青銀高速公路病害段路堤土特征及原因分析

王樹信，陶 濤

（河北省高速公路青銀管理處，河北 石家莊 050021）

0 引言

青銀高速公路河北段是交通運輸部規劃的國家路網中“五縱七橫”國道主干線之一的青島至銀川公路的組成部分，該高速公路在河北省境內起始于冀魯交界的清河縣，終止于鹿泉市，與石太高速公路相通，全長182.004km。K555+070～K557+710段原地基土在0～3m范圍內為低含水量、低液限細粒土，在未填筑前其物理力學性質滿足隨后的路基工程的要求。路堤填筑完成后，雨水通過中央隔離帶及路堤坡腳處滲入路堤及地面附近，在路堤下原地面附近形成土層軟化層，即高含水量低液限細粒土，致使地基強度和承載力降低。在路堤自身重量以及路面荷載的作用下，路堤開始沉降，使路肩部位產生沉降，出現路面開裂現象，導致出現蝶形沉降盆地以及路堤失穩現象。該類低含水量低液限細粒土層在設計階段應予以足夠的重視。

1 病害段路堤土的工程地質特征

該路段在勘察鉆探深度內主要由粉土、粉質黏土和黏土組成，局部夾有中細砂層。根據鉆孔資料，該地基與路堤自上而下組成為，第一層是路面層：瀝青混凝土、水泥穩定碎石、二灰土，厚0.7m；第二層是人工填土：黃褐色、可塑、含白灰、切面光滑細膩、水分較大、以粉質黏土為主，厚3.2～4.5m；第三層是粉質黏土：黃褐色、可塑、切面光滑、土質均勻、韌性較好、含水量較大，厚2.7～4.1m；第四層是粉土：黃褐色、稍密、土質均勻、含粉砂、有搖振反應、含貝殼，厚2.6～3.2m；第五層是粉砂：黃褐色、稍密、土質均勻、含粉砂、長石、云母，厚4.9～6.0m；第六層粉質黏土：黃褐色、可塑、水分較大、土質均勻、無搖振反應、有砂質，厚3.4～4.0m。

通過K557+310斷面工程地質剖面土工試驗成果，以土樣的含水量ω為基礎，繪制出K557＋310 斷面含水量ω變化圖（見圖1）。

圖1 K557＋310斷面含水量w（%）變化圖

從圖1中可以得出：

（1）土樣含水量沿垂直方向分布具有一定的規律，總體表現為：在路堤下方近地面處有一個較大的高異常區，在路堤坡腳處各有一個較大的高異常區。

（2）在路堤下方近地面處：在原地面下2m到原地面至路堤2m內的范圍內存在一個土樣含水量ω≥30.0%以上的區域，其孔隙比e0≥0.856；塑限ωp≥25.8；在該范圍的周圍存在一個土樣含水量ω≥25.0%以上的區域，其孔隙比e0≥0.838；塑限ωp≥17.8，為高含水量的低液限細土類。

（3）在路堤坡腳處：路線左側坡腳范圍內存在一個土樣含水量ω≥30.0以上的區域，其塑限ωp≥30.8；路線右側坡腳范圍內存在一個土樣含水量ω≥25.0以上的區域，其塑限ωp≥28.4，為較高含水量的低液限細土類。

（4）在路基排水溝外緣處：在0～3.2m范圍內土樣含水量ω在7～18%之間，塑限ωp在14.0～18.0之間，為正常的低液限細土類。

2 病害段產生原因分析

K555+070～K557+710路段路基下面存在有中～高壓縮性軟弱地基。該路段天然地基由亞砂土、亞黏土和砂土組成，含水量ω在10.8～36.0%之間，孔隙比e0在0.581～0.955之間，壓縮模量Es為4.5～11.1MPa。自2005年12月通車后，由于路堤梯形斷面靜荷載分布不均勻，加之車輛動荷載加在行車道和超車道上的共同作用，導致路基發生盆型差異沉降，路面行車道與停車帶處在2009年7、8月份間產生對稱的裂縫，裂縫寬從0.5～15mm。

