膨脹土地區(qū)填方路基滑坡原因分析及治理

李長風(fēng)

（運(yùn)城南高速公路管理有限公司，山西 運(yùn)城 044000）

引言

斜坡填方路基一般指自然地面橫坡陡于1 ∶5的填方工程。斜坡的填方工程往往比挖方工程具有更大的不確定性，歷來是工程界比較棘手的問題。由于斜坡地形的特殊性，往往因?yàn)樵O(shè)計(jì)考慮不周、施工質(zhì)量不滿足要求等原因造成填方路基在施工期或者運(yùn)營期出現(xiàn)各種各樣的問題，主要表現(xiàn)為路基沉降、路基滑移以及路面產(chǎn)生裂縫等多種病害，影響道路的正常使用。隨著道路建設(shè)項(xiàng)目的增多，這類問題也受到了越來越多的關(guān)注和研究。

肖濤等[1]以貴州山區(qū)的斜坡濕軟土為對(duì)象，分析了半填半挖、全填方等路基形式下的工點(diǎn)分析，指出地表水和地下水是引發(fā)這類路基病害的重要因素。翟竹等[2]利用軟件模擬了斜坡高填方路基在降雨入滲條件下的穩(wěn)定性，指出降雨改變巖土體的孔隙水壓力是導(dǎo)致路基失穩(wěn)的主要因素。葉瑋[3]結(jié)合六潛高速公路的填方設(shè)計(jì)實(shí)踐，分析了高速公路斜坡路基發(fā)生滑坡可能產(chǎn)生的原因，并總結(jié)了高速公路斜坡填方路基的常用設(shè)計(jì)方法，為斜坡填方路基的設(shè)計(jì)提供了重要的參考價(jià)值。魏小楠和張國銀[4-5]分析了斜坡填方路基的滑動(dòng)機(jī)理和治理措施。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

擬建公路為城市次干路，紅線寬度20 m，填方高度約8 m。該處地形為左側(cè)高右側(cè)低的斜坡地形，坡面自然傾斜介于1 ∶5 和1 ∶2.5 之間，為一般的斜坡填方路段。勘察報(bào)告顯示，該區(qū)域分布廣泛的含鈣質(zhì)結(jié)合黏土，具有一定的膨脹性。

根據(jù)鉆孔揭露的地質(zhì)情況：（1）0 ～1.5 m 深度范圍內(nèi)為可塑狀的含鈣質(zhì)結(jié)合黏土，稍濕，切面無光澤，成分主要為粉質(zhì)黏土，含鐵錳質(zhì)氧化物，伴生鈣質(zhì)結(jié)核，鈣質(zhì)結(jié)核20 ～40 mm，自由膨脹率為55%，屬于弱膨脹土。（2）1.5 ～4.5 m 深度范圍內(nèi)為硬塑狀的含鈣質(zhì)結(jié)合黏土，切面光滑，主要為粉質(zhì)黏土，含鐵錳質(zhì)氧化物，伴生鈣質(zhì)結(jié)核，自由膨脹率為50%，具有弱膨脹性。（3）4.5 ～6.0 m 范圍內(nèi)為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，含泥質(zhì)，層狀結(jié)構(gòu)，風(fēng)化裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面不清晰，巖體完整程度為破碎，呈層狀、碎塊狀，手捏易碎。（4）6.0 m 以下深度為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，呈短柱狀或長柱狀，部分巖石被節(jié)理、裂隙分割，呈塊狀，力學(xué)性能較好，此次鉆孔未揭穿該地層。主要力學(xué)巖土體參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)建議值

1.2 設(shè)計(jì)方案概況

根據(jù)地質(zhì)勘查情況和道路設(shè)計(jì)標(biāo)高，路基設(shè)計(jì)方案：清除1.5 m 厚的原狀可塑含鈣質(zhì)結(jié)核黏土；挖設(shè)寬度不小于2 m、高度不小于0.5 m 的錯(cuò)臺(tái)；對(duì)填方路基進(jìn)行沖擊碾壓；在左側(cè)設(shè)置截水邊溝，用于排除左側(cè)坡面流水；填方坡面采用菱形骨架護(hù)坡，措施見圖1。

