N2紅黏土挖方路基處治方案探討

劉軍軍，李 特

（1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012；2.山西省朔州高速公路有限責(zé)任公司，山西 朔州 036002）

第三系N2紅黏土在晉西北地區(qū)廣泛分布，大多位于第四系黃土層底部，在公路路塹開挖工程中經(jīng)常出現(xiàn)，其邊坡穩(wěn)定性較差，土體剝落、局部坍塌等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如再伴隨地下水出滲、降雨等不利條件，往往會(huì)導(dǎo)致邊坡滑塌失穩(wěn)等工程事故發(fā)生，對工程建設(shè)以及后期運(yùn)營埋下了較大的隱患，而路面結(jié)構(gòu)層易受N2紅黏土脹縮影響，可能降低路面的使用壽命。本文結(jié)合實(shí)例，對滲水N2紅黏土邊坡及路床基底處治進(jìn)行一些分析與探討。

1 依托工程概述

某高速公路K66+960—K67+730段為深挖路塹，地處黃土丘陵區(qū)，微地貌以黃土緩坡、沖溝為主，該邊坡最大挖深為46.87 m，路線兩側(cè)均為高邊坡，原設(shè)計(jì)單級(jí)邊坡坡率采用1∶0.75，每8 m高設(shè)立一級(jí)平臺(tái)，第三級(jí)邊坡平臺(tái)寬為6 m，其余邊坡平臺(tái)均為2 m，邊坡坡腳設(shè)2 m高護(hù)腳矮墻，上方采用植草防護(hù)。施工開挖至距設(shè)計(jì)標(biāo)高6～8 m，K67+090—K67+200段邊坡土層由第四系黃土漸變?yōu)榈谌礜2紅黏土，邊坡土體含水量增大，涌出地下水，與原設(shè)計(jì)地勘資料有較大出入，如繼續(xù)按原設(shè)計(jì)開挖施工，邊坡在地下水、及下挖擾動(dòng)的影響下，易導(dǎo)致第三系N2紅黏土和上部土層界面局部的坍塌、滑動(dòng)，從而導(dǎo)致整體路塹高邊坡失穩(wěn)，因此需根據(jù)新出現(xiàn)的地質(zhì)情況，對該邊坡重新進(jìn)行勘察，并進(jìn)一步確定處治措施。

2 邊坡滲水原因調(diào)查與分析

項(xiàng)目區(qū)位于黃土丘陵區(qū)，沖溝發(fā)育，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查：附近沖溝大都干涸無水，個(gè)別溝谷溝槽底部有少量地表水，路線附近無泉水分布，綜合分析路塹范圍內(nèi)地下水補(bǔ)給方式以大氣降水入滲為主。據(jù)鉆探和挖探揭示：地下水出水位置主要位于上第三系N2紅黏土和第四系黃土之間，該區(qū)域土層孔隙、裂隙和蟲孔發(fā)育，構(gòu)成地下水聯(lián)通道。根據(jù)現(xiàn)場觀測地下水具微承壓性，地下水承壓水頭約0.3～0.5 m。量測各個(gè)鉆孔和探坑的地下水位，地下水穩(wěn)定水位差異較大，位于路基設(shè)計(jì)標(biāo)高以上0～7 m不等。通過現(xiàn)場抽水和水位恢復(fù)試驗(yàn)得知：臨近探坑和鉆孔地下水之間相互影響較小，表明該層地下水流動(dòng)性不大，含水層為非穩(wěn)定水層，地下水類型為上層滯水。綜上，N2紅黏土上覆第四系黃土層較厚，達(dá)30 m以上，黃土層透水性較好，大氣降水長期下滲至N2紅黏土層上部，由于N2紅黏土隔水性極好，大量地下水匯集于此，開挖后，受水壓力作用，沿層間滲出。

