砂性土路基病害的地質內因與水文外因分析

齊建模，湯羅圣，肖 斌，喬松林，宋 挺

（1.武黃高速公路管理處，武漢 430205；2.湖北省交通規劃設計院，武漢 430051）

杭瑞高速湖北段橫貫東南部的陽新縣、通山縣、崇陽縣、通城縣，自通車以來，運行狀況總體良好，但在通城縣境內K730＋900－K759＋718段砂性土填方路基邊坡出現了多處垮塌破壞的病害，給高速公路的運營安全帶來了隱患，因此非常有必要對杭瑞高速砂性土路基病害進行成因分析。目前關于砂性土路基病害成因方面的研究較多，如李治平等認為粘粒含量少、活性度低及塑性指數小是粉砂土路基破壞的主要原因［1］；王強等通過室內試驗及數值模擬等研究表明砂土濕化后土性參數將降低［2－4］；陳少文等通過室內三軸剪切試驗研究表明路基濕化變形與圍壓和吸力成反比［5］；徐云哲從降雨入滲階段、入滲飽和階段和徑流形成階段3個階段對砂性土路基邊坡機理進行研究，研究表明降雨濺蝕和土壤水蝕是砂性土路基邊坡破壞的主要方式［6］；朱登元等通過室內試驗研究了毛細水作用高度對路堤邊坡穩定性的影響［7］；王思海認為粉砂土的低塑性、粘結強度低、抗沖刷性差以及強降雨是粉砂土路基病害的主要原因［8］。以上研究雖然取得了不少成果，但由于砂性土路基病害具有較大的空間差異性，所以將結合杭瑞高速砂性土路基的具體情況，對病害成因進行研究。

1 工程地質條件

氣象、水文：杭瑞高速湖北段所在地區屬亞熱帶季風氣候區，屬湖北兩大多雨區之一——鄂東南多雨區，降雨多集中在3～8月份，多年平均降雨量1531.4mm。沿線所經過地段地表水資源比較豐富，主要河流為富水河、陸水河。

地形地貌：表現為松散巖、侵入巖為主的丘陵壟崗地貌交互出現。

地層巖性：出露地層主要為花崗巖、花崗閃長巖等中生代侵入巖。基巖出露廣泛但風化十分強烈，淺部多為全風化，呈砂礫狀。基巖嚴重風化帶厚度一般在20m左右，局部厚度達30m以上。

地質構造：主要發育楓林村斷裂、沙坪斷裂和李家斷裂，斷裂發育使巖體變得較為破碎，為表層巖體的風化創造了條件。

2 路基病害現狀

2.1 病害（或潛在病害）路基分布

杭瑞高速湖北段砂性土路基主要分布于K730＋900－K759＋718段，分布總長度近29km。該路段路基有填方路基、半填半挖路基、挖方路基和淺填淺挖路基。根據現場調查結果，目前砂性土路基病害主要發生在填方路基及半填半挖路基的填方邊坡一側，而挖方邊坡目前尚未見明顯病害。據統計，杭瑞高速K730＋900－K759＋718段砂性土填方路基分布總長度24009m，其中瑞麗方向分布長度11366m，占該段路基總長度的39.44%，杭州方向分布長度12643m，占該段路基總長度的43.87%。

2.2 路基主要病害類型

通過現場調查，該砂性土路基病害類型主要為路堤邊坡淺層垮塌、沖刷成溝、局部整體垮塌、路肩掏空、開裂以及急流槽破壞等，具體分類見表1。

表1 路基主要病害類型

3 路基病害成因分析

3.1 地質內因分析

區域地層分布表明，該砂性土路基段沿線以及周邊很大范圍內皆為花崗巖、花崗閃長巖等中生代侵入巖出露。該地層風化嚴重，風化帶厚度一般在20m左右，局部厚度達30m以上，風化剝蝕作用十分強烈，所以即使在溝谷低洼部位的第四系堆積物，也表現出明顯的砂性土特征，極少見粘性土分布。另外，由于建設期間考慮了土方利用及填挖平衡問題，該段路基填料基本采用了附近土場或邊坡開挖的棄方，基本上為砂礫狀的全風化花崗巖、花崗閃長巖，亦即工程上常說的花崗殘積土，它具有明顯的砂性土特征，粘聚力基本為零，抗沖刷能力弱，所以在強降雨條件下路堤邊坡表層易沖刷成溝槽。

