蚀和堆积的演化过程等

15、因素。,山坡与周围平地明显的交线或山坡和周围平地之间的过渡带称为山麓。由于坡面剥蚀和坡脚堆积，山脚在地貌上一般并不明显，在那里通常有一个起着缓和作用的过渡地带，它主要是由一些坡积裙、冲积锥、洪积扇和流水堆积地貌和岩堆、滑坡堆积体等重力堆积地貌组成。10.3.2山地的类型山地可以按形态或地貌成因分类。按形态分类一般是根据山地的海拔高度、相对高度和坡度等特点进行划分。根据地貌成因，可以将山岭地貌划分为以下类型。（1) 构造变动形成的山岭 平顶山 单面山当单斜层的倾角较大，形成两坡对称的山体时，称为猪背山（脊)，它多发生在已被破坏的背斜陡翼上。单面山的形成受构造控制，也与岩性有关，只在岩性坚硬的单斜

16、岩层区出现。单面山多见于由砂、页岩组成的褶曲的翼部，在四川盆地较为常见。 褶皱山褶皱山是岩层受构造作用发生褶皱而形成的山。根据褶皱构造形态及褶皱山发育的部位不同，褶皱构造山又可分为背斜山和向斜山。, 断块山断块山是因断层使岩层发生错断并相对抬升而形成的山，它可能只在一侧有断裂，也可能两侧均为断裂所控制。断层断块山垂直位移愈大，山势也就越陡，如陕西境内的秦岭就是典型的断层断块山。断块山的山麓地带发育断层崖、断层三角面。断块山由断层的仰冲盘组成。若形成较晚，或在晚近时期还有过明显活动，断层将表现为陡岩地形，这种地貌称为断层崖。当断层崖受到侵蚀，会被分隔成三角形的岩面，这种地貌叫做断层三角面。断层崖

17、和断层三角面都是野外识别断层的主要标志。断块山影响河谷发育。断块翘起的一坡河谷切割深，谷坡陡，谷地横剖面呈V形峡谷，纵剖面坡度大，多跌水、裂点。在断块的缓倾掀起的一坡，沟谷切割较浅，谷地较宽，纵剖面较缓。断块山的断层活动常使阶地错断变形。 褶皱断块山上述山地都是由单一的构造形态所形成，但在更多情况下，山地常常是由它们的组合形态所构成，由褶皱和断裂构造的组合形态构成的山地，称为褶皱断块山。褶皱断块山的基本地貌特征由断层形式决定，具有高大而明显的外貌。(2) 火山作用形成的山岭火山是岩浆喷出地面后形成的山体，它由火山口和火山锥两部分组成。 火山口 火山锥火山锥是以火山口为中心，四周堆积着由火山熔岩

18、及火山碎屑物（包括火山灰、火山砂、火山砾、火山渣和火山弹等）组成的山体。火山锥的形态与喷发的熔岩性质有关，主要有锥形火山、盾形火山和低平火山3种。锥形火山是多次火山活动造成的，其熔岩黏性较大、流动性小，冷却后便在火山口附近堆积，形成坡度较大的锥形外貌。盾形火山是由黏性较小、流动性大的熔岩冷却形成，故其外形呈基部较大、坡度较小的盾形。低平火山是由岩浆水汽相互作用发生爆炸而形成的，在地表下形成了深切到围岩的圆形火山口，并被一个低矮的碎屑环包围。(3) 剥蚀作用形成的山岭这种山岭是在山体地质构造的基础上，经过长期外力剥蚀作用所形成的。如地表流水侵蚀作用所形成的河间分水岭，冰川剥蚀作用所形成的刃脊、角

19、峰、冰斗，地下水溶蚀作用所形成的峰林、峰丛等。由于此类山岭的形成是以外力剥蚀作用为主，山体的构造形态对地貌形成的影响已退居不明显地位，所以此类山岭的形态特征主要取决于山体的岩性、外力的性质及剥蚀作用的强度和规模。,10.3.3垭口和山坡在山区公路勘测中，通常需要解决的是选择过岭垭口和展线山坡。(1) 垭口垭口是指相连的两山顶之间较低的部分，是在山地地质构造的基础上经外力剥蚀作用形成的。垭口常常是越岭线的控制点，若能找到合适的垭口越岭，可以降低公路高程和减少展线工程量。从地质作用看，可将垭口归纳为以下几种类型。 构造型垭口构造型垭口是由构造破碎带或软弱岩层经外力剥蚀所形成的垭口。常见的有断层破碎

