山區斜坡濕軟土填方路基水毀機理研究及應急修復

王 琦 曾 耀 姜 波 彭宇肸 曹 俊

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

貴州省位于我國西南山區，境內山高谷深，溝壑縱橫，山地丘陵占總面積的93%，公路建設中形成大量高填深挖路基，給公路建設及運營帶來極大的挑戰[1]。貴州山區斜坡濕軟土地基較為常見，主要分布在構造和剝蝕所形成的中低山地貌地區[2]，具有3個顯著特點：①其地基表面具有一定的坡度；②場區地下水較豐富；③地基土長期受水浸泡呈低強度和高壓縮性的特點。在斜坡濕軟土地基上填筑路基易產生不均勻沉降甚至是整體失穩的風險，對于運營公路而言，斜坡濕軟土地基填方路基段往往是公路水毀的高發地段。

公路水毀是指在氣候、水文、地質環境因素和人類活動的綜合作用下，公路沿線所產生的一系列對公路工程的破壞和工程被破壞的過程[3]。公路水毀是目前運營公路面臨的主要問題之一，路基邊坡水毀問題最為突出。路基水毀一方面取決于路基邊坡的基礎地質條件及公路建設條件，另一方面又受到多種外界因素的誘發影響，降雨，尤其是強降雨，是誘發路基水毀的最重要因素之一[4-6]。

本文以貴州省晴隆至興義高速公路典型斜坡濕軟土填方路基為例，對煤系地層區斜坡濕軟土地基上路基水毀變形特征、水毀成因、水毀短時強降雨作用機理進行分析研究，以提出針對性的應急修復處治措施。

1 工程概況

晴隆至興義高速公路于2012年底建成通車，其中K0+000-K40+375段線路穿越煤系地層區，為路基水毀多發地段。K13+270-K13+330段左側填方路基為二級填方路基，第一級、二級坡率分別為1∶1.5及1∶1.75，坡面均采用拱形骨架護坡，最大填高12 m。場區覆蓋層為第四系人工填土(Qme)、殘坡積層(Qel+dl)含碎石粉質黏土，下伏基巖為二疊系上統龍潭組(P2l)泥質粉砂巖夾炭質泥巖。

2018年7-8月間，受多次強降雨影響，K13+270-K13+330段左側填方路基發生路面沉降，造成左幅車道封閉，工程地質平面圖見圖1。

圖1 滑坡區工程地質平面圖

2 路基水毀變形特征及成因分析

2.1 路基水毀變形特征

路基水毀已形成滑坡，滑坡變形范圍包括K13+270-K13+330段左側填方路基和路基下方玉米地及水田內一定范圍內濕軟地基土體，滑坡整體呈“V”形，前緣橫向最大寬約75 m，縱向長約90 m，平面面積約5 200 m2，平均厚度約6 m，滑動體積約31 200 m3，主滑方向62°，屬小型推移式滑坡。

深部位移監測曲線見圖2，典型斷面見圖3。監測顯示滑坡體后部滑動面埋深8.6 m，位于填方體與基巖接觸面附近，滑動面物質為填筑土；滑坡體中部滑動面埋深約8.5 m，位于覆蓋層含碎石粉質黏土與基巖接觸面附近，滑動面物質為含碎石粉質黏土，呈軟塑狀。監測期間滑坡位移速度為5～10 mm/d，滑坡體整體處于強變形階段。

圖2 JCK5深部位移監測曲線

圖3 典型工程地質斷面圖

2.2 路基水毀成因分析

公路路基水毀產生的條件主要有地形地貌條件、地層巖性條件、公路建設條件，以及水文氣象條件等主要控制因素。

1) 地形地貌條件一方面決定場區地表匯水面積的大小，另一方面斜坡地形的存在為水毀的產生提供了有利條件。本路段坡面開挖前為匯水區域，場區匯水面積約9萬m2，部分通過公路排水系統排出區外，部分匯水下滲進入填方路基。

2) 地層巖性條件決定了地下水分布特征、滲透途徑及土體浸水軟化特性。龍潭組(P2l)煤系地層內廣泛分布炭質泥巖、炭質頁巖及偶夾煤層，其特點為巖質軟、吸水性強、遇水易膨脹軟化，強風化巖體較破碎～破碎，為相對含水層。含碎石粉質黏土為煤系巖層風化產物，在地下水長期作用下發生飽水軟化，且具有含水量高和強度低等特點。另外填方體人工填土具有空隙率相對較大、透水性強等特點，為降雨入滲提供了便利通道。

