王 琦 曾 耀 姜 波 彭宇肸 曹 俊

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

貴州省位于我國西南山區(qū)，境內(nèi)山高谷深，溝壑縱橫，山地丘陵占總面積的93%，公路建設(shè)中形成大量高填深挖路基，給公路建設(shè)及運(yùn)營帶來極大的挑戰(zhàn)[1]。貴州山區(qū)斜坡濕軟土地基較為常見，主要分布在構(gòu)造和剝蝕所形成的中低山地貌地區(qū)[2]，具有3個(gè)顯著特點(diǎn)：①其地基表面具有一定的坡度；②場區(qū)地下水較豐富；③地基土長期受水浸泡呈低強(qiáng)度和高壓縮性的特點(diǎn)。在斜坡濕軟土地基上填筑路基易產(chǎn)生不均勻沉降甚至是整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，對于運(yùn)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(fā)地段。

公路水毀是指在氣候、水文、地質(zhì)環(huán)境因素和人類活動(dòng)的綜合作用下，公路沿線所產(chǎn)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(yùn)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(chǔ)地質(zhì)條件及公路建設(shè)條件，另一方面又受到多種外界因素的誘發(fā)影響，降雨，尤其是強(qiáng)降雨，是誘發(fā)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(qū)斜坡濕軟土地基上路基水毀變形特征、水毀成因、水毀短時(shí)強(qiáng)降雨作用機(jī)理進(jìn)行分析研究，以提出針對性的應(yīng)急修復(fù)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(qū)，為路基水毀多發(fā)地段。K13+270-K13+330段左側(cè)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(hù)坡，最大填高12 m。場區(qū)覆蓋層為第四系人工填土(Qme)、殘坡積層(Qel+dl)含碎石粉質(zhì)黏土，下伏基巖為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)泥質(zhì)粉砂巖夾炭質(zhì)泥巖。

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

圖1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)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(cè)填方路基和路基下方玉米地及水田內(nèi)一定范圍內(nèi)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(dòng)體積約31 200 m3，主滑方向62°，屬小型推移式滑坡。

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

圖2 JCK5深部位移監(jiān)測曲線

圖3 典型工程地質(zhì)斷面圖

2.2 路基水毀成因分析

公路路基水毀產(chǎn)生的條件主要有地形地貌條件、地層巖性條件、公路建設(shè)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(qū)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(chǎn)生提供了有利條件。本路段坡面開挖前為匯水區(qū)域，場區(qū)匯水面積約9萬m2，部分通過公路排水系統(tǒng)排出區(qū)外，部分匯水下滲進(jìn)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?zhí)督M(P2l)煤系地層內(nèi)廣泛分布炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖及偶夾煤層，其特點(diǎn)為巖質(zhì)軟、吸水性強(qiáng)、遇水易膨脹軟化，強(qiáng)風(fēng)化巖體較破碎～破碎，為相對含水層。含碎石粉質(zhì)黏土為煤系巖層風(fēng)化產(chǎn)物，在地下水長期作用下發(fā)生飽水軟化，且具有含水量高和強(qiáng)度低等特點(diǎn)。另外填方體人工填土具有空隙率相對較大、透水性強(qiáng)等特點(diǎn)，為降雨入滲提供了便利通道。

3) 公路建設(shè)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(shí)發(fā)生變形開裂，導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)度參數(shù)從而降低邊坡穩(wěn)定性。8月1-10日持續(xù)降雨，其中8月3-7日持續(xù)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(shè)條件是公路水毀的基本條件及內(nèi)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(shí)持續(xù)強(qiáng)降雨作用為影響路基水毀的直接誘因。

3 短時(shí)持續(xù)強(qiáng)降雨作用機(jī)理

本次采用SEEP/W和SLOPE/W進(jìn)行耦合數(shù)值計(jì)算分析，通過SEEP/W計(jì)算強(qiáng)降雨作用下坡體內(nèi)部孔隙水壓力變化，然后將SEEP/W計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入SLOPE/W，計(jì)算各降雨歷時(shí)坡體穩(wěn)定性系數(shù)的變化。

3.1 模型的建立與參數(shù)選取

選取典型斷面建立計(jì)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(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值表

3.2 路基邊坡瞬態(tài)SEEP/W模擬分析

采用SEEP/W對降雨條件下路基邊坡的瞬態(tài)滲流場進(jìn)行模擬分析，根據(jù)路基水毀期間氣象資料，取降雨強(qiáng)度為50 mm/d，降雨歷時(shí)為48 h。本次僅列舉了初始狀態(tài)、16、32、48 h步長時(shí)坡體內(nèi)部孔隙水壓力分布規(guī)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(shè)置a、b、c3處監(jiān)測點(diǎn)，不同降雨時(shí)間下坡體內(nèi)孔隙水壓力分布圖見圖5。