20、带型垭口、背斜张裂带型垭口、单斜软弱层型垭口3种。a.断层破碎带型垭口。这种垭口的工程地质条件较差，由于岩体破碎严重，不宜采用隧道方案，一般以低路堤、浅路堑通过，以保证地面原有的稳定性。如需采用路堑，也需控制开挖深度或考虑边坡防护，以防止边坡发生崩塌。b.背斜张裂带型垭口。这种垭口虽然构造裂隙发育、岩层破碎，但工程地质条件较断层破碎带型好一些，这是因为两侧岩层外倾，岩层相对稳定，有利于排除地下水。因此可采用较陡的边坡坡度，挖方工程量和防护工程量较小。如果选用隧道方案，施工费用和洞内衬砌也较节省，是一种较好的垭口类型。c.单斜软弱层型垭口。这种垭口主要由页岩、千枚岩等易于风化的软弱岩层构成。两侧

21、边坡多不对称，一坡岩层外倾可略陡一些。由于岩性松软，风化严重，稳定性差，故不宜大挖，以浅路堑或路堤形式通过，否则须放缓边坡并采取防护措施。也可考虑隧道方案，可避免因风化带来的路基病害，还有利于降低越岭线的高程，缩短展线工程量或提高公路线形标准。 剥蚀型垭口剥蚀型垭口主要是以外力强烈剥蚀为主所形成的垭口，其形态特征与山体地质结构无明显联系，共同特点是松散覆盖层很薄，基岩多半裸露。垭口的形态特点主要取决于岩性、气候及外力的切割程度等因素。岩石坚硬而切割较深时，垭口多瘦薄，宜采用隧道方案，采用中堑深挖也比较有利，是一种良好的垭口类型；反之，则肥厚，采用深挖路堑或隧道对穿都比较稳定，但工程量较大。由石

22、灰岩等构成的溶蚀性垭口也属于这种类型，在开挖路堑或隧道时需注重溶洞或其他地下溶蚀地貌等的不利影响。 剥蚀堆积型垭口剥蚀堆积型垭口主要是在山体地质结构的基础上，以剥蚀和堆积作用为主要因素形成的垭口。其开挖后的稳定性主要取决于堆积层的地质特征和水文地质条件。这类垭口的外形浑圆、宽厚，松散堆积层厚度较大，有时还发育有湿地或高地沼泽，水文地质条件较差，故不宜降低过岭标高，道路通常多以低填或浅挖通过。,(2) 山坡山顶和山脚间的斜坡地段为山坡，它是组成山地的基本要素之一。山脊线与越岭线在山坡上常常需要进行相应的展线，所以在路线勘测中总是把越岭垭口和展线山坡作为一个整体通盘考虑。山坡的外部形态特征包括山坡

23、的高度、坡度及纵向轮廓。山坡的外形是各种各样的，根据山坡的纵向轮廓和坡度，可将山坡分为以下几种类型。 按山坡的纵向轮廓分类a.直线形坡。在野外见到的直线形山坡，一般可分为3种情况：由单一岩性构成的，经长期的强烈冲刷侵蚀而形成的山坡，其稳定性较高。由单斜岩层构成的，这种山坡在介绍单面山时曾经指出过，其外形在山岭的两侧不对称，一侧坡度陡峻，另一侧则与岩层层面一致，坡度均匀平缓。从地形上看，有利于布设路线，但开挖路基后遇到的都是顺倾向边坡，在不利的岩性和水文地质条件下，易发生大规模的顺层滑坡。由于山体岩性松软或岩体相当破碎，经长期剥蚀碎落和坡面堆积而形成的直线形山坡，这种山坡在青藏高原和川西峡谷较发

24、育，其稳定性最差，选做傍山公路的路基，应注意避免挖方内侧的塌方和路基沿山坡滑塌。b.凸形坡。一般上缓下陡，自上而下坡度渐增，下部甚至呈直立状态，坡脚界限明显。这类山坡往往是由新构造运动加速上升、河流的强烈下切形成的。其稳定性取决于岩体结构，一旦发生山坡变形，则会形成大规模的崩塌或滑坡。凸形坡上部的缓坡可选做公路路基，但应注意考察岩体结构，避免因人工扰动和加速风化导致失去稳定。c.凹形坡。山坡上陡下缓，坡脚界限很不明显。这种山坡可能是新构造运动的减速上升、河流缓慢下切形成的，也可能是山坡上部的破坏作用与山麓风化产物的堆积作用相结合的结果。分布在松软岩层中的凹形山坡，不少都是在过去特定条件下由大规