勘察表明該路基天然地基在勘察鉆探深度內由粉土、粉質黏土組成，從勘察結果可分析病害產生的主要原因 （見圖2）。

圖2 蝶形沉降盆地形成示意圖

（1）原地基土在0～3m范圍內為低液限細粒土，其含水量ω在7～18%之間，孔隙比在0.5～0.7之間；塑限ωp在14.0～18.0之間，其物理力學性質滿足路基工程的要求。

（2）路堤填筑完成后，雨水通過中央隔離帶以及路堤坡腳處滲入路堤以及地面附近，在路堤下原地面附近形成土層軟化層，使得局部區域含水量ω≥30.0%以上，孔隙比≥0.800；塑限ωp≥30.8。

（3）在路堤下原地面附近形成的土層軟化層，由于路堤結構的存在，其水分無法順利排除，長時間的滯留在該區域，致使地基強度和承載力降低。在路堤自身重量以及路面荷載的作用下，出現不均勻沉降，使得路堤結構發生剪切破壞，路面在路肩部位被拉裂。

（4）當路面在路肩部位產生裂隙后，大氣降水灌入地基中，加速了路基的沉降，使裂縫延伸并加寬，又加劇了雨水的下滲作用，使得路堤內部土層中的含水量加大，孔隙比隨之也增加，大面積的沉降就會發生，其結果出現蝶形盆式沉降。

3 試驗段地基土沉降以及穩定性計算

運用理正軟件對勘察所得資料進行計算，計算過程如下。

（1）地基土沉降計算

基準期為44個月路基沉降計算見圖3。

圖3 基準期為44個月路基沉降計算示意圖（單位：m）

路堤設計高度為6.000m，路堤設計頂寬為28.000m，路堤邊坡坡度為1∶1.5；第1級加荷從0.0～6.0月，加載開始時，路基計算高度為0.000m，沉降0.000m；加載結束時，路基計算高度6.816m，沉降0.116m；第2級加荷從10.0～14.0月，加載開始時路基計算高度為6.816m，沉降為0.130m，加載結束時路基計算高度為6.840m，沉降為0.140m。

①基準期開始時刻：最后一級加載（路面施工）結束時刻；②考慮沉降影響后，路堤的實際計算高度為6.840m；③路面竣工時，地基沉降為0.140m；④基準期內的殘余沉降為0.092m；⑤基準期結束時，地基沉降為0.232m；⑥最終地基總沉降1.200×0.316=0.379m。

（2）路基穩定性計算（見圖4）

圖4 路基穩定性計算示意圖

采用理正巖土軟件穩定性分析計算，計算目標為安全系數，滑裂面形狀近似圓弧計算。圓弧穩定分析方法選擇瑞典條分法，條分的土條寬度為1.0m。當土條重切向分力與滑動方向反向時，按下滑力對待。搜索時的圓心步長為1.0m，搜索時的半徑步長為0.5m。給定以上參數，通過自動搜索最危險滑裂面，最不利滑動面滑動圓心為(2.600,10.240)m，滑動半徑為10.565m，滑動安全系計算結果為0.990。

根據以上計算結果可以看出在通車后44個月時，差異沉降量為9.2cm時地基被拉開，造成路基中心下沉，反射到路面出現壓性裂縫。若以服務期15年考慮，6m路基高度還將下沉28.7cm。路堤滑動安全系數為0.990，小于設計安全系數1.30。通過調查發現，經過3～4年時間，沉降進一步加大，隨著路面結構將完全破壞，并沿路堤潛在滑移面出現路面開裂及路肩崩塌，造成中斷交通的嚴重后果。

4 結語

K557+000～K557+710段地基為低液限細粒土，該種地基遇水后自然沉陷，在荷載作用下，土層的壓縮變形和局部剪切破壞是造成路基沉降和開裂的直接原因。由于雨水的下滲，在分布不均勻的荷載作用下，地基開始發生差異沉降，使路基產生下部向兩側拉裂而上部受擠壓的現象，地基土產生的差異沉降使得路面結構發生剪切破壞。由于裂縫的存在，大氣降水灌入地基中，造成地基軟化，承載力降低，加速了路基的沉降，使裂縫延伸和加寬。為控制地基土沉降的延續，保證公路的正常運行，需采用有效的工程措施對該路段地基進行加固處理。

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