某公路软弱地基上的高填方路基开裂失效病害处治对策研究

陈紫云

(1.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都　610017；2.成都理工大学，成都　610059)



某公路软弱地基上的高填方路基开裂失效病害处治对策研究

陈紫云1,2

(1.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都610017；2.成都理工大学，成都610059)

摘要：以我国西南某高速公路软弱地基上的高填方路堤开裂失效病害实例作为研究对象，以病害现象反复发生反复处治、病害认识不断加深的历程作为基础：先是因为对软弱地基处理方式失当而在路堤填筑过程中产生了侧向滑移病害；后又因为对病害机制认识不准确，导致制定的治理方案处治病害不彻底，使得路堤重新填筑过程中再次产生了侧向滑移病害；然后，再次因为对病害机制的认识还是不到位，并且对治理方案作用机理的理解不透彻，导致了病害进一步加重而致使路堤不得不重新填筑。通过对病害发生、发展过程的再认识和再评估，对病害发生机制进行了较为深入的探究和论述，对未能达到预期的病害处治对策进行了总结和反省，提出了病害防治的应对策略和思路，形成了病害处治方案且经历了实践的验证。

关键词：软弱地基；侧向滑移；病害处治；对策

1工程背景及病害特征[1]

1.1工程概况

我国西南某山区高速公路，设计采用整体式路堤，路基宽度24.5 m，最大填高近19 m，中心填高约15 m，分两级放坡，坡率分别为1∶1.50和1∶1.75，坡率变化处设2.0 m宽台阶。路线沿山岭重丘坡脚沟谷展布，原地面为丘谷间地形平缓的梯田。路基两端分别衔接挖方路基(大里程方向)和多跨20 m跨的砼简支梁桥(小里程方向)(图1)，路基持力层为力学性质较为软弱的粉质黏土，下伏深色淤泥质土软弱层，勘探厚度13～15 m，分布较为均匀。施工设计图阶段软弱地基采用塑料排水板进行软基处治，处治深度为软弱地基深度，处治深度约13～15 m，顶部采用50 cm厚砂砾石垫层作为水平排水通道，路堤填料为粉砂质泥岩土石混合料，要求严格控制填筑速率。

图1　路线布置及工程地质平面图

1.2工程地质条件

病害工点地处红层地区，砂泥岩互层产出，附近基岩大范围出露，为侏罗系紫红色中厚层状构造的粉砂质泥岩。路基和两侧丘谷内覆盖第四系全新统坡洪积层软弱土层：表层为褐红-棕红色可塑-软塑状粉质粘土，夹少量角砾，含量约占5%，厚度约2.2～8.4 m；下伏灰色软塑状淤泥质土，主要成分为粘土矿物，富含有机质，手感滑腻，局部含少量碎、砾石，含量小于10%，厚度约4.9～7.4 m；第三层为灰色砾石土、砾砂，成分以砂岩、粉砂质泥岩为主，次棱角状-次圆状，粒径和组成非常不均，局部以粗砂为主，碎、砾石粒径0.2～4 cm，含量30%～60%不等，余为粗砂及少量粘土，中等密实；砾石土、砾砂层以下为基岩；覆盖层的总厚度13～15 m，为接近饱和的软弱土，天然含水量30%～50%，孔隙率达50%～60%，有机质含量在10%左右。地下水主要为松散层上层滞水，接受大气降水补给，岩土体层内连通性非常差，渗透系数很低，局部有微弱承压现象；水化学类型为HCO3-SO4-Ca型，对砼和钢结构具有微腐蚀性。

1.3病害发生过程及变形特征

该路基病害基本特征为路基开裂和侧向滑移(图2、图3)，发生过程大致可分为两次发生，一次恶化：施工过程中发生病害，为第一次；施工处治方案并重新填筑，发生病害，为第二次；第二次病害发生后，在施工病害处治方案过程中突然发生恶化，变形加剧。