3) 公路建設條件決定了路基承受水毀作用的能力。K13+325處一級平臺砌筑漿砌片石排水溝，在邊坡變形期間同時發生變形開裂，導致匯水滲入坡體加速了邊坡自身變形；另外邊坡采用自然放坡填筑且無地下排水措施，導致路基邊坡承受水毀的能力較差。

4) 水文氣象條件決定了降雨量及地表流量的大小，是公路水毀的直接作用因素。長期降雨入滲軟化地基巖土體，降低路基邊坡巖土體抗剪強度參數從而降低邊坡穩定性。8月1-10日持續降雨，其中8月3-7日持續為中雨～大到暴雨天氣是形成本次路基水毀的直接誘因。

綜上所述地形地貌條件、地層巖性條件和公路建設條件是公路水毀的基本條件及內因。水文氣象條件是公路水毀的直接原因及外因，長期降雨入滲軟化作用起到改變地層巖性條件的作用；短時持續強降雨作用為影響路基水毀的直接誘因。

3 短時持續強降雨作用機理

本次采用SEEP/W和SLOPE/W進行耦合數值計算分析，通過SEEP/W計算強降雨作用下坡體內部孔隙水壓力變化，然后將SEEP/W計算結果導入SLOPE/W，計算各降雨歷時坡體穩定性系數的變化。

3.1 模型的建立與參數選取

選取典型斷面建立計算模型見圖4，本次模型初始地下水位線采用勘察期地下水位線。

圖4 滑坡數值計算模型

計算采用的巖土體物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數取值表

3.2 路基邊坡瞬態SEEP/W模擬分析

采用SEEP/W對降雨條件下路基邊坡的瞬態滲流場進行模擬分析，根據路基水毀期間氣象資料，取降雨強度為50 mm/d，降雨歷時為48 h。本次僅列舉了初始狀態、16、32、48 h步長時坡體內部孔隙水壓力分布規律，為了對比坡體不同位置的孔隙水壓力分布情況，分別在坡體的后緣、中部及前緣設置a、b、c3處監測點，不同降雨時間下坡體內孔隙水壓力分布圖見圖5。

圖5 不同降雨時間坡體內孔隙水壓力分布

根據模擬結果，降雨初期，覆蓋層入滲率較大，路基邊坡以淺表層入滲為主，土體孔隙水壓力不斷增大，并在表層形成暫態飽和區。由于前緣地勢低洼，有利于降雨的匯集，前緣地下水位線有所抬升，后緣無明顯變化，如圖5a)所示。隨著降雨持續增加，路基邊坡后緣地形平緩且覆蓋層較薄，降雨滲流路徑較短，土體率先達到飽和，地下水位快速抬升，路基邊坡中部覆蓋層較厚，地下水位抬升緩慢，前緣持續抬升，如圖5c)所示。在后緣坡體達到飽和狀態后，降雨不斷匯集于滲透性差異明顯的巖土交界面處，坡體中前部仍以降雨入滲為主，而后緣以滲流為主。隨著時間增加，巖土交界面逐步達到飽和，地下水位迅速抬升，孔隙水壓力持續增加，浮托力增大，坡體穩定性逐步降低，如圖5d)所示。

對a、b、c3點處孔隙水壓力變化趨勢進行分析，坡體前緣在整個降雨過程中孔隙水壓力持續增大，并在巖土交界面達到飽和后出現驟增趨勢；坡體后緣孔隙水壓力先于中部增大，隨后保持穩定；滑體中部孔隙水壓力在降雨32 h內基本保持穩定，同前緣相似，當巖土交界面飽和后孔隙水壓力激增，且時間先于前緣，孔隙水壓力變化趨勢圖見圖6。

