高填方路堤常見病害成因及防治方法分析

譚恒程 邱 林 謝紅平 簡會(huì)東 張琴光

高填方路堤常見病害成因及防治方法分析

譚恒程1邱 林2謝紅平2簡會(huì)東3張琴光1

(1.西南交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650051；2.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司路橋總承包部，云南 昆明 650051；3.云南建投集團(tuán)交通建設(shè)股份有限公司，云南 昆明 650051）

因線位、地形等原因限制，路基工程中常存在高填方路堤，自身填筑量大、填料高度大、填筑不均勻以及降雨入滲等內(nèi)外界原因?qū)е鲁料荨⒖v向開裂及邊坡滑塌等現(xiàn)象常有發(fā)生。基于常見病害類型及產(chǎn)生原因，從設(shè)計(jì)和施工兩方面對(duì)高填方路堤質(zhì)量控制進(jìn)行了分析，并對(duì)病害發(fā)生后處治加固措施進(jìn)行了介紹，以期對(duì)高填方路堤病害防治起到一定的參考作用。

高填方路堤；病害；質(zhì)量控制；防治

0 概述

基于因地制宜及安全與成本考慮，路基設(shè)計(jì)宜避免高填深挖，不能避免時(shí)宜進(jìn)行方案比選，路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是保證路面性能的基礎(chǔ)，而高填方路基沉陷、縱向開裂及邊坡滑塌等現(xiàn)象卻屢見不鮮。鄭治等調(diào)查了西部地區(qū)具有代表性的6條公路，共80個(gè)填方路堤（其中70%是高填方），其中52個(gè)路段出現(xiàn)了沉降破壞。此外，該6條公路還存在橋頭跳車、縱向差異沉降等不同程度的病害。自上個(gè)世紀(jì)90年代末以來，美國多個(gè)州都開展了對(duì)路堤沉降的研究，發(fā)現(xiàn)路堤沉降現(xiàn)象的普遍性和嚴(yán)重性，據(jù)此制定了專門的研究項(xiàng)目。為有效防治高填方路堤病害，理清其常見病害種類及成因、設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量控制方法，以及病害發(fā)生后有效處治，各個(gè)環(huán)節(jié)都至關(guān)重要。

1 常見病害

1.1 病害特點(diǎn)

高路堤所處環(huán)境變化不一，地質(zhì)條件復(fù)雜，填土至密實(shí)以及自然固結(jié)比一般路基完成時(shí)間長，且受各種反復(fù)荷載的影響，在施工過程中及完成后運(yùn)行階段病害較多。路堤是填方道路的主體和路面的基礎(chǔ)，過大或不均勻沉降將會(huì)導(dǎo)致坡面坍滑、路面開裂、沉降等病害，導(dǎo)致路面局部損壞或不平整。受坡高、坡腳等影響，與普通路堤相比，高路堤具有以下特點(diǎn)：1）填筑量大，占地面積小，對(duì)地基承載力要求高；2）填料高度大，存在沉降變形問題；3）路堤填筑物不均勻，易引起不均勻沉降。其常見病害有：

①沉降：由于高填方路堤自然地基的承載力不足以支撐路堤的重量，或路堤沉降及其自身壓縮造成整個(gè)路堤下沉、局部沉降或不均勻沉降。

②縱橫向裂縫：主要是由于路堤不均勻沉降造成。兩側(cè)壓實(shí)度不足而發(fā)生斜向外沉降，因而填土中部及兩邊因沉降差異產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成縱向開裂。

③坍塌或滑坡：由于邊坡過陡，或邊坡沖刷掏空形成臨空面，發(fā)生滑坡。

高填方路堤病害有一個(gè)逐漸演變的過程，導(dǎo)致病害連續(xù)發(fā)展。比如：沉降從下至上，從點(diǎn)到面，從局部到整體逐漸演變。過度沉降會(huì)導(dǎo)致路堤邊坡穩(wěn)定性逐漸破壞，可能會(huì)使得路面層開裂。這種演變隨時(shí)間逐漸產(chǎn)生，表現(xiàn)為物質(zhì)或能量，從量變到質(zhì)變。這種演變的表現(xiàn)形式即為“連鎖關(guān)系”或“連鎖效應(yīng)”。

1.2 病害連鎖效應(yīng)