图2　路基填方体开裂

图3　路堤变形失稳

(1) 第一次病害变形特征

填方路堤施工填高至13 m左右时，填方路基发生开裂和侧向滑移。先是路基的填方体大致沿路中线位置发生开裂变形，裂缝初期长度约50 m左右(约占该段填方路堤总长度的1/2)；然后，在路堤坡脚外侧距离填方范围约20～25 m范围的水田观察到发生了鼓胀隆起变形，最大隆起高度近50 cm；并且，路基中心线附近裂缝沿两端逐步缓慢发展，两侧也产生了新的平行展布的小裂缝，原裂缝逐步变宽。在持续大约10 d左右，整个填方路堤的整体开裂变形速率逐步趋于收敛。此时，路基中线外侧形成了裂缝带，宽度小于5 cm的裂缝多数断续分布，宽度大于10 cm的裂缝基本贯通，形成的裂缝带最大长度近80 m，并且在裂缝宽度发展的同时，裂缝外侧路基土伴随发生相对滑移下错，最大下错高差约近1.0 m。

(2) 第二次病害变形特征

第二次填方路基发生滑移破坏与第一次间隔约10个月(次年4月)，此时已按照设计方案在路堤外侧软弱地基3 m范围进行了片块石换填，增设5 m反压护道也已施工完成。与第一次相似的是，也是当路堤填高达到13 m左右时，路堤发生开裂滑移变形。首先也是路基中心线外侧发生开裂，然后原发生过鼓胀隆起变形的水田变形进一步增加，水田大部分被疏干，原地面隆起部分的高度增加，较之原地面高差约1.1～1.6 m，沿路线展布平行方向大致形成了一个条带状隆起埂，宽度范围约10余米，局部出现推覆现象，并且部分田埂被错断，断距一般约20～40 cm。护道表面斜倾于路基中线方向，路堤坡脚与自然地面衔接附近发生错断现象，并且路堤侧发生刺入，形成高约50 cm的沿路线走向展布的台坎。与第一次差别较大的是，路基中线外侧的裂缝不再形成裂缝带，而是形成了一条贯通的长大裂缝，宽度约20～60 cm。本次变形发生的持续时间约1周，此后的变形速率趋于收敛。

(3) 病害加剧变形特征

本次路堤加速滑移破坏的病害加剧与第二次病害发生的时间间隔约6个月(次年10月)，加速变形导致病害加剧的活动是发生在护道范围施工碎石挤密桩加固的过程中。施工碎石桩的振动锤功率为175 kW，变形最为剧烈的时段为碎石桩施工数量过半时，仅持续几天时间，原来已发生变形但速率趋于收敛的路堤外侧滑动部分继续活动，发生下错，规模迅速达到2 m，之后变形速率逐渐趋缓。但是，至此的累积变形量已经超过容许量，路堤需要重新填筑。

2各阶段失败的软基处治对策及方案评述[1]

2.1第一次病害前的软基处治

施工图设计采用塑料排水板，目的为排水固结，提高地基承载能力[2]。具体方案为：塑料排水板采用SPB-1或SVD-1型，排水板间距为2.0 m，按正三角形布设，处理深度到基岩面。施工前应先平整场地，清除地表耕植土，开挖纵、横排水沟，将农田水疏干，遇有田埂时，应将其削成一斜面，然后铺筑一层泥岩填料。路基应均匀填筑，填筑时间为6个月，路堤填筑完成后，必须预压至少6个月。填筑过程中须进行沉降和稳定观测，以严格控制填筑速率，避免加载过快出现路基剪滑破坏。控制标准为：路堤中心线地面沉降速率每昼夜不大于1.0 cm，坡脚水平位移速率每昼夜不大于0.5 cm。

2.2第一次病害后软基处治

病害后采取了换填和反压护道处治，具体方案为(图4)：在路基外侧软弱地基3 m范围进行片块石换填，目的为增加左侧填土抗侧滑能力，换填处治深度3.0 m，范围为坡脚外侧2.0 m，片石要求最小粒径不小于25 cm，增设5 m宽6 m高反压护道。要求路堤填筑控制填筑速率，总填筑时间不少于6个月。

