桂南地區紅黏土路基病害機理探討

摘要：文章以桂南地區某高速公路紅黏土填方路段病害勘察地質調繪、采樣室內試驗為基礎，從地貌、地質、水文、填料性質、病害力學機制等方面綜合分析了填方路基的病害機理和演化過程。結果表明，該路段病害機理與內凹地形、排水不暢、填料隨含水率的抗剪強度變化大、裂縫的張剪特性息息相關；紅黏土的特殊性質、車輛荷載與強降雨分別構成本路段病害的內因和外因；病害的演化在不經干預的情況下可經歷顆粒搬運、小范圍塑性變形、附加沉降變形、變形擴展、塑性區貫通等五階段，屆時將面臨漸進累積變形的風險，建議采用加強梳排水、填方加固、包邊、加強監測等處治措施。

關鍵詞：紅黏土；路基病害；填料；機理

U416.1A090293

0 引言

紅黏土是廣泛存在于桂南地區的一類特殊性土，因其不易壓實［1］、水穩性不佳的工程性質曾被排除于路基填料的選擇范圍［2］，然而在日趨緊張的用地及環保等要求下，挖方紅黏土不得不更多地應用到高速公路的填方建設中來，不可避免地因其特殊性產生諸多公路病害，如何分析其作為填料的變形機理，進而規避其特殊性質引發的工程負面效應是亟待解決的工程課題之一。

有鑒于紅黏土填料在桂南地區某高速公路K45路段誘發的路面裂縫等病害，本文以此為例，試圖從地貌、地質與水文、填料抗剪力學特性、裂縫性狀等多個方面進行闡述和探討，厘清紅黏土填方路基的病害機理特征，進而給出合理的防治建議。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

桂南地區某高速公路K45路段原始地貌區域為地勢較為平緩的剝蝕殘丘～溶蝕準平原地貌區，自然地面高程為95～105 m，相對高差約為10 m。研究區在南、北部分為地勢相對較高的山丘，其余地段地勢相對較低且相對平坦。該段高速公路大約以N15°E的走向穿越勘察區，最大填方高度約為16.4 m，形成坡度分別為1∶1.75、1∶1.5的二級填方斜坡。研究區表層覆蓋5～10 m的沖洪積成因黏土層，該層之下為泥盆系灰巖，巖溶弱發育。

沖洪積黏土層可～硬塑狀，厚度為4～10 m，微透水，屬相對隔水層。地下水以原始地面以下賦存于灰巖內的巖溶裂隙水為主，屬具有弱承壓性的地下水。

出于平衡土石方、環境保護、盡量減少用地等多方因素考量，本路段采用了紅黏土填方路基為主的形式穿越研究區，填方采自研究區南北兩側擬建挖方邊坡挖出的土石方。填方經分層碾壓至完工之時，尚未出現顯著沉降、變形裂縫等破壞。

1.2 路基病害特征

交工通車3個月，在研究區的路面上出現了三道與線路平行的裂縫，裂縫總體平直，長度為50～150 m，細觀上為鋸齒狀。為維護高速公路的正常運營對裂縫進行了緊急封閉止水處理和持續觀測。

2 研究思路

由于本項目在地形地貌、水文地質、填方性質等諸多方面的特殊性，需建立從病害宏觀特點出發，由研究區工程地質條件、填料性質、病害細觀特征等多方面結合的病害機理研究思路，從而進一步梳理和預測病害的形成和演化規律，以便提出研究區處治原則和方案，其技術路線圖見圖1。

3 病害機理分析

3.1 地形與地貌

研究區主要位于溶蝕準平原的相對低洼部位，地表多為第四系沖洪積土層覆蓋，土層成分主要是透水性差的黏性土，未見有基巖出露點，因相對內凹的地形、缺乏良好的地表水排泄通道，成為地表的相對匯水區域。原始地貌的人工改造主要是某高速公路大約以N15°E的走向穿越研究區，形成二級填方斜坡，于K45+250處設置一道與線路大角度斜交的鋼筋混凝土圓管涵以疏排地表水。勘察區通常情況下無地表流水，但是在強降雨期間可在涵洞附近匯成積水，堤腳部位填料浸水時間長。