該次調查期間共選取了6組樣品進行顆粒分析實驗，各粒徑顆粒百分含量如表2所示。從表2可以看出，該砂性土砂粒（0.075～2mm）百分含量為50.4%，而礫粒（＞2mm）百分含量為39.8%，根據《公路土工試驗規程》土體定名規則，該砂性土應定名為礫砂。

表2 砂性土顆粒百分含量統計表 ／%

根據表2，得到了該砂性土的顆粒級配曲線。根據該顆粒級配曲線，計算得到了該砂性土特征粒徑如表3所示。

根據表3計算該砂性土的不均勻系數

表3 砂性土特征粒徑一覽表

計算該砂性土的曲率系數

由于Cu＞5.0且Cc＜1.0，該砂性土為級配不連續的非均勻土，所以其滲透性很強，在降雨條件下地表水極易沿裂縫入滲至路基中，從而引起路堤邊坡內部掏空等病害。

3.2 水文外因分析

根據上述分析可以看出，該段填方路基屬于典型的砂性土路基，由于其特殊的土質，在水流沖刷下極易流失、破壞，這是造成該段路基病害的根本原因。

1）地表水流直接沖刷 受線型及地形影響，在路線縱斷面凹面拐點等路段，在降雨條件下往往造成雨水匯集，由于砂性土粘聚力基本為零，同時砂性土在降雨條件下內摩擦角減小，路堤邊坡表層抗沖刷能力較弱，坡體在長期坡面沖刷下形成溝槽，在強降雨條件下溝槽進一步深切并沿坡面向下延伸，在多次降雨條件下溝槽側邊垮塌使溝槽沿側面延伸，最終導致路堤邊坡大量沖刷溝槽形成。

2）地表水下滲內部掏空 在表層沖刷和路面車輛荷載及重力等條件下，路堤邊坡坡面向外側發生變形，導致路肩開裂，在降雨條件下雨水沿路肩及坡面沖刷坑下滲至坡體中。當降雨強度加大時，入滲水流將坡體中砂性土細小顆粒物質帶走，在多次降雨條件下導致坡體內部逐漸被掏空，坡體掏空部位由于失去支撐，在重力等作用下發生淺層垮塌。同時排水設施也發生相應的破壞（如急流槽發生垮塌破壞等），沖刷作用加劇，形成惡性循環，路基進一步被掏空造成路肩下沉甚至路面開裂。

3）坡腳水流侵蝕 由于地形地貌及公路自身建設條件等原因，在部分砂性土路基段坡腳附近存在小溝、小河，在長期降雨或洪水期間河流滿溢短期浸泡坡腳，對砂性土路堤邊坡坡腳進行軟化、侵蝕，在強降雨等誘發因素下導致坡體發生沿臨空面的變形，當變形積累到一定程度導致局部整體沿臨空面發生垮塌滑移。

4 結 論

a.杭瑞高速砂性土路基段病害類型主要包括路肩掏空及開裂破壞、路堤邊坡坡面沖刷成槽及垮塌、排水設施垮塌損毀、砂土沖毀掩埋農田四類。

b.杭瑞高速砂性土路基病害的地質內因為：填料是強風化花崗殘積土，級配表現為不連續和非均勻，具有滲透性強，粘聚力低的特點。

c.杭瑞高速砂性土路基病害的水文外因為：地表水流直接沖刷、地表水下滲內部掏空及坡腳水流侵蝕。

［1］李治平，王洪波.粉土地區公路病害與防治對策研究［J］.交通科技，2003（4）：48－50.

［2］王 強，劉仰韶，傅旭東.路基砂土濕化變形的試驗研究［J］.鐵道科學與工程學報，2005，2（4）：21－25.

［3］王 強，傅旭東，羅云華.砂土路基濕化變形的有限元分析［J］.公路，2006（1）：58－61.

［4］王 強，劉仰韶，傅旭東，等.砂土路基濕化變形和穩定性的可靠度分析［J］.中國公路學報，2007，20（6）：7－12.

［5］陳少文，田卿燕，錢尼貴，等.非飽和含黏砂土路基的濕化變形試驗研究［J］.廣東公路交通，2011（3）：31－35.

［6］徐云哲.基于有限元的粉砂土路基邊坡穩定性分析［D］.哈爾濱：東北農林大學，2012.

［7］朱登元，管延華.毛細水作用對粉土路基穩定性的影響［J］.山東大學學報：工學版，2012，42（1）：93－98.

［8］王思海.高速公路粉砂土路基邊坡水毀研究［J］.公路施工與機械，2013（5）：73－75.