宁德市某二级公路浸水路基病害成因分析及其治理措施

2018-07-04■郭琳

福建交通科技 2018年3期

■郭琳

（福建省交通规划设计院，福州 350000）

1 引言

福建省地形以山地丘陵为主，受地形限制，在山区公路建设过程中，沿池塘、江河、库岸等临水环境修建的道路工程愈来愈多；因此，沿线公路不少路段出现浸水路堤道路。近年来，浸水路基已引起广大学者和工程技术人员的重视，然而由于浸水路基工程地质条件的复杂多变性，浸水路基失稳坍塌时有发生[1-3]。本文通过宁德市某二级公路浸水路基病害的工程实例，对浸水路基病害成因进行分析，并提出挖除修复的方案，治理成效显著，可供类似浸水路基病害工程借鉴。

2 工程概况

2.1 地形地貌

工程区位于宁德市，为二级公路兼城市主干道，路宽24m，道路在道路基础上进行拓宽。其中K0+060～K0+220段位于山坡地段，地势较高，山脉走向近南北，西北面靠山，自然坡角15～45°，植被较发育；东南面地势低，为翠屏湖水库，湖水面随季节变化，水库设计洪水位480.0m。

2.2 地层岩性

工程区场地表层为素填土及残积成因粉质粘土，下伏基岩为凝灰熔岩（J3）。分述如下：

素填土灰黄色、黑灰色，主要由粗砂、粉质粘土组成，含少量碎砾石。其中粉质粘土，很湿～饱和，松散及软塑，渗透性差，遇水软化，在土体自重力的作用下易滑动。

残积粘性土：黄灰色，褐黄色，由凝灰熔岩风化残积形成。切面稍有光滑，低～中等韧性，中等干强度，呈湿，可塑～硬塑状态。

凝灰熔岩（J3）：凝灰质结构，块状构造。主要成分为石英、碱性长石、斜长石及黑云母，隐晶质。其中，全风化凝灰熔岩和砂土状强风化凝灰熔岩风化强烈，极破碎，长期浸水后土层软化，承载力降低，摩擦力减小。

2.3 水文地质条件

地表水主要为湖水及大气降水，翠屏湖水库位于路基左下方，受翠屏湖水长期浸泡影响，在其影响范围内的残积粘性土、全风化凝灰熔岩及砂土状强风化凝灰熔岩上部浸水软化，均呈饱和状态。

地下水类型主要为第四系覆盖层及全风化层中的孔隙型潜水和基岩裂隙型潜水，地下水主要来源于大气降水、山上泉水以及翠屏湖水的补给。公路填筑后，地表径流受影响，地下水位上升。

2.4 原设计简介

K0+060～K0+220段为斜坡填方路基，中心最大填土高度4.7m，坡脚最大高度15.9m；设计最高两级，采用不设台阶的折线式边坡，其中0～8.0m坡率为 1∶1.1，8.0～15.9m坡率为1∶1.3。该段路基左侧临翠屏湖，为浸水路基；原设计开挖台阶清表压实后，采用填石路堤，路堤边坡外侧2m片石码砌，坡脚设置片石垛护脚。典型横断面，如图1所示。

2.5 浸水路基病害概况

图1 典型横断面图

图2 路面裂缝示意图

2016年初建成通车以来，该段落路基发生不均匀沉降，路面开裂，如图2所示。其中，K0+060～K0+140段路面开裂，可见多道纵向裂缝，但路面无明显下沉；流水槽下部损毁严重，地表水流冲刷边坡，加剧坡面水土流失。K0+140～K0+150段原为小山包，路面无明显变形迹象，K0+144.5盖板涵出水处未有排水措施，坡脚受流水冲刷明显。K0+150～K0+220段路基不均匀沉降明显，路面开裂，发育十几道裂缝，最内侧裂缝距路线中心线约3.7m，目前采用沥青填缝；同时，因流水槽开裂，坡面排水不畅，受水流冲刷影响，坡脚局部溜塌，坡面两处明显错缝；混凝土护栏搭接处错动明显，根据前后两次现场调查，发现混凝土护栏裂缝有加大趋势，推测该段路基变形仍在发展。

3 浸水路基病害成因分析

3.1 设计方面原因

K0+060～K0+220段线位通过翠屏湖，为水库段路基；根据公路路基设计规范，该段为特殊路基段落，应作为单工点进行专项设计。原设计没有考虑库水位升降、水流冲刷、湖水浸泡及渗透等不利因素对填方路基的破坏作用，未对其进行不同工况下的稳定性验算与沉降计算；设计人员盲目套用普通路基标准横断图进行设计，造成设计没有针对性，为公路运营过程中在库水位骤降等非正常工况下可能出现的路基变形及路面开裂等病害埋下了隐患，影响公路行车舒适性及安全。

3.2 施工方面原因

该段路基原设计为填石路堤，施工过程中施工单位以石料不足为由在坡率不变的情况下擅自改用土方填筑；路堤坡率较陡，且未采取补强加固措施，是造成该段路堤失稳的祸根。根据现场揭露，该段路堤填料不均匀、夹杂大粒径块石，使得路基耐水性较差、抗剪强度较低，在车载及湖水浸泡等影响下易产生变形破坏。施工方未严格按设计要求挖台阶清表、片石护脚未实施及路基压实度不足，也是诱发病害的因素。

