滨海潮差侵蚀路段路基路面及防护工程技术研究.doc

滨海潮差侵蚀路段路基路面及防护工程技术研究报告简本1 前言本项目于2006年立项，由辽宁省交通厅公路管理局承担，参加单位有哈尔滨工业大学，辽宁省公路勘测设计公司，葫芦岛市公路管理处。该项目是在调查和分析国内外有关滨海公路相关信息资料及研究成果，并在充分分析了滨海公路特有自然环境的基础上，于2006年7月在西部交通建设科技项目办立项。并于2006年10月通过了交通部科教司组织的可行性研究报告评审，被列入交通部西部建设科技项目，签署了滨海潮差侵蚀路段路基、路面及防护工程技术研究合同书，合同期限为2006年7月2008年12月，合同编号：2006 318 000 86。在两年多的时间内先后完成了国内外调研、室内理论分析计算与试验研究、试验路铺筑以及研究报告编写等工作，按照合同要求完成了规定的试验研究工作和文件资料准备。2 项目研究背景、内容及目标随着国民经济的飞速发展，近年来全国各沿海地区对开发利用沿海资源、发展沿海经济非常重视，相继提出以“亲海”、“以海为邻”为主题，以发展沿海经济作为国民经济新的增长点，实现内陆辐射沿海、沿海促进腹地进而拉动经济发展的战略，加快沿海区域的建设步伐。为振兴东北老工业基地，加快沿海地区经济的长期发展，辽宁省委、省政府在“十一五”的开局年提出了沿海开发的“五点一线”战略构想，开发建设辽宁沿海的五个经济产业带和连通这五点的辽宁滨海公路。辽宁省滨海公路的建设规划主轴线全长1443.3公里。主轴线的起点位于葫芦岛市绥中县万家镇孟家村南与河北省交界处，终点止于丹东东港西关，全线贯穿丹东、大连、营口、盘锦、锦州、葫芦岛六个市，是一条逶迤于黄海、渤海两个海域的经济通道。滨海公路建成后，可充分利用沿海主轴线及其连接线、支线，感受滨海风光，创造巨大的经济效益和社会效益。图1 滨海公路路线图由于滨海公路独特的地理位置和环境特点造成了滨海公路建设过程中将会遇到前所未有的新问题和新事物，其中以滨海潮差路段路基防灾减灾设计指标与标准、滨海潮差路段路基处理技术与填筑工艺、海防路堤防护方案和路面结构与材料的选择、设计为关键技术问题，这些关键问题是关系到整个滨海公路建设成败的重中之重。因此，本项目结合辽宁省滨海公路建设的实际情况，选择典型路段作为科研试验段，针对以上四个关键技术问题进行了深入细致的研究。本课题结合试验路的修筑，对滨海潮差路段道路修筑关键技术进行全面的、系统的研究，并力争将有关的技术指标、填筑技术、防护技术、路面结构设计中的材料参数等一系列技术问题达到规范化和标准化，为今后相关规程的制定提供一定的技术支持。本研究的主要内容为：1、滨海潮差侵蚀路段地基处理与路基填筑技术1）滨海潮差侵蚀路段地基的物理特征、工程性质分析；2）滨海潮差侵蚀路段地基处理技术研究；3）滨海潮差侵蚀路段潮差对路基工程性质的影响分析；4）滨海潮差侵蚀路段路基填筑工艺研究；2、滨海潮差侵蚀路段路基防护技术1）滨海潮差侵蚀路段潮差侵袭分布特征研究；2）建立潮差侵袭路基时所产生的能量的计算方法；3）选择确定消能防护结构形式；4）防冰害技术对策研究；5）防护材料的优选；6）植被防护技术研究；3、滨海潮差侵蚀路段重盐度、重湿度环境下的路面结构与材料研究1）收集滨海潮差侵蚀路段路基路面结构中湿度与盐分的基本分布信息；2）分析不同湿度、盐度条件下沥青混合料性能变化规律；3）研究不同路面基层的抗盐蚀性能及耐久性；4）提出滨海潮差路段材料设计、结构设计与施工控制的技术标准及关键措施。3 项目研究技术路线及技术工作流程本项目通过实施重点科技攻关，总结、制定出一套完整的受潮差影响滨海公路的路基处理、路基填筑、路基防护、路面结构与材料设计等科学对策，以便为辽宁省及全国陆续开展的大规模滨海公路建设提供技术支撑与保障。技术路线的流程见图。图2 滨海潮差侵蚀路段地基处理与路基填筑技术研究路线流程图图3 滨海潮差侵蚀路段路基防护技术研究路线流程图图4滨海潮差侵蚀路段重盐度、重湿度环境下的路面结构与材料研究路线流程图各项具体研究的技术路线如下：3.1滨海潮差侵蚀路段地基处理与路基填筑技术研究1）滨海潮差侵蚀路段地基的物理特征、工程性质分析通过试验研究，总结出滨海潮差侵蚀路段软土层的物理力学特征指标及分布情况，并分析其工程性质。