风积土地区工程病害分类和防治系统化研究

张 玉，张向东，陈铁林，刘家顺

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院, 北京 100044； 2.北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室, 北京 100044； 3.辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000)

风积土地区工程病害分类和防治系统化研究

张 玉1,2，张向东3，陈铁林1,2，刘家顺3

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院, 北京 100044； 2.北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室, 北京 100044； 3.辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000)

针对风积土地区工程病害分类、影响因素和防治措施，以典型的风积土地区——辽西为例，首先通过现场调查、室内试验和工程建设要求三者相结合的方法，从病害现象和病害机理两个角度分别对工程病害进行分类。然后基于“工程地圈系统”和层次分析法，分析引起工程病害的四级影响因素，并针对每类工程列出相应的防治措施，最终形成了系统化的风积土地区工程病害识别和防治简单框架，以利于工程设计和施工。结果表明：①风积土是一种以粗颗粒为主、颗粒级配良好、中等压缩性、抗剪强度低、振动易液化、具有明显结构性但不具有明显湿陷性的粉质粘土；②风积土地区工程病害主要因压缩沉降、剪切破坏、振(震)陷、振(震)动液化、湿陷破坏、冻胀融沉、风化剥落、水流冲刷等原因引起；③基于“工程地圈系统”，风积土地区工程病害主要受地质圈、生物圈和大气圈的耦合影响，影响因素主要包括：风积土的物理力学性质、人类工程活动和自然环境；④工程病害防治有必要形成系统化的病害识别、调控和防治框架，便于工程病害防治工作规范化、流程化、标准化和信息化。

风积土；工程；病害；分类；地圈系统；防治

风积土是指岩石风化、崩解、破碎、变质后，主要通过风力进行搬运、沉积而形成的松散颗粒状物质，主要分布在青藏高原区、西北干旱区和东部季风区，沙漠和黄土是典型的风积土。其中，辽西风积土主要分布于辽河平原以西的季风区，包括辽宁省的阜新市、朝阳市、锦州市、葫芦岛市和沈阳市部分地区。作为风力搬运沉积形成的一类土，其物理力学性质有别于其他类型土，如：结构性显著、以粗粒土为主、颗粒级配良好、抗剪强度低等。由于工程的强度、刚度和稳定性与所处的土体物理力学性质有较大的关系，且相互作用相互影响，故这些致病因子直接导致其工程应用上的局限性，往往发生不同类型的工程病害现象，如：道路翻浆冒泥、地基不均匀沉降，边坡失稳等，直接导致后期维修养护费用增加，严重者发生工程灾害。随着振兴东北老工业基地战略的逐步实施，道路工程、铁道工程、市政管道工程和基坑工程等工程相继开展，很多潜在的工程病害也逐步显现，如：地基振陷、风积土振动液化等。王浩[1]指出：在防护加固方案设计时应全面分析，建立基于自然边坡病害类型的防护加固对策。另外，各种病害现象的发生机理和特点的不同往往导致其防治措施的不同，且各种工程病害因所处自然环境的不同往往具有区域性的特点。因此，对区域性各类工程病害从不同的角度或侧重点进行科学分类、影响因素分析和相应防治措施制定很有意义，故针对风积土地区开展这些研究是有必要和有价值的。

关于土的工程分类已比较成熟，赵树德[2]已从土的生成原因、颗粒级配和密实度等不同角度或侧重点介绍了我国土的工程分类。关于工程病害现象的研究也屡见不鲜，可归结为两大类：①某一单类工程存在的病害，如：边坡、路基、隧道等；②某一类型土在单类工程应用中存在的病害，如：膨胀土路基、冻土路基等；这些研究内容为工程病害研究提供了参考价值，但具有局部性，并没有对某一区域工程从不同角度或侧重点给出比较全面的分类，关于风积土地区工程病害分类则是空白。张向东[3-9]已对风积土做了大量研究，主要体现在结构性、动力特性、冻胀融沉和沉降特性四个模块。另外，石勇[10]就自然灾害的脆弱性、评价方法及展望进行了研究，指出：自然灾害脆弱性的研究对象正从单纯的承灾个体和区域向多个层次发展，利用模糊层次分析法建立指标体系并进行客观评价成为发展趋势。因此，对风积土地区工程病害现象进行全面分类，运用王思敬院士[11]提出的“工程地圈系统”，以及AHP层次分析法研究病害影响因素并给出防治措施是很有意义的，对于完善风积土的研究内容，指导工程实践和其他类型土工程病害研究具有参考价值。