3 邊坡地質(zhì)概況及穩(wěn)定性分析

路塹邊坡主要由第四系（Q3、Q2）黃土和上第三系N2紅黏土組成，屬于厚層狀土質(zhì)邊坡。土層沿路線方向呈弧形分布，垂直路線方向呈曲面分布。

現(xiàn)有邊坡最大坡高46.87 m，邊坡型式采用臺(tái)階式，共6級(jí)邊坡，每級(jí)高8 m，第2～6級(jí)邊坡及平臺(tái)均已開挖，揭露邊坡土層為（Q3eol、Q2al+pl）黃土，最下一級(jí)的邊坡受滲水影響，僅小部分開挖，挖至N2al+pl紅黏土與黃土層交界處，根據(jù)深挖邊坡各觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄及現(xiàn)場觀測，目前已開挖邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)鉆探資料，最下一級(jí)邊坡土層主要為N2紅黏土，出露高度在路基設(shè)計(jì)標(biāo)高以上約1～6 m，呈可塑-堅(jiān)硬，以硬塑為主，原狀土強(qiáng)度較高，因其含蒙脫石、伊利石等親水性黏土礦物，土體本身具有遇水膨脹、失水收縮的特征，在含水量變化下，土體自身易快速瓦解、快速破壞；土層界面處地下水滲出，上部黃土層遇水軟化，強(qiáng)度降低，下伏紅黏土在地下水頻繁活動(dòng)區(qū)域，脹縮也較為頻繁，土體強(qiáng)度同樣降低，因此土層界面處為邊坡穩(wěn)定性最薄弱區(qū)域[1]；隨著邊坡開挖，坡腳應(yīng)力集中明顯，剪應(yīng)力增大，邊坡易沿坡腳剪出破壞。綜上，在地下水和繼續(xù)下挖的條件下，易導(dǎo)致邊坡土體剝落、滑塌等現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而影響邊坡整體穩(wěn)定性，因此第一級(jí)邊坡穩(wěn)定性較差，開挖后需及時(shí)進(jìn)行封閉及支擋處理。

4 處治方案

根據(jù)穩(wěn)定性分析及地下水特征，需從以下幾方面進(jìn)行防治。

4.1 防水

水無疑是N2紅黏土脹縮最重要的因素，防止地表水及大氣降水進(jìn)入坡體，及時(shí)疏導(dǎo)地下水，盡量減少邊坡N2紅黏土含水量變化而導(dǎo)致脹縮變形[2]。

4.2 防風(fēng)化

表層土體在N2風(fēng)化作用下，干濕作用頻繁，邊坡淺層土體強(qiáng)度降低。

4.3 防邊坡失穩(wěn)

設(shè)支擋措施以確保邊坡穩(wěn)定性。具體處治措施如下：

a）根據(jù)現(xiàn)場情況，由于坡頂天橋已經(jīng)局部施工，開挖受限，放緩邊坡較為困難，邊坡采用設(shè)路塹擋土墻方案，既可以對原有邊坡進(jìn)行支擋防護(hù)，保證其穩(wěn)定性，也可對N2紅黏土進(jìn)行全封閉，防止其暴露空氣中，受大氣干濕作用影響，墻底埋設(shè)于冰凍線以下不小于25 cm。

b）邊坡平臺(tái)設(shè)平臺(tái)截水溝，平臺(tái)采用漿砌片石封閉，防止地表匯水進(jìn)入N2紅黏土。

坡內(nèi)滲水處理：（a）在擋土墻后設(shè)樹形支撐滲溝，縱向間距為6.8 m，樹形滲溝內(nèi)埋設(shè)覆膜盲管，支溝盲管接主溝盲管，匯集水流由主溝盲管排出，項(xiàng)目地處北方寒冷地區(qū)，主溝盲管若接入邊溝明排，易導(dǎo)致涎流冰產(chǎn)生，因此主溝盲管經(jīng)擋土墻墻底引接至邊溝下縱向盲溝排出；（b）樹形滲溝后每2 m高設(shè)置一道5 m長仰斜式排水管，接滲溝主溝；（c）滲溝中碎石應(yīng)選用石質(zhì)堅(jiān)硬，粒徑在6～10 cm的礫石或碎石充填，保證排水的空隙度[3]。樹形滲溝示意圖詳見圖1。