圖5 不同降雨時(shí)間坡體內(nèi)孔隙水壓力分布

根據(jù)模擬結(jié)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(tài)飽和區(qū)。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(xù)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(dá)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(xù)抬升，如圖5c)所示。在后緣坡體達(dá)到飽和狀態(tài)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(shí)間增加，巖土交界面逐步達(dá)到飽和，地下水位迅速抬升，孔隙水壓力持續(xù)增加，浮托力增大，坡體穩(wěn)定性逐步降低，如圖5d)所示。

對a、b、c3點(diǎn)處孔隙水壓力變化趨勢進(jìn)行分析，坡體前緣在整個(gè)降雨過程中孔隙水壓力持續(xù)增大，并在巖土交界面達(dá)到飽和后出現(xiàn)驟增趨勢；坡體后緣孔隙水壓力先于中部增大，隨后保持穩(wěn)定；滑體中部孔隙水壓力在降雨32 h內(nèi)基本保持穩(wěn)定，同前緣相似，當(dāng)巖土交界面飽和后孔隙水壓力激增，且時(shí)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(wěn)定性分析

采用Morgenstern-Price極限平衡穩(wěn)定性計(jì)算方法，在路基邊坡瞬時(shí)滲流場模擬的基礎(chǔ)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(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。降雨初期，坡體穩(wěn)定性系數(shù)呈緩慢下降趨勢；當(dāng)降雨持續(xù)至32 h時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)驟降，進(jìn)入極限平衡狀態(tài)，這也與SEEP/W模擬結(jié)果是一致的，此后穩(wěn)定性系數(shù)持續(xù)下降，穩(wěn)定性關(guān)系曲線見圖7。

圖7 穩(wěn)定性系數(shù)與降雨時(shí)間關(guān)系曲線

3.4 短時(shí)持續(xù)強(qiáng)降雨作用機(jī)理分析

降雨強(qiáng)度為50 mm/d時(shí)，持續(xù)強(qiáng)降雨期間坡體孔隙水壓力隨時(shí)間持續(xù)增加，有效應(yīng)力降低，坡體穩(wěn)定性逐漸降低。當(dāng)降雨持續(xù)32 h時(shí)巖土界面土體達(dá)到飽和，此時(shí)巖土界面孔隙水壓力激增導(dǎo)致有效應(yīng)力驟降，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性驟降，邊坡進(jìn)入極限平衡狀態(tài)，即該路基邊坡水毀啟動(dòng)降雨條件為持續(xù)50 mm/d強(qiáng)降雨32 h。

4 路基水毀應(yīng)急修復(fù)及效果分析

4.1 應(yīng)急修復(fù)措施

根據(jù)路基水毀變形破壞特征及其失穩(wěn)機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場地形、公路通行安全及工程進(jìn)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(fù)”綜合措施對本段路基進(jìn)行應(yīng)急修復(fù)，斷面治理設(shè)計(jì)示意見圖8。

圖8 滑坡斷面治理設(shè)計(jì)方案示意

1) 鋼管樁。為確保右側(cè)路基半幅通行安全，在路基左側(cè)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(jìn)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(cè)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(shè)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(shè)置排水溝將盲溝及路基邊溝匯水引出區(qū)外。

5) 路面及坡面恢復(fù)。按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對路面進(jìn)行恢復(fù)，同時(shí)恢復(fù)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(jiān)測孔孔口0.5 m處監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，累計(jì)位移變化趨勢見圖9，大致分為4個(gè)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(wěn)定；III階段，采用級配碎石進(jìn)行填筑，受加載及施工擾動(dòng)影響，位移量小幅度增加；IV階段，高速公路恢復(fù)通車，整體變形趨于穩(wěn)定，處治效果良好。

圖9 累計(jì)位移-時(shí)間變化曲線

另外，坡體內(nèi)排水盲溝排水效果良好，正常出水量約為0.1 L/s。

5 結(jié)語

通過對煤系地層區(qū)斜坡濕軟土地基上路基水毀變形特征、水毀成因、水毀短時(shí)強(qiáng)降雨作用機(jī)理研究及應(yīng)急修復(fù)處治效果評價(jià)，得到以下結(jié)論。

1) 地形地貌條件、地層巖性條件和公路建設(shè)條件是公路水毀的基本條件及內(nèi)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(shí)持續(xù)強(qiáng)降雨作用是影響路基水毀的直接誘發(fā)因素。

2) 短時(shí)持續(xù)強(qiáng)降雨歷時(shí)達(dá)到一定程度時(shí)巖土界面土體達(dá)到飽和，此時(shí)巖土界面孔隙水壓力激增導(dǎo)致有效應(yīng)力驟降，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性驟降是路基水毀形成滑坡的啟動(dòng)條件，本文實(shí)例路基邊坡水毀形成滑坡的啟動(dòng)降雨條件為持續(xù)50 mm/d強(qiáng)降雨32 h。

3) 路基水毀防治宜采用抗滑支擋結(jié)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(jié)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(qiáng)度和坡體整體穩(wěn)定性的目的。