陶連金，沈小輝，夏進(jìn)平，王開源，侯 森

(北京工業(yè)大學(xué)巖土與地下工程研究所，北京 100124)

膨脹土主要由親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹軟化和失水急劇收縮龜裂兩種特征。膨脹土一般形成于新第三紀(jì)和第四紀(jì)上更新世，在我國(guó)廣西、四川、河南等多個(gè)省市均有分布。隨著我國(guó)高速公路的大量修建，膨脹土對(duì)公路的危害日漸增多。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，我國(guó)每年因?yàn)榕蛎浲猎斐傻慕?jīng)濟(jì)損失估計(jì)超過150億美元［1］，中國(guó)在西部擬建的21 000 km的公路中有近3 300 km路段穿越膨脹土分布區(qū)。處于膨脹土區(qū)的路基、路塹邊坡常發(fā)生病害，如云南楚大高速公路、湖北襄荊高速公路、廣西南友高速公路的膨脹土路段均有不同程度的路基、路塹邊坡破壞，其中廣西南友高速公路膨脹土分布區(qū)就有23個(gè)路塹邊坡發(fā)生滑塌［2］。膨脹土路堤邊坡的破壞已經(jīng)成為膨脹土地區(qū)的主要病害之一，給高速公路的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和潛在危害。

國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)膨脹土挖方路基邊坡的失穩(wěn)特征、破壞機(jī)理、加固方法等方面已做了大量的研究［3-9］，但因技術(shù)、環(huán)境條件等各方面的限制，對(duì)膨脹土填方路基失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍不夠全面，以至各類工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等仍難以杜絕膨脹土病害的發(fā)生。因此，結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)一步揭示膨脹土路堤邊坡失穩(wěn)機(jī)理，可以為路堤失穩(wěn)的治理提供可靠依據(jù)。

本文以廣西某高速公路路堤邊坡為工程背景，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘測(cè)的基礎(chǔ)上，分析了膨脹土路堤邊坡的失穩(wěn)機(jī)理，并采用有限差分軟件FLAC對(duì)路基邊坡的失穩(wěn)進(jìn)行模擬分析，加以驗(yàn)證。對(duì)反壓墻和抗滑樁兩種治理路堤失穩(wěn)的方法進(jìn)行了對(duì)比研究，以提出保證路堤邊坡穩(wěn)定性的有效方法。

1 工程概況

廣西某高速公路工程，路基設(shè)計(jì)寬度為26 m，邊坡設(shè)計(jì)坡度為1.0∶1.5。路基土多為中膨脹土和強(qiáng)風(fēng)化膨脹土。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)的路基填料特性如表1所示。

表1 路基填料特性

該路堤的施工主要過程為:①場(chǎng)地清理。②基底處理按照原地面坡度，對(duì)基底進(jìn)行臺(tái)階處理，向下開挖30 cm，并換填砂礫壓實(shí)。③分層填筑，路堤填筑在線路的縱向和橫向均由低向高，分層填筑，碾壓，分段成型。④攤鋪整平，攤鋪時(shí)填筑層頂面做成向兩側(cè)傾斜2%～4%的橫向排水坡。⑤灑水或晾曬，對(duì)含水量不足的填料采取在路基上的平整區(qū)內(nèi)灑水，填料含水量過大，超過最佳含水量時(shí)，則需要晾曬。

該工程K67+254—K67+466標(biāo)段路堤邊坡在填筑完成半年后發(fā)生滑坡，滑塌的長(zhǎng)度212 m，最大錯(cuò)臺(tái)高達(dá)0.8 m，滑坡前緣侵入了已修好的右側(cè)排水溝，最寬的滑動(dòng)體超過了路基中線，如圖1所示。

2 路堤失穩(wěn)機(jī)理分析

通過對(duì)高速公路填方路堤進(jìn)行詳細(xì)勘測(cè)和取樣分析測(cè)試，發(fā)現(xiàn)膨脹土路堤填方失穩(wěn)與土體特性、環(huán)境變化及傾斜的基覆面等因素有關(guān)?，F(xiàn)具體分析如下。

2.1 土體特性

該路堤邊坡的路基土主要為膨脹土。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取土樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。表明膨脹土強(qiáng)度隨含水量和飽和度的增大而遞減。膨脹土的工程特性是導(dǎo)致路堤失穩(wěn)的內(nèi)在因素。

表2 膨脹土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.2 環(huán)境變化

路基施工在2010年10月開始清表，2010年11月至2011年4月廣西天氣干燥、雨水較少，路基較穩(wěn)定。2011年5月后該地區(qū)進(jìn)入雨期，膨脹土在初期干濕循環(huán)交替作用下，造成淺層土體反復(fù)收縮干裂和膨脹，形成較多的裂隙，裂隙逐步向四周和深部發(fā)展。裂隙不僅破壞了土體的完整性，而且為雨水的滲入提供了條件。從圖2可見，路堤左側(cè)地勢(shì)低洼，在兩個(gè)通道之間中點(diǎn)附近地勢(shì)最低，隨著降水的增多，造成地表水的匯集并沿干縮裂隙下滲，無法排出。膨脹土基礎(chǔ)在長(zhǎng)時(shí)間浸泡后，膨脹土體含水量增加，吸力降低，從而導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度的急劇降低，沿著路基方向逐漸形成剪切滑動(dòng)帶。

2.3 傾斜的基覆面

本工程路堤坍塌段路基沿橫向從左往右傾斜6°～8°。按設(shè)計(jì)，該處的填方厚度在左右兩側(cè)差別很大，右側(cè)最深填方達(dá)到10 m。膨脹土路堤在坡腳附近首先產(chǎn)生塑性區(qū)，該區(qū)由于應(yīng)變軟化而強(qiáng)度降低，隨著土體的軟化加深，塑性區(qū)逐漸增大直至貫通坡頂。當(dāng)荷載超過剪切滑動(dòng)帶的抗剪強(qiáng)度后，路堤則發(fā)生滑坡失穩(wěn)。

