典型膨脹土路堤邊坡失穩機理及控制方法研究

陶連金，沈小輝，夏進平，王開源，侯 森

(北京工業大學巖土與地下工程研究所，北京 100124)

膨脹土主要由親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成，同時具有顯著的吸水膨脹軟化和失水急劇收縮龜裂兩種特征。膨脹土一般形成于新第三紀和第四紀上更新世，在我國廣西、四川、河南等多個省市均有分布。隨著我國高速公路的大量修建，膨脹土對公路的危害日漸增多。依據相關文獻，我國每年因為膨脹土造成的經濟損失估計超過150億美元［1］，中國在西部擬建的21 000 km的公路中有近3 300 km路段穿越膨脹土分布區。處于膨脹土區的路基、路塹邊坡常發生病害，如云南楚大高速公路、湖北襄荊高速公路、廣西南友高速公路的膨脹土路段均有不同程度的路基、路塹邊坡破壞，其中廣西南友高速公路膨脹土分布區就有23個路塹邊坡發生滑塌［2］。膨脹土路堤邊坡的破壞已經成為膨脹土地區的主要病害之一，給高速公路的建設和運營造成巨大經濟損失和潛在危害。

國內外專家、學者對膨脹土挖方路基邊坡的失穩特征、破壞機理、加固方法等方面已做了大量的研究［3-9］，但因技術、環境條件等各方面的限制，對膨脹土填方路基失穩機理的認識仍不夠全面，以至各類工程設計、施工和運營等仍難以杜絕膨脹土病害的發生。因此，結合實際工程進一步揭示膨脹土路堤邊坡失穩機理，可以為路堤失穩的治理提供可靠依據。

本文以廣西某高速公路路堤邊坡為工程背景，在現場調查、勘測的基礎上，分析了膨脹土路堤邊坡的失穩機理，并采用有限差分軟件FLAC對路基邊坡的失穩進行模擬分析，加以驗證。對反壓墻和抗滑樁兩種治理路堤失穩的方法進行了對比研究，以提出保證路堤邊坡穩定性的有效方法。

1 工程概況

廣西某高速公路工程，路基設計寬度為26 m，邊坡設計坡度為1.0∶1.5。路基土多為中膨脹土和強風化膨脹土。據現場調查，現場的路基填料特性如表1所示。

表1 路基填料特性

該路堤的施工主要過程為:①場地清理。②基底處理按照原地面坡度，對基底進行臺階處理，向下開挖30 cm，并換填砂礫壓實。③分層填筑，路堤填筑在線路的縱向和橫向均由低向高，分層填筑，碾壓，分段成型。④攤鋪整平，攤鋪時填筑層頂面做成向兩側傾斜2%～4%的橫向排水坡。⑤灑水或晾曬，對含水量不足的填料采取在路基上的平整區內灑水，填料含水量過大，超過最佳含水量時，則需要晾曬。

該工程K67+254—K67+466標段路堤邊坡在填筑完成半年后發生滑坡，滑塌的長度212 m，最大錯臺高達0.8 m，滑坡前緣侵入了已修好的右側排水溝，最寬的滑動體超過了路基中線，如圖1所示。

2 路堤失穩機理分析

通過對高速公路填方路堤進行詳細勘測和取樣分析測試，發現膨脹土路堤填方失穩與土體特性、環境變化及傾斜的基覆面等因素有關。現具體分析如下。

2.1 土體特性

該路堤邊坡的路基土主要為膨脹土。對現場取土樣進行測試，測試結果如表2所示。表明膨脹土強度隨含水量和飽和度的增大而遞減。膨脹土的工程特性是導致路堤失穩的內在因素。

表2 膨脹土強度測試結果

2.2 環境變化

路基施工在2010年10月開始清表，2010年11月至2011年4月廣西天氣干燥、雨水較少，路基較穩定。2011年5月后該地區進入雨期，膨脹土在初期干濕循環交替作用下，造成淺層土體反復收縮干裂和膨脹，形成較多的裂隙，裂隙逐步向四周和深部發展。裂隙不僅破壞了土體的完整性，而且為雨水的滲入提供了條件。從圖2可見，路堤左側地勢低洼，在兩個通道之間中點附近地勢最低，隨著降水的增多，造成地表水的匯集并沿干縮裂隙下滲，無法排出。膨脹土基礎在長時間浸泡后，膨脹土體含水量增加，吸力降低，從而導致土體抗剪強度的急劇降低，沿著路基方向逐漸形成剪切滑動帶。

2.3 傾斜的基覆面

本工程路堤坍塌段路基沿橫向從左往右傾斜6°～8°。按設計，該處的填方厚度在左右兩側差別很大，右側最深填方達到10 m。膨脹土路堤在坡腳附近首先產生塑性區，該區由于應變軟化而強度降低，隨著土體的軟化加深，塑性區逐漸增大直至貫通坡頂。當荷載超過剪切滑動帶的抗剪強度后，路堤則發生滑坡失穩。

