填筑速率对红黏土路基含水率及稳定性影响研究

秦 阳

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610081）

红黏土一般较少作为路基填筑料，因其具有较大的工后变形特性及较小的渗透系数，不利于路基沉降控制及路基的排水过程[1-4]。但在我国部分地区，受限于填筑料的稀缺，不得不采用部分红黏土配合碎石用于路基填筑[5-7]。但此种路基填筑方式对降雨相对敏感，内部水分不易排出，容易导致路基边坡失稳，其根本原因在于红黏土在降雨渗透过程中由非饱和态转变为饱和态，出现强度及弹性模量降低，路基边坡的抗滑力降低而滑动力增加，出现边坡失稳[8]。降雨入渗是一个动态变化过程，降雨特征如降雨强度和持续时间，岩土体性质如渗透系数和边坡坡面角度等都对其存在显著影响。一般可以分为两种情况，分别为降水模型和积水模型。

降水模型是指在降雨过程中，降雨强度小于岩土体的渗透能力，物理现象表现出两个阶段，第一阶段为自由入渗，此时地表含水率低，水体基本完全渗入岩土体。第二阶段为有压渗透，表现为地表具有一定的积水量，渗入土体水量小于降雨量，地表形成径流或者积水。积水模型则是一开始地表的降雨量就大于岩土体的渗透能力，地表直接出现积水或径流，入渗水量由土体渗透能力和地表径流或积水量共同决定。

均质岩土体在地表存在积水或者径流条件下的含水率情况如图1所示。其中，最上层为饱和区，往下依次为过渡区、传导区和湿润区。其中饱和区与过渡区的含水率区别不大，含水率变化幅度较小；传导区的渗透过程基本为自由渗透，最下层的湿润区前缘被称为湿润锋，含水率变化剧烈。随着渗透过程的持续，传导区不断向深层土体发展，湿润区和湿润锋不断内移，直到渗透阻力与渗透压相互平衡。

对路基边坡而言，坡顶入渗（坡顶平面的降雨入渗）和坡面入渗（坡体斜面的降雨入渗）两部分组成边坡降雨入渗。在边坡的降雨过程中因坡面具有一定的倾斜角度，降雨不易形成积水而容易转化为地表径流；降雨停止后，因坡面没有积水，入渗的滞后效应不明显并很快结束，开始转入水分的消散过程。

当坡面土体的渗透系数小于降雨强度时，流量边界条件由土体的渗透能力来控制，地表径流是由未入渗的水所形成，定水头入渗边界是坡面边界，坡面上水压力即为水头与入渗点的标高一致，能够采用水压力为0的定水头入渗边界条件。

图1 雨水入渗过程

1 工程概况

根据地质条件和现场实际情况，选取K29+925作为计算剖面。根据前期勘察资料中的地质条件，路基填方区由上而下可以分为红黏土地层、强风化白云岩地层和中风化白云岩地层。其中红黏土层分为两层：上层为CFG桩处理区（置换率为0.04～0.044），下层为未处理红黏土。填筑体分为土料、土石料、碎石料。

路基K29+880～K30+405段为水田，表层为软-可塑状黏土，采用CFG+土拱格栅方法对该软土路基进行处理，如图2所示。其中CDG桩径0.5m，正方形布置，间距及处理深度分别为2.1m和5.5m，相应的面积置换率为0.04，碎石桩顶面铺设0.5m厚碎石垫层，填方基底铺设双层土拱格栅。

图2 软土路基剖面

2 红黏土路基填筑施工模拟分析

2.1 计算参数

由于填筑料性质具有空间随机性，降雨的时空分布也存在随机性，填方路基的渗透状态难以给出明确的数学解析，因此对填方路基的模拟分析采取假设：（1）不考虑降雨全过程的水分蒸腾；（2）前期降雨为0，且无土体富水态；（3）边坡底面为不透水，坡体两侧与周围土体水气运移是等量的。

在初始状态下，对于地下水位面应按照定水头来进行设定，压力水头和位置水头之和是水头的大小。对于模型两侧，有些边界按零流量边界处理的是地下水位线以上，而模型底面假设为不透水边界，斜坡表面即入渗边界，取为流量边界。路基边坡渗透过程是随时间变化的，任一时间点的边坡内渗透流量都和初始渗透时刻的条件存在密切关系，因此可以采用稳定状态下的边坡渗透状态作为初始条件，具体设置为天然边坡内孔隙水压在地下水位线以下为线性变化，之上则逐渐减小。

