高液限土場(chǎng)地陡坡路堤滑坡處治及穩(wěn)定性分析

夏華盛

(浙江公路水運(yùn)工程咨詢有限責(zé)任公司 杭州市 310006)

高液限土具有孔隙比大、含水量高、浸水后土體強(qiáng)度明顯降低等特點(diǎn)，在高液限土場(chǎng)地填筑高陡路堤易產(chǎn)生路基塌陷、沉降等病害。

通過對(duì)浙江新昌某山區(qū)一級(jí)公路高液限土路堤陡坡路堤滑坡路段地質(zhì)地形的分析，提出相應(yīng)處治措施，對(duì)處治后路基穩(wěn)定性采用強(qiáng)度折減法[1]進(jìn)行數(shù)值分析，為其他高液限土路基滑坡處理方案提供參考。

1 工程概況

該項(xiàng)目所經(jīng)區(qū)域?yàn)榍治g-剝蝕丘陵地貌，其中K14+980～K15+110段填方路基，位于山間梯田，原地面呈左低右高之勢(shì)，路堤最大填土高度為15.8m，受用地限制，左側(cè)設(shè)路堤擋墻，最大高度約6m，K15+025處設(shè)置1道2×2m蓋板涵，蓋板涵出水口標(biāo)高位于擋墻頂附近。

路堤填筑至路床頂標(biāo)高后，在降雨期間發(fā)現(xiàn)左側(cè)半幅發(fā)生下沉、拉裂錯(cuò)動(dòng)，后緣裂縫寬度20～30cm，路堤錯(cuò)動(dòng)體后緣形成陡坎，最大下沉高度約1.5m；左側(cè)擋墻沿沉降縫開裂，一般裂縫寬度5～10cm，最大開裂寬度約30cm，裂縫具上窄下寬特征并見水流，擋墻坡腳外側(cè)田地共2處發(fā)育裂縫，開裂寬度一般為3～5cm，裂縫延伸一般2～3m，深度10cm左右；已施工好的蓋板涵內(nèi)積水嚴(yán)重，通過蓋板涵沉降縫滲入路堤內(nèi)部，在涵洞內(nèi)左側(cè)第二節(jié)與第三節(jié)的連接處有地下水滲出，水流較大，最后在涵洞左側(cè)的出口處向擋墻內(nèi)側(cè)路堤填料滲入，地下水從擋墻底部排出路基，涵洞左側(cè)出口無水流出。現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1、圖2所示。

圖1 路堤滑坡情況

圖2 蓋板涵匯水滲入路堤

2 地質(zhì)補(bǔ)勘及滑坡原因分析

2.1 地質(zhì)補(bǔ)勘

通過地質(zhì)補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn)路堤填料大小混雜，填料直徑大者約70～80cm，夾黏性土，多呈飽和狀，局部已軟化，原地面表層黏土可塑為主，局部軟塑，下伏全風(fēng)化玄武巖，屬高液限土，該層孔隙比偏大(e=1.564)，含水率較大(W=55.7%)，具高壓縮性，浸水后土體強(qiáng)度明顯降低，全風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖(凝灰?guī)r)及強(qiáng)風(fēng)化基巖工程地質(zhì)性質(zhì)相對(duì)較好；地下水位標(biāo)高略低于原地面。典型地質(zhì)剖面如圖3所示。

圖3 地質(zhì)橫斷面

2.2 滑坡原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，產(chǎn)生路基滑移的原因有以下幾個(gè)方面：

(1)自路堤填筑完成后，當(dāng)?shù)囟嗳者B續(xù)降雨，氣象臺(tái)統(tǒng)計(jì)資料顯示，當(dāng)月降水量為217.8mm，比往年平均降水量增加約70%，本段路基所處地形比較特殊，右側(cè)匯水面積較大，施工期間排水系統(tǒng)尚未完善，大量匯水滲入路堤和地基土內(nèi)，且路面結(jié)構(gòu)未施工，路基頂雨水無法通過橫坡排出，使得路堤填料吸水飽和，導(dǎo)致路堤飽水后荷載增加。

(2)地表土層力學(xué)性質(zhì)較差，尤其是全風(fēng)化玄武巖，屬高液限土，浸水后其強(qiáng)度急劇下降，使路堤及擋墻沿該局部軟弱帶產(chǎn)生滑移、沉陷。

