山区斜坡湿软土填方路基水毁机理研究及应急修复

2022-06-27彭宇肸

交通科技 2022年3期

王琦曾耀姜波彭宇肸曹俊

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳 550081)

贵州省位于我国西南山区，境内山高谷深，沟壑纵横，山地丘陵占总面积的93%，公路建设中形成大量高填深挖路基，给公路建设及运营带来极大的挑战[1]。贵州山区斜坡湿软土地基较为常见，主要分布在构造和剥蚀所形成的中低山地貌地区[2]，具有3个显著特点：①其地基表面具有一定的坡度；②场区地下水较丰富；③地基土长期受水浸泡呈低强度和高压缩性的特点。在斜坡湿软土地基上填筑路基易产生不均匀沉降甚至是整体失稳的风险，对于运营公路而言，斜坡湿软土地基填方路基段往往是公路水毁的高发地段。

公路水毁是指在气候、水文、地质环境因素和人类活动的综合作用下，公路沿线所产生的一系列对公路工程的破坏和工程被破坏的过程[3]。公路水毁是目前运营公路面临的主要问题之一，路基边坡水毁问题最为突出。路基水毁一方面取决于路基边坡的基础地质条件及公路建设条件，另一方面又受到多种外界因素的诱发影响，降雨，尤其是强降雨，是诱发路基水毁的最重要因素之一[4-6]。

本文以贵州省晴隆至兴义高速公路典型斜坡湿软土填方路基为例，对煤系地层区斜坡湿软土地基上路基水毁变形特征、水毁成因、水毁短时强降雨作用机理进行分析研究，以提出针对性的应急修复处治措施。

1 工程概况

晴隆至兴义高速公路于2012年底建成通车，其中K0+000-K40+375段线路穿越煤系地层区，为路基水毁多发地段。K13+270-K13+330段左侧填方路基为二级填方路基，第一级、二级坡率分别为1∶1.5及1∶1.75，坡面均采用拱形骨架护坡，最大填高12 m。场区覆盖层为第四系人工填土(Qme)、残坡积层(Qel+dl)含碎石粉质黏土，下伏基岩为二叠系上统龙潭组(P2l)泥质粉砂岩夹炭质泥岩。

2018年7-8月间，受多次强降雨影响，K13+270-K13+330段左侧填方路基发生路面沉降，造成左幅车道封闭，工程地质平面图见图1。

图1 滑坡区工程地质平面图

2 路基水毁变形特征及成因分析

2.1 路基水毁变形特征

路基水毁已形成滑坡，滑坡变形范围包括K13+270-K13+330段左侧填方路基和路基下方玉米地及水田内一定范围内湿软地基土体，滑坡整体呈“V”形，前缘横向最大宽约75 m，纵向长约90 m，平面面积约5 200 m2，平均厚度约6 m，滑动体积约31 200 m3，主滑方向62°，属小型推移式滑坡。

深部位移监测曲线见图2，典型断面见图3。监测显示滑坡体后部滑动面埋深8.6 m，位于填方体与基岩接触面附近，滑动面物质为填筑土；滑坡体中部滑动面埋深约8.5 m，位于覆盖层含碎石粉质黏土与基岩接触面附近，滑动面物质为含碎石粉质黏土，呈软塑状。监测期间滑坡位移速度为5～10 mm/d，滑坡体整体处于强变形阶段。

图2 JCK5深部位移监测曲线

图3 典型工程地质断面图

2.2 路基水毁成因分析

公路路基水毁产生的条件主要有地形地貌条件、地层岩性条件、公路建设条件，以及水文气象条件等主要控制因素。

1) 地形地貌条件一方面决定场区地表汇水面积的大小，另一方面斜坡地形的存在为水毁的产生提供了有利条件。本路段坡面开挖前为汇水区域，场区汇水面积约9万m2，部分通过公路排水系统排出区外，部分汇水下渗进入填方路基。

2) 地层岩性条件决定了地下水分布特征、渗透途径及土体浸水软化特性。龙潭组(P2l)煤系地层内广泛分布炭质泥岩、炭质页岩及偶夹煤层，其特点为岩质软、吸水性强、遇水易膨胀软化，强风化岩体较破碎～破碎，为相对含水层。含碎石粉质黏土为煤系岩层风化产物，在地下水长期作用下发生饱水软化，且具有含水量高和强度低等特点。另外填方体人工填土具有空隙率相对较大、透水性强等特点，为降雨入渗提供了便利通道。

3) 公路建设条件决定了路基承受水毁作用的能力。K13+325处一级平台砌筑浆砌片石排水沟，在边坡变形期间同时发生变形开裂，导致汇水渗入坡体加速了边坡自身变形；另外边坡采用自然放坡填筑且无地下排水措施，导致路基边坡承受水毁的能力较差。

4) 水文气象条件决定了降雨量及地表流量的大小，是公路水毁的直接作用因素。长期降雨入渗软化地基岩土体，降低路基边坡岩土体抗剪强度参数从而降低边坡稳定性。8月1-10日持续降雨，其中8月3-7日持续为中雨～大到暴雨天气是形成本次路基水毁的直接诱因。

综上所述地形地貌条件、地层岩性条件和公路建设条件是公路水毁的基本条件及内因。水文气象条件是公路水毁的直接原因及外因，长期降雨入渗软化作用起到改变地层岩性条件的作用；短时持续强降雨作用为影响路基水毁的直接诱因。

