1、1昔格达地层公路修建技术研究报告简本昔格达地层是形成于第三纪上新世（N 2）第四纪下更新世（ Q1）的湖相沉积物，主要由浅黄色、肉红色、灰白色、灰黑色粘土层与浅黄色粉细砂层呈韵律互层组成，广泛分布于四川西南部攀西地区以及云南北部的元谋地区等十三个县市区，尤其是金沙江、安宁河、雅砻江、大渡河流域的山间河谷和盆地区域，在攀西地区的安宁河谷、攀枝花市分布面积和沉积厚度较大，以攀枝花市盐边县红格乡昔格达村命名，其中昔格达村剖面沉积厚约 248m。虽然昔格达地层分布具地域性，但是作为国内外极为典型的半成岩地层（N 2xQ 1x） ，因形成时代新、成岩胶接作用差、岩层结构疏松、具崩解性和一定的膨胀性，工程
2、特性差，是我国著名的“易滑”地层，在昔格达地层中修建公路其修筑技术资料几乎空白。昔格达地层公路修建面临一系列关键技术问题，尤其是项目依托的西攀高速公路沿线穿越的昔格达地层长达 90km，为了解决工程建设中路基、边坡、桥基、滑坡治理等的问题，并为昔格达地层地区土木工程建设提供借鉴和参考，在四川省交通厅和交通部西部科技中心支持下，研究课题“昔格达地层公路修建技术研究”于 2003 年在交通部西部交通建设科技项目（合同号 200331880055）立项研究。为解决昔格达地层公路修建的成套关键技术问题，四川省交通厅公路规划勘察设计研究院联合四川攀西高速公路开发股份有限公司、西南交通大学、成都理工大学和
3、四川大学等多家单位组成课题组，以西攀高速公路为依托，通过调研、室内外试验、理论分析和数值模拟，对昔格达地层岩土工程特性、路堑边坡稳定性分析与防治技术、桥梁桩基承载性能和机理、抗滑桩支挡技术、昔格达填料特性与填筑工艺、路堤土工格栅加筋技术等基础性问题进行了系统研究，项目获得的主要研究成果分述如下：一、昔格达地层岩土工程性质研究昔格达地层作为国内外极为典型的跨时代地层（N 2xQ 1x） ，是研究并检验青藏高原隆升和现代西南季风气候形成的标志性地层之一，我国老一辈地质学家对其形成时代、古地理、古气候、古生态、古环境、古地貌和构造运动的演化进行了大量的研究，从上至下可分为三段：上部为厚层状黄色细砂岩
4、和杂色2粘土岩互层,通常称为“黄色层”,粘土岩具微层理滑感,渗水性弱；中部以灰色、灰黑色为主的粘土岩和黄色细砂岩互层,通常称为“灰色层” ；下部由卵石、砾石层或砂砾石层夹棕色砂粘土组成的砂砾岩层。图 1 西攀路昔格达地层（新九） 图 2 西攀路昔格达地层（安宁河岸）昔格达地层岩土工程特性研究方面，除了做常规的基本的物理力学实验外，重点开展了三轴不同围压条件下试验研究、直剪试验研究、室内高精度 MTS 岩石抗压试验、动三轴动模量、阻尼特性试验、承载板试验等研究，取得的主要研究成果有：综合单轴抗压强度和其他有关力学指标，从工程特性角度，明确指出昔格达岩层应属极软岩和极硬土之间的过渡类型半成岩；采用
5、土力学和岩石力学试验方法相结合研究了昔格达半成岩的工程特性，结合昔格达地层的沉积环境提出了西攀路沿线昔格达地层可分为安宁河流域和金沙江流域两个区段，明确指出昔格达中段半成岩工程特性较好、工程性质更接近极软岩，而上段半成岩工程特性较差、工程性质更接近硬土；3图 3 粉砂质泥岩破坏特征 图 4 砖红色泥岩破坏特征运用伺服控制单轴压缩试验和高精度 MTS 压缩试验研究了昔格达半成岩的应力应变全过程，运用动三轴仪研究了昔格达半成岩的动力特性，探究了动、静力学特性差异，采用反复剪试验模拟了攀西地区降雨引起昔格达地层反复蠕滑的软弱层带长期强度；图 5 MTS 试验数据采集系统 图 6 砖红色泥岩 MTS
6、应力应变全过程曲线 建立了昔格达半成岩各组岩性抗剪强度参数(c、 )与基本物理指标含水量(w) 和孔隙比( e)或干密度 (d)的复相关公式；系统研究了昔格达半成岩不同岩性的非线性本构特性、动力本构特性和滑动面的剪切刚度特性，提炼了相应的本构模型的试验参数，丰富了半成岩研究理论，为昔格达地层公路修筑技术研究的后续子课题研究奠定了基础；归纳总结了昔格达地层分布区公路病害的三种主要形式（覆盖层滑坡、昔格达基底滑坡、昔格达层面滑坡）和失稳模式（蠕滑拉裂） 。 第 四 系 覆 盖 层昔 格 达 组 泥 岩昔 格 达 组 砂 岩图 7 覆盖层滑坡典型地质剖面（如永郎互通滑坡） 第 四 系 全 新 统 植