膨脹土的特性是路堤失穩的內在因素，填方處于傾斜的基覆面和降雨等環境變化是主要原因。

3 路堤失穩模式的數值模擬分析

為進一步探索該填方路堤失穩機理，采用強度折減法，結合有限差分程序FLAC對路基邊坡進一步分析。在數值模擬中，通過不斷調整填土的黏聚力c和內摩擦角φ，使路基邊坡滑動帶塑性區完全貫通，直至邊坡失穩，由此得出的強度折減系數為路基邊坡安全系數［10］。模型選取塌方最嚴重區域，即選取樁號為K67+360的斷面。模型高50 m，寬130 m，共劃分了6 418個單元，模型底部邊界選為固定邊界，左右兩側水平約束，其計算模型如圖3所示，土體物理參數如表3所示。

路堤邊坡的位移矢量分布如圖4所示，塑性區分布如圖5所示。結果顯示，對土體進行強度折減后，土體的塑性區形成一條明顯的滑動帶，出現在路堤邊坡的左側，最大側向位移值為 －400 mm，發生在左側邊坡腰段。此結果與工程實際基本吻合。

4 治理方案的比選

膨脹土素有“逢塹必滑，無堤不塌”之說，故研究其工程治理措施非常重要。常采用的治理措施有:①表水防護;②坡面防護加固;③擋土墻和抗滑樁等支擋措施。抗滑樁主要適用于滑坡體中有一個明顯的滑動剪切面且滑動剪切面以下是較完整的基巖，或者是密實的穩定基礎，能為抗滑樁提供足夠的錨固力。其主要優點是可治理深層滑坡，尤其是地形較緩時較錨索更經濟適用;主要缺點為費用高，時間長。擋土墻只能適用于基巖埋深淺、滑動面淺的淺層滑坡，在大中型滑坡治理工程中，擋土墻往往只能作為綜合治理措施的一個組成部分。其優點為施工較快、造價低;其缺點為擋土墻基礎埋深有限，不適用于深層滑坡。

表3 土體物理力學參數

本工程初步確定治理方案為反壓墻和抗滑樁，為比較其優劣，對兩種方案進行數值模擬分析。

4.1 反壓墻方案

此方案具體為挖除塌方路基，底部換填砂石，上層填以風化石及碎石，并在左側邊坡施作寬10 m、高7 m的反壓墻。反壓墻方案的數值計算模型如圖6所示，路堤邊坡的位移矢量如圖7所示，圖中顯示最大側向位移值為100 mm，發生在反壓墻墻腳側。可見，由于反壓墻過高過重，在反壓墻作用下，反壓墻下的地基承載力不足以抵抗反壓墻及路基填土的荷載，引起了膨脹土地層產生剪切滑移，地基失穩。

4.2 抗滑樁方案

設計抗滑樁樁徑為1.6 m，中心距為6.0 m，長為15.0 m，以保證1/3長度的抗滑樁位于中風化地層中作為嵌固段，樁體采用pile單元模型。

抗滑樁治理滑坡方案的位移矢量如圖8所示，最大側向位移值僅為0.7 mm，發生在路基表層。塑性滑動帶被抗滑樁阻斷，抗滑樁承擔了部分下滑力，有效地提高了邊坡的整體穩定性。

數值分析結果表明:兩種方案均可提高膨脹土路基上路堤的穩定性。但第一方案會引起反壓墻墻腳側發生剪切滑移，而抗滑樁方案具有更好的抗橫向滑移效果。綜上所述，考慮到后期路堤浸水及路基強度的衰減，失穩路堤應采用抗滑樁加固，以保證路堤的長期穩定性。

圖8 在抗滑樁下路堤邊坡側向位移

5 總結

本文以廣西某高速公路路堤邊坡為工程背景，分析了膨脹土路堤失穩機理，并采用有限差分法對路基邊坡的失穩進行模擬分析，同時針對傾斜路基，比選了有效的控制方法。

1)路基傾斜及地表水下滲浸泡是膨脹土路堤破壞的主要原因。

2)抗滑樁與反壓墻支護相比具有更好的加固效果，它能有效地阻止塑性區的發展和控制水平位移，能長期保證膨脹土路堤的穩定性，是治理傾斜路堤失穩的有效方法。

［1］李懷珍，朱文孝.膨脹土邊坡失穩機理和穩定性分析［J］.貴州地質，2006(2):132-136.

［2］楊和平，鄭鵬.南友路膨脹土塹坡滑坍的地質調查與思考［J］.長沙理工大學學報(自然科學版)，2004(1):14-19.

［3］魏斌，王敏強.高填土路堤邊坡失穩機理及加固措施比選［J］.武漢大學學報(工學版)，2010(3):366-369.

［4］廖世文.膨脹土與鐵路工程［M］.北京:中國鐵道出版社，1984.

［5］劉特洪.工程中的膨脹土問題［M］.北京:中國建筑工業出版社，1996.

［6］黃世武，劉明維，尹健.膨脹土地基路基填方失穩破壞模式分析［J］.重慶交通大學學報(自然科學版)，2009(2):250-254.

［7］陶太江，廖濟川.膨脹土的工程特性對開挖邊坡穩定性的影響［J］.工程勘察，1994(4):18-22.

［8］周慶坡，李傳明，時小永，等.高速公路膨脹土路基病害分析及對策［J］.鐵道建筑，2007(8):71-73.

［9］陳偉.成綿樂鐵路客運專線千佛山段膨脹土路塹滑坡淺析［J］.鐵道建筑，2011(12):89-91.

［10］趙尚毅，鄭穎人，時衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數［J］.巖土工程學報，2002(3):343-346.