青银高速公路病害段路堤土特征及原因分析

王树信，陶 涛

（河北省高速公路青银管理处，河北 石家庄 050021）

0 引言

青银高速公路河北段是交通运输部规划的国家路网中“五纵七横”国道主干线之一的青岛至银川公路的组成部分，该高速公路在河北省境内起始于冀鲁交界的清河县，终止于鹿泉市，与石太高速公路相通，全长182.004km。K555+070～K557+710段原地基土在0～3m范围内为低含水量、低液限细粒土，在未填筑前其物理力学性质满足随后的路基工程的要求。路堤填筑完成后，雨水通过中央隔离带及路堤坡脚处渗入路堤及地面附近，在路堤下原地面附近形成土层软化层，即高含水量低液限细粒土，致使地基强度和承载力降低。在路堤自身重量以及路面荷载的作用下，路堤开始沉降，使路肩部位产生沉降，出现路面开裂现象，导致出现蝶形沉降盆地以及路堤失稳现象。该类低含水量低液限细粒土层在设计阶段应予以足够的重视。

1 病害段路堤土的工程地质特征

该路段在勘察钻探深度内主要由粉土、粉质黏土和黏土组成，局部夹有中细砂层。根据钻孔资料，该地基与路堤自上而下组成为，第一层是路面层：沥青混凝土、水泥稳定碎石、二灰土，厚0.7m；第二层是人工填土：黄褐色、可塑、含白灰、切面光滑细腻、水分较大、以粉质黏土为主，厚3.2～4.5m；第三层是粉质黏土：黄褐色、可塑、切面光滑、土质均匀、韧性较好、含水量较大，厚2.7～4.1m；第四层是粉土：黄褐色、稍密、土质均匀、含粉砂、有摇振反应、含贝壳，厚2.6～3.2m；第五层是粉砂：黄褐色、稍密、土质均匀、含粉砂、长石、云母，厚4.9～6.0m；第六层粉质黏土：黄褐色、可塑、水分较大、土质均匀、无摇振反应、有砂质，厚3.4～4.0m。

通过K557+310断面工程地质剖面土工试验成果，以土样的含水量ω为基础，绘制出K557＋310 断面含水量ω变化图（见图1）。

图1 K557＋310断面含水量w（%）变化图

从图1中可以得出：

（1）土样含水量沿垂直方向分布具有一定的规律，总体表现为：在路堤下方近地面处有一个较大的高异常区，在路堤坡脚处各有一个较大的高异常区。

（2）在路堤下方近地面处：在原地面下2m到原地面至路堤2m内的范围内存在一个土样含水量ω≥30.0%以上的区域，其孔隙比e0≥0.856；塑限ωp≥25.8；在该范围的周围存在一个土样含水量ω≥25.0%以上的区域，其孔隙比e0≥0.838；塑限ωp≥17.8，为高含水量的低液限细土类。

（3）在路堤坡脚处：路线左侧坡脚范围内存在一个土样含水量ω≥30.0以上的区域，其塑限ωp≥30.8；路线右侧坡脚范围内存在一个土样含水量ω≥25.0以上的区域，其塑限ωp≥28.4，为较高含水量的低液限细土类。

（4）在路基排水沟外缘处：在0～3.2m范围内土样含水量ω在7～18%之间，塑限ωp在14.0～18.0之间，为正常的低液限细土类。

2 病害段产生原因分析

K555+070～K557+710路段路基下面存在有中～高压缩性软弱地基。该路段天然地基由亚砂土、亚黏土和砂土组成，含水量ω在10.8～36.0%之间，孔隙比e0在0.581～0.955之间，压缩模量Es为4.5～11.1MPa。自2005年12月通车后，由于路堤梯形断面静荷载分布不均匀，加之车辆动荷载加在行车道和超车道上的共同作用，导致路基发生盆型差异沉降，路面行车道与停车带处在2009年7、8月份间产生对称的裂缝，裂缝宽从0.5～15mm。

