填筑速率對紅黏土路基含水率及穩定性影響研究

秦 陽

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610081）

紅黏土一般較少作為路基填筑料，因其具有較大的工后變形特性及較小的滲透系數，不利于路基沉降控制及路基的排水過程[1-4]。但在我國部分地區，受限于填筑料的稀缺，不得不采用部分紅黏土配合碎石用于路基填筑[5-7]。但此種路基填筑方式對降雨相對敏感，內部水分不易排出，容易導致路基邊坡失穩，其根本原因在于紅黏土在降雨滲透過程中由非飽和態轉變為飽和態，出現強度及彈性模量降低，路基邊坡的抗滑力降低而滑動力增加，出現邊坡失穩[8]。降雨入滲是一個動態變化過程，降雨特征如降雨強度和持續時間，巖土體性質如滲透系數和邊坡坡面角度等都對其存在顯著影響。一般可以分為兩種情況，分別為降水模型和積水模型。

降水模型是指在降雨過程中，降雨強度小于巖土體的滲透能力，物理現象表現出兩個階段，第一階段為自由入滲，此時地表含水率低，水體基本完全滲入巖土體。第二階段為有壓滲透，表現為地表具有一定的積水量，滲入土體水量小于降雨量，地表形成徑流或者積水。積水模型則是一開始地表的降雨量就大于巖土體的滲透能力，地表直接出現積水或徑流，入滲水量由土體滲透能力和地表徑流或積水量共同決定。

均質巖土體在地表存在積水或者徑流條件下的含水率情況如圖1所示。其中，最上層為飽和區，往下依次為過渡區、傳導區和濕潤區。其中飽和區與過渡區的含水率區別不大，含水率變化幅度較小；傳導區的滲透過程基本為自由滲透，最下層的濕潤區前緣被稱為濕潤鋒，含水率變化劇烈。隨著滲透過程的持續，傳導區不斷向深層土體發展，濕潤區和濕潤鋒不斷內移，直到滲透阻力與滲透壓相互平衡。

對路基邊坡而言，坡頂入滲（坡頂平面的降雨入滲）和坡面入滲（坡體斜面的降雨入滲）兩部分組成邊坡降雨入滲。在邊坡的降雨過程中因坡面具有一定的傾斜角度，降雨不易形成積水而容易轉化為地表徑流；降雨停止后，因坡面沒有積水，入滲的滯后效應不明顯并很快結束，開始轉入水分的消散過程。

當坡面土體的滲透系數小于降雨強度時，流量邊界條件由土體的滲透能力來控制，地表徑流是由未入滲的水所形成，定水頭入滲邊界是坡面邊界，坡面上水壓力即為水頭與入滲點的標高一致，能夠采用水壓力為0的定水頭入滲邊界條件。

圖1 雨水入滲過程

1 工程概況

根據地質條件和現場實際情況，選取K29+925作為計算剖面。根據前期勘察資料中的地質條件，路基填方區由上而下可以分為紅黏土地層、強風化白云巖地層和中風化白云巖地層。其中紅黏土層分為兩層：上層為CFG樁處理區（置換率為0.04～0.044），下層為未處理紅黏土。填筑體分為土料、土石料、碎石料。

路基K29+880～K30+405段為水田，表層為軟-可塑狀黏土，采用CFG+土拱格柵方法對該軟土路基進行處理，如圖2所示。其中CDG樁徑0.5m，正方形布置，間距及處理深度分別為2.1m和5.5m，相應的面積置換率為0.04，碎石樁頂面鋪設0.5m厚碎石墊層，填方基底鋪設雙層土拱格柵。

圖2 軟土路基剖面

2 紅黏土路基填筑施工模擬分析

2.1 計算參數

由于填筑料性質具有空間隨機性，降雨的時空分布也存在隨機性，填方路基的滲透狀態難以給出明確的數學解析，因此對填方路基的模擬分析采取假設：（1）不考慮降雨全過程的水分蒸騰；（2）前期降雨為0，且無土體富水態；（3）邊坡底面為不透水，坡體兩側與周圍土體水氣運移是等量的。

在初始狀態下，對于地下水位面應按照定水頭來進行設定，壓力水頭和位置水頭之和是水頭的大小。對于模型兩側，有些邊界按零流量邊界處理的是地下水位線以上，而模型底面假設為不透水邊界，斜坡表面即入滲邊界，取為流量邊界。路基邊坡滲透過程是隨時間變化的，任一時間點的邊坡內滲透流量都和初始滲透時刻的條件存在密切關系，因此可以采用穩定狀態下的邊坡滲透狀態作為初始條件，具體設置為天然邊坡內孔隙水壓在地下水位線以下為線性變化，之上則逐漸減小。