图3 填筑过程中孔隙水压监测点

依据场区地质条件，基于地质勘察资料和相关工程经验，岩土体的物理力学参数取值如表1所示，填筑方案及统计数据如表2、表3所示。

表1 模型参数取值

表2 填筑速率模拟方案

表3 不同方案总时间及平均数率统计表

2.2 施工填筑速率对比分析

在模拟过程中主要对1#、2#、3#三个监测点的孔隙水压进行监控，以明确孔隙水压在填筑过程中的变化。具体如图3所示。

不同填筑方案下超孔隙水压力变化情况如图4所示。由图4可知，方案2和方案3的填筑时间为51d和46d，填筑速率为0.28～0.31m/d，最大超孔隙水压力均达到了147kPa，即缩短工期时，若不采取有效排水措施，红黏土地基中的超孔隙水压力会有较大增长，对路基填筑料的强度影响较大。对比方案1和方案4，填筑时间增加了71.2%，超孔隙水压降低了20%，增加施工工期所带来的降压效果并不明显。由此可见，红黏土地基由于其渗透性差，超孔隙水压力消耗时间较长，当填筑速率在0.09～0.15m/d时，孔隙水压略有降低，但依然存在较高的水压，不利于路基的稳定性。因此在施工填筑过程中必须采取相应的排水措施。

四种方案填筑完成后，路基边坡的安全系数如图5所示。由图5可知，方案2和方案3填筑时间较短，路基内的孔隙水压较高，最终的安全系数较低。但相对于方案1和方案4，路基边坡安全系数降低幅度仅有0.4%，即孔隙水压对边坡安全系数的影响较小，主要的问题在于后期沉降变形方面的潜在威胁。

图4 不同填筑方案下超孔隙水压力变化情况

图5 四种填筑方案的最终路基边坡安全系数

2.3 降雨对路基边坡的稳定性分析

不同降雨水平对路基边坡的稳定性存在显著影响。随着降雨过程进行，不同时间点路基边坡的安全系数变化如图6所示。从图6中可以明显看出，在降雨的初期阶段，随着浅表层的土体渗透水体增加，边坡的安全系数略有下降，但降雨进一步持续的过程中安全系数存在明显增加，主要原因在于岩土体由干燥变为湿润，基质吸力增加，安全系数增加。但随着水体的持续渗入，孔隙水压持续增大，土体自重也逐渐增加，导致边坡土体强度降低，稳定性系数迅速下降。当降雨停止后，岩土体内部水体逐渐下渗，土体强度逐渐增加，且上部土体容重减小，因此安全系数又开始缓慢增加。

图6 降雨过程中路基边坡稳定性系数变化过程

降雨过程中路基边坡潜在滑面如图7所示。通过对图7中的边坡滑面进行分析可知，自然状态下的边坡安全系数显著高于降雨状态，且降雨状态下滑动面明显向深层土体移动，甚至扩展至原状地层，因此在设计和施工阶段应予以考虑。

3 结论

图7 降雨过程中路基边坡潜在滑面

文章选取K29+870～K30+399软土路基为研究对象，根据现场填筑施工情况，结合地质勘察资料、试验检测资料和大量的室内试验资料，采用二维数值模拟方法，模拟了不同施工速率条件下红黏土路基填筑过程中基底孔隙水压力的变化特征，对路基边坡的稳定性进行了分析评价。主要结论如下：（1）不同填筑速率对填方路基基底的孔隙水压存在一定影响，基本规律可以概括为基底孔隙水压与填筑速率呈现出反相关，其原理可以表述为低速率填筑有利于孔隙水压消散，但几种填筑方案的孔隙水压都较高，可见红黏土路基填筑需要采取相应的排水措施，单纯靠控制填筑速率的方法来控制孔隙水压效果不明显。（2）不同填筑方案对路基边坡的安全系数影响较小，但较快的填筑速率不利于控制滑动面的深层扩展，因此建议施工时对填筑速率进行适当控制。（3）降雨是导致红黏土路基边坡安全系数降低的重要诱因，主要机理在于红黏土吸水性好、渗透性差，导致土体的强度降低，同时增加了土体的容重，促使滑动面向更深层土体扩展，因此在降雨期进行填筑施工时，需要做好相应的施工方案，尽快完成边坡坡面的防排水结构，避免降水从坡面大量渗入土体。