圖6 孔隙水壓力變化趨勢

3.3 路基邊坡穩定性分析

采用Morgenstern-Price極限平衡穩定性計算方法，在路基邊坡瞬時滲流場模擬的基礎上，考慮高速公路行車荷載的影響，取行車荷載為25 kPa，對滑坡進行穩定性分析計算。降雨初期，坡體穩定性系數呈緩慢下降趨勢；當降雨持續至32 h時，穩定性系數出現驟降，進入極限平衡狀態，這也與SEEP/W模擬結果是一致的，此后穩定性系數持續下降，穩定性關系曲線見圖7。

圖7 穩定性系數與降雨時間關系曲線

3.4 短時持續強降雨作用機理分析

降雨強度為50 mm/d時，持續強降雨期間坡體孔隙水壓力隨時間持續增加，有效應力降低，坡體穩定性逐漸降低。當降雨持續32 h時巖土界面土體達到飽和，此時巖土界面孔隙水壓力激增導致有效應力驟降，進而導致邊坡穩定性驟降，邊坡進入極限平衡狀態，即該路基邊坡水毀啟動降雨條件為持續50 mm/d強降雨32 h。

4 路基水毀應急修復及效果分析

4.1 應急修復措施

根據路基水毀變形破壞特征及其失穩機理，結合現場地形、公路通行安全及工程進度要求等情況，采用“鋼管樁+路基挖除換填+圓形抗滑樁+綜合排水(地下排水盲溝、地表排水溝)+路面及坡面恢復”綜合措施對本段路基進行應急修復，斷面治理設計示意見圖8。

圖8 滑坡斷面治理設計方案示意

1) 鋼管樁。為確保右側路基半幅通行安全，在路基左側滑塌后緣外約1 m位置布置1排直徑159 mm鋼管樁。樁長10 m，共82根。

2) 路基挖除換填。以路面裂縫及一級平臺底部為界，選用級配碎石進行挖除換填。填高8 m，坡率1∶1.5，一級平臺寬2 m。

3) 圓形抗滑樁。于公路邊線左側13 m處一級平臺上布置1排圓形抗滑樁。樁徑1.6 m，樁長18～24 m，樁間距4 m，共16根。

4) 綜合排水。對挖除后地基按3%排水坡度整平處理，設置縱、橫向排水盲溝疏排地下水，盲溝總長80 m，材料為C15混凝土和M10漿砌片石；在坡腳設置排水溝將盲溝及路基邊溝匯水引出區外。

5) 路面及坡面恢復。按現行標準對路面進行恢復，同時恢復坡面拱形骨架。

4.2 處治效果分析

本文選取抗滑樁附近JZK2-1監測孔孔口0.5 m處監測數據進行分析，累計位移變化趨勢見圖9，大致分為4個階段：I階段，路基挖除前，滑體處于加速蠕變階段，在挖除滑體約3 000 m3后，位移量迅速減小，整體呈上凸形；II階段，抗滑樁施工前位移量呈緩慢增長趨勢，抗滑樁施工后位移保持穩定；III階段，采用級配碎石進行填筑，受加載及施工擾動影響，位移量小幅度增加；IV階段，高速公路恢復通車，整體變形趨于穩定，處治效果良好。

圖9 累計位移-時間變化曲線

另外，坡體內排水盲溝排水效果良好，正常出水量約為0.1 L/s。

5 結語

通過對煤系地層區斜坡濕軟土地基上路基水毀變形特征、水毀成因、水毀短時強降雨作用機理研究及應急修復處治效果評價，得到以下結論。

1) 地形地貌條件、地層巖性條件和公路建設條件是公路水毀的基本條件及內因。水文氣象條件是公路水毀的直接原因及外因，長期降雨入滲軟化作用起到改變地層巖性條件的作用，短時持續強降雨作用是影響路基水毀的直接誘發因素。

2) 短時持續強降雨歷時達到一定程度時巖土界面土體達到飽和，此時巖土界面孔隙水壓力激增導致有效應力驟降，進而導致邊坡穩定性驟降是路基水毀形成滑坡的啟動條件，本文實例路基邊坡水毀形成滑坡的啟動降雨條件為持續50 mm/d強降雨32 h。

3) 路基水毀防治宜采用抗滑支擋結合排水的綜合處治措施，排水宜采用地下排水及地表排水相結合的綜合排水手段，有效疏排地下水能起到降低地下水位、減小滑帶土孔隙水壓力，從而起到提高滑帶土抗剪強度和坡體整體穩定性的目的。