25、模的滑坡、崩塌等山坡变形现象形成，凹形坡往往就是古滑坡的滑动面或崩塌体的依附面。地貌调查表明，凹形山坡在各种山坡地貌形态中是稳定性比较差的一种。在凹形坡的下部缓坡上，也可进行公路布线，但设计路基时，应注意稳定平衡，沿河谷的路基应注意冲刷防护。d.阶梯形坡。阶梯形坡的形态其有3种不同的情况：由软硬不同的水平或近于水平的岩层经风化形成的，其表面剥蚀强烈，覆盖层薄，基岩外露，稳定性较高；由于山坡曾经发生过大规模的滑坡变形。由滑坡台阶组成的次生阶梯状斜坡，多存在于山坡中下部，如果坡脚受到强烈冲刷或不合理的切坡，或者受到地震的影响，可能引起古滑坡复活，威胁建筑物的稳定；由经过多次地壳抬升后的河流阶地组成

26、，其工程地质性质取决于河流堆积物的厚度。 按山坡的纵向坡度分类山坡按其纵向坡度分为微坡（小于15）、缓坡（1630）、陡坡（3170）、垂直坡（大于70）。,10.4山地路桥工程地质问题桥梁是公路工程建筑的重要组成部分。路线跨越河流、沟谷或道路，需要架设桥梁。桥梁也是路线通过地质灾害频繁发生地区的主要工程。因而，在公路工程地质勘察中，需要查明桥址周围的工程地质条件和存在的工程地质问题，以确保建筑物的安全和正常使用。而桥址选择、桥墩台地基稳定与冲刷问题以及正确地选定桥基承载力等，是确保桥梁安全的重要方面。10.4.1桥梁工程与工程地质条件的关系在确定桥位之前首要任务是勘察桥位可能穿越的地层、岩性

27、、地质构造，尤其要分析桥位与大的构造线、破碎带之间的关系。桥位选定后，对桥墩位置的布置应做具体探测，墩位应避开软弱层，因为一个桥址的不同地段可能会遇到复杂的构造现象，可因地制宜做小的调整。,（a）凸形坡 （b）凹形坡 （c）阶梯形坡 各种形态的山坡,桥基的稳定性与岩层产状、软弱面等都有直接关系。(1) 当岩层层面倾向下游，其中又有软弱岩层时，会因水的冲蚀作用而影响基础的稳定。如果软弱夹层较厚，会使基础产生差异沉降，导致墩身歪斜或倾覆。(2)当两种不同岩层接触，其接触面较陡时，会造成桥基不稳，因为接触面一般都是软弱结构面，故最好是将桥基设计在单一岩层之上。(3)在定桥位时，应尽可能地避开断层破碎

28、带，因为桥基岩体破碎，易风化渗水，受桥基和桥体荷载后出现沉陷，或沿断层破裂面错动的方向，使桥墩发生滑移或倾斜。,断层构造对桥基影响示意图,桥基不稳示意图,10.4.2桥址选择的工程地质条件桥址位置的选择应该从政治、经济、技术和使用观点出发，使桥址与线路互相协调配合。影响桥址选择的因素有路线方向、工程地质与水文地质条件等。其中工程地质条件是评价桥址好坏的重要指标之一。（1） 桥址选择应选在河床较窄、河道顺直、河槽变迁不大、水流平稳、两岸地势较高而稳定、施工方便的地方。避免选在具有迁移性（强烈冲刷的、淤积的、经常改道的）河床、活动性大河湾、大沙洲或大支流汇合处。（2） 选择覆盖层薄、河床基底为坚硬

