高速公路紅黏土填方路基路面病害及處治技術(shù)研究

作者簡(jiǎn)介：吳 勇（1988—），碩士，工程師，研究方向：路基路面工程。

摘要：為處治穿越紅黏土地區(qū)填方路基路面病害，文章以吳隆高速公路K45+080～K45+400段為例，從填土材料特殊工程性質(zhì)、環(huán)境水影響、天然地基土特征等方面，分析了路面開(kāi)裂及路基損壞原因；通過(guò)計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)合日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判定該邊坡位移速率處于黃色預(yù)警范圍；基于路基病害機(jī)理及演化分析，采用路面注漿技術(shù)和護(hù)面墻防護(hù)進(jìn)行處治，并加強(qiáng)了防排水處理。工后監(jiān)測(cè)表明，路面裂縫封閉效果和路基邊坡穩(wěn)定性得到了有效提高。

關(guān)鍵詞：紅黏土；填方路基；病害分析；邊坡穩(wěn)定性；處治技術(shù)

中圖分類號(hào)：U418.5

0 引言

高速公路的建設(shè)加快了我國(guó)交通運(yùn)輸網(wǎng)格化布局進(jìn)程，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)各地區(qū)的物流運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但同時(shí)在高速公路運(yùn)營(yíng)期內(nèi)也產(chǎn)生了一些工程病害，主要是路面開(kāi)裂、沉降、路基邊坡塌方等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了行車人員安全，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞^［1］。對(duì)于高速公路病害原因分析及處治，研究者進(jìn)行了一些相關(guān)研究。梁志光^［2］總結(jié)了高速公路路基路面常見(jiàn)病害特征，分析了病害形成原因，提出了預(yù)防養(yǎng)護(hù)和病害處置技術(shù)防治措施。張華等^［3］通過(guò)分析四川高速公路典型路基病害原因，提出了微型鋼管群樁加固處治方案。馬磊^［4］通過(guò)分析高聚物注漿技術(shù)原理及材料性能，并對(duì)高速公路路面深層病害進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用處治效果。本文以吳隆高速公路K45+080～K45+400填方路基段存在的病害及處治工程為例，在考慮了紅黏土的特殊工程性質(zhì)后，對(duì)路面和路基進(jìn)行了重新處治設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 基本情況

吳隆高速公路K45+080～K45+400填方路基段為雙向三車道。該段路基最大填高為16.4 m，公路寬度約為28 m，形成了坡度分別為1∶1.75、1∶1.5的兩級(jí)路基邊坡。填方主體為取自該項(xiàng)目南北端邊坡工程的填方土體，屬紅黏土摻入了少許礫石。該段路基縱向坡率較小，路段防排水設(shè)施主要有邊緣排水溝、路基底部涵洞和一處填方深層泄水孔。

1.2 主要病害情況

路基邊坡坡頂路面出現(xiàn)裂縫，裂縫處有少許沉陷，拱形骨架、混凝土護(hù)面未能對(duì)坡面上全部填土進(jìn)行有效側(cè)向位移約束，填土在雨季易受沖刷侵蝕，并被地表徑流搬運(yùn)至高程較低處。因此，邊坡上主要的變形跡象是填土向邊坡臺(tái)階、坡腳聚集。

路面病害發(fā)育階段主要經(jīng)歷了裂縫初見(jiàn)和裂縫擴(kuò)展兩個(gè)階段。裂縫初見(jiàn)階段主要分布于上行線K45+130～K45+390路基段和下行線K45+350～K45+400路基段，位于超車道右側(cè)0.5～2.0 m，裂縫寬度為1～5 mm，長(zhǎng)度為50～260 m；裂縫擴(kuò)展階段裂縫沿平行線路方向擴(kuò)展，其中上行線在平面上擴(kuò)展不明顯，下行線擴(kuò)展至K45+300～K45+420路段。封堵材料由于與路基結(jié)構(gòu)層的協(xié)調(diào)變形，表面不平整，呈二次裂開(kāi)的跡象和輕微下凹的微觀形態(tài)。裂縫在宏觀平面上呈直線形，符合剪切破裂的普遍規(guī)律，但在微觀上呈鋸齒狀，起伏度大，符合張開(kāi)破裂的普遍規(guī)律。