其对策思路首先是基于地基失效，需要处治，从处治范围3 m可推测出设计人认为失效范围为浅层，其机理为承载能力不足所造成浅层失效，至于设置护道的对策基础则没有。其方案失败的原因很清楚，未认识到病害为滑动破坏，其滑动破坏面埋深较大，而浅层处理完全不得要领。因此，为处治对策不正确造成了第二次病害的发生。换填仅仅针对了浅层地基土采取措施，并没有对剪切破坏面(带)的地基土的软弱性进行必要的分析和考虑，因此也就未能采取任何针对性措施。并且，反压护道作为平衡力，在剪切面(带)软弱地基土物理力学性质未得到显著提高的情况下，所提供的平衡力矩对整个滑移体的贡献非常有限。第二次病害发生开裂变形与第一次间隔10个月，期间，滑动带地基土的强度有一定程度上的恢复或提高，但作为软弱面的存在仍然制约路堤加载活动方式，那么，在第二次路基填方加载的过程中，发生了与第一次类似的力学过程。不同的是，在地基土层内，塑性应变区按照了原有的软弱面进行了追溯，因此，第二次发生开裂变形形成的隆起带与第一次相同，隆起的高度发生了叠加。同时，可以推断的是，该地基的临界高度即为12～13 m，还可以据此逆演算地层的强度。

图4　病害工程断面示意图

2.3第二次病害后软基处治

第二次病害处治方案为(图4)：在路基下方软弱土层采用碎石挤密桩进行处理，处治范围为原二级边坡坡脚内侧至征地范围边界，且满足边沟外侧加设两排碎石桩，加固深度要求穿透软弱地层，桩体直径50 cm，桩平面间距1.2 m，呈等边三角形布置，采用振动成桩法，碎石桩桩顶铺设一道50 cm厚碎石垫层，并与原有砂砾垫层顺接，在第一次设置护道位置仍设置5 m宽6 m高反压护道。

应该肯定的是，该对策思路吸取了第一次处治失败的教训，认识到病害并非地基承载力不足的浅层失效所造成，对病害的机理应该有大致正确的认识了。因此，采用了利用振冲碎石桩提高地基承载力，并且可以成为地下水排泄通道，达到排水固结的目的，由此进行病害防治。该方案中体现的认识进步可圈可点，但是没有完全认识到病害的机制，并病害的发展趋势也缺乏正确的预测。再次因为处治对策的不成熟造成了病害的加剧。此时，设计单位已经考虑到了剪切面的存在以及在地基加载情况下对病害活动的控制性。第二次病害处治后的突然加剧的表现为开裂变形收敛后的突然加速发展，其事件与第二次病害间隔4个月，此时，扰动后的剪切滑动带地基土强度恢复是极其有限的。所以，在碎石桩施工过程中，一方面，振冲碎石桩置换部分地基土时，没有填方施工，无荷载使得地基土排水固结，去提高复合地基土承载能力，去提高抗剪强度；并且，原地基土中部分被碎石桩的松散碎石置换，置换后松散碎石内聚力提供的抗力可以忽略，置换后松散碎石的摩擦系数产生抗力与置换前原地基土的内摩擦角能产生的抗力基本可相互抵消。因此，碎石桩没有能够从根本上改善软弱土的物理力学性质[3-5]。另一方面，因淤泥质软土具有触变性，碎石桩施工产生的振动力，尤其是多台机械同时施工，将使软土的有效应力丧失，原剪切面软土的抗滑力下降，在高填方路堤荷载作用下，导致滑移变形加剧。所以，当碎石桩施工的震动荷载的持续加载，综合作用导致病害变形加速发展。

3当前病害处治的有效对策及分析

病害产生、发展的根本原因在于地基土强度不足，以及处治后也并没有得到根本改善，病害的性质为侧向深层滑移，滑动面的形态大致为圆弧形(图4)，经过数值模拟其深度约为13 m左右[1]，剪出口距路基填方坡脚25 m左右，滑动破坏的动力来源为路堤填方体加载对软弱地基土的附加应力。那么，与之相对应的处治对策思路应该为：要么对地基进行补强，使其强度能够抵抗附加应力；要么进行抗滑处治，使得处治的抗滑力矩与滑动力矩相平衡。落实到具体的对策方案可以分为以下两类或者应用它们综合处理：

(1) 地基加固处理[6-8]。具体的方案例如采用粒料桩、粉喷桩、沙井等复合地基，提高地基强度，也包括塑料排水板、真空预压等排水固结措施等等。优点为处治费用相对较低，技术较成熟，施工简便，处治效果可控；缺点为需要开挖后重新填筑，填料需要进行转运，施工场地要求高，重新填筑工期要求长。