29、完整的岩体的地段。若覆盖层太厚，应选在无漫滩相和牛轭湖相淤泥或泥炭的地段，避免选在尖灭层发育和非均质土层地区。（3） 选择在区域稳定性条件较好，地质构造简单，断裂不发育的地段，桥线方向应与主要构造线垂直或大交角通过。桥墩和桥台尽量不置于断层破碎带和褶皱轴线上，特别在高地震基本烈度区，必须远离活动断裂和主断裂带。（4） 尽可能避开滑坡、岩溶、可液化土层等发育的地段。（5） 在山区峡谷河流选择桥址时，力争采用单孔跨越。在较宽的深切河谷，应选择两岸较低的地方通过，要求两岸岩质坚硬完整，地形稍宽一些，适当降低桥台的高度，降低造价，减少施工的困难。例如，武汉长江大桥在桥址选择时先后共做了8个桥址线的比较

30、方案，各方案均是利用长江两岸的丘陵地形以提高净空，缩短引桥和路堤的长度，各具特点。当时从工程地质观点对各方案主要问题进行了评述，并选出最优方案如下 。第一方案主要是引桥太长和江底基岩埋深太大而未采用。第二、四、八方案，各线几乎平行且比较接近，仅在两岸引桥部分的布置有所不同，其中第八方案各墩基岩性都很好，但钻探结果发现石灰岩中的溶洞最多，而左岸路堤地基不佳，故未采用。第三、六方案，根据钻探结果认为岩性不好，且正桥和引桥均较长，所以也放弃了。第七方案由于引桥较长，炭质页岩破碎，未作进一步勘探和研究工作就被否决。第五方案引桥稍短，地质情况较好，桥线地质剖面较理想，基岩走向近东西，倾角较陡的一个倒转向

31、斜，除第七号桥墩位于含黄铁矿的炭质页岩夹燧石层外，其他各墩台均位于坚硬而无溶洞的石灰岩上。为解决第七号墩基的工程地质问题，采用116根55cm管柱桩，并用矿渣水泥及抗硫酸水泥作混凝土灌注材料，又经过现场荷载试验，每根管柱桩的承载力均满足工程设计要求。因此，最终确定选择第五方案，作为目前武汉长江大桥的桥线。,武汉长江大桥桥址线比较方案图,武汉长江大桥桥址地质剖面图,10.4.3桥墩台地基稳定与冲刷问题(1) 桥墩台地基稳定问题桥墩台地基稳定性主要取决于墩台地基中岩土体承载力的大小。它对选择桥梁的基础和确定桥梁的结构型式起决定作用。当桥梁为静定结构时，由于各孔是独立的，相互之间没有联系，对工程地质

32、的适应范围较广。但对超静定结构的桥梁，对各桥墩台之间的不均匀沉降特别敏感，故取用其地基容许承载力时应予慎重考虑。岩质地基容许承载力的确定取决于岩体的力学性质及水文地质条件等，应通过室内试验和原位测试等综合判定。桥墩和桥台的基底面积虽然不大，但是由于桥梁工程处于地质条件比较复杂的地段，不良地质现象严重影响桥基的稳定性。如在溪谷沟底、河流阶地、古河湾及古老洪积扇等处修建桥墩和桥台时，往往遇到强度很低的饱水淤泥和淤泥质软土层、较大的断层破碎带、基岩面高低不平、风化深槽、软弱夹层、深埋的古滑坡等地段，这些均能使桥墩台基础产生过大沉降或不均匀下沉，甚至造成整体滑动。（2） 桥台的偏心受压桥台承受垂直压力

33、、岸坡的侧向主动土压力、滑坡的水平推力作用，使桥台产生偏心荷载。由于车辆在桥梁上行驶突然中断而产生作用力，这种作用对桥台的稳定性影响很大。（3） 桥墩台的冲刷问题桥墩和桥台的修建，使原来的河槽过水断面减小，局部增大了河水流速，改变了流态，对桥基产生强烈冲刷，有时可把河床中的松散沉积物局部或全部冲走，使桥墩台基础直接受到流水的冲刷，威胁桥墩台的安全。因此，桥墩台基础的埋深，除取决于持力层的部位外，还应满足下列要求： 桥位应尽可能选在河道顺直、水流集中、河床稳定的地段，以保护桥梁在使用期间不因河流改道而失去作用或受到河流的强烈冲刷而破坏。 桥位要避开顺河向及平行桥梁轴线方向上的大的断层破碎带和活动