圖1 樹形滲溝示意圖（單位：cm）

c）路床基底處治 路床受積水長時(shí)間浸泡，大部分地段呈淤泥狀，地基濕軟，根據(jù)挖探資料，為淺層軟弱地基，超挖后，采用片石擠淤（厚1 m）+換填砂礫墊層（厚0.8 m）方案處治。

d）路床地下水排除 （a）邊溝下設(shè)置200×80 cm縱向碎石盲溝，內(nèi)埋φ500 HPDE打孔管式盲管，盲溝每200 m設(shè)置一道檢查井，深2.5 m，可兼做沉砂、泥作用；（b）路床底部每隔15 m設(shè)置一道60×60 cm橫向碎石盲溝，內(nèi)埋φ100 PVC打孔管式盲管，橫向碎石盲管接縱向碎石盲管；（c）為防止縱向盲溝出水口凍結(jié)，采用泥炭或搭頭草做為保溫措施。

滲水邊坡綜合處治措施詳見圖2。

圖2 滲水邊坡治理示意圖

5 施工注意事項(xiàng)

a）邊坡應(yīng)嚴(yán)格按從上而下開挖，嚴(yán)禁淘底開挖。

b）水是N2紅黏土產(chǎn)生脹縮變形的重要因素，邊坡應(yīng)避開雨季施工，邊坡開挖前，應(yīng)做好截水溝和排水溝等排水措施，將水引至路幅以外，確保作業(yè)面不積水。

c）為避免開挖后坡面過長時(shí)間暴露大氣中，引起干縮變形，邊坡不得一次挖到設(shè)計(jì)線，需預(yù)留厚度0.3～0.5 m，待路塹完成時(shí)，再分段削去邊坡預(yù)留部分，并立即進(jìn)行加固和封閉處理，邊坡開挖、支擋防護(hù)應(yīng)做到快挖、快支護(hù)，工序間需銜接緊湊。

d）應(yīng)加強(qiáng)施工中的變形監(jiān)測，根據(jù)坡體位移隨時(shí)間、開挖過程和降雨的變化規(guī)律，綜合確定監(jiān)測措施如下：

（a）監(jiān)測內(nèi)容 水平位移、豎向位移、觀測裂縫發(fā)展及地下水情況。

（b）工作方法 采用全站儀監(jiān)測各固定點(diǎn)的坐標(biāo)、高程，利用直尺量測裂縫寬度變化情況。

（c）工作程序 從挖方邊坡最高處開始設(shè)觀測斷面，并沿路線方向每隔100 m間距向前后布置觀測斷面，利用已有固定點(diǎn)對各段邊坡平臺(tái)中設(shè)置的觀測樁進(jìn)行位移、高程的測量。

（d）工作頻率 施工期間觀測頻率宜為每1～2 d一次，整段邊坡施工完后，每3 d至少觀測一次，一個(gè)月后每7 d觀測一次，3個(gè)月后每一個(gè)月觀測一次，一直觀測到竣工驗(yàn)收時(shí)為止。

6 結(jié)語

a）施工突遇N2紅黏土滲水，應(yīng)待查明滲水原因、類型、范圍等，再進(jìn)行對癥下藥，切不可盲目施工。

b）含水量變化是N2紅黏土產(chǎn)生脹縮反應(yīng)以致強(qiáng)度降低最重要因素，邊坡處治應(yīng)避免地表水入滲、地下水變化、大氣接觸等多方面因素，地下水滲出位置為邊坡土體強(qiáng)度最薄弱部分[1]。

c）施工中需做到“快挖、快防”。

d）對于有條件放緩邊坡路段，需放緩邊坡，如條件不允許，需加強(qiáng)支擋防護(hù)措施。

e）寒冷地區(qū)，應(yīng)考慮邊坡滲水導(dǎo)致涎流冰產(chǎn)生。