2 工程地質(zhì)情況

2.1 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭示及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)地內(nèi)地層主要有第四系新近人工堆積層（Q^ml）、第四系沖洪積層（Q^al+pl）、第四系殘積層（Q^el）和第四系殘坡積層（Q^el+dl）和泥盆系中統(tǒng)東崗嶺基巖（D₂d）。其中第四系新近人工堆積層（Q^ml）主要成分是紅黏土夾礫石，礫石含量＜10%，該層主要分布于吳隆高速公路路基范圍內(nèi)，具中等壓縮性。第四系沖洪積層（Q^al+pl）局部含少許圓礫。第四系殘積層（Q^el）土質(zhì)均勻，韌性低，具中等～高壓縮性。第四系殘坡積層（Q^el+dl）土質(zhì)不均勻，含少量強(qiáng)風(fēng)化碎塊。泥盆系中統(tǒng)東崗嶺階基巖（D₂d）巖質(zhì)較硬，薄～中厚層狀構(gòu)造，局部節(jié)理裂隙較發(fā)育，少數(shù)鉆孔揭示溶洞，鉆孔揭示洞徑為0.50～2.80 m，無(wú)充填或充填軟～可塑狀黏性土。

2.2 土性試驗(yàn)

鉆探選取該段填方路基具有代表性的土樣，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430-2020）^［5］進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，測(cè)定其物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如下頁(yè)表1所示。

3 病害機(jī)理及演化分析

3.1 填料特殊性質(zhì)

根據(jù)表1計(jì)算可知，素填土液塑比Ir平均值為1.868，界限液塑比Ir＇平均值為1.895，Irlt;Ir＇。按照《廣西壯族自治區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（DBJ/T45-066-2018）^［6］，素填土屬Ⅱ類紅黏土，失水收縮后復(fù)浸水膨脹，不能恢復(fù)到原位，脹縮循環(huán)呈現(xiàn)縮勢(shì)。紅黏土作填料不易壓實(shí)且壓實(shí)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，水的浸泡和干濕循環(huán)作用會(huì)使素填土的收縮變形逐次積累而加速崩解。

3.2 環(huán)境水工程影響

勘察區(qū)含兩層地下水，分別是賦存于素填土中的上層滯水和賦存于中風(fēng)化灰?guī)r中的巖溶裂隙水。上層滯水水量較小，屬填土層孔隙內(nèi)的重力水，呈不連續(xù)條帶狀分布，水位隨氣象條件、季節(jié)動(dòng)態(tài)變化大。該層地下水不易排出，可促進(jìn)填土中的黏土礦物、水的相互作用，進(jìn)而造成土層軟化，產(chǎn)生附加下沉和側(cè)向變形。中風(fēng)化基巖的上覆巖土層為粉質(zhì)黏土，因巖溶裂隙水具弱承壓性，對(duì)粉質(zhì)黏土形成浮托作用，粉質(zhì)黏土因此具備更高的含水率。地表水、地下水在病害路段的情況如圖1所示。