34、断裂带。 桥位要选在岸坡稳定，基底岩石坚硬完整，无严重不良地质现象的地段。 在有冲刷处，应埋置在墩台附近最大冲刷线以下。当基础建于抗冲刷较差的岩石上时，应适当加深。,4 桥基承载力确定桥基承载力的确定有三种方法：载荷试验法、公式计算法和应用规范查表法。载荷实验是在建筑物场址进行原位试验的方法。由载荷试验测得的数据能反映地基土的真实情况，一些重要建筑物多由载荷试验确定地基承载力，一些地质条件复杂的场地，也经常作载荷试验。有关载荷实验的具体方法后续课程有详细介绍。公式计算法有多个理论公式，这些公式是以某些假定条件为基础而推导出来的。公式中一般要考虑基础形式、基础埋置深度、土的物理力学性质和状态等因

35、素。规范查表法是一种经验方法，它是在多年实践经验中，根据地基土的某些物理力学指标与承载力之间的相关统计关系而总结、制定出相应的表格。根据表中某些指标查取承载力。规范法是以大量的实践经验为基础，因而比较准确、可靠，使用方便，为现场普遍采用。此外，地基承载力的确定，还可以由旁压仪、触探仪、十字板剪切仪等原位测试方法来测定。5 路桥工程与河流的关系路桥工程与河流关系非常密切。道路一般沿河前进，线路在河谷横断面上所处位置的选择，河谷斜坡和河流阶地上路基的稳定，也都与河流地质作用密切相关。道路跨过河流必须架桥，桥梁墩台基础、桥渡位置选择都应充分考虑河流的地质作用。对于桥渡，首先应当选择在河流顺直地段过河

36、，以避免在河曲处过河遭受侧蚀而危及一侧桥台安全；应尽量使桥梁中线与河流垂直，以免桥梁长度增大。其次墩台基础位置应当选择在强度足够、安全稳定的岩层上，对于那些岩性软弱的土层、地质构造不良地带，不宜设置墩台。如图所示，A台不稳定，可能由于岩层滑动而破坏；C墩位于断层上，断层两侧岩石不同，或断层带内岩石破碎，均不利台基稳定；B墩台位置较好，台基稳定。墩台位置确定之后，还必须准确地决定墩台基础的埋置深度，埋置深度太浅会由于河流冲刷河底使基础暴露甚至破坏；埋置过深将大大增加工程费用和工期。,A台易产生顺层滑动,B台较为有利,C台位于断层带上,跨越断裂构造带的建筑物,对于沿河线路来说，一段线路位置的选择和

37、路基在河谷横断面上位置的选择，从工程地质观点要求，主要包括边坡和基底稳定两方面。线路沿峡谷行进，路基多置于高陡的河谷斜坡上，经常遇到崩塌、滑坡等边坡不良地质现象，是山区道路的主要病害，这部分内容将在后面有关章节中专门论述。线路沿宽谷或山间盆地行进，路基多置于河流阶地或较缓的河谷斜坡上，经常遇到各种第四纪沉积层。线路在平原上行进也常把路基置于冲积层上，常见的病害是受河流冲刷或路基基底含有软弱土层等。10.5隧道隧道是公路工程中与地质条件关系最密切的工程建筑物。它的优点是线路短、裁弯取直、减少开挖和填方工程量、抗震及国防安全性高。隧道位于地下，四周被各种围岩包围，处于各种不同的地质构造部位，可能遇

38、到各种地质问题。而围岩的稳定性与岩体的地质条件、应力状态、洞室形状及规模、施工方法等因素有关。10.5.1隧道位置选择的工程地质评价在进行工程规划和设计时，隧道位置的确定是先决问题之一。隧道位置的选择，除取决于工程目的要求外，还需要考虑区域稳定性、山体的总体稳定性及地形、岩性、地质构造、地下水、地应力等因素的影响。(1) 区域稳定性及山体的总体稳定性的影响一般要求，建洞地区应是区域地质构造稳定，无区域性大断裂通过，附近没有发震构造，地震基本烈度应小于8度。根据经验，具有下述条件的山体，不宜于修建隧道。 山体单薄，受冲沟切割剧烈，风化带或卸荷裂隙带发育很深，洞室顶部或侧墙可利用的新鲜岩体厚度不够

