膨脹土地區填方路基滑坡原因分析及治理

李長風

（運城南高速公路管理有限公司，山西 運城 044000）

引言

斜坡填方路基一般指自然地面橫坡陡于1 ∶5的填方工程。斜坡的填方工程往往比挖方工程具有更大的不確定性，歷來是工程界比較棘手的問題。由于斜坡地形的特殊性，往往因為設計考慮不周、施工質量不滿足要求等原因造成填方路基在施工期或者運營期出現各種各樣的問題，主要表現為路基沉降、路基滑移以及路面產生裂縫等多種病害，影響道路的正常使用。隨著道路建設項目的增多，這類問題也受到了越來越多的關注和研究。

肖濤等[1]以貴州山區的斜坡濕軟土為對象，分析了半填半挖、全填方等路基形式下的工點分析，指出地表水和地下水是引發這類路基病害的重要因素。翟竹等[2]利用軟件模擬了斜坡高填方路基在降雨入滲條件下的穩定性，指出降雨改變巖土體的孔隙水壓力是導致路基失穩的主要因素。葉瑋[3]結合六潛高速公路的填方設計實踐，分析了高速公路斜坡路基發生滑坡可能產生的原因，并總結了高速公路斜坡填方路基的常用設計方法，為斜坡填方路基的設計提供了重要的參考價值。魏小楠和張國銀[4-5]分析了斜坡填方路基的滑動機理和治理措施。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

擬建公路為城市次干路，紅線寬度20 m，填方高度約8 m。該處地形為左側高右側低的斜坡地形，坡面自然傾斜介于1 ∶5 和1 ∶2.5 之間，為一般的斜坡填方路段?？辈靾蟾骘@示，該區域分布廣泛的含鈣質結合黏土，具有一定的膨脹性。

根據鉆孔揭露的地質情況：（1）0 ～1.5 m 深度范圍內為可塑狀的含鈣質結合黏土，稍濕，切面無光澤，成分主要為粉質黏土，含鐵錳質氧化物，伴生鈣質結核，鈣質結核20 ～40 mm，自由膨脹率為55%，屬于弱膨脹土。（2）1.5 ～4.5 m 深度范圍內為硬塑狀的含鈣質結合黏土，切面光滑，主要為粉質黏土，含鐵錳質氧化物，伴生鈣質結核，自由膨脹率為50%，具有弱膨脹性。（3）4.5 ～6.0 m 范圍內為強風化泥質砂巖，含泥質，層狀結構，風化裂隙發育，結構面不清晰，巖體完整程度為破碎，呈層狀、碎塊狀，手捏易碎。（4）6.0 m 以下深度為中風化泥質砂巖，節理裂隙一般發育，呈短柱狀或長柱狀，部分巖石被節理、裂隙分割，呈塊狀，力學性能較好，此次鉆孔未揭穿該地層。主要力學巖土體參數見表1。

表1 巖土物理力學指標建議值

1.2 設計方案概況

根據地質勘查情況和道路設計標高，路基設計方案：清除1.5 m 厚的原狀可塑含鈣質結核黏土；挖設寬度不小于2 m、高度不小于0.5 m 的錯臺；對填方路基進行沖擊碾壓；在左側設置截水邊溝，用于排除左側坡面流水；填方坡面采用菱形骨架護坡，措施見圖1。

圖1 填方路基斷面/m

2 路基滑移問題及原因分析

2.1 滑移現狀

該段填方路堤在后期建設過程中，因其他工程建設造成其左側形成較大的凹坑。在經歷了連續強降雨之后，凹坑內產生了大量的積水，道路縱向產生了明顯裂縫，坡面的菱形骨架也發生了斷裂，并在填方路基坡腳位置處產生了明顯的隆起，見圖2。

圖2 路基裂縫位置

2.2 原因分析

通過圖3 可以看出，道路已經發生了明顯的位移變形，人行道與行車道之間產生了明顯的拉裂縫，坡腳處的填土已經產生了明顯的隆起鼓脹裂隙。

圖3 道路路基滑移變形

道路出現變形的原因：（1）外部原因。該處道路的原狀地形為斜坡，但是由于后期實際施工過程中左側地塊進行開挖后形成了巨大的凹坑，其地面高程小于路側的排水溝，改變了設計時的排水路徑，導致左側的坡面流水無法進入路側邊溝。（2）設計問題。由于此處填方只有8 m，地形為自然斜坡，未引起設計單位的重視。導致在設計時左側未采取更完善的截排水措施，導致了后期的凹坑積水無法排出，造成地表水長期聚集。（3）土體強度降低。積水長期浸泡表面的含鈣質結合黏土，使其飽水程度增加，多余的積水下滲，沿巖層界面進入路基下部的硬塑狀含鈣質結核黏土。由于含鈣質結核黏土具有一定的膨脹性，土體發生膨脹，更易在坡腳處發生膨脹變形，釋放其膨脹帶來的變形應力。并且在長時間的水體作用下，其抗剪強度急劇降低，路基的穩定性進一步下降，導致路基產生了明顯的滑移變形。