7、 物 层昔 格 达 组 泥 岩前 震 旦 系 石 英 角 闪 片 岩图 8 昔格达基底滑坡典型地质剖面（如干田湾滑坡）4 昔 格 达 组 泥 质 粉 沙 岩滑 坡 后 壁图 9 昔格达组近水平层面滑坡典型地质剖面 图 10 昔格达组倾斜层面滑坡典型地质剖面（如攀枝花服务区滑坡） （如 K151+300 左侧边坡滑坡）二、昔格达地层路堑边坡稳定性分析与防护技术研究近年来，国内外边坡研究进入了定性与定量相结合、概念模型与仿真模型相结合、监测与反馈分析相结合的新阶段。对于边坡稳定问题的分析评价一般有定性分析和定量分析两种方法。定性分析即根据对坡体自然形成历史和变形破坏特点的研究及对坡体结构、岩性的认
8、识，并借鉴对比类似工程经验对坡体的稳定性作出定性的判断。定量分析则需要以详细的地质资料为基础，获取坡体结构、岩性及工程特性参数资料，进而采用理论计算和有关标准以判断坡体的稳定程度。对于昔格达地层边坡的稳定性来讲，充分考虑边坡的结构特性、卸荷应力状态、水环境等对其力学性质的影响及流变性，对于准确、合理的评价昔格达层边坡的稳定性具有重要的意义。项目研究取得的主要研究成果有：在对昔格达地层 176 处边坡调查基础上，采用物元分析、数理统计、人工神经网络、模型试验、数值计算和工程类比等多种方法相结合，初步将昔格达半成岩边坡分为 4 个基本类型（稳定型、次稳定型、次不稳定型和不稳定型）和 17 个亚类；
9、采用有限元软件Ansys 程序，对不同类型昔格达半成岩路堑边坡稳定性进行了量化评价；对昔格达半成岩路堑边坡稳定性进行了离心模型试验，预测了边坡未来的变形、应力和应变； 第 四 系 冰 碛 层昔 格 达 组 粉 砂 岩昔 格 达 组 泥 岩图 11 离心模拟试验5针对研究得出的昔格达半成岩路堑边坡 4 个基本类型，提出了一套全面系统的防护措施；将非线性理论和人工神经网络理论引入到对昔格达半成岩路堑边坡稳定性预测中。三、昔格达地层桩基承载性能试验研究目前国内外对软岩中灌注桩承载性能的研究主要集中在灌注桩的荷载传递机理、灌注桩极限承载力确定方法和如何提高灌注桩承载力等方面。就昔格达地层的桩基承载特性
10、方面，我国在修建成昆铁路时曾对昔格达组地层作过一些研究，并得出昔格达组地层的临塑荷载约为 300500kPa，极限荷载约为10001500kPa，以昔格达组地层作为桥梁基础的持力层，其承载力要综合考虑胶结物质、节理裂隙、风化程度、受水条件等综合因素。限于当时的条件，试验主要针对厚层砂岩进行，泥岩做得较少不具代表性。项目研究进行了较多的桩基试验，取得的主要研究成果有： 针对西攀路沿线昔格达半成岩对应的分区和分带特征,进行了共13 根桩的竖向静载试验、2 根桩的水平推力试验和 9 个点的承压板试验，得出昔格达组中段的半成岩因其较高的承载力、可作为建筑物基础的持力层的结论；针对昔格达半成岩在饱水和受
11、扰动条件下易软化和泥化,且暴露于空气中易风化的特点,提出了昔格达半成岩中桩基础的施工注意事项和施工指南；根据试验和研究成果,提出了昔格达半成岩中桩基础的适用桩型,得出了当嵌岩深度接近 20d 时,昔格达半成岩中的灌注桩在竖向受力时仍呈现摩擦桩的特点、可按摩擦型灌注桩计算，在水平受荷时可按 m 法计算的重要结论；根据昔格达地层岩性存在着较大的变异性和区域性很强的特点,对不同分区、分带的昔格达半成岩提出了相应的地基基础设计参数建议值；本项研究中采用的考虑接触单元的力学模型及取用的相关参数对桩进行图 12 竖向加载及测试系统6理论分析结果，试桩的计算与试验结果在定性上与定量上均吻合得较好，表明考虑接
