高速公路紅黏土填方路基路面病害及處治技術研究

作者簡介：吳 勇（1988—），碩士，工程師，研究方向：路基路面工程。

摘要：為處治穿越紅黏土地區填方路基路面病害，文章以吳隆高速公路K45+080～K45+400段為例，從填土材料特殊工程性質、環境水影響、天然地基土特征等方面，分析了路面開裂及路基損壞原因；通過計算邊坡穩定安全系數，結合日常監測數據，判定該邊坡位移速率處于黃色預警范圍；基于路基病害機理及演化分析，采用路面注漿技術和護面墻防護進行處治，并加強了防排水處理。工后監測表明，路面裂縫封閉效果和路基邊坡穩定性得到了有效提高。

關鍵詞：紅黏土；填方路基；病害分析；邊坡穩定性；處治技術

中圖分類號：U418.5

0 引言

高速公路的建設加快了我國交通運輸網格化布局進程，推動了國內各地區的物流運輸及經濟發展。但同時在高速公路運營期內也產生了一些工程病害，主要是路面開裂、沉降、路基邊坡塌方等問題，嚴重影響了行車人員安全，造成了一定的經濟損失和環境破壞^［1］。對于高速公路病害原因分析及處治，研究者進行了一些相關研究。梁志光^［2］總結了高速公路路基路面常見病害特征，分析了病害形成原因，提出了預防養護和病害處置技術防治措施。張華等^［3］通過分析四川高速公路典型路基病害原因，提出了微型鋼管群樁加固處治方案。馬磊^［4］通過分析高聚物注漿技術原理及材料性能，并對高速公路路面深層病害進行技術應用，取得了較好的應用處治效果。本文以吳隆高速公路K45+080～K45+400填方路基段存在的病害及處治工程為例，在考慮了紅黏土的特殊工程性質后，對路面和路基進行了重新處治設計。

1 工程概況

1.1 基本情況

吳隆高速公路K45+080～K45+400填方路基段為雙向三車道。該段路基最大填高為16.4 m，公路寬度約為28 m，形成了坡度分別為1∶1.75、1∶1.5的兩級路基邊坡。填方主體為取自該項目南北端邊坡工程的填方土體，屬紅黏土摻入了少許礫石。該段路基縱向坡率較小，路段防排水設施主要有邊緣排水溝、路基底部涵洞和一處填方深層泄水孔。

1.2 主要病害情況

路基邊坡坡頂路面出現裂縫，裂縫處有少許沉陷，拱形骨架、混凝土護面未能對坡面上全部填土進行有效側向位移約束，填土在雨季易受沖刷侵蝕，并被地表徑流搬運至高程較低處。因此，邊坡上主要的變形跡象是填土向邊坡臺階、坡腳聚集。

路面病害發育階段主要經歷了裂縫初見和裂縫擴展兩個階段。裂縫初見階段主要分布于上行線K45+130～K45+390路基段和下行線K45+350～K45+400路基段，位于超車道右側0.5～2.0 m，裂縫寬度為1～5 mm，長度為50～260 m；裂縫擴展階段裂縫沿平行線路方向擴展，其中上行線在平面上擴展不明顯，下行線擴展至K45+300～K45+420路段。封堵材料由于與路基結構層的協調變形，表面不平整，呈二次裂開的跡象和輕微下凹的微觀形態。裂縫在宏觀平面上呈直線形，符合剪切破裂的普遍規律，但在微觀上呈鋸齒狀，起伏度大，符合張開破裂的普遍規律。

2 工程地質情況

2.1 地層巖性

根據地質調查、鉆探揭示及室內土工試驗結果，場地內地層主要有第四系新近人工堆積層（Q^ml）、第四系沖洪積層（Q^al+pl）、第四系殘積層（Q^el）和第四系殘坡積層（Q^el+dl）和泥盆系中統東崗嶺基巖（D₂d）。其中第四系新近人工堆積層（Q^ml）主要成分是紅黏土夾礫石，礫石含量＜10%，該層主要分布于吳隆高速公路路基范圍內，具中等壓縮性。第四系沖洪積層（Q^al+pl）局部含少許圓礫。第四系殘積層（Q^el）土質均勻，韌性低，具中等～高壓縮性。第四系殘坡積層（Q^el+dl）土質不均勻，含少量強風化碎塊。泥盆系中統東崗嶺階基巖（D₂d）巖質較硬，薄～中厚層狀構造，局部節理裂隙較發育，少數鉆孔揭示溶洞，鉆孔揭示洞徑為0.50～2.80 m，無充填或充填軟～可塑狀黏性土。