2）滨海潮差侵蚀路段地基处理技术研究侧重于软土地基处理方案的优化和工艺的研究。3）滨海潮差侵蚀路段潮差对路基工程性质的影响分析主要通过分析潮差对路基工程性质的影响机理和影响程度，从路基稳定性和耐久性的角度，提出路基高度、断面形式、填筑材料等方面的特殊要求，达到优化设计和提高质量的目的。4）滨海潮差侵蚀路段路基填筑工艺研究主要研究在潮汐干扰的情况下，路基填筑时的施工方案、填筑方式以及压实等工艺和设备方面的技术。3.2滨海潮差侵蚀路段路基防护技术1）滨海潮差侵蚀路段潮差侵袭分布特征研究主要通过对滨海公路沿线历史数据的调查和分析，确定受潮差侵袭路段的最不利设计状态。2）建立潮差侵袭路基时所产生的能量的计算方法在国内外现有计算方法的基础上，结合滨海公路的实际情况，优化潮汐侵蚀能的计算参数，简化计算方法。3）选择确定消能防护结构形式提出相应的多种防护形式，通过力学分析与结构优化设计，选择消能效果最佳的防护形式。4）防冰害技术对策研究针对沿海结冰区域，研究路基迎海侧防冰凌破坏的技术对策。5）防护材料的优选从安全、经济的角度，在现有各种防护材料的基础上，开展耐海水腐蚀防护材料的优选研究，并重点考虑滨海公路对景观的要求。6）植被防护技术研究根据滨海公路沿线的气候特点和土壤类型，选择适宜的植被品种；结合滨海公路对景观的要求，进行植被防护的景观绿化设计。3.3滨海潮差侵蚀路段重盐度、重湿度环境下的路面结构与材料研究1）根据现场观测，并结合资料的搜集整理工作，获取滨海潮差侵蚀路段路基路面结构中湿度与盐分的基本分布信息，分析路基路面结构中水分、盐分分布的变化规律。2）通过不同湿度、盐度条件下沥青混合料性能试验，分析其主要影响规律。3）通过采用非水泥类无机结合料稳定半刚性基层、沥青稳定类基层、弱粘结级配碎石基层技术等，提高路面基层的抗盐蚀性能及耐久性。4）基于分析实验，提出潮差路段材料设计、结构设计与施工控制的技术标准及关键措施。4 技术创新点项目通过对滨海潮差侵蚀路段路基、路面及防护工程技术的系统研究，取得了以下创新：1、滨海潮差侵蚀路段路基填筑材料的控制指标及路基施工工艺；2、迎海侧路基防潮汐冲击、防冰害侵袭的防护设计技术；3、不同湿度、盐度条件下沥青混合料性能的变化规律；4、弱粘结级配碎石基层技术的施工工艺。5 项目研究主要成果项目取得的主要研究成果如下：1、滨海潮差侵蚀路段地基处理与路基填筑技术(1) 通过对部分潮差侵蚀路段沿线工程地质资料的调查，得出滩涂区与养殖区软土的分布状况；并通过钻孔取样得到了实际软土层的特征。表1 滨海路段软土分布及其物理力学性质地区类型桩号长度(m)厚度(m)含水量(%)液限(%)孔隙比压缩系数MPa-1凝聚力KPa内摩阻角盘锦滩涂区K45+100-K47+70026000.40.734.2860.20.9671.6410.57713.37.2K50+700-K57+3006600K58+280-K63+4005120K63+800-K65+4001600K66+130-K67+3001170葫芦岛滩涂区K0+000-K11+300113000.65.321.847.821.037.00.9851.2610.3541.2492.813.92.03.9瓦房店市滩涂区K77+500-K78+0005000.638.536.51.0180.33177K78+450-K78+6502002.22.7K79+000-K80+00010000.5池塘段K27+840-K27+850100.1K35+843-K35+857140.1K37+600-K37+621210.5K37+667-K37+711440.2K49+661-K49+734730.1K58+460-K58+475150.1K119+340-K119+395550.365.140.2K119+932-K120+000680.30.464.242.5K204+000-K204+2002000.70.967.268.740.842.1(2) 根据滨海公路沿线潮差和波浪特征，分析潮差和波浪对路基设计、路基填料、软土地基处理和路基填筑的影响；提出以波浪爬高和横断面面积作为选择合理、稳定的横断面形式的评价指标；建议在路基最小高度计算过程中，把壅水高度计入到路基最小高度计算中；提出以地基条件、施工条件、道路条件和环境条件为地基处理方案制定原则。