(2) 抗滑处治。具体的方案例如微型群桩与桩间土形成复合抗滑结构[9-11]，约束其侧向位移，挖除不稳定的路基部分，按新旧路基填筑方案重新填筑失稳部分。优点为施工方便，不需要大规模开挖，工期要求短，适合抢险；缺点为费用要求高，国内外微型抗滑桩的理论尚处于经验阶段[10]。还有反压护道、抗滑桩、滑动面焙烧固结等等。护道施工简单，工艺要求低，成本低，但用地和综合协调有相当的要求；抗滑桩在该工点的技术实用性较差，需要和其他手段配合使用，且经济性较差；滑动面焙烧的工艺要求高，需要专业施工队伍和特殊的施工条件。

综合工程要求和现状，以该工程已经进行的地基处治工程为基础：路堤范围内施工图设计采用了塑料排水板，并历经了约2 a的固结排水；路堤外侧病害发生后约10 m范围施工了碎石桩，目前排水效果较好，路堤填筑后能够提高地基竖向承载能力，加速排水固结效果，但其抗剪作用较差。通过对这些既有条件的充分评估，并仔细研究处治对策后，综合对比多种方案，以及施工条件、施工工艺、工期计划、经济可行等因素，最终拟定的病害处治方案如下，以期达到技术可行、经济可控、工期节约的目的。

总方案为分三步实施的综合手段治理措施：

第一步：病害处治方案。总方略采用微型群桩复合抗滑结构，阻止病害进一步发展；同时挖除失稳路堤重新填筑，挖除的斜坡打台阶后铺设土工格栅，加强板块结构，调整不均匀沉降；在路堤和外侧分别建立长期监测点，监测路堤位移情况，如果位移速率收敛，则完成路堤处治。如果不收敛或者位移异常，则施工第二步处治方案。

第二步：碎石桩和中线之间采用粉喷桩加固处理，强化竖向承载力和横向抗滑稳定性。同时实施监测，根据监测情况确定下一步是否实施。如果监测的位移不收敛或者位移异常，施工第三步处治方案。

第三步：通过路堤病害的发展过程分析，该段填方的临界高度约13 m。因此，从力矩平衡的角度分析，本方案为护道方案，护道高度为3～5 m，范围为路堤坡脚20～30 m(约距道路中线61～71 m)，中间部分可填筑或者设置纵向排水沟，防止积水。护道外侧设置1～2 m(间距5 m)×2 m的抗滑齿墙，防止护道过大侧向位移。

4处治对策和方案的设计实现

4.1实施方案

从工程技术的角度，第三步方案优于第二步方案，但从用地、施工等综合考虑，第二步方案优于第三步，因此在位移速率不收敛的情况下，当优先实施第二步的处治方案。同时，有鉴于在碎石桩区域施工微型桩成孔过程需跟管钻进，因此，在本方案的实施过程中，严重受工期因素制约，路堤填方速率过快，对实施方案应进行局部调整(图5、图6)。

(1) 顺路线走向的微型桩向外侧平移6 m，避开碎石桩区域，有利于成孔，但降低了微型桩的抗滑安全系数，因此不能单独采用微型桩作为应急治理措施。

(2) 为避免钻孔缩径，在钻进过程中掺加烧碱。

(3) 在第(1)条的基础上将原本第三步实施的反压护道方案与微型桩共同作为应急治理措施。

图5　病害处治方案断面图

(4) 原拟定第二步实施的粉喷桩仍作为备用处治方案，实施条件不变。

图6　护道坡脚抗滑齿墙图

4.2设计荷载确定

路堤滑动稳定性分析采用圆弧形模型。滑动带位置模拟根据病害的前后缘位置确定。从第一次路堤失稳后，每次发生病害的隆起带位置基本没有什么变化，说明路堤侧向滑移的滑动带形成后，尔后在强度恢复前，均大致沿该软弱带发展。因此，根据现地形剖面和模拟的滑动带位置可以反分析滑动带的强度参数，并据此分析滑动力，作为设计依据。

4.3微型桩设计[9-11]

图7　钢管桩及系梁的平面布置

国内外关于微型桩的应用主要集中在承受竖向荷载的地基加固、基础纠偏等领域，我国在微型桩抗滑方面应用较少，工程设计理论尚处于起步阶段，迄今为止还没有针对微型桩的规范条款。从微型桩群的作用机理分析，其对荷载的反作用是由加筋土作为一个整体提供的，受荷载发生的破坏是整个桩-土复合体的破坏。设计采用较能模拟现场实际情况的等效法：采用等效截面法根据变形相等的原则简化为柔性挡土墙进行截面设计，采用等效刚度原理按照微型桩的抗弯刚度相等的原则等价为地下连续墙进行强度校核。