2.2 土性試驗

鉆探選取該段填方路基具有代表性的土樣，按照《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）^［5］進行室內土工試驗，測定其物理力學指標參數如下頁表1所示。

3 病害機理及演化分析

3.1 填料特殊性質

根據表1計算可知，素填土液塑比Ir平均值為1.868，界限液塑比Ir＇平均值為1.895，Irlt;Ir＇。按照《廣西壯族自治區巖土工程勘察規范》（DBJ/T45-066-2018）^［6］，素填土屬Ⅱ類紅黏土，失水收縮后復浸水膨脹，不能恢復到原位，脹縮循環呈現縮勢。紅黏土作填料不易壓實且壓實穩定時間長，水的浸泡和干濕循環作用會使素填土的收縮變形逐次積累而加速崩解。

3.2 環境水工程影響

勘察區含兩層地下水，分別是賦存于素填土中的上層滯水和賦存于中風化灰巖中的巖溶裂隙水。上層滯水水量較小，屬填土層孔隙內的重力水，呈不連續條帶狀分布，水位隨氣象條件、季節動態變化大。該層地下水不易排出，可促進填土中的黏土礦物、水的相互作用，進而造成土層軟化，產生附加下沉和側向變形。中風化基巖的上覆巖土層為粉質黏土，因巖溶裂隙水具弱承壓性，對粉質黏土形成浮托作用，粉質黏土因此具備更高的含水率。地表水、地下水在病害路段的情況如圖1所示。

3.3 天然地基土特征

該段路基的天然地基巖土層為粉質黏土（Q^al+pl）與粉質黏土（Q^el），兩者均有特殊性。根據表1計算結果可知，粉質黏土（Q^al+pl）液塑比為1.925，大于界限液塑比1.895，屬Ⅰ類紅黏土，失水收縮后復浸水膨脹，能恢復到原位。粉質黏土（Q^el）天然含水率為67%大于液限62%，天然孔隙比為1.337≥1.0，具中等～高壓縮性，屬軟土、天然地基的相對軟弱下臥層。根據原位測試，粉質黏土（Q^al+pl）標準貫入試驗錘擊數N=7～20，屬中硬土，該段路基不屬高填、陡坡路基，按地區工程經驗路基填筑加載后，粉質黏土（Q^al+pl）層中不至于產生顯著變形和失穩。粉質黏土（Q^el）因具中等～高壓縮性，排水條件差，路基填筑形成的附加荷載易誘發其附加固結，進而出現下沉變形。

3.4 變形演化機理

填方路基變形乃至潛在的失穩破壞主要包含微觀和宏觀兩方面的演化機理。微觀上，紅黏土和其中的粗顆粒在長期內外地質營力的作用形成了相對“嵌鎖”的土體結構，其結構性被破壞后用作填土時，通常難以壓實到原始結構狀態，如圖2所示。因此，紅黏土極易在填筑完成后的項目運營期間形成附加沉降，不宜用作路基填料。宏觀上，病害主要體現于路面結構層上的裂縫、路基邊坡上剛性構筑物的破裂、堤腳的剪出變形等。

高速公路填筑工程破壞了天然溶蝕谷地的地表水和地下水的補、徑、排平衡，而人工修建的地表水和地下水排水等調節設施，均出現了不同程度的淤塞問題，導致以紅黏土為填料的路基填土局部地段匯集地下水，強度逐漸降低，出現下沉變形；再加上天然地基土下臥軟弱的粉質黏土（Q^el）層，隨著巖溶水位升降的影響，在上覆荷載作用下也出現下沉變形。上述兩類下沉變形累積到一定程度時，就會產生側向滑移變形。

4 邊坡穩定性分析

4.1 邊坡穩定計算分析

基于上述工程病害特點及機理分析，路基穩定性主要受控于路基邊坡穩定性，現通過理正巖土軟件計算邊坡穩定性。以填方厚度最大的K45+290斷面的安全系數為驗算目標，巖土層各力學參數取值綜合原位測試成果、室內試驗結果和工程經驗，并結合規范和機理分析進行修正確定，有關參數見表2。

根據《公路滑坡防治設計規范》（JTG/T 3334-2018）^［7］中表5.2.3規定，結合道路滑坡防治等級為Ⅰ級確定，正常工況下，穩定安全系數應≥1.20，非正常工況Ⅰ（自重+暴雨）條件下穩定安全系數應≥1.10。經過計算，路基邊坡在正常工況下穩定安全系數為1.281＞1.20，均較穩定；非正常工況Ⅰ條件下穩定安全系數為1.117＜1.20，路基邊坡欠穩定。