1 工程病害现场调查

现场调查是从承病体本身直观地熟知风积土地区既有的工程病害现象，为工程病害分类和进一步挖掘致病因子奠定基础。为科学全面的对风积土地区工程病害现象进行分类，选取阜新市、朝阳市、锦州市、葫芦岛市和沈阳市五座城市中病害现象较为严重的工程作为调查对象，涵盖道路、铁路、市政管道、建筑、基坑和边坡六大工程，每类工程在每座城市选取病害严重的两个路段或三个工程，其中道路、铁路和市政管道的路段总长各为1 km，建筑、基坑和边坡各选三个大的工程。通过承病体病害现象的调查和数据统计，得到了风积土地区既有的工程病害现象、每百米出现次数和各自所占的比例(各种病害出现次数占所属工程类别的病害总次数的比例)，如表1所示。

由表1可知，道路工程中每百米存在病害次数约30次，其中，下沉(窝水)出现次数最多，路面裂缝(宽度≥5mm)次之；铁道工程中每百米存在病害次数约26次，其中，轨枕下沉出现次数最多，道碴泥泞板结次之；市政管道工程中每百米存在病害次数约15次，主要包括路面下沉(塌陷)和路面渗水；建筑工程中，不同程度的下沉和倾斜现象均存在，且每座建筑物有裂缝约两个；基坑工程中，大变形最多，坡肩裂缝次之，滑坡现象较少；边坡工程中，滑坡次数最多，风化剥落次数次之(与处在季风区有关)。当然，除了表中所列病害现象之外，还有一些病害现象由于属于隐蔽病害和潜在病害而不能直接看到，只能通过工程经验和理论分析得出，如：铁路道碴囊、路基振陷和道碴粉化等。

表1 风积土地区既有的工程病害现象和比例

注：①表中的数据只能作为定性分析的参考；②冻胀融沉在现场不能直观的看出，但路旁土体隆起和路堤外挤均包括冻胀作用，下沉包括融沉作用；③滑坡是个统称，涵盖狭义上的滑坡、泥石流、坍塌、崩裂等；④其他不易发现的隐藏病害，如：道碴粉化、流沙、管涌等将在后面的潜在病害中提及。

2 风积土室内试验

现场调查只能直观地熟知风积土地区既有的工程病害现象，而一些隐蔽病害、潜在病害和病害出现的部分致病因子是由风积土的物理力学指标决定的。张向东[5]就风积土的结构特性已经进行了试验研究，指出：风积土具有明显的结构性和相似性。因此，有必要获取风积土的物理力学指标，试验取土地点位于哈大客运专线路经区——沈阳市东陵区小羊安DK369+980.00～DK370+180.00里程段，经试验测得了原状风积土的基本物理力学指标[12]，如表2所示。

表2 风积土的基本物理力学指标

结合表2和前期研究，可以得出：风积土是一种以粗颗粒为主、颗粒级配良好、中等压缩性、抗剪强度低、振动易液化、具有明显结构性但不具有明显湿陷性的粉质粘土。风积土的这些物理力学性质决定了风积土地区的工程性质，即易发生下沉、振陷、剪切破坏和振动液化等。

3 工程的建设要求

工程建设是为了满足使用需求，这种需求就是对工程的建设要求，直接反映了引发工程病害的部分外在因素，有利于分析潜在的工程病害。随着我国沿海发展、西部大开发、振兴东北老工业基地和中原经济区规划等国家战略的逐步实施，各种标志性和挑战性工程将不断建设，如：高速公路工程、高速铁路工程和高层建筑工程等，工程建设要求的提高必然需要技术的同步提升，各种潜在的工程病害将不可避免。在参考相关文献[13-15]等的基础上，结合风积土的物理力学指标分析了道路工程、铁道工程、市政管道工程、建筑工程、基坑工程和边坡工程六大工程的建设要求和潜在的工程病害，如表3所示。