3.2 水文地質

研究區在地形地貌上處匯水段，表層黏性土透水性弱，地表匯水易于積聚于研究區，匯水成了路基病害的誘因之一［3］。結合區域水文地質圖（見圖2），研究區北西、西、南西為丘陵區，水文地質單元屬地下水的補給區；場地北東、東側的右江、巖溶洼地地勢相對研究區更低，屬區域地下水排泄基準面，且北東側發育斷層，更利于地下水的運移。地下水按含水介質分類屬巖溶裂隙水，按埋藏條件分類屬承壓水。在巖溶水垂直分帶的劃分上，研究區地下水位于水平循環帶～深部循環帶，有利于形成近似水平的地下暗河通道。由于勘察區附近未見巖溶泉，巖溶水總體向北東、東方向運移至沿斷層發育的構造暗河，最終向右江或巖溶洼地排泄。研究區地下水主要活動于基巖中，地表水與路堤的相互作用是水文地質對病害的主要影響。

3.3 填料物理力學性質

經走訪調查，該段路基填料取自研究區南、北側的挖方土體，含少許礫石。對病害專項勘察的取樣進行室內試驗，填土試樣均具備高液限、高孔隙比、中等壓縮性等工程性質，具有團聚體-內部扁平礦物的微觀結構，屬紅黏土。填方土層具較高壓實度，然而室內試驗反饋填料含水率分布于22%～58%，含水率與其直剪試驗抗剪強度呈非線性相關性（見圖3）。

由于采樣的位置和深度有所差別，各個采樣點的水補給和散失條件有差異，含水量有所浮動，樣品抗剪強度隨含水率的增大出現先增大后減小的趨勢［4］，粘聚力和內摩擦角均在低含水率區間急增至某一峰值后相對平緩的減少，粘聚力和內摩擦角的“峰值”分別出現于含水率30%～34%和34%～38%處，兩指標的增減不同步。

經過代表性樣品的數據擬合，研究區紅黏土填料抗剪強度的擬合公式分別如下：

c=-2×10-6w5+0.005w4-0.037 8w3+1.242 8w2-13.393w+1（1）

φ=-0.000 1w4+0.020 7w3-1.405 9w2+41.398w-419.77（2）

上述兩式相關系數的平方值R2分別為0.979和0.991，擬合效果佳，是紅黏土填方較為合理的力學性質反映。

3.4 病害細觀特征及成因分析

裂縫是該路段病害的主要體現，通過病害勘察期間對其細觀的觀察可以發現，裂縫在地表總體呈直線形展布，而在更小的觀察尺度上，其在延伸長度上呈現為鋸齒形的形態。鉆取芯樣揭示，裂縫有所起伏，粗糙度系數［5］JRC=12～18，表層寬度略大于下端。從力學機制的觀點上看，裂縫的成因以張性拉裂為主，剪切破壞次之。

4 病害形成與演化機理

4.1 病害的內因與外因

綜上對幾個影響因子的分析可知，研究區填方路段的病害機理包含內因與外因。

其內因主要在于紅黏土填料的特殊性質，其在微觀上通常由扁平狀的黏土礦物組成，具有團聚體-團聚體內部結構的雙重結構［6］：團聚體內部由排列緊密的扁平狀黏土礦物組成，彼此之間形成細小的微觀孔隙，即團聚體內孔隙；團聚體由于尺寸相對較大，其間還會形成較大的團聚體間孔隙（見圖4）。紅黏土作為填料經開挖其結構性被破壞，壓實作業可在使團聚體形成相對“嵌鎖”的土體結構，而團聚體內部的扁平黏土礦物難于壓密，且干濕循環下易于產生脹縮變形。