前述三種病害的本質(zhì)是內(nèi)部填充穩(wěn)定失衡導(dǎo)致路堤幾何形態(tài)變化。在高填方路堤病害鏈形成初期，能量開始聚集，病害產(chǎn)生的損壞尚未發(fā)生，在此階段，切斷病害連鎖鏈，防治效果最為明顯。在設(shè)計(jì)階段，充分進(jìn)行地質(zhì)勘探，縱橫向排水設(shè)計(jì)，對(duì)特殊不良地質(zhì)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，做好雨季施工防排水措施，消除病害鏈形成隱患。在病害鏈形成的中間階段（道路運(yùn)營使用階段），破壞力初步形成，能量聚集，在水等外因條件的影響下，沉降等病害立即發(fā)生，此時(shí)采取斷鏈防治原則，通過加強(qiáng)防護(hù)措施，如增加排水設(shè)施，封閉路面裂縫等方法，減緩病害發(fā)展速度。一旦進(jìn)入病害發(fā)展后期，通過采取措施切斷病害鏈內(nèi)部環(huán)節(jié)的長期效果并不好，這從“連鎖效應(yīng)”規(guī)律的角度驗(yàn)證了高填方路堤病害本身可以預(yù)防而無法在病害后期對(duì)其進(jìn)行徹底處治。目前，斷鏈控制原則必須采取必要的控制管理措施，以切斷其自身病害鏈系統(tǒng)以及與其他病害系統(tǒng)之間的聯(lián)系。因此，有研究人員支出，構(gòu)建斷鏈模型和斷鏈系統(tǒng)，是高填方路堤病害防治甚至各種道路病害防治的有效思路。

2 質(zhì)量控制

高填方路堤破壞或沉降大的原因很多，而對(duì)高填方破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)不足及設(shè)計(jì)不合理是重要因素。HU H等指出研究非飽和土在各種條件下的作用機(jī)理和力學(xué)性能是有效解決這一問題是唯一途徑，提出了各種工況下路堤變形沉降的計(jì)算方法，計(jì)算過程反映了路堤變形機(jī)理，概念清晰。呂慶等采用廣義Kelvin模型，結(jié)合運(yùn)用三維有限元正交數(shù)值試驗(yàn)、回歸分析和優(yōu)化，對(duì)高填方路堤工后沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。林鋒等基于線彈性理論，推導(dǎo)了考慮變形模量和泊松比等參數(shù)變化情況下的有限元分析方法。以下從設(shè)計(jì)和施工兩方面對(duì)保證高填土路堤質(zhì)量及減少病害產(chǎn)生進(jìn)行分析。

2.1 路基設(shè)計(jì)

從外界因素來看，降雨入滲是影響邊坡穩(wěn)定性最主要且最普遍的環(huán)境因素，填料含水量的變化對(duì)高填方路堤有較大影響。劉新喜等建立了降雨入滲邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)學(xué)模型，指出，降雨入滲使邊坡地下水位上升，基質(zhì)吸力減小，穩(wěn)定性下降。隨著加筋土含水量的增加，加筋土界面的平均摩阻力逐漸減小，土體抗剪強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，其穩(wěn)定性安全系數(shù)明顯下降。設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮項(xiàng)目所在地降雨情況，對(duì)降雨入滲時(shí)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

為解決以上問題，近幾十年來工程中出現(xiàn)了加筋土路堤。它是將土工合成材料與土工織物的拉伸性能應(yīng)用于路堤和地基結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置，加筋土結(jié)構(gòu)分層加筋，分層填筑，每層路基填筑通過加筋土工格柵將土地自身重力、結(jié)構(gòu)面之間摩擦力逐級(jí)傳遞至底層，整體形成了一個(gè)穩(wěn)定的坡體。

進(jìn)行高路堤設(shè)計(jì)時(shí)主要是對(duì)填料各項(xiàng)指標(biāo)、壓實(shí)度以及邊坡形式和坡率進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行不同工況下的穩(wěn)定性計(jì)算分析，加強(qiáng)地表及地下排水設(shè)計(jì)。通過控制材料品質(zhì)以及合理選取邊坡形式和坡率（源頭控制），保證壓實(shí)度及排水（施工及使用過程控制），提高設(shè)計(jì)路基的安全性及耐久性。

2.2 施工工藝

影響高填土路堤施工質(zhì)量的因素主要有填料不合格、填筑工藝不當(dāng)、壓實(shí)工藝不當(dāng)、管理不當(dāng)?shù)取?yīng)嚴(yán)格控制填料來源及指標(biāo)，不可使用混有腐殖土、膨脹土等劣質(zhì)土的填料；按照規(guī)范規(guī)定分層填筑，若有分幅，應(yīng)進(jìn)行搭接處理；嚴(yán)把質(zhì)量和技術(shù)管理關(guān)。