(3)由于路堤填料分選性差，大小混雜，路堤不易壓實(shí)，雨水及右側(cè)山坡來水易滲入路堤，而雨水滲入后滯水現(xiàn)象明顯，填土強(qiáng)度降低。

(4)蓋板涵基礎(chǔ)以下填土壓實(shí)度不足，涵身發(fā)生了不同程度沉降和水平位移，不同節(jié)段間出現(xiàn)了水平間隙和錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，其中左側(cè)第二節(jié)較左側(cè)第三節(jié)相對(duì)垂直下沉25～30cm，水平相對(duì)位移達(dá)25～35cm，右側(cè)山坡匯水不能沿蓋板涵排到路基以外，而是在進(jìn)水口匯集后在涵身節(jié)段之間的沉降縫滲入到路堤內(nèi)部，產(chǎn)生較大水壓力，不利于路基的穩(wěn)定。

(5)由于路基填料含較多黏性土，致使擋墻內(nèi)設(shè)置的排水孔均未起到排水效果，在路堤已基本處于飽和狀態(tài)下，所有排水孔均無地下水排出，進(jìn)一步加劇了路堤滯水情況。

(6)地表存在一定的橫向坡度，對(duì)路堤橫向穩(wěn)定性不利。

上述水害及地質(zhì)地形等不利因素綜合作用，導(dǎo)致了本段路堤產(chǎn)生滑坡。

3 路堤滑坡處治及穩(wěn)定性分析

3.1 滑坡處治方案選擇

由于現(xiàn)狀路堤已產(chǎn)生滑坡，擋墻已發(fā)生位移，蓋板涵已錯(cuò)位，故需挖除已產(chǎn)生病害的老路堤，在填筑新路堤之前，需對(duì)原地基進(jìn)行處理。

主要考慮對(duì)換填方案和預(yù)應(yīng)力管樁加固方案進(jìn)行比選：換填方案采用清宕渣對(duì)軟弱土進(jìn)行換填，可以提高地基強(qiáng)度，大幅提升該路段的排水性能，從而提高路堤穩(wěn)定性；預(yù)應(yīng)力管樁加固方案相對(duì)換填方案，其處理深度更大，同時(shí)可以大幅減少棄土，但由于地面線存在一定的橫向坡度，管樁雖然可以大幅提高地基承載力，但抵抗橫向土壓力的能力較差，且橫斷面分布梯田呈臺(tái)階狀，臺(tái)階上下管樁的受力協(xié)調(diào)性不好，易引起不均勻沉降導(dǎo)致路面開裂等病害，另外，場(chǎng)地內(nèi)下伏基巖起伏，中風(fēng)化巖強(qiáng)度較高，管樁打設(shè)較困難，管樁打入持力層深度難以保證。

鑒于本路段滑坡主要是由于排水不暢、表層黏土和高液限土性質(zhì)較差以及路堤填料級(jí)配不良引起，故采用以換填為主，提高本路段排水能力的處治措施。

3.2 滑坡處治方案

對(duì)原地面以下軟弱土層進(jìn)行換填，下部設(shè)置矩形網(wǎng)狀滲溝，并在原地面以上設(shè)置清宕渣墊層，具體設(shè)計(jì)方案如下：

(1)對(duì)原地面以下粘土層及高液限土采用清宕渣換填，由于表層黏土及高液限土總厚度達(dá)6m左右，若全部進(jìn)行挖除換填清宕渣，則棄土數(shù)量較大，造價(jià)較高，經(jīng)綜合考慮，對(duì)地基表層黏土、全風(fēng)化玄武巖換填深度取3m。

(2)由于高液限土未完全清除，為確保其排水通暢，在3m換填層以下設(shè)置網(wǎng)狀滲溝。滲溝深度為3m，斷面采用倒梯形，底部寬度1.5m，頂部寬度4.5m，滲溝網(wǎng)格中心線縱向間距為20m，橫向間距為15m。并要求橫向滲溝延伸至路基范圍以外，直至梯田邊部。

(3)基底結(jié)合原地面線形狀，橫向開挖成臺(tái)階，并在原地面以上2m范圍設(shè)置清宕渣墊層，進(jìn)一步利于路基排水。

(4)滑坡段原路堤填料全部挖除廢棄，重新填筑時(shí)嚴(yán)格控制填料質(zhì)量，其中上路床0～30cm范圍內(nèi)要求采用含泥量小于8%，最大粒徑小于10cm的清宕渣，路床頂面橫坡應(yīng)與路拱一致；墊層及換填清宕渣要求含泥量小于10%，最大粒徑小于15cm；滲溝材料要求含泥量小于5%，最大粒徑小于5cm。同時(shí)對(duì)本段填方路段提高路基壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)，地表基底壓實(shí)度≥92%，上、下路堤壓實(shí)度≥94%。