外因方面，長期的內外地質營力造就了研究區相對低洼的地貌條件，又因地表土層透水性差，雨水作用下研究區極易成為集中匯水區，盡管設置了通水涵洞，但是卻未能起到疏干地表水的作用，造成堤腳部位填料吸納大量結合水，成為相對劣質的高液限土。此外，該路段已通車，車輛荷載在靠近路面的部位屬瞬時附加應力，按照有效應力原理，上部紅黏土中孔隙水在荷載作用瞬間來不及排出會形成很大的孔隙水壓力［7］，可在初始裂縫形成后進一步促進填料與大氣、水的相互作用，并加劇脹縮變形、沉降變形的擴展。

4.2 路基病害的演化

在多方面誘發因素的聯合作用下，紅黏土填料在干濕循環條件下產生脹縮變形，收縮變形難以復位至膨脹變形前的形態誘發路面裂縫的形成。其后在降雨、排水不暢、車輛荷載的綜合影響下首先于填方邊坡的坡頂（即路面）、近坡腳處（即排水不暢處）產生塑性變形區（見圖5），坡腳剪應變集中，若不加以整治，病害仍會進一步演化為漸進累積變形［8］乃至破壞。

在地形地貌、水文地質條件、填料物理力學性質、車輛荷載等各方面影響因子的綜合作用下，路堤的病害演化全周期有五個階段：（1）在坡面上被沖刷形成微溝槽，表面土體顆粒被地表徑流搬運至平臺、坡腳等低矮處；（2）由于填土內排水不良，加上車輛瞬時荷載的作用，坡頂形成局部塑性變形區和張剪形破裂；（3）坡腳涵洞處填方因排水不良而力學性質劣化，并出現附加沉降與側向脹縮塑性變形；（4）裂縫及塑性變形進一步擴展，坡頂出現顯著張剪錯位，堤腳出現全面鼓脹變形；（5）路堤邊坡持續蠕變，塑性區相對貫通且大多進入應變硬化階段，變形停止，局部土體進入塑性軟化狀態，填方路堤出現過于顯著的變形，以致路堤喪失正常使用功能。

5 路基病害處治

病害勘察后實施了該路段的變形監測工作，一定時期內的監測數據顯示路堤變形速率位于黃色級別的范疇內，側向滑移速率和累積位移均還未達到失穩程度，該路段病害發展仍處于階段（2）至階段（3），應采取必要的措施以阻止變形擴展為大規模應力屈服而失穩［9］，建議采用如下處治措施：

（1）全面完善路面和路基排水，特別是填土和天然地基接合部位的排水，如因地形內凹而難于疏排則可增設集水井。

（2）利用化學注漿等方法，可進一步強化填土與天然地基土層［10］，以抑制變形和塑性區的擴展。

（3）增設非特殊性填料的包邊，防止紅黏土填料與大氣和水的相互作用導致脹縮變形的進一步擴展。

（4）加強監測，若治理期間，側滑進一步加劇，需做好坡底反壓等應急預案，并在側滑剪出地段設置抗滑樁或微型樁承式擋墻等強支擋結構。

6 結語

本文以桂南地區某高速公路K45路段路基病害為例，從病害宏觀特點出發，通過地形、地質、填料、水文等多方面綜合進行了病害機理分析，并基于此給出了治理建議，主要結論如下：

（1）研究區相對內凹的地形條件使得病害路段易于匯水，又由于地表基巖不甚出露，土層透水性差，強降雨條件下地表積水難以消散；取樣試驗反映了紅黏土填料抗剪強度隨含水率先增后降的趨勢，變化幅度大，且粘聚力與內摩擦角的增減不同步；鉆取的路面結構層芯樣的裂縫形態反映了其力學成因以張性破壞為主，剪切為次要成因。

（2）紅黏土的團聚體內部扁平黏土礦物結構是該路段病害的主要誘因，干濕循環下填料的脹縮變形及變形不易復位是其與大氣和水的相互作用的宏觀體現；車輛荷載和強降雨會增大紅黏土填料內的孔隙水壓力，加速其變形破壞。

（3）路基病害在不加干預的情況下會經歷顆粒搬運、小范圍塑性變形、附加沉降變形、變形擴展、塑性區貫通等五個階段，基于以上分析提出了排水、填方加固、包邊、加強監測等處治建議。

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