3.3 天然地基土特征

該段路基的天然地基巖土層為粉質(zhì)黏土（Q^al+pl）與粉質(zhì)黏土（Q^el），兩者均有特殊性。根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果可知，粉質(zhì)黏土（Q^al+pl）液塑比為1.925，大于界限液塑比1.895，屬Ⅰ類紅黏土，失水收縮后復(fù)浸水膨脹，能恢復(fù)到原位。粉質(zhì)黏土（Q^el）天然含水率為67%大于液限62%，天然孔隙比為1.337≥1.0，具中等～高壓縮性，屬軟土、天然地基的相對(duì)軟弱下臥層。根據(jù)原位測(cè)試，粉質(zhì)黏土（Q^al+pl）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N=7～20，屬中硬土，該段路基不屬高填、陡坡路基，按地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)路基填筑加載后，粉質(zhì)黏土（Q^al+pl）層中不至于產(chǎn)生顯著變形和失穩(wěn)。粉質(zhì)黏土（Q^el）因具中等～高壓縮性，排水條件差，路基填筑形成的附加荷載易誘發(fā)其附加固結(jié)，進(jìn)而出現(xiàn)下沉變形。

3.4 變形演化機(jī)理

填方路基變形乃至潛在的失穩(wěn)破壞主要包含微觀和宏觀兩方面的演化機(jī)理。微觀上，紅黏土和其中的粗顆粒在長(zhǎng)期內(nèi)外地質(zhì)營(yíng)力的作用形成了相對(duì)“嵌鎖”的土體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)性被破壞后用作填土?xí)r，通常難以壓實(shí)到原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)，如圖2所示。因此，紅黏土極易在填筑完成后的項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期間形成附加沉降，不宜用作路基填料。宏觀上，病害主要體現(xiàn)于路面結(jié)構(gòu)層上的裂縫、路基邊坡上剛性構(gòu)筑物的破裂、堤腳的剪出變形等。

高速公路填筑工程破壞了天然溶蝕谷地的地表水和地下水的補(bǔ)、徑、排平衡，而人工修建的地表水和地下水排水等調(diào)節(jié)設(shè)施，均出現(xiàn)了不同程度的淤塞問(wèn)題，導(dǎo)致以紅黏土為填料的路基填土局部地段匯集地下水，強(qiáng)度逐漸降低，出現(xiàn)下沉變形；再加上天然地基土下臥軟弱的粉質(zhì)黏土（Q^el）層，隨著巖溶水位升降的影響，在上覆荷載作用下也出現(xiàn)下沉變形。上述兩類下沉變形累積到一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生側(cè)向滑移變形。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析

基于上述工程病害特點(diǎn)及機(jī)理分析，路基穩(wěn)定性主要受控于路基邊坡穩(wěn)定性，現(xiàn)通過(guò)理正巖土軟件計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。以填方厚度最大的K45+290斷面的安全系數(shù)為驗(yàn)算目標(biāo)，巖土層各力學(xué)參數(shù)取值綜合原位測(cè)試成果、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合規(guī)范和機(jī)理分析進(jìn)行修正確定，有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

根據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3334-2018）^［7］中表5.2.3規(guī)定，結(jié)合道路滑坡防治等級(jí)為Ⅰ級(jí)確定，正常工況下，穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)≥1.20，非正常工況Ⅰ（自重+暴雨）條件下穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)≥1.10。經(jīng)過(guò)計(jì)算，路基邊坡在正常工況下穩(wěn)定安全系數(shù)為1.281＞1.20，均較穩(wěn)定；非正常工況Ⅰ條件下穩(wěn)定安全系數(shù)為1.117＜1.20，路基邊坡欠穩(wěn)定。

4.2 監(jiān)測(cè)驗(yàn)證分析

基于病害路段病害機(jī)理分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，結(jié)合1～4期監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)，可得出如下結(jié)論：（1）勘察外業(yè)完成至2022-06-30期間，并無(wú)明顯的側(cè)向滑移變形跡向，地表變形主要以下沉變形為主，當(dāng)?shù)乇碜冃卫鄯e到14.05 mm時(shí)，出現(xiàn)側(cè)向滑移；（2）按軟件搜索的已知最危險(xiǎn)滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，路基邊坡目前基本穩(wěn)定，但是在非正常工況Ⅰ時(shí)不滿足規(guī)范要求的安全儲(chǔ)備。