圖3 填筑過程中孔隙水壓監測點

依據場區地質條件，基于地質勘察資料和相關工程經驗，巖土體的物理力學參數取值如表1所示，填筑方案及統計數據如表2、表3所示。

表1 模型參數取值

表2 填筑速率模擬方案

表3 不同方案總時間及平均數率統計表

2.2 施工填筑速率對比分析

在模擬過程中主要對1#、2#、3#三個監測點的孔隙水壓進行監控，以明確孔隙水壓在填筑過程中的變化。具體如圖3所示。

不同填筑方案下超孔隙水壓力變化情況如圖4所示。由圖4可知，方案2和方案3的填筑時間為51d和46d，填筑速率為0.28～0.31m/d，最大超孔隙水壓力均達到了147kPa，即縮短工期時，若不采取有效排水措施，紅黏土地基中的超孔隙水壓力會有較大增長，對路基填筑料的強度影響較大。對比方案1和方案4，填筑時間增加了71.2%，超孔隙水壓降低了20%，增加施工工期所帶來的降壓效果并不明顯。由此可見，紅黏土地基由于其滲透性差，超孔隙水壓力消耗時間較長，當填筑速率在0.09～0.15m/d時，孔隙水壓略有降低，但依然存在較高的水壓，不利于路基的穩定性。因此在施工填筑過程中必須采取相應的排水措施。

四種方案填筑完成后，路基邊坡的安全系數如圖5所示。由圖5可知，方案2和方案3填筑時間較短，路基內的孔隙水壓較高，最終的安全系數較低。但相對于方案1和方案4，路基邊坡安全系數降低幅度僅有0.4%，即孔隙水壓對邊坡安全系數的影響較小，主要的問題在于后期沉降變形方面的潛在威脅。

圖4 不同填筑方案下超孔隙水壓力變化情況

圖5 四種填筑方案的最終路基邊坡安全系數

2.3 降雨對路基邊坡的穩定性分析

不同降雨水平對路基邊坡的穩定性存在顯著影響。隨著降雨過程進行，不同時間點路基邊坡的安全系數變化如圖6所示。從圖6中可以明顯看出，在降雨的初期階段，隨著淺表層的土體滲透水體增加，邊坡的安全系數略有下降，但降雨進一步持續的過程中安全系數存在明顯增加，主要原因在于巖土體由干燥變為濕潤，基質吸力增加，安全系數增加。但隨著水體的持續滲入，孔隙水壓持續增大，土體自重也逐漸增加，導致邊坡土體強度降低，穩定性系數迅速下降。當降雨停止后，巖土體內部水體逐漸下滲，土體強度逐漸增加，且上部土體容重減小，因此安全系數又開始緩慢增加。

圖6 降雨過程中路基邊坡穩定性系數變化過程

降雨過程中路基邊坡潛在滑面如圖7所示。通過對圖7中的邊坡滑面進行分析可知，自然狀態下的邊坡安全系數顯著高于降雨狀態，且降雨狀態下滑動面明顯向深層土體移動，甚至擴展至原狀地層，因此在設計和施工階段應予以考慮。

3 結論

圖7 降雨過程中路基邊坡潛在滑面

文章選取K29+870～K30+399軟土路基為研究對象，根據現場填筑施工情況，結合地質勘察資料、試驗檢測資料和大量的室內試驗資料，采用二維數值模擬方法，模擬了不同施工速率條件下紅黏土路基填筑過程中基底孔隙水壓力的變化特征，對路基邊坡的穩定性進行了分析評價。主要結論如下：（1）不同填筑速率對填方路基基底的孔隙水壓存在一定影響，基本規律可以概括為基底孔隙水壓與填筑速率呈現出反相關，其原理可以表述為低速率填筑有利于孔隙水壓消散，但幾種填筑方案的孔隙水壓都較高，可見紅黏土路基填筑需要采取相應的排水措施，單純靠控制填筑速率的方法來控制孔隙水壓效果不明顯。（2）不同填筑方案對路基邊坡的安全系數影響較小，但較快的填筑速率不利于控制滑動面的深層擴展，因此建議施工時對填筑速率進行適當控制。（3）降雨是導致紅黏土路基邊坡安全系數降低的重要誘因，主要機理在于紅黏土吸水性好、滲透性差，導致土體的強度降低，同時增加了土體的容重，促使滑動面向更深層土體擴展，因此在降雨期進行填筑施工時，需要做好相應的施工方案，盡快完成邊坡坡面的防排水結構，避免降水從坡面大量滲入土體。