3 短时持续强降雨作用机理

本次采用SEEP/W和SLOPE/W进行耦合数值计算分析，通过SEEP/W计算强降雨作用下坡体内部孔隙水压力变化，然后将SEEP/W计算结果导入SLOPE/W，计算各降雨历时坡体稳定性系数的变化。

3.1 模型的建立与参数选取

选取典型断面建立计算模型见图4，本次模型初始地下水位线采用勘察期地下水位线。

图4 滑坡数值计算模型

计算采用的岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数取值表

3.2 路基边坡瞬态SEEP/W模拟分析

采用SEEP/W对降雨条件下路基边坡的瞬态渗流场进行模拟分析，根据路基水毁期间气象资料，取降雨强度为50 mm/d，降雨历时为48 h。本次仅列举了初始状态、16、32、48 h步长时坡体内部孔隙水压力分布规律，为了对比坡体不同位置的孔隙水压力分布情况，分别在坡体的后缘、中部及前缘设置a、b、c3处监测点，不同降雨时间下坡体内孔隙水压力分布图见图5。

图5 不同降雨时间坡体内孔隙水压力分布

根据模拟结果，降雨初期，覆盖层入渗率较大，路基边坡以浅表层入渗为主，土体孔隙水压力不断增大，并在表层形成暂态饱和区。由于前缘地势低洼，有利于降雨的汇集，前缘地下水位线有所抬升，后缘无明显变化，如图5a)所示。随着降雨持续增加，路基边坡后缘地形平缓且覆盖层较薄，降雨渗流路径较短，土体率先达到饱和，地下水位快速抬升，路基边坡中部覆盖层较厚，地下水位抬升缓慢，前缘持续抬升，如图5c)所示。在后缘坡体达到饱和状态后，降雨不断汇集于渗透性差异明显的岩土交界面处，坡体中前部仍以降雨入渗为主，而后缘以渗流为主。随着时间增加，岩土交界面逐步达到饱和，地下水位迅速抬升，孔隙水压力持续增加，浮托力增大，坡体稳定性逐步降低，如图5d)所示。

对a、b、c3点处孔隙水压力变化趋势进行分析，坡体前缘在整个降雨过程中孔隙水压力持续增大，并在岩土交界面达到饱和后出现骤增趋势；坡体后缘孔隙水压力先于中部增大，随后保持稳定；滑体中部孔隙水压力在降雨32 h内基本保持稳定，同前缘相似，当岩土交界面饱和后孔隙水压力激增，且时间先于前缘，孔隙水压力变化趋势图见图6。

图6 孔隙水压力变化趋势

3.3 路基边坡稳定性分析

采用Morgenstern-Price极限平衡稳定性计算方法，在路基边坡瞬时渗流场模拟的基础上，考虑高速公路行车荷载的影响，取行车荷载为25 kPa，对滑坡进行稳定性分析计算。降雨初期，坡体稳定性系数呈缓慢下降趋势；当降雨持续至32 h时，稳定性系数出现骤降，进入极限平衡状态，这也与SEEP/W模拟结果是一致的，此后稳定性系数持续下降，稳定性关系曲线见图7。

图7 稳定性系数与降雨时间关系曲线

3.4 短时持续强降雨作用机理分析

降雨强度为50 mm/d时，持续强降雨期间坡体孔隙水压力随时间持续增加，有效应力降低，坡体稳定性逐渐降低。当降雨持续32 h时岩土界面土体达到饱和，此时岩土界面孔隙水压力激增导致有效应力骤降，进而导致边坡稳定性骤降，边坡进入极限平衡状态，即该路基边坡水毁启动降雨条件为持续50 mm/d强降雨32 h。

4 路基水毁应急修复及效果分析

4.1 应急修复措施

根据路基水毁变形破坏特征及其失稳机理，结合现场地形、公路通行安全及工程进度要求等情况，采用“钢管桩+路基挖除换填+圆形抗滑桩+综合排水(地下排水盲沟、地表排水沟)+路面及坡面恢复”综合措施对本段路基进行应急修复，断面治理设计示意见图8。

图8 滑坡断面治理设计方案示意

1) 钢管桩。为确保右侧路基半幅通行安全，在路基左侧滑塌后缘外约1 m位置布置1排直径159 mm钢管桩。桩长10 m，共82根。

2) 路基挖除换填。以路面裂缝及一级平台底部为界，选用级配碎石进行挖除换填。填高8 m，坡率1∶1.5，一级平台宽2 m。

3) 圆形抗滑桩。于公路边线左侧13 m处一级平台上布置1排圆形抗滑桩。桩径1.6 m，桩长18～24 m，桩间距4 m，共16根。

4) 综合排水。对挖除后地基按3%排水坡度整平处理，设置纵、横向排水盲沟疏排地下水，盲沟总长80 m，材料为C15混凝土和M10浆砌片石；在坡脚设置排水沟将盲沟及路基边沟汇水引出区外。

5) 路面及坡面恢复。按现行标准对路面进行恢复，同时恢复坡面拱形骨架。

4.2 处治效果分析

本文选取抗滑桩附近JZK2-1监测孔孔口0.5 m处监测数据进行分析，累计位移变化趋势见图9，大致分为4个阶段：I阶段，路基挖除前，滑体处于加速蠕变阶段，在挖除滑体约3 000 m3后，位移量迅速减小，整体呈上凸形；II阶段，抗滑桩施工前位移量呈缓慢增长趋势，抗滑桩施工后位移保持稳定；III阶段，采用级配碎石进行填筑，受加载及施工扰动影响，位移量小幅度增加；IV阶段，高速公路恢复通车，整体变形趋于稳定，处治效果良好。