(3) 对于冲击碾压排水固结法施工工艺，提出以沉降量和侧向位移值控制为主，代表弯沉值控制为辅的控制体系；提出了冲击压实技术的最佳含水量要低于室内击实试验最佳含水量2%3%的技术要求；室内外试验结果表明，针对盘锦地区海土化学成分特征开发的海土固化剂，具有良好固化效果。 图5冲击压路机冲击碾压 图6弯沉与模量测定 图7沉降量测定2、滨海潮差侵蚀路段路基防护技术(1) 滨海路沿线潮差侵蚀分布特征包括：黄海沿岸潮差最大，辽东湾东部次之，辽东湾西部最小；沿线各海域波浪情况差别不大；辽东湾沿岸为我国冰情最严重海区，其南部冰情较北部轻，而东岸的冰情又较西岸轻，黄海北部除鸭绿江口附近冰情较重外，其它海域冰情较轻；各海域盐度差别不大，均为夏秋季节盐度比较低，而春冬季节盐度较高。(2) 经过对国内外已有的研究成果的比较，明确地提出了滨海公路潮差侵蚀路段路基设计高程的推算方法与步骤。(3) 根据对越浪量问题的讨论，在保证路堤和行车安全的前提下，为降低工程造价，建议滨海公路路堤防护设计应采取允许越浪量的控制准则，依据允许越浪量的大小确定安全加高值。(4) 基于滨海路沿线海域历年来的海洋水文资料，应用Matlab编写程序对52种波浪情况下的波压力进行计算，结果表明：波浪对斜坡式岸堤的作用力和作用范围跟波高、波长、堤前水深、斜坡坡度以及结构形式等因素有关；其中堤前水深和波长对波压力值的影响不大，但波长对波压力作用范围影响较大；波压力受波高的影响最大，波浪压力值随着波高的增大而迅速增大；波压力随着斜坡坡度的增大而逐渐减小。(5) 斜坡式防护断面结构对波浪爬高的影响较大，在相同坡率情况下复合式斜坡的消浪效果远好于单一式斜坡，滨海路路堤防护结构形式应以复合式为主；对多种护面体的适用条件进行了研究，提出滨海路各路段适宜的护面体类型；对于锦州跨海段，提出使用不透水土工膜以降低动水压力的作用。 栅栏板预制 运至试验段 铺设底层栅栏板 整修下边坡和铺设枕梁 整修上边坡和铺设枕梁 铺设防水土工膜后吊装 铺设完成 消能效果图8锦州市栅栏板防护工程施工过程图示 图9锦州干砌块/片石边坡防护工程试验段 图10葫芦岛土工膜袋防护工程试验段(6) 开发了波浪力测量装置，实测结果表明，正常潮汐满朝时栅栏板所承受的波浪力不超过10KPa，为评价栅栏板的实际消能效果，还需测量在不利海况情况下的波浪力。 测力传感器布置情况 笔记本采集数据 测波浪力传感器 测水压力传感器图11波浪力实测过程(7) 根据滨海路沿线历年来的海冰统计资料，分别计算了滨海路沿线各路段的动态冰荷载和静态冰荷载的冰压力，认为辽宁省滨海公路迎海侧所受海冰的威胁不大，目前所采取的路基防护结构物满足抗冰的要求。(8) 提出滨海路路基防护材料的抗冻、防腐要求；推荐选用土工织物作为反滤层材料。(9) 针对滨海路盐碱、干旱、寒冷的特殊环境，选取多种适宜在滨海环境生长的植物，并对防护植物的栽植方法、管理方法等进行了研究。3、滨海潮差侵蚀路段重盐度、重湿度环境下的路面结构与材料研究(1) 通过对辽宁滨海潮差侵蚀路段公路沿线湿度与盐度分布状况的调查，分析典型地段海水的主要成分，得到路面结构所处环境的基本信息。(2) 基于连续损伤力学理论提出了半刚性基层材料与沥青混合料的损伤本构关系，确定了损伤变量。(3) 基于不同沥青混合料渗水特性的研究，提出临界渗水系数与临界空隙率，从而减少水分的侵蚀。图12不同类型沥青混合料临界空隙率的确定(4) 采用单次冻融循环试验，分析环境湿度状态和盐类环境对沥青混合料性能的影响，提出当环境湿度不大时，盐类的腐蚀起主要作用；当湿度过大，即饱和度大于60%时，短期内淡水和海水对沥青混合料水稳定性的影响基本相同。图13沥青混合料在海水与淡水环境中饱和度劈裂强度比关系图(5) 提出测试沥青混合料在潮汐作用下抗盐蚀性的干湿循环试验方法，并以此为基础研究了AC与AM混合料的抗盐蚀性能。