基于對(duì)路基填料組成及密實(shí)度形成機(jī)理的把握，現(xiàn)有路基壓實(shí)方法主要有如下幾種，壓實(shí)原理及優(yōu)缺點(diǎn)見下表1，實(shí)際工程中應(yīng)依據(jù)壓實(shí)部位及填料性質(zhì)進(jìn)行合理比選。

表1 常用壓實(shí)方法比較

3 病害處治

從高填方路堤病害成因來看，主要是整體或局部沉降以及邊坡失穩(wěn)，以下從這兩個(gè)方面對(duì)病害發(fā)生后采取措施進(jìn)行處治以消除或減小其可能產(chǎn)生的危害，實(shí)際工程中往往是基于對(duì)病害成因的分析采取多種措施組合應(yīng)用。

3.1 邊坡失穩(wěn)

常用的邊坡失穩(wěn)處治方法有：坡率法、減重與堆載、格構(gòu)加固、錨固、抗滑樁、支擋等，其中坡率法是在設(shè)計(jì)階段通過改變坡度和高度保證邊坡穩(wěn)定。

1）減重與堆載阻滑。減重是依據(jù)不平衡推力法進(jìn)行計(jì)算并確定減重位置及取土量，防止或控制下滑；堆載阻滑，亦即壓腳，是將土或其他壓重材料置于阻滑段，增大阻滑力。

2）格構(gòu)加固。結(jié)合邊坡綠化，通過在邊坡建立框架，并利用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行錨固，達(dá)到穩(wěn)定和加固邊坡的目的，格構(gòu)型式主要有現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土和漿砌塊石。

3）錨固。將錨桿或錨索埋入土層，借助土層抗剪性能獲得構(gòu)件錨固力，通常結(jié)合樁、格架等共同作用。

4）抗滑樁。通過將滑坡推力傳遞至基巖或土體以保持邊坡穩(wěn)定，其類型選擇、設(shè)置位置及方式靈活性大。

5）支擋加固。從前述病害產(chǎn)生原因出發(fā)，可采取加強(qiáng)路基兩側(cè)支擋作為輔助，以減小側(cè)向位移以及坡腳處雨水入滲的影響。

3.2 沉降

從沉降發(fā)生原因來看，防治沉降的辦法主要有預(yù)壓法、換填法、灌漿法等，其中預(yù)壓法是在施工階段通過保證預(yù)壓期及填筑期實(shí)現(xiàn)。

1）局部換填。路基發(fā)生局部下沉?xí)r，挖去該部分土，回填新的、級(jí)配較好的土，以挖臺(tái)階形式擴(kuò)大填補(bǔ)面積，以高出原路基壓實(shí)度1%~2%進(jìn)行控制。

2）壓力灌漿。壓力灌漿處治路基沉降的原理是在一定壓力下用漿液充填路基填方體中的空隙、裂隙，利用漿液固結(jié)增加其板體性，使得土體密度、強(qiáng)度和抗變形能力得到提高。漿液由主劑、溶劑和外加劑攪拌混合而成，水泥為漿液首選主劑，其技術(shù)性能可用結(jié)石率來評(píng)定。水灰比愈小，溫度愈高，結(jié)石率愈高。應(yīng)用壓力灌漿處治高填方路堤沉降可能會(huì)出現(xiàn)路面抬動(dòng)、漿液竄冒、場(chǎng)地污染等問題，應(yīng)從灌漿工藝以及處治后清理等方面予以避免。

4 結(jié)論

1）高填方路堤因自身填筑量大、填料高度大、填筑不均勻以及降雨入滲等內(nèi)外界原因，出現(xiàn)沉降、裂縫以及坍塌、滑坡等常見病害，且病害發(fā)展呈現(xiàn)“連鎖效應(yīng)”。

2）設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮降雨入滲情況，對(duì)降雨入滲時(shí)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)；加筋土路堤利用土工材料的拉伸性能以及土與土工格柵間的摩擦作用，土體強(qiáng)度提高。施工方面，從原材料、填筑壓實(shí)工藝以及管理層面，均影響到路基質(zhì)量，實(shí)際工程中應(yīng)合理選用壓實(shí)方法，嚴(yán)把質(zhì)量及技術(shù)關(guān)。

3）病害產(chǎn)生后，應(yīng)基于對(duì)病害成因的把握，合理選用或組合采取處治措施，主要是從減小下滑力，借助外力加強(qiáng)土體的強(qiáng)度，以及對(duì)填土體進(jìn)行支擋等方面著手。

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