圖1 填方路基斷面/m

2 路基滑移問題及原因分析

2.1 滑移現(xiàn)狀

該段填方路堤在后期建設(shè)過程中，因其他工程建設(shè)造成其左側(cè)形成較大的凹坑。在經(jīng)歷了連續(xù)強(qiáng)降雨之后，凹坑內(nèi)產(chǎn)生了大量的積水，道路縱向產(chǎn)生了明顯裂縫，坡面的菱形骨架也發(fā)生了斷裂，并在填方路基坡腳位置處產(chǎn)生了明顯的隆起，見圖2。

圖2 路基裂縫位置

2.2 原因分析

通過圖3 可以看出，道路已經(jīng)發(fā)生了明顯的位移變形，人行道與行車道之間產(chǎn)生了明顯的拉裂縫，坡腳處的填土已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的隆起鼓脹裂隙。

圖3 道路路基滑移變形

道路出現(xiàn)變形的原因：（1）外部原因。該處道路的原狀地形為斜坡，但是由于后期實(shí)際施工過程中左側(cè)地塊進(jìn)行開挖后形成了巨大的凹坑，其地面高程小于路側(cè)的排水溝，改變了設(shè)計(jì)時(shí)的排水路徑，導(dǎo)致左側(cè)的坡面流水無法進(jìn)入路側(cè)邊溝。（2）設(shè)計(jì)問題。由于此處填方只有8 m，地形為自然斜坡，未引起設(shè)計(jì)單位的重視。導(dǎo)致在設(shè)計(jì)時(shí)左側(cè)未采取更完善的截排水措施，導(dǎo)致了后期的凹坑積水無法排出，造成地表水長期聚集。（3）土體強(qiáng)度降低。積水長期浸泡表面的含鈣質(zhì)結(jié)合黏土，使其飽水程度增加，多余的積水下滲，沿巖層界面進(jìn)入路基下部的硬塑狀含鈣質(zhì)結(jié)核黏土。由于含鈣質(zhì)結(jié)核黏土具有一定的膨脹性，土體發(fā)生膨脹，更易在坡腳處發(fā)生膨脹變形，釋放其膨脹帶來的變形應(yīng)力。并且在長時(shí)間的水體作用下，其抗剪強(qiáng)度急劇降低，路基的穩(wěn)定性進(jìn)一步下降，導(dǎo)致路基產(chǎn)生了明顯的滑移變形。

2.3 有限元驗(yàn)證分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證路基滑移產(chǎn)生的原因，采用巖土Midas GTX NX 有限元分析軟件對(duì)原設(shè)計(jì)方案和左側(cè)地形改變以及連續(xù)降雨之后的路基穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在有限元模型建模時(shí)，根據(jù)表1 地勘的土體參數(shù)進(jìn)行取值。土體的破壞準(zhǔn)則為摩爾-庫倫本構(gòu)模型，采用強(qiáng)度折減法對(duì)填方路基進(jìn)行穩(wěn)定性及位移情況分析。

2.3.1 原設(shè)計(jì)路基穩(wěn)定性分析

建立原設(shè)計(jì)方案下的有限元分析模型，見圖4。

圖4 有限元計(jì)算模型

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，得到路基的位移和穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖5 ～圖7。