表3 工程的建设要求和潜在的工程病害

由表3中的潜在工程病害和现场调查得到的既有工程病害，一定程度上可全面地体现风积土地区的工程病害现象。

4 工程病害分类

在前述内容中，定性地表述了风积土地区既有的工程病害现象，定量地给出了风积土的物理力学指标和特点，并分析了工程的建设要求特别是最新发展要求。通过这些内容，可以对既有和潜在的工程病害现象，以及引起这些现象的本质原因有所了解。但由于引起工程病害的致病因子呈多元化趋势，且很多致病因子具有随机偶然性和时效性，如：爆破引起的振动、矿山开采引起的沉陷和地震等，直接导致病害现象的多样化。然而，无论致病因子是什么，它们总是直接或间接地通过影响风积土的物理力学性质而引起各种工程病害。因此，把握住风积土的物理力学性质是关键。在这些研究的基础上，现从病害现象和病害机理两个角度对风积土地区工程病害进行分类。

4.1 基于病害现象的分类

基于病害现象的分类是在以上研究内容的基础上进行的，如表4所示。

表4 基于病害现象的风积土地区工程病害分类

由表4可以直观地了解风积土地区工程病害现象，可用于指导工程设计、施工、检测和养护等。

4.2 基于病害机理的分类

前文提到，无论工程病害的致病因子是什么，它们总是直接或间接地通过影响风积土的物理力学性质而引起各种工程病害。因此，基于病害机理的分类需要重点考虑风积土的物理力学指标，同时也是对表4中各种病害现象引发原因的总结，如图1所示。

图1 基于病害机理的风积土地区工程病害分类

由图1可以看出，基于病害机理的分类主要涵盖了风积土的静力学、动力学、水力学和风化等特性，可指导具体工程采取具体的防治措施。

5 工程病害影响因素

风积土地区工程病害现象必有其背后的影响因素，即致病因子。由于引起工程病害的致病因子呈多元化趋势，且很多致病因子具有随机偶然性和时效性。因此，挖掘工程病害现象的影响因素，必须全面系统科学地进行考虑。

王思敬院士[11]提出了“地圈系统”和“工程地圈系统”，深入挖掘和分析了地圈系统的构成、相互作用和动力过程，并指出：很有必要把人类工程活动地区的人工和自然动力过程结合起来进行系统研究。“地圈系统”主要由地质圈、生物圈和大气圈组成，如图2所示，而“工程地圈系统”着重强调了生物圈中的人类工程活动对地圈系统的动力作用和影响。王立丽[15]对我国灾害事件建立了三层分类体系，并指出：我国灾害多、成因多、频率高且时空分布不均；这些研究内容为地质环境、地质灾害与工程地质的研究奠定了基础。风积土地区工程病害主要受地质圈、生物圈和大气圈的耦合影响，而工程寿命周期内，地质构造处于相对稳定的格局。因此，工程病害的影响因素主要包括：风积土的物理力学性质、人类工程活动和自然环境(图3)。为了更清晰直观地挖掘风积土地区工程病害的影响因素，现利用AHP层次分析法，按四级指标给出所有影响因素(表5)，为进一步定量分析工程病害的严重程度提供参考。

图2 地圈系统示意图

图3 风积土地区工程病害的影响因素

注：三级指标和四级指标可根据工程实际进行拓展，使得引起工程病害的影响因素更系统更全面，“—”代表“无”，因为物理力学指标均为确定数值，不存在概率性。

表6 风积土地区工程病害的技术防治措施

6 工程病害防治措施

前述内容从不同角度研究了风积土地区工程病害种类和影响因素，为给出各种工程病害的防治措施奠定了基础。王思敬院士[11]指出：极端灾害风险评价是核心任务，危险性预测是关键，制定对策措施是目标。而往往各种工程病害必然产生或多或少的生命财产损失，故防治措施的制定至关重要。防治措施是一个系统工程，不仅包括技术措施，也包括管理措施和安全措施。但在进行防治技术设计时，不可能考虑到所有的影响因素，即使全部考虑则必然会增加工程成本，故适当的管理措施是很必要的。以基坑边坡失稳来说，往往其加固技术已满足要求，出现问题的原因在于后期管理不当，如坡顶堆载、振动严重等。因此，技术措施和管理措施同等重要，没有好的管理措施，再好的技术措施也是空谈。反之，技术措施达不到，再好的管理措施也是不奏效的。