根據(jù)第1～4期監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)顯示，邊坡位移速率達(dá)到黃色警示級(jí)，說(shuō)明該段路基的變形仍在持續(xù)發(fā)展中，若任由裂縫、塑性區(qū)擴(kuò)展，潛在滑面處的土體強(qiáng)度可能全部降低至屈服強(qiáng)度，在極端天氣和路面荷載的聯(lián)合作用下將逐漸趨于破壞，須做好針對(duì)性防護(hù)。

5 處治設(shè)計(jì)及效果分析

針對(duì)勘察區(qū)路段病害機(jī)理分析和穩(wěn)定性驗(yàn)算，為確保路基邊坡穩(wěn)定和路面行車安全，對(duì)病害路段進(jìn)行處治設(shè)計(jì)。

5.1 路面注漿

路面注漿范圍主要位于上行線K45+290～K45+360段路基（右幅主線），按梅花形布置，縱、橫間距為2.0 m。注漿孔采用干作業(yè)法成孔，孔徑為90 mm，鉆孔角度與水平面垂直，孔深控制在基巖面附近。其中純水泥漿采用P.C42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，設(shè)計(jì)水灰比為1∶（1～1.2），摻入水玻璃質(zhì)量占水泥質(zhì)量為3%～5%，自下而上進(jìn)行，速率為8～15 L/min，注漿壓力為0.3～0.5 MPa。施工順序由兩端往中間注漿，同時(shí)采用隔孔灌注水泥漿施工。

5.2 護(hù)面墻防護(hù)

路基邊坡坡面防護(hù)范圍主要位于K45+080～K45+400段路基右側(cè)，兩級(jí)坡體均采用護(hù)面墻進(jìn)行防護(hù)。護(hù)面墻肋墻采用變截面方式，墻面及墻背坡率按邊坡坡率分別增減1/20。墻高3lt;Hlt;6 m時(shí)，墻背設(shè)一耳墻；當(dāng)Hgt;6 m時(shí)，墻背設(shè)2個(gè)耳墻，耳墻底寬為50 cm。墻背超挖部分采用混凝土回填，沿墻身長(zhǎng)度每隔10～15 m設(shè)置2 cm寬伸縮縫（沉降縫）一道，用瀝青麻絮填塞，深入10～20 cm。同時(shí)，在護(hù)面墻內(nèi)開(kāi)窗，窗內(nèi)植草灌，碎落臺(tái)和平臺(tái)上2～3 m間距種植灌木、爬墻虎等植物。護(hù)面墻立面及斷面布置見(jiàn)圖3。

5.3 處治效果分析

經(jīng)過(guò)重新處治施工后，路面裂縫填充效果較好，表層封閉性完整，坡體內(nèi)的裂縫得到有效粘結(jié)；護(hù)面墻的施工有效增強(qiáng)了路基邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)合施工后期的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，處治后的坡體整體穩(wěn)定性較好，表明了處治設(shè)計(jì)方案的合理性。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)吳隆高速公路K45+080～K45+400填方路基段病害進(jìn)行原因分析及處治研究，得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)穿越紅黏土地區(qū)的高速公路填方工程，在前期勘察設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其周邊的地質(zhì)情況和氣候條件，通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)測(cè)試，確定紅黏土特殊工程性質(zhì)后，針對(duì)不同工程地段部位需確定具體的設(shè)計(jì)方案。

（2）應(yīng)該重視環(huán)境水對(duì)紅黏土工程性質(zhì)的影響，做好路基和路基涵洞積水的疏排，避免地表水匯聚對(duì)路基坡腳的浸泡軟化，進(jìn)一步加劇路基下沉開(kāi)裂。

（3）采用注漿技術(shù)對(duì)已開(kāi)裂的路面進(jìn)行注漿處治，并對(duì)路基坡面進(jìn)行護(hù)面墻防護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)防排水處理措施，處治后的路基坡體整體穩(wěn)定性得到了有效提高，治理效果較好，提升了坡體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和行車人員的安全。

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收稿日期：2023-04-18