图8　钢管桩施工结构图

5病害处治效果反馈

施工中先是对原来的路基填方进行了清理和外运待用，对滑坡形成的滑床进行开挖台阶处理；同时在路堤坡脚实施钢管桩的施工(图7、图8)，在设计位置进行反压护道的抗滑齿墙砌筑；所有填筑前工序完成后，开始路基填筑，路基同反压护道同时填筑施工，因为前面的预压等等工作，本次大约2个月就完成了整个路基的填筑，未再次发生开裂滑移现象。根据路堤马道设置的观测桩监测的位移情况，路堤填筑后有一定的沉降变形，但变形速率逐步趋于收敛，没有明显的水平位移变形。最后，备用的高压旋喷桩没有施工，至今已安全运营多年(图9)，路堤设置的平台被利用作了当地人行通道，反压护道被利用为耕作旱地，既完成了工程治理使命，又达到了合理保护利用耕地的目的。

图9　病害治理完成并安全运营后的路堤、马道和反压护道

6结论及认识

(1) 病害产生、发展的根本原因在于地基土强度不足，处治后软基的物理力学性质也并没有得到根本改善，病害的性质为侧向深层滑移，病害的动力来源为路堤加载。

(2) 病害前方案没有更多考虑到地基土渗透系数低，局部存在弱承压现象，塑料板排水适宜性较差，且没有正确估算总沉降量，以此作为设计水平砂砾排水层厚度的依据，导致地基土强度改善中止。病害发生后的浅层换填方案没有全面认识病害产生的机制，未能对深层滑移进行有效工程处治。碎石桩方案则将散粒体桩用作抗剪桩，无法从根本上改善软弱土的物理力学性质，且缺乏考虑淤泥质软土的振动触变性。

(3) 最终采用的病害处治方案为微型群桩抗滑+反压护道提供抗力矩+利用已施工碎石桩排水固结+路堤沉降和水平位移监测+高压旋喷桩备用应急治理的综合治理方案，其对策思想基础考虑到病害的机理的认知和评价，及预测到病害发展趋势，因此病害治理方案除贯彻发生学学术观点，更注重标本兼治的灾害防治思想，当然，最终出台的施工方案也使得病害被有效控制。

参考文献

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E-mail：673529340@qq.com

THE STUDY OF PREVENTION AND TREATMENT COUNTERMEASURE FOR THE WEAK GROUND CRACKING AND LATERAL SLIDING OF A HIGH BUILDING EMBAN KM ENT IN SOUTHWEST EXPRESSWAY

CHEN Zi-yun1,2

(1.Sichuan Communication Surveying & Design Institute，Chengdu Sichuan610017,China;2.Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan610059,China)

Abstract:In this paper, a high fill emban km ent on weak ground cracking and lateral sliding was taking instance as the research object in southwest expressway, and as the base what the sliding disease development realized it’s prevention and treatment process would be form. First, because of the inoperative treatment to weak ground, lateral sliding had occurred in the process of emban km ent filling. Then, the sliding disease prevention and treatment on the basis of the understanding of the disease mechanism was not complete, and so, in the process of emban km ent fill the lateral sliding diseases had occurred again. Even more, because of the deviation once again for the understanding of disease mechanisms after the second disease occurring, also the working mechanism of treatment measures was not grasped rightly, further it had leaded to the disease aggravated and the emban km ent would have to be filling once again. Based on the situation above, it was necessary to re-recognize and re-evaluate the sliding disease occurred process and mechanism in this article, and summed up the failure reason for the sliding disease prevention and treatment, then it had be carried out for a summary and reflection, and put forward a coping strategies also a efficient treatment measure scheme.

Key words：weak ground； lateral sliding； disease treatment； coping strategies

作者简介：陈紫云(1982-)，男，四川南江人，博士研究生，高级工程师，从事地质工程、岩土工程方面的生产和科研工作。

中图分类号：U416.1;TU433

文献标识码：A

收稿日期：2015-09-20改回日期：2015-11-17

文章编号：1006-4362(2016)01-0051-08