(5)取消了左側(cè)擋墻，改為放坡路堤，并降低涵洞出水口標(biāo)高。

設(shè)計(jì)橫斷面及滲溝平面布置形式如圖4、圖5所示。

圖4 路堤處治橫斷面圖

圖5 滲溝布置平面圖

3.3 穩(wěn)定性分析

采用Midas GTS NX有限元軟件針對(duì)處治后路堤穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，穩(wěn)定性計(jì)算方法采用強(qiáng)度折減法(SRM)，土體材料均為Mohr-Coulomb彈塑性模型，主要參數(shù)如表1所示。其中黏土、全風(fēng)化巖均按偏不利情況直接取飽和狀態(tài)時(shí)的參數(shù)。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)

正常工況按快剪指標(biāo)及天然重度取值，暴雨工況時(shí)，分兩種情況進(jìn)行計(jì)算：

(1)路面雨水大部分能通過橫坡匯入排水系統(tǒng)后排出，部分雨水滲入路堤填料后能順利排出，水位線以上材料均取表中正常情況時(shí)參數(shù)，水位線以下取飽和狀態(tài)時(shí)參數(shù)。

(2)路面雨水大量滲入路堤，且排水不暢，填料滯水，即按偏不利情況考慮，填料取飽和狀態(tài)值，對(duì)于墊層及換填清宕渣，仍然按水位線分別取值。

水位線的確定結(jié)合補(bǔ)勘時(shí)地下水分布情況，按不利情況考慮，假定兩側(cè)排水溝失效，路堤右側(cè)發(fā)生積水，雨水滲入后從左側(cè)坡腳口溢出，有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元網(wǎng)格模型

經(jīng)計(jì)算，各工況路堤穩(wěn)定系數(shù)如表2所示，潛在滑動(dòng)面塑性應(yīng)變?nèi)鐖D7～圖9所示。

表2 各工況穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖7 正常工況 潛在滑動(dòng)面應(yīng)變?cè)茍D

圖8 暴雨工況-路堤不滯水 潛在滑動(dòng)面應(yīng)變?cè)茍D

圖9 暴雨工況-路堤滯水 潛在滑動(dòng)面應(yīng)變?cè)茍D

由穩(wěn)定性計(jì)算可知，正常情況下以及暴雨工況時(shí)路堤不滯水情況時(shí)路堤穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求，暴雨工況下若路堤滯水時(shí)，其穩(wěn)定系數(shù)低于規(guī)范要求值，由此可見，只要在施工時(shí)按設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制路堤填料粒徑及壓實(shí)度，避免路堤滯水，同時(shí)完善排水系統(tǒng)，正常工況及暴雨工況時(shí)路堤穩(wěn)定系數(shù)均可滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過針對(duì)高液限土陡坡路堤路段地質(zhì)地形的分析，提出了相應(yīng)的處治措施，并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，目前本項(xiàng)目已通車運(yùn)行接近6年，歷經(jīng)多次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)降雨考驗(yàn)，運(yùn)營(yíng)情況良好，根據(jù)該路堤滑坡路段處治經(jīng)驗(yàn)，獲得以下結(jié)論：

(1)對(duì)于高液限土場(chǎng)地的陡坡高填路堤，排水不暢是引起路堤失穩(wěn)的直接原因，通過將高液限土進(jìn)行換填、設(shè)置滲溝等措施形成完整的排水系統(tǒng)，可以較好地保證路堤穩(wěn)定性。

(2)高液限土含水量高、孔隙比大，遇水后強(qiáng)度急劇降低，形成軟弱滑動(dòng)面，需對(duì)其進(jìn)行處理后才能作為路堤持力層。

(3)在排水系統(tǒng)完成前，應(yīng)重視施工期間臨時(shí)防排水措施，及時(shí)將匯水排出，避免雨水積聚在路基范圍。

(4)路堤填料質(zhì)量是影響路堤穩(wěn)定性的重要因素，填料級(jí)配不良會(huì)導(dǎo)致路堤壓實(shí)度不足，遇水后強(qiáng)度降低、容重增加，從而引發(fā)路堤失穩(wěn)。