2.3 有限元驗證分析

為了進一步驗證路基滑移產生的原因，采用巖土Midas GTX NX 有限元分析軟件對原設計方案和左側地形改變以及連續降雨之后的路基穩定性進行分析。在有限元模型建模時，根據表1 地勘的土體參數進行取值。土體的破壞準則為摩爾-庫倫本構模型，采用強度折減法對填方路基進行穩定性及位移情況分析。

2.3.1 原設計路基穩定性分析

建立原設計方案下的有限元分析模型，見圖4。

圖4 有限元計算模型

根據模型計算結果，得到路基的位移和穩定性分析結果見圖5 ～圖7。

圖5 原設計路堤的水平位移云圖/m

圖6 原設計路堤的沉降位移云圖/m

圖7 原設計路堤的穩定性分析結果

（1）由圖5 可以看出，原設計方案下的路堤最大水平位移為1.78 cm，水平位移主要集中在坡腳附近，而最大沉降為6.55 cm，出現在填方路堤的行車道位置附近。（2）由圖7 可以看出，利用強度折減法得到的路堤潛在滑動面從坡腳位置迅速上升到填方路堤范圍內，并沒有沿填土界面向上擴展。說明原設計的挖臺階有效地提高了填土與原狀土之間的抗剪強度。通過強度折減法計算得到路堤在天然工況下的穩定性系數為1.52，滿足規范要求。

2.3.2 現狀路基穩定性分析

由于后期地形發生變化，地表水下滲進入路基填土，其抗剪強度大大折減，根據勘察單位取樣試驗結果，可塑含鈣質結核黏土和硬塑含鈣質結核黏土的抗剪強度指標分別為9 kPa、10 kPa 和10°、18°。據此建立現狀下的填方路堤模型，計算結果見圖8 ～圖10。

圖8 現狀路基的水平位移云圖/m

圖9 現狀路基的沉降位移云圖/m

圖10 現狀路堤的穩定性分析結果

（1）由圖8 看出，現狀路堤的最大水平位移發生在道路的填方坡腳附近位置，最大水平位移約為3.7 cm，比原來的水平最大位移增大了1.92 cm。與圖5 對比得出，最大水平位移的位置也從填方路堤頂面變為坡腳位置。究其原因，原設計中填方土體與原狀土體之間不存在軟弱地層帶，原設計的水平位移主要由填方土體的自然沉降引起的橫向變形，屬于正常的變形。而現狀路基則是由于填方土體產生了明顯的滑動，在坡腳處應力釋放，形成剪出口。（2）從圖9 可以得到，路面的沉降為6.8 cm，而坡腳處產生了1.9 cm 的隆起。（3）從圖10 可以看出，由于雨水下滲引起了填方路基下部的黏土抗剪強度降低，該軟弱滑動帶向上延伸與填方路堤形成完整的滑動面，這與在現場發現的坡腳隆起現象比較吻合。

3 治理措施

由于膨脹土吸水強度迅速降低的特殊性，雨水下滲降低黏土的抗剪強度是產生路基滑坡的根本原因，因此治水是解決問題的關鍵。根據本段填方路基規模，可采取的治理措施：（1）截水。在道路左側設置深度達到強風化巖層的截水盲溝，防止地表水下滲再次進入填土下部浸泡軟化黏土層。（2）排水。在道路左側重新設置排水邊溝，保證坡面流水能夠順利進入邊溝排走，并在填方土體內增設橫向排水管，進一步疏導滲入土體內部的水分。（3）護腳。在坡腳處注漿或者反壓部分土體，增加坡腳處的抗滑力，提高路基的穩定性。

4 結語

分析了膨脹土地區的斜坡填方路堤滑坡產生的原因，并利用有限元軟件進行了驗證。結果表明：（1）膨脹土遇水強度降低較大，水是誘發膨脹土地區斜坡填方路基滑移的主要原因。（2）通過有限元對比分析得到了現狀路基的水平位移為3.7 cm，豎向隆起為1.9 cm，與現場變形情況一致。（3）提出了針對性的解決措施。