膨脹土的特性是路堤失穩(wěn)的內(nèi)在因素，填方處于傾斜的基覆面和降雨等環(huán)境變化是主要原因。

3 路堤失穩(wěn)模式的數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步探索該填方路堤失穩(wěn)機(jī)理，采用強(qiáng)度折減法，結(jié)合有限差分程序FLAC對(duì)路基邊坡進(jìn)一步分析。在數(shù)值模擬中，通過不斷調(diào)整填土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，使路基邊坡滑動(dòng)帶塑性區(qū)完全貫通，直至邊坡失穩(wěn)，由此得出的強(qiáng)度折減系數(shù)為路基邊坡安全系數(shù)［10］。模型選取塌方最嚴(yán)重區(qū)域，即選取樁號(hào)為K67+360的斷面。模型高50 m，寬130 m，共劃分了6 418個(gè)單元，模型底部邊界選為固定邊界，左右兩側(cè)水平約束，其計(jì)算模型如圖3所示，土體物理參數(shù)如表3所示。

路堤邊坡的位移矢量分布如圖4所示，塑性區(qū)分布如圖5所示。結(jié)果顯示，對(duì)土體進(jìn)行強(qiáng)度折減后，土體的塑性區(qū)形成一條明顯的滑動(dòng)帶，出現(xiàn)在路堤邊坡的左側(cè)，最大側(cè)向位移值為 －400 mm，發(fā)生在左側(cè)邊坡腰段。此結(jié)果與工程實(shí)際基本吻合。

4 治理方案的比選

膨脹土素有“逢塹必滑，無堤不塌”之說，故研究其工程治理措施非常重要。常采用的治理措施有:①表水防護(hù);②坡面防護(hù)加固;③擋土墻和抗滑樁等支擋措施?？够瑯吨饕m用于滑坡體中有一個(gè)明顯的滑動(dòng)剪切面且滑動(dòng)剪切面以下是較完整的基巖，或者是密實(shí)的穩(wěn)定基礎(chǔ)，能為抗滑樁提供足夠的錨固力。其主要優(yōu)點(diǎn)是可治理深層滑坡，尤其是地形較緩時(shí)較錨索更經(jīng)濟(jì)適用;主要缺點(diǎn)為費(fèi)用高，時(shí)間長(zhǎng)。擋土墻只能適用于基巖埋深淺、滑動(dòng)面淺的淺層滑坡，在大中型滑坡治理工程中，擋土墻往往只能作為綜合治理措施的一個(gè)組成部分。其優(yōu)點(diǎn)為施工較快、造價(jià)低;其缺點(diǎn)為擋土墻基礎(chǔ)埋深有限，不適用于深層滑坡。

表3 土體物理力學(xué)參數(shù)

本工程初步確定治理方案為反壓墻和抗滑樁，為比較其優(yōu)劣，對(duì)兩種方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

4.1 反壓墻方案

此方案具體為挖除塌方路基，底部換填砂石，上層填以風(fēng)化石及碎石，并在左側(cè)邊坡施作寬10 m、高7 m的反壓墻。反壓墻方案的數(shù)值計(jì)算模型如圖6所示，路堤邊坡的位移矢量如圖7所示，圖中顯示最大側(cè)向位移值為100 mm，發(fā)生在反壓墻墻腳側(cè)?？梢?，由于反壓墻過高過重，在反壓墻作用下，反壓墻下的地基承載力不足以抵抗反壓墻及路基填土的荷載，引起了膨脹土地層產(chǎn)生剪切滑移，地基失穩(wěn)。

4.2 抗滑樁方案

設(shè)計(jì)抗滑樁樁徑為1.6 m，中心距為6.0 m，長(zhǎng)為15.0 m，以保證1/3長(zhǎng)度的抗滑樁位于中風(fēng)化地層中作為嵌固段，樁體采用pile單元模型。

抗滑樁治理滑坡方案的位移矢量如圖8所示，最大側(cè)向位移值僅為0.7 mm，發(fā)生在路基表層。塑性滑動(dòng)帶被抗滑樁阻斷，抗滑樁承擔(dān)了部分下滑力，有效地提高了邊坡的整體穩(wěn)定性。

數(shù)值分析結(jié)果表明:兩種方案均可提高膨脹土路基上路堤的穩(wěn)定性。但第一方案會(huì)引起反壓墻墻腳側(cè)發(fā)生剪切滑移，而抗滑樁方案具有更好的抗橫向滑移效果。綜上所述，考慮到后期路堤浸水及路基強(qiáng)度的衰減，失穩(wěn)路堤應(yīng)采用抗滑樁加固，以保證路堤的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖8 在抗滑樁下路堤邊坡側(cè)向位移

5 總結(jié)

本文以廣西某高速公路路堤邊坡為工程背景，分析了膨脹土路堤失穩(wěn)機(jī)理，并采用有限差分法對(duì)路基邊坡的失穩(wěn)進(jìn)行模擬分析，同時(shí)針對(duì)傾斜路基，比選了有效的控制方法。

1)路基傾斜及地表水下滲浸泡是膨脹土路堤破壞的主要原因。

2)抗滑樁與反壓墻支護(hù)相比具有更好的加固效果，它能有效地阻止塑性區(qū)的發(fā)展和控制水平位移，能長(zhǎng)期保證膨脹土路堤的穩(wěn)定性，是治理傾斜路堤失穩(wěn)的有效方法。

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