砂性土路基病害的地質(zhì)內(nèi)因與水文外因分析

齊建模，湯羅圣，肖 斌，喬松林，宋 挺

（1.武黃高速公路管理處，武漢 430205；2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，武漢 430051）

杭瑞高速湖北段橫貫東南部的陽新縣、通山縣、崇陽縣、通城縣，自通車以來，運(yùn)行狀況總體良好，但在通城縣境內(nèi)K730＋900－K759＋718段砂性土填方路基邊坡出現(xiàn)了多處垮塌破壞的病害，給高速公路的運(yùn)營安全帶來了隱患，因此非常有必要對杭瑞高速砂性土路基病害進(jìn)行成因分析。目前關(guān)于砂性土路基病害成因方面的研究較多，如李治平等認(rèn)為粘粒含量少、活性度低及塑性指數(shù)小是粉砂土路基破壞的主要原因［1］；王強(qiáng)等通過室內(nèi)試驗及數(shù)值模擬等研究表明砂土濕化后土性參數(shù)將降低［2－4］；陳少文等通過室內(nèi)三軸剪切試驗研究表明路基濕化變形與圍壓和吸力成反比［5］；徐云哲從降雨入滲階段、入滲飽和階段和徑流形成階段3個階段對砂性土路基邊坡機(jī)理進(jìn)行研究，研究表明降雨濺蝕和土壤水蝕是砂性土路基邊坡破壞的主要方式［6］；朱登元等通過室內(nèi)試驗研究了毛細(xì)水作用高度對路堤邊坡穩(wěn)定性的影響［7］；王思海認(rèn)為粉砂土的低塑性、粘結(jié)強(qiáng)度低、抗沖刷性差以及強(qiáng)降雨是粉砂土路基病害的主要原因［8］。以上研究雖然取得了不少成果，但由于砂性土路基病害具有較大的空間差異性，所以將結(jié)合杭瑞高速砂性土路基的具體情況，對病害成因進(jìn)行研究。

1 工程地質(zhì)條件

氣象、水文：杭瑞高速湖北段所在地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，屬湖北兩大多雨區(qū)之一——鄂東南多雨區(qū)，降雨多集中在3～8月份，多年平均降雨量1531.4mm。沿線所經(jīng)過地段地表水資源比較豐富，主要河流為富水河、陸水河。

地形地貌：表現(xiàn)為松散巖、侵入巖為主的丘陵壟崗地貌交互出現(xiàn)。

地層巖性：出露地層主要為花崗巖、花崗閃長巖等中生代侵入巖?；鶐r出露廣泛但風(fēng)化十分強(qiáng)烈，淺部多為全風(fēng)化，呈砂礫狀?；鶐r嚴(yán)重風(fēng)化帶厚度一般在20m左右，局部厚度達(dá)30m以上。

地質(zhì)構(gòu)造：主要發(fā)育楓林村斷裂、沙坪斷裂和李家斷裂，斷裂發(fā)育使巖體變得較為破碎，為表層巖體的風(fēng)化創(chuàng)造了條件。

2 路基病害現(xiàn)狀

2.1 病害（或潛在病害）路基分布

杭瑞高速湖北段砂性土路基主要分布于K730＋900－K759＋718段，分布總長度近29km。該路段路基有填方路基、半填半挖路基、挖方路基和淺填淺挖路基。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，目前砂性土路基病害主要發(fā)生在填方路基及半填半挖路基的填方邊坡一側(cè)，而挖方邊坡目前尚未見明顯病害。據(jù)統(tǒng)計，杭瑞高速K730＋900－K759＋718段砂性土填方路基分布總長度24009m，其中瑞麗方向分布長度11366m，占該段路基總長度的39.44%，杭州方向分布長度12643m，占該段路基總長度的43.87%。

2.2 路基主要病害類型

通過現(xiàn)場調(diào)查，該砂性土路基病害類型主要為路堤邊坡淺層垮塌、沖刷成溝、局部整體垮塌、路肩掏空、開裂以及急流槽破壞等，具體分類見表1。

表1 路基主要病害類型

3 路基病害成因分析

3.1 地質(zhì)內(nèi)因分析

區(qū)域地層分布表明，該砂性土路基段沿線以及周邊很大范圍內(nèi)皆為花崗巖、花崗閃長巖等中生代侵入巖出露。該地層風(fēng)化嚴(yán)重，風(fēng)化帶厚度一般在20m左右，局部厚度達(dá)30m以上，風(fēng)化剝蝕作用十分強(qiáng)烈，所以即使在溝谷低洼部位的第四系堆積物，也表現(xiàn)出明顯的砂性土特征，極少見粘性土分布。另外，由于建設(shè)期間考慮了土方利用及填挖平衡問題，該段路基填料基本采用了附近土場或邊坡開挖的棄方，基本上為砂礫狀的全風(fēng)化花崗巖、花崗閃長巖，亦即工程上常說的花崗殘積土，它具有明顯的砂性土特征，粘聚力基本為零，抗沖刷能力弱，所以在強(qiáng)降雨條件下路堤邊坡表層易沖刷成溝槽。