39、（一般要求有压隧洞的上覆岩体厚度大于0.20.5倍压力水头，无压隧洞的上覆岩体厚度大于3倍洞的跨度）。 山体岩性极不均一，坚硬完整岩层的厚度不够。 地质构造复杂，岩层强烈褶皱，断裂带发育规模大，山体的完整性遭受严重破坏。 物理地质作用剧烈，山坡稳定性差，或山坡已产生滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。可溶性岩石地区，岩溶发育。 地下水影响大。 存在严重的有害气体和异常地热。,（2） 其他影响因素当山体的整体稳定性不存在问题，可以利用时，地下洞室位置及方向的选择，主要受地形、岩性、地质构造、地下水等地质条件的影响。 地形条件隧洞进出口最好选择基岩出露比较完整或坡积层较薄，地形边坡应下陡上缓，并

40、尽量垂直于地形等高线（交角不宜小于30）的地段。洞口岩层最好倾向山里以保证洞口边坡的安全。在地形陡的高边坡开挖洞口时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保证边坡的稳定性。洞口要避开滑坡、崩塌、冲沟、泥石流等不良地质现象发育地段，避开山麓残积、坡积、洪积物等第四纪松散沉积物。隧洞进出口不宜选在排水困难的低洼处，也不应选在傍河山嘴及谷口等易受流水冲刷的地段，洞口高程要高于百年一遇洪水位。 岩性条件岩性是影响围岩稳定的基本因素之一。在工程中，按岩石饱和抗压强度Rg将岩体分为硬质岩（Rg大于或等于30MPa）和软质岩（Rg小于30MPa）。一般来说，坚硬完整的硬质岩，围岩的稳定性较

41、好，能适应各种断面形状的地下洞室。而软质岩如黏土岩类、破碎及风化岩体，则强度低、抗水性差，围岩往往是不稳定的。因此，洞室位置应尽量选在坚硬完整的岩石中。一般在坚硬完整岩石中掘进，围岩稳定，日进尺快，造价低。在软弱、破碎、松散岩层中掘进，顶板易坍塌，侧壁和底板易产生鼓胀挤出变形，容易出现事故，需要边掘进边支护或超前支护，进尺慢,工期长，造价高。岩浆岩、厚层坚硬的沉积层及变质岩，围岩的稳定性好，可以修建大型的地下工程。软弱岩石如凝灰岩、黏土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及某些片岩等，稳定性差。松散及破碎岩石稳定性极差，选址时应尽量避开。此外，岩层的组合特征对围岩的稳定性也有重要影响。一般软硬互

42、层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。, 地质构造地质构造是控制岩体的完整性及渗漏条件的重要因素。选址时应尽量避开地质构造复杂的地区，否则会给工程带来困难。如意大利的辛普朗隧道，长20km，由于地层严重褶皱、倒转并伴有大型的逆断层，岩石破碎，施工中多次发生塌方，经多次停工处理后才打通。下面就褶皱、断层及岩层产状对围岩稳定性的影响进行简要的分析。a.褶皱的影响褶皱剧烈地区，一般断裂也发育，特别是褶皱核部岩石的完整性最差。向斜核部，辐射状张裂隙将岩石切割成上窄下宽的楔形块体，洞室开挖后顶部易于掉块坍塌。另外，向斜核部还经常有地下水

43、，对围岩稳定与施工不利。背斜核部比向斜稍好，虽也有辐射状张裂隙，但其切割的岩块上宽下窄，较为稳定。但应注意，挤压强烈的褶皱，不论背斜或向斜，核部岩石均较破碎，稳定性差。因此，地下洞室不要沿褶皱核部布置，应选择在褶皱翼部。b.断层的影响断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差，地下掘进如遇较大规模的断层，几乎都要产生塌方甚至冒顶，如黄河小浪底枢纽工程，在地下洞室掘进时遇到大断层，因支护不及时造成了极其严重的坍塌冒顶事故。因此，选址时应尽量避开大断层。c.岩层产状的影响洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况，围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。当岩层较陡时，稳定性最好。当岩层倾角较平缓且节理发育时，在洞顶

44、易发生局部岩块坍落现象，洞室顶部常出现阶梯形超挖。洞室轴线与岩层走向平行。在水平或缓倾岩层中（倾角小于10），应尽量使洞室位于厚层均质岩层中，若切穿不同岩性时，应选择坚硬岩层作为顶板，不能使软弱岩层展布于洞顶。例如，水槽子地下厂房，由于岩体中有凝灰岩夹层，影响边墙和顶拱的稳定，因此，选址时将洞室移至夹层以下25m。在倾斜岩层中布置洞室，一般是不利的。当洞身通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，逆倾向一侧的围岩侧压力小，有利于稳定。因此，在倾斜岩层中最好将洞室选在均一完整坚硬的岩石中。此外，岩层的倾角对稳定性也有影响，选址时应结合其他因素综合考虑。, 地