风积土地区工程病害的影响因素主要包括：风积土的物理力学性质、人类工程活动和自然环境等，在这些因素中，自然环境是无法改变的，但可以通过技术措施使得工程免受自然环境的影响，人类工程活动是可以控制的，风积土的物理力学性质是可以改变的。人类工程活动的控制属管理措施，风积土的物理力学性质的改变属技术措施，由于管理属人类行为，呈复杂化多样化，这里不再进行列出。在参考相关文献[16-19]等的基础上，现把目前已有的适宜于风积土地区工程病害防治的技术措施按工程类别列出，如表6所示。

由表6可以看出，风积土地区工程病害的防治措施呈多样化，具体应用时要根据工程实际选用。

根据工程病害分类、影响因素和技术防治措施，从系统学角度，一定程度上可以形成风积土地区工程病害识别和防治简单框架。该框架具体内容由表4、表5、表6和图1组成，具体流程如图4所示。

图4 工程病害识别和防治框架

7 结论

该研究可得出以下主要结论。

(1)风积土是一种以粗颗粒为主、颗粒级配良好、中等压缩性、抗剪强度低、振动易液化、具有明显结构性但不具有明显湿陷性的粉质粘土；

(2)风积土地区工程病害主要因压缩沉降、剪切破坏、振(震)陷、振(震)动液化、湿陷破坏、冻胀融沉、风化剥落、水流冲刷等原因引起；

(3)基于“工程地圈系统”，风积土地区工程病害主要受地质圈、生物圈和大气圈的耦合影响，影响因素主要包括：风积土的物理力学性质、人类工程活动和自然环境；

(4)工程病害防治有必要形成系统化的病害识别、调控和防治框架，便于工程病害防治工作规范化、流程化、标准化和信息化。

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Engineering Disease Classification and Control in Aeolian Soil Area

ZHANG Yu1, 2, ZHANG Xiangdong3, CHEN Tielin1, 2and LIU Jiashun3

(1.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China; 2.KeyLaboratoryofUrbanUndergroundEngineering(MinistryofEducation),BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China; 3.InstituteofCivilEngineeringandTransport,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Asforthediseaseclassification,influencingfactorsandcontrollingmeasurementsforAeolianSoilengineeringinwesternLiaoningProvinceofChina,methodsoffieldinvestigation,indoorexperimentandconstructionrequirementsanalysisareused.Thediseaseclassificationsareobtainedintermsofdiseasephenomenonanddiseasemechanismrespectively,thenanalyzingthefour-levelinfluencingfactorsundertheEngineering-GeosphereSystemandAnalyticHierarchyProcess,andgivingthecontrollingmeasurements,thusformingthesystematicalandsimpleframeforengineeringdiseaseidentificationandcontrol.Theresultsshow: ①AeolianSoilissiltyclaywithcoarsegranule,goodgradation,mediumcompressibility,lowshearstrength,easyliquefaction,apparentstructureandnon-obviouscollapsibility; ②EngineeringdiseaseinAeolianSoilareaoftendevelopsunderthereasonofcompressiblesettlement,shearingdamage,vibration-subsidenceandliquefaction,collapsibility,frost-heaveandthaw-settlement,weathering,currentscour,etc.; ③BasedontheEngineering-GeosphereSystem,themaininfluencingfactorsforengineeringdiseaseinAeolianSoilareaarephysicomechanicalpropertyofAeolianSoil,humanactivityandnaturalenvironment; ④It’snecessarytoestablishsystematicalframeofdiseaseidentification,adjustingandcontrol,thusmakingtheworknormative,processive,standardizingandinformatized.

Aeoliansoil;engineering;disease;classification;geospheresystem;control

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.003.]

2016-04-23

2016-07-23

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“土质隧道围岩注浆参数选定物理模型试验研究”(C16JB00110)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20112121110004)

张玉(1987-)，男，河南邓州人，在读博士生，主要从事工程病害、注浆材料和加固技术研究. E-mail：zhangyu871030@163.com

TU44；U457；X43

A

1000-811X(2017)01-0011-07

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.003

张玉，张向东，陈铁林，等. 风积土地区工程病害分类和防治系统化研究[J]. 灾害学，2017，32(1)：11-16,21. [ZHANG Yu，ZHANG Xiangdong，CHEN Tielin, et al. Engineering disease classification and control in aeolian soil area[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(1)：11-16,21.