结果表明AM在经历数个循环后，强度很快下降到初始值的20%，而AC类混合料干湿耐久性能更佳。(6) 综合考虑沥青路面使用年限内的环境条件，提出了两种盐冻融试验方法： 在-2020试验条件下，通过分析盐类环境中临界空隙和有结构缺陷AC类沥青混合料的抗冻性能，提出沥青混合料在季冻区不利季节的冻融损伤过程。 通过对比沥青混合料在淡水和海水环境中的性能衰减规律，提出在滨海季冻区盐类物质对沥青混合料的双重作用：即降低冰点带来减轻冻融损伤的有利作用和严重腐蚀沥青-集料界面造成其粘结力下降的不利作用。其中起主导的是严重的腐蚀作用。 在-2060试验条件下，对比研究了AC与AM混合料的抗盐冻融性能。研究结果表明，AM混合料在冻融过程中出现严重的质量损失，强度衰减迅速。相对来说，AC类混合料抗盐冻融性能最好。图14沥青混合料在淡水和海水环境中冻融后的劈裂强度比(7) 针对超声波测试技术在冻融试验中出现的问题，提出了合理的修正方法。修正的试验结果表明超声波波速与沥青混合料的劈裂强度之间有着较好的相关性，因此超声波技术可以应用于滨海地区沥青混合料的冻融试验。(8) 通过AM混合料在不同盐度环境中的冻融性能研究，揭示了盐度对沥青混合料冻融性能的影响。一般来说，环境盐度越大，沥青混合料冻融损伤越严重。(9) 通过对滨海地区水泥稳定、二灰稳定微粘结级配碎石基层材料的盐蚀与抗冻性能研究，提出滨海地区盐分对无机结合稳定类材料的侵蚀机理。(10) 提出水泥微粘结基层材料的级配范围、设计强度和设计参数；七天控制强度应控制在2.3Mpa左右，回弹模量控制在800Mpa左右，水泥剂量控制在1.0%2.5%左右。(11) 根据粉煤灰对级配碎石模量，塑性变形，透水性及和易性的影响，推荐粉煤灰填充系数为0.7。推荐二灰微粘结级配碎石在预留12%的空隙率后，最佳填充系数为0.9。此时二灰的含量为3.2%，28天后二灰稳定碎石的模量接近700MPa。(12) 对微粘结级配碎石基层材料性能进行了室内试验以及试验路验证，定义了微粘结级配碎石施工和易性的评价指标，提出评价其工作性的标准试验方法、指标和标准。微粘结级配碎石成型后的表面效果 微粘结级配碎石的覆盖与洒水养生 微粘结级配碎石取芯状态 微粘结试验路承载板和弯沉检测现场 微粘结级配碎石基层试验路第一段起点和终点 微粘结级配碎石基层试验路第二段起点和终点图15营口微粘结级配碎石试验段(13) 对于沥青混合料，推荐以6次循环后的残留劈裂强度作为评价滨海地区干湿及冻融循环作用的技术指标；而对于半刚性基层材料，推荐评价指标为5次循环后的残留劈裂强度。项目共形成研究总报告1份，项目分报告4份，试验路报告2份，施工技术指南1份，培养了3名硕士生，发表论文及专著10余篇，申请专利一项。6 项目的社会经济效益及推广应用前景滨海公路试验路工程通过采用新技术减少了工程费用，取得了较明显的社会经济效益： 依据实际环境情况及使用功能要求选择合适的防护结构，预计可为防护工程减少造价约50%。 采用冲击压实与微粘结级配碎石技术，可以降低面层厚度，并减少换填石渣，仅工程造价就将降低约10-20%。如果考虑运营过程中由于耐久性能改善导致维修养护费用的减少及运输效率的提高，冲击压实与微粘结级配碎石技术更将带来巨大的经济效益。 滨海公路的顺利修建又将进一步影响沿海更广大地区的岸线资源开发及人民生活水平的提高，带来巨大的经济、社会效益。本项目可以填补公路行业在潮差影响路段修筑路基、路面成套技术的空白。项目研究成果将指导我国沿海省份滨海公路修筑及港口公路修筑过程中受潮差影响路段的设计、施工工艺及施工质量检测，延长波浪侵袭环境下的路基、路面寿命，使公路投资效益最大化，促进沿海地区的进一步开发，创造巨大的经济、社会效益。7 结语项目历时2年的研究，提出了滨海潮差侵蚀路段路基、路面及防护工程的关键修筑技术，并通过试验工程得到了很好地验证，撰写了可指导滨海地区公路建设的滨海潮差侵蚀路段路基、路面及防护工程设计和施工指南，总结完成了相关研究成果报告，在滨海地区筑路工艺方面积累了宝贵的经验。