12、触单元的力学模型计算昔格达地层桩基承载性能的适宜性； 试验研究了昔格达地层桩基灌浆以提高承载力的特性。试验结果表明，桩端压力灌浆后桩的承载性能明显改善，桩端敞开式灌浆的效果优于其它灌浆方式。四、昔格达地层抗滑桩支挡防护技术研究抗滑桩是目前滑坡治理普遍采用的有效的工程措施之一。昔格达滑坡治理大多数采用抗滑桩，西攀路昔格达滑坡设计抗滑桩治理滑坡路段有 15 段，450根，计 8000m 长，锚固段均在昔格达地层中，依据地勘资料并参照铁路部门得出的经验资料取值计算，较普遍的出现了锚固段偏长，桩截面尺寸偏大的现象，大幅度地增加了工程造价。而现行各规范对极软岩中的抗滑桩未有明确完整的计算方法，也未发现此
13、方面的专门研究文献。项目研究进行了较多的抗滑桩试验，取得的主要研究成果有：根据现场试验和分析计算结果,明确指出将抗滑桩的锚固段设置在稳定的昔格达半成岩中,可以提供较好的锚固阻力,且抗滑桩性状更符合土层中水平受荷桩的特性；得出昔格达滑坡抗滑桩的计算可按 m 法和常数法进行,但 m 法的计算结果，安全储备更高的重要结论；结合现场试验成果,应用三维弹塑性有限元,研究了昔格达半成岩与桩之间的相互作用机理,对比 m 法和常数法，综合论证昔格达半成岩中桩的受力特性 ,推荐了相应的计算方法；根据昔格达地层岩性存在着较大的变异性和区域性很强的特点,对不同分图 14 抗滑桩水平加载试验7区、分带的昔格达半成岩提
14、出了相应的地基基础设计参数建议值。五、昔格达地层作为路基填料的研究西攀路沿线共开挖上百万方昔格达层岩土，如果利用其作为路基填料，不仅可为本工程节省投资，还可为攀西地区和类似工程地质条件下的环境保护和工程建设积累经验。成昆铁路建设及现有低等级公路的工程经验表明，昔格达层岩土填料路基易发生沉降变形、路面开裂、路基失稳等病害。为充分利用昔格达层弃碴，项目研究进行了现场碾压工艺试验，取得的主要研究成果有：通过依托工程试验段的研究,论证了昔格达半成岩作为路堤填料的可行性,填补了昔格达半成岩填料用作公路路堤的空白；提出了昔格达混合填料的最大干密度与最优含水率应根据不同的泥岩含量与含水量进行动态取值；提出了
15、昔格达填料路堤的填筑施工工艺、检测技术和相应评定标准,编制了相应的施工技术指南。六、土工格栅在昔格达填土路基中的应用研究聚合物格栅在国内外作为一种性能独特的材料，广泛应用于公路、铁路、水利、房建等土建工程。目前，对昔格达层岩土填料路堤中加入格栅的研究很少，尤其缺少设计所需的基本材料参数。本项研究除开展现场碾压工艺试验外，还尝试在昔格达层填料路基中加铺土工格栅，以提高路基稳定性、降低其沉降量，通过大量的试验和原型观测资料的分析，取得的主要研究成果有：研制了直剪拉拔联合试验仪对昔格达填料中铺设土工格栅进行了直剪及拉拔试验；进行昔格达半成岩填料加铺土工格栅路基的离心模型试验和数值仿真监测反馈研究；图
16、 15 填料试验现场8全面系统研究了昔格达路堤填料的工程特性及路堤加铺土工格栅的作用和参数,以及土工格栅与昔格达路堤填料间的相互作用机理、路堤的稳定和变形计算分析方法；明确得出了土工格栅昔格达填料界面上的极限摩阻力与法向压力之间的关系符合 Coulomb 定律的结论；明确得出了昔格达路基填料中加入土工格栅可明显地改善路基中的应力状态，并使路基的整体刚度明显提高的结论。项目全面系统地完成各专题研究内容，项目研究全面系统地解决了昔格达半成岩地层公路修建的成套关键技术问题，保证了工程安全，节约了工程投资，提高了施工进度。研究成果为类似半成岩地层的防灾减灾、环境保护和工程建设提供了重要参考。2007
17、年 5 月25 日，交通部西部交通建设科技项目管理中心组织专家在成都对“昔格达地层公路修建技术研究（合同号200331880055） ”进行了评审鉴定和验收。专家一致认为项目研究在以下图 16 土工格栅室内试验9方面取得了创新性成果：（1）针对昔格达半成岩地层的特点，采用有效的试验方法，首次系统研究了昔格达地层的物理力学性质及路用性能，为该地区公路等工程建设提供了重要基础数据；（2）基于昔格达地层的分布状况与半成岩特征，有效地利用砂岩与泥岩比例混合作为路基填料，并提出了相应的填筑施工工艺和检测评定标准，编制了施工技术指南；（3）充分认识了昔格达地层中灌注桩桩侧摩阻力的作用，明确提出桩基设计可按摩擦桩考虑，并给出了桩基设计参数。专家一致认为研究成果总体达到了国际先进水平，并建议加强成果推广应用。