該次調(diào)查期間共選取了6組樣品進(jìn)行顆粒分析實驗，各粒徑顆粒百分含量如表2所示。從表2可以看出，該砂性土砂粒（0.075～2mm）百分含量為50.4%，而礫粒（＞2mm）百分含量為39.8%，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》土體定名規(guī)則，該砂性土應(yīng)定名為礫砂。

表2 砂性土顆粒百分含量統(tǒng)計表 ／%

根據(jù)表2，得到了該砂性土的顆粒級配曲線。根據(jù)該顆粒級配曲線，計算得到了該砂性土特征粒徑如表3所示。

根據(jù)表3計算該砂性土的不均勻系數(shù)

表3 砂性土特征粒徑一覽表

計算該砂性土的曲率系數(shù)

由于Cu＞5.0且Cc＜1.0，該砂性土為級配不連續(xù)的非均勻土，所以其滲透性很強(qiáng)，在降雨條件下地表水極易沿裂縫入滲至路基中，從而引起路堤邊坡內(nèi)部掏空等病害。

3.2 水文外因分析

根據(jù)上述分析可以看出，該段填方路基屬于典型的砂性土路基，由于其特殊的土質(zhì)，在水流沖刷下極易流失、破壞，這是造成該段路基病害的根本原因。

1）地表水流直接沖刷 受線型及地形影響，在路線縱斷面凹面拐點等路段，在降雨條件下往往造成雨水匯集，由于砂性土粘聚力基本為零，同時砂性土在降雨條件下內(nèi)摩擦角減小，路堤邊坡表層抗沖刷能力較弱，坡體在長期坡面沖刷下形成溝槽，在強(qiáng)降雨條件下溝槽進(jìn)一步深切并沿坡面向下延伸，在多次降雨條件下溝槽側(cè)邊垮塌使溝槽沿側(cè)面延伸，最終導(dǎo)致路堤邊坡大量沖刷溝槽形成。

2）地表水下滲內(nèi)部掏空 在表層沖刷和路面車輛荷載及重力等條件下，路堤邊坡坡面向外側(cè)發(fā)生變形，導(dǎo)致路肩開裂，在降雨條件下雨水沿路肩及坡面沖刷坑下滲至坡體中。當(dāng)降雨強(qiáng)度加大時，入滲水流將坡體中砂性土細(xì)小顆粒物質(zhì)帶走，在多次降雨條件下導(dǎo)致坡體內(nèi)部逐漸被掏空，坡體掏空部位由于失去支撐，在重力等作用下發(fā)生淺層垮塌。同時排水設(shè)施也發(fā)生相應(yīng)的破壞（如急流槽發(fā)生垮塌破壞等），沖刷作用加劇，形成惡性循環(huán)，路基進(jìn)一步被掏空造成路肩下沉甚至路面開裂。

3）坡腳水流侵蝕 由于地形地貌及公路自身建設(shè)條件等原因，在部分砂性土路基段坡腳附近存在小溝、小河，在長期降雨或洪水期間河流滿溢短期浸泡坡腳，對砂性土路堤邊坡坡腳進(jìn)行軟化、侵蝕，在強(qiáng)降雨等誘發(fā)因素下導(dǎo)致坡體發(fā)生沿臨空面的變形，當(dāng)變形積累到一定程度導(dǎo)致局部整體沿臨空面發(fā)生垮塌滑移。

4 結(jié) 論

a.杭瑞高速砂性土路基段病害類型主要包括路肩掏空及開裂破壞、路堤邊坡坡面沖刷成槽及垮塌、排水設(shè)施垮塌損毀、砂土沖毀掩埋農(nóng)田四類。

b.杭瑞高速砂性土路基病害的地質(zhì)內(nèi)因為：填料是強(qiáng)風(fēng)化花崗殘積土，級配表現(xiàn)為不連續(xù)和非均勻，具有滲透性強(qiáng)，粘聚力低的特點。

c.杭瑞高速砂性土路基病害的水文外因為：地表水流直接沖刷、地表水下滲內(nèi)部掏空及坡腳水流侵蝕。

［1］李治平，王洪波.粉土地區(qū)公路病害與防治對策研究［J］.交通科技，2003（4）：48－50.

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［4］王 強(qiáng)，劉仰韶，傅旭東，等.砂土路基濕化變形和穩(wěn)定性的可靠度分析［J］.中國公路學(xué)報，2007，20（6）：7－12.

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［6］徐云哲.基于有限元的粉砂土路基邊坡穩(wěn)定性分析［D］.哈爾濱：東北農(nóng)林大學(xué)，2012.

［7］朱登元，管延華.毛細(xì)水作用對粉土路基穩(wěn)定性的影響［J］.山東大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2012，42（1）：93－98.

［8］王思海.高速公路粉砂土路基邊坡水毀研究［J］.公路施工與機(jī)械，2013（5）：73－75.