勘察表明该路基天然地基在勘察钻探深度内由粉土、粉质黏土组成，从勘察结果可分析病害产生的主要原因 （见图2）。

图2 蝶形沉降盆地形成示意图

（1）原地基土在0～3m范围内为低液限细粒土，其含水量ω在7～18%之间，孔隙比在0.5～0.7之间；塑限ωp在14.0～18.0之间，其物理力学性质满足路基工程的要求。

（2）路堤填筑完成后，雨水通过中央隔离带以及路堤坡脚处渗入路堤以及地面附近，在路堤下原地面附近形成土层软化层，使得局部区域含水量ω≥30.0%以上，孔隙比≥0.800；塑限ωp≥30.8。

（3）在路堤下原地面附近形成的土层软化层，由于路堤结构的存在，其水分无法顺利排除，长时间的滞留在该区域，致使地基强度和承载力降低。在路堤自身重量以及路面荷载的作用下，出现不均匀沉降，使得路堤结构发生剪切破坏，路面在路肩部位被拉裂。

（4）当路面在路肩部位产生裂隙后，大气降水灌入地基中，加速了路基的沉降，使裂缝延伸并加宽，又加剧了雨水的下渗作用，使得路堤内部土层中的含水量加大，孔隙比随之也增加，大面积的沉降就会发生，其结果出现蝶形盆式沉降。

3 试验段地基土沉降以及稳定性计算

运用理正软件对勘察所得资料进行计算，计算过程如下。

（1）地基土沉降计算

基准期为44个月路基沉降计算见图3。

图3 基准期为44个月路基沉降计算示意图（单位：m）

路堤设计高度为6.000m，路堤设计顶宽为28.000m，路堤边坡坡度为1∶1.5；第1级加荷从0.0～6.0月，加载开始时，路基计算高度为0.000m，沉降0.000m；加载结束时，路基计算高度6.816m，沉降0.116m；第2级加荷从10.0～14.0月，加载开始时路基计算高度为6.816m，沉降为0.130m，加载结束时路基计算高度为6.840m，沉降为0.140m。

①基准期开始时刻：最后一级加载（路面施工）结束时刻；②考虑沉降影响后，路堤的实际计算高度为6.840m；③路面竣工时，地基沉降为0.140m；④基准期内的残余沉降为0.092m；⑤基准期结束时，地基沉降为0.232m；⑥最终地基总沉降1.200×0.316=0.379m。

（2）路基稳定性计算（见图4）

图4 路基稳定性计算示意图

采用理正岩土软件稳定性分析计算，计算目标为安全系数，滑裂面形状近似圆弧计算。圆弧稳定分析方法选择瑞典条分法，条分的土条宽度为1.0m。当土条重切向分力与滑动方向反向时，按下滑力对待。搜索时的圆心步长为1.0m，搜索时的半径步长为0.5m。给定以上参数，通过自动搜索最危险滑裂面，最不利滑动面滑动圆心为(2.600,10.240)m，滑动半径为10.565m，滑动安全系计算结果为0.990。

根据以上计算结果可以看出在通车后44个月时，差异沉降量为9.2cm时地基被拉开，造成路基中心下沉，反射到路面出现压性裂缝。若以服务期15年考虑，6m路基高度还将下沉28.7cm。路堤滑动安全系数为0.990，小于设计安全系数1.30。通过调查发现，经过3～4年时间，沉降进一步加大，随着路面结构将完全破坏，并沿路堤潜在滑移面出现路面开裂及路肩崩塌，造成中断交通的严重后果。

4 结语

K557+000～K557+710段地基为低液限细粒土，该种地基遇水后自然沉陷，在荷载作用下，土层的压缩变形和局部剪切破坏是造成路基沉降和开裂的直接原因。由于雨水的下渗，在分布不均匀的荷载作用下，地基开始发生差异沉降，使路基产生下部向两侧拉裂而上部受挤压的现象，地基土产生的差异沉降使得路面结构发生剪切破坏。由于裂缝的存在，大气降水灌入地基中，造成地基软化，承载力降低，加速了路基的沉降，使裂缝延伸和加宽。为控制地基土沉降的延续，保证公路的正常运行，需采用有效的工程措施对该路段地基进行加固处理。

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