3.3 成灾机理分析

浸水路基不仅承受车辆荷载和自重，而且受湖水浸泡侵蚀、局部冲刷及水位涨落循环形成的渗透动水压力的作用。该段路基填土不良、抗水性差，坡脚暴露在湖畔，在湖水长期侧向侵蚀作用下，水岸线后退，基底泡水软化，承载力降低，在车载及堤身自重作用下导致路基不均匀沉降。公路路堤邻近水库内湖，湖水位随库水位变化而变化，根据调查湖水位涨落幅度约2m；当水位抬升时，湖水将浸没路堤中部，填料泡水软化后强度指标将显著降低；当水位降低尤其是骤降时，因坡内孔隙水不易短时间内排出而产生向坡外的渗透力增加了下滑力，边坡处于不稳定状态甚至坍塌、滑动。

4 浸水路基现状稳定性分析

4.1 稳定性分析方法

选取代表性断面验算该段浸水路堤的稳定性，包括路堤堤身的稳定性、路堤和地基的整体稳定性、路堤沿斜坡地基滑动的稳定性，分析时考虑以下三种工况：（1）现状工况；（2）非正常工况I：路基处于暴雨或连续降雨状态下的工况。（3）库水位骤降的工况。根据《公路路基设计规范》，选用Bishop法计算路堤堤身的稳定性、路堤和地基的整体稳定性；用Morgensten&Price法对路堤沿斜坡地基的稳定性进行稳定性计算。本文利用GeoStudio中的Slope/W模块对填方边坡进行不同工况下的稳定性评价。

4.2 计算参数

结合岩土工程勘察报告，计算所用的各土层岩土力学指标如表1所示；当遇强降雨或连续降雨时（即非正常工况I），岩土体浸水饱和，C、Φ值将急剧降低，γ则增大，验算所用力学参数适当降低。

表1 主要岩土体参数

4.3 计算结果及分析

该路堤边坡为浸水填土边坡，且边坡坡度大，选取典型断面采用地勘提供指标进行验算，经稳定性计算后，结果详见表2。现状边坡路堤和地基整体稳定性系数低于规范要求，安全储备不足，填方边坡处于滑动临界状态，与现场实际相吻合；路堤沿斜坡地基滑动的稳定性系数在各工况下均能够满足路基规范的要求。

表2 稳定性系数计算成果表

图3为水库开闸湖水位骤降2m条件下路堤边坡稳定性计算结果。由于浸水路堤边坡内孔隙水的滞后效应来不及及时消散，产生向边坡临空面的渗透压力，边坡稳定性系数急剧下降，路基边坡将失稳滑动。

图3 骤降时现状堤身或路堤和地基整体稳定性

宁德地区雨季长且集中，雨季时遇暴雨或持续降雨，地下水位抬高，土体浸水饱和，抗剪强度降低，路堤边坡的安全储备随之降低，如图4所示。

图4 非正常工况I现状堤身或路堤和地基整体稳定性

5 浸水路基病害治理

K0+060～K0+220段路基变形迹象明显，稳定性分析表明在水位骤降或暴雨等极端工况下，路堤将失稳溜滑，威胁过往车辆和行人安全。综合以上因素，对该病害工程初步提出桩基挡墙方案、原位加固方案、挖除修复方案。

5.1 桩基挡墙方案

该段路基坡脚浸水、局部坍塌，为防止填方路堤进一步滑塌，采用桩基挡墙固脚抗滑并保持路堤稳定。坡脚设置桩基挡墙，现坡面清表后向左路肩外延4m用合格土按1∶1.75坡率填筑，坡面植草防护。详见图5。

图5 桩基挡墙方案典型断面图

5.2 原位加固方案

鉴于该浸水路堤坡脚受湖水冲刷且填方体局部下错的特点，考虑在坡体中设置土钉与其周围填料形成土钉墙复合体增强坡体整体性，并在坡脚坡石护堤。水下抛石至一定高度后，施做填石反压体；上部坡面清表后施打土钉，并喷射10cm厚C20素砼。详见图6。

图6 原位加固方案典型断面图

5.3 挖除修复方案

该段浸水路基采用土方以较陡的坡率填筑，且填料质量较差；考虑挖除该段填方路堤后重新填筑的方式进行治理。裂缝往道路内侧 2m 为开口线，以 1∶0.75、1∶0.75 开挖路基（台阶式开挖，台阶处铺设土工格栅），其中平台宽4m；坡脚采用填石填筑至 381.0 标高，上部按 1∶1.5、1∶1.75 采用填土重新填筑路堤，坡面采用喷草籽绿化。详见图7。

图7 挖除修复方案典型断面图

经上述三个方案初步分析，其加固后浸水路堤稳定性均能满足规范要求。而桩基挡墙方案需设置临时围堰等措施，施工难度大且工程造价高；该段路基填料不均匀掺杂大块石，土钉与填方体粘结可能失效，无法发挥其加筋作用。鉴于该段路基病害严重，补强加固后仍可能发生二次病害，为彻底解决病害，采用挖除修复方案对其进行治理较为合理。目前该工程已竣工一年半，经历水位升降循环及极端暴雨作用，路堤边坡未发现滑移迹象，治理措施有效。