45、下水地下工程施工中的塌方或冒顶事故，常常和地下水的活动有关。地下水对岩体的不良影响主要是对围岩或衬砌产生静水压力、动水压力及溶解软化作用，降低了围岩的稳定性，同时还可能给施工造成很大困难。因此，对地下洞室沿线的水文地质条件进行预测性调查是十分重要的。这主要是在上述地形、地层岩性、地质构造调查的基础上，同时调查分析地下水的埋藏条件、类型及泉水出露情况。对强透水层与相对隔水层的接触部位和其他不利的水文地质条件地带，如向斜轴部、大断层破碎带、岩脉破碎带、岩溶地下暗河等，应密切注意其分布规律和发育程度，并结合洞室设计高程，分析评价地下水涌水的可能性和涌水量以及地下水中侵蚀性CO2和硫酸盐侵蚀性对混凝土

46、衬砌的影响。另外，不同用途的地下工程，对地下水位的要求也不同。一般作为洞库或工业使用的地下工程，为减少防渗防潮工作量，都尽量布置在地下水位以上。抽水蓄能工程、水下隧道及水封油库等则布置在地下水位以下。 其他隧洞选线时，线路应尽量采用直线。避免或减少曲线和弯道。如采用曲线布置，依据现行规范要求，洞线转弯角应大于60，曲率半径不小于5倍的洞径。隧洞选线时还应注意充分利用沟谷地形，多开施工导洞，方便施工。如让洞线穿越多处山脊，除进出口两边有工作面外，还可沿沟谷打水平施工导洞，或在沟谷中打竖井作施工导洞，以增加工作面。关于岩体中的初始应力状态及洞室开挖后的二次应力状态，对围岩稳定的影响，将在下文讲述。

47、一般在高地应力地区布置地下洞室的轴线时，最好使其与最大水平主应力方向平行布置，否则，边墙将产生严重的变形和破坏。如二滩水电站实测的最大水平主应力方向为NE30左右，两个水平主应力差很大，如果洞室的轴线平行最大水平主应力方向布置，边墙上侧向压力小，若垂直最大水平主应力方向布置，则侧向压力将增加1.573.63倍。,10.5.2围岩应力的重分布(1) 应力重分布的一般特征地下洞室开挖前，岩体内任意点上的应力都是平衡的。洞室开挖后，原来的应力平衡状态被破坏，围岩内的应力就要重新分布，直到建立新的平衡为止，称为应力重分布。围岩应力重分布与岩体的初始应力状态及洞室断面的形状及岩体特性等因素有关。在简单情

48、况下，假定岩体为弹性介质，对于侧压力系数（水平应力与垂直应力的比值）=1的圆形洞室，围岩中任意一点的应力可用下式计算：r=1（r/R） （10-1）=1+（r/R） （10-2）式中：为初始应力；r 为径向应力；为切向应力；r为洞室半径；R为围岩中某点至洞室中心的距离。从式（5-1）和（5-2）可知，隧洞开挖后应力重分布的主要特征是径向应力(r)向洞壁方向逐渐减小，至洞壁处为零。而切向应力()在洞壁增大，如在A点它比开挖前要大两倍。应力重分布的影响范围，一般为隧洞半径的5倍，在此范围之外，岩体仍处于原始应力状态。通常所说的围岩，就是指受应力重分布影响的那一部分岩体。(2) 围岩的松动圈和承载圈洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩强度之间的关系。由于应力重分布，引起洞周产生应力集中现象，当周边应力小于岩体的强度极限(脆性岩石)或屈服极限(塑性岩石)时，洞室围岩稳定。否则，周边岩石首先破坏或出现大的塑性变形，并向深部扩展到一定的范围形成松动圈。在松动圈形成的过程中，原来洞室周边集中的高应力逐渐向松动圈外转移，形成新的应力升高区，该区岩体挤压得紧密，宛如一圈天然加固的岩体，故称承载圈。此圈之外为初始应力区。,