圖5 原設(shè)計(jì)路堤的水平位移云圖/m

圖6 原設(shè)計(jì)路堤的沉降位移云圖/m

圖7 原設(shè)計(jì)路堤的穩(wěn)定性分析結(jié)果

（1）由圖5 可以看出，原設(shè)計(jì)方案下的路堤最大水平位移為1.78 cm，水平位移主要集中在坡腳附近，而最大沉降為6.55 cm，出現(xiàn)在填方路堤的行車道位置附近。（2）由圖7 可以看出，利用強(qiáng)度折減法得到的路堤潛在滑動(dòng)面從坡腳位置迅速上升到填方路堤范圍內(nèi)，并沒有沿填土界面向上擴(kuò)展。說明原設(shè)計(jì)的挖臺(tái)階有效地提高了填土與原狀土之間的抗剪強(qiáng)度。通過強(qiáng)度折減法計(jì)算得到路堤在天然工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.52，滿足規(guī)范要求。

2.3.2 現(xiàn)狀路基穩(wěn)定性分析

由于后期地形發(fā)生變化，地表水下滲進(jìn)入路基填土，其抗剪強(qiáng)度大大折減，根據(jù)勘察單位取樣試驗(yàn)結(jié)果，可塑含鈣質(zhì)結(jié)核黏土和硬塑含鈣質(zhì)結(jié)核黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別為9 kPa、10 kPa 和10°、18°。據(jù)此建立現(xiàn)狀下的填方路堤模型，計(jì)算結(jié)果見圖8 ～圖10。

圖8 現(xiàn)狀路基的水平位移云圖/m

圖9 現(xiàn)狀路基的沉降位移云圖/m

圖10 現(xiàn)狀路堤的穩(wěn)定性分析結(jié)果

（1）由圖8 看出，現(xiàn)狀路堤的最大水平位移發(fā)生在道路的填方坡腳附近位置，最大水平位移約為3.7 cm，比原來的水平最大位移增大了1.92 cm。與圖5 對(duì)比得出，最大水平位移的位置也從填方路堤頂面變?yōu)槠履_位置。究其原因，原設(shè)計(jì)中填方土體與原狀土體之間不存在軟弱地層帶，原設(shè)計(jì)的水平位移主要由填方土體的自然沉降引起的橫向變形，屬于正常的變形。而現(xiàn)狀路基則是由于填方土體產(chǎn)生了明顯的滑動(dòng)，在坡腳處應(yīng)力釋放，形成剪出口。（2）從圖9 可以得到，路面的沉降為6.8 cm，而坡腳處產(chǎn)生了1.9 cm 的隆起。（3）從圖10 可以看出，由于雨水下滲引起了填方路基下部的黏土抗剪強(qiáng)度降低，該軟弱滑動(dòng)帶向上延伸與填方路堤形成完整的滑動(dòng)面，這與在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的坡腳隆起現(xiàn)象比較吻合。

3 治理措施

由于膨脹土吸水強(qiáng)度迅速降低的特殊性，雨水下滲降低黏土的抗剪強(qiáng)度是產(chǎn)生路基滑坡的根本原因，因此治水是解決問題的關(guān)鍵。根據(jù)本段填方路基規(guī)模，可采取的治理措施：（1）截水。在道路左側(cè)設(shè)置深度達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化巖層的截水盲溝，防止地表水下滲再次進(jìn)入填土下部浸泡軟化黏土層。（2）排水。在道路左側(cè)重新設(shè)置排水邊溝，保證坡面流水能夠順利進(jìn)入邊溝排走，并在填方土體內(nèi)增設(shè)橫向排水管，進(jìn)一步疏導(dǎo)滲入土體內(nèi)部的水分。（3）護(hù)腳。在坡腳處注漿或者反壓部分土體，增加坡腳處的抗滑力，提高路基的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

分析了膨脹土地區(qū)的斜坡填方路堤滑坡產(chǎn)生的原因，并利用有限元軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：（1）膨脹土遇水強(qiáng)度降低較大，水是誘發(fā)膨脹土地區(qū)斜坡填方路基滑移的主要原因。（2）通過有限元對(duì)比分析得到了現(xiàn)狀路基的水平位移為3.7 cm，豎向隆起為1.9 cm，與現(xiàn)場(chǎng)變形情況一致。（3）提出了針對(duì)性的解決措施。