4.2 監測驗證分析

基于病害路段病害機理分析與穩定性評價，結合1～4期監測日報，可得出如下結論：（1）勘察外業完成至2022-06-30期間，并無明顯的側向滑移變形跡向，地表變形主要以下沉變形為主，當地表變形累積到14.05 mm時，出現側向滑移；（2）按軟件搜索的已知最危險滑動面對應的安全系數，路基邊坡目前基本穩定，但是在非正常工況Ⅰ時不滿足規范要求的安全儲備。

根據第1～4期監測日報顯示，邊坡位移速率達到黃色警示級，說明該段路基的變形仍在持續發展中，若任由裂縫、塑性區擴展，潛在滑面處的土體強度可能全部降低至屈服強度，在極端天氣和路面荷載的聯合作用下將逐漸趨于破壞，須做好針對性防護。

5 處治設計及效果分析

針對勘察區路段病害機理分析和穩定性驗算，為確保路基邊坡穩定和路面行車安全，對病害路段進行處治設計。

5.1 路面注漿

路面注漿范圍主要位于上行線K45+290～K45+360段路基（右幅主線），按梅花形布置，縱、橫間距為2.0 m。注漿孔采用干作業法成孔，孔徑為90 mm，鉆孔角度與水平面垂直，孔深控制在基巖面附近。其中純水泥漿采用P.C42.5復合硅酸鹽水泥，設計水灰比為1∶（1～1.2），摻入水玻璃質量占水泥質量為3%～5%，自下而上進行，速率為8～15 L/min，注漿壓力為0.3～0.5 MPa。施工順序由兩端往中間注漿，同時采用隔孔灌注水泥漿施工。

5.2 護面墻防護

路基邊坡坡面防護范圍主要位于K45+080～K45+400段路基右側，兩級坡體均采用護面墻進行防護。護面墻肋墻采用變截面方式，墻面及墻背坡率按邊坡坡率分別增減1/20。墻高3lt;Hlt;6 m時，墻背設一耳墻；當Hgt;6 m時，墻背設2個耳墻，耳墻底寬為50 cm。墻背超挖部分采用混凝土回填，沿墻身長度每隔10～15 m設置2 cm寬伸縮縫（沉降縫）一道，用瀝青麻絮填塞，深入10～20 cm。同時，在護面墻內開窗，窗內植草灌，碎落臺和平臺上2～3 m間距種植灌木、爬墻虎等植物。護面墻立面及斷面布置見圖3。

5.3 處治效果分析

經過重新處治施工后，路面裂縫填充效果較好，表層封閉性完整，坡體內的裂縫得到有效粘結；護面墻的施工有效增強了路基邊坡的穩定性。結合施工后期的監測結果可知，處治后的坡體整體穩定性較好，表明了處治設計方案的合理性。

6 結語

通過對吳隆高速公路K45+080～K45+400填方路基段病害進行原因分析及處治研究，得出如下結論：

（1）對穿越紅黏土地區的高速公路填方工程，在前期勘察設計時應充分考慮其周邊的地質情況和氣候條件，通過室內外試驗測試，確定紅黏土特殊工程性質后，針對不同工程地段部位需確定具體的設計方案。

（2）應該重視環境水對紅黏土工程性質的影響，做好路基和路基涵洞積水的疏排，避免地表水匯聚對路基坡腳的浸泡軟化，進一步加劇路基下沉開裂。

（3）采用注漿技術對已開裂的路面進行注漿處治，并對路基坡面進行護面墻防護，同時加強防排水處理措施，處治后的路基坡體整體穩定性得到了有效提高，治理效果較好，提升了坡體結構的穩定性和行車人員的安全。

參考文獻

［1］龐皓杰.高速公路滑坡治理及邊坡預加固分析［J］.西部交通科技，2022，181（8）： 75-77.

［2］梁志光.高速公路路基路面病害防治理論與方法［J］.西部交通科技，2018，135（10）： 83-86.

［3］張 華，游 宏，黃晚清.微型鋼管群樁在四川高速公路運營期路基病害處治中的應用實例［J］.公路，2020，65（2）： 272-278.

［4］馬 磊.高聚物注漿技術在高速公路路面深層病害處治中的應用研究［J］.科學技術創新，2022（26）： 100-103.

［5］JTG 3430-2020，公路土工試驗規程［S］.

［6］DBJ/T45-066-2018，廣西壯族自治區巖土工程勘察規范［S］.

［7］JTG/T 3334-2018，公路滑坡防治設計規范［S］.

收稿日期：2023-04-18