高液限土场地陡坡路堤滑坡处治及稳定性分析

夏华盛

(浙江公路水运工程咨询有限责任公司 杭州市 310006)

高液限土具有孔隙比大、含水量高、浸水后土体强度明显降低等特点，在高液限土场地填筑高陡路堤易产生路基塌陷、沉降等病害。

通过对浙江新昌某山区一级公路高液限土路堤陡坡路堤滑坡路段地质地形的分析，提出相应处治措施，对处治后路基稳定性采用强度折减法[1]进行数值分析，为其他高液限土路基滑坡处理方案提供参考。

1 工程概况

该项目所经区域为侵蚀-剥蚀丘陵地貌，其中K14+980～K15+110段填方路基，位于山间梯田，原地面呈左低右高之势，路堤最大填土高度为15.8m，受用地限制，左侧设路堤挡墙，最大高度约6m，K15+025处设置1道2×2m盖板涵，盖板涵出水口标高位于挡墙顶附近。

路堤填筑至路床顶标高后，在降雨期间发现左侧半幅发生下沉、拉裂错动，后缘裂缝宽度20～30cm，路堤错动体后缘形成陡坎，最大下沉高度约1.5m；左侧挡墙沿沉降缝开裂，一般裂缝宽度5～10cm，最大开裂宽度约30cm，裂缝具上窄下宽特征并见水流，挡墙坡脚外侧田地共2处发育裂缝，开裂宽度一般为3～5cm，裂缝延伸一般2～3m，深度10cm左右；已施工好的盖板涵内积水严重，通过盖板涵沉降缝渗入路堤内部，在涵洞内左侧第二节与第三节的连接处有地下水渗出，水流较大，最后在涵洞左侧的出口处向挡墙内侧路堤填料渗入，地下水从挡墙底部排出路基，涵洞左侧出口无水流出。现场情况如图1、图2所示。

图1 路堤滑坡情况

图2 盖板涵汇水渗入路堤

2 地质补勘及滑坡原因分析

2.1 地质补勘

通过地质补勘发现路堤填料大小混杂，填料直径大者约70～80cm，夹黏性土，多呈饱和状，局部已软化，原地面表层黏土可塑为主，局部软塑，下伏全风化玄武岩，属高液限土，该层孔隙比偏大(e=1.564)，含水率较大(W=55.7%)，具高压缩性，浸水后土体强度明显降低，全风化凝灰质砂岩(凝灰岩)及强风化基岩工程地质性质相对较好；地下水位标高略低于原地面。典型地质剖面如图3所示。

图3 地质横断面

2.2 滑坡原因分析

根据现场调查分析，产生路基滑移的原因有以下几个方面：

(1)自路堤填筑完成后，当地多日连续降雨，气象台统计资料显示，当月降水量为217.8mm，比往年平均降水量增加约70%，本段路基所处地形比较特殊，右侧汇水面积较大，施工期间排水系统尚未完善，大量汇水渗入路堤和地基土内，且路面结构未施工，路基顶雨水无法通过横坡排出，使得路堤填料吸水饱和，导致路堤饱水后荷载增加。

(2)地表土层力学性质较差，尤其是全风化玄武岩，属高液限土，浸水后其强度急剧下降，使路堤及挡墙沿该局部软弱带产生滑移、沉陷。

(3)由于路堤填料分选性差，大小混杂，路堤不易压实，雨水及右侧山坡来水易渗入路堤，而雨水渗入后滞水现象明显，填土强度降低。

(4)盖板涵基础以下填土压实度不足，涵身发生了不同程度沉降和水平位移，不同节段间出现了水平间隙和错台现象，其中左侧第二节较左侧第三节相对垂直下沉25～30cm，水平相对位移达25～35cm，右侧山坡汇水不能沿盖板涵排到路基以外，而是在进水口汇集后在涵身节段之间的沉降缝渗入到路堤内部，产生较大水压力，不利于路基的稳定。

(5)由于路基填料含较多黏性土，致使挡墙内设置的排水孔均未起到排水效果，在路堤已基本处于饱和状态下，所有排水孔均无地下水排出，进一步加剧了路堤滞水情况。

(6)地表存在一定的横向坡度，对路堤横向稳定性不利。

上述水害及地质地形等不利因素综合作用，导致了本段路堤产生滑坡。

3 路堤滑坡处治及稳定性分析

3.1 滑坡处治方案选择

由于现状路堤已产生滑坡，挡墙已发生位移，盖板涵已错位，故需挖除已产生病害的老路堤，在填筑新路堤之前，需对原地基进行处理。

主要考虑对换填方案和预应力管桩加固方案进行比选：换填方案采用清宕渣对软弱土进行换填，可以提高地基强度，大幅提升该路段的排水性能，从而提高路堤稳定性；预应力管桩加固方案相对换填方案，其处理深度更大，同时可以大幅减少弃土，但由于地面线存在一定的横向坡度，管桩虽然可以大幅提高地基承载力，但抵抗横向土压力的能力较差，且横断面分布梯田呈台阶状，台阶上下管桩的受力协调性不好，易引起不均匀沉降导致路面开裂等病害，另外，场地内下伏基岩起伏，中风化岩强度较高，管桩打设较困难，管桩打入持力层深度难以保证。

鉴于本路段滑坡主要是由于排水不畅、表层黏土和高液限土性质较差以及路堤填料级配不良引起，故采用以换填为主，提高本路段排水能力的处治措施。

3.2 滑坡处治方案

对原地面以下软弱土层进行换填，下部设置矩形网状渗沟，并在原地面以上设置清宕渣垫层，具体设计方案如下：

(1)对原地面以下粘土层及高液限土采用清宕渣换填，由于表层黏土及高液限土总厚度达6m左右，若全部进行挖除换填清宕渣，则弃土数量较大，造价较高，经综合考虑，对地基表层黏土、全风化玄武岩换填深度取3m。

(2)由于高液限土未完全清除，为确保其排水通畅，在3m换填层以下设置网状渗沟。渗沟深度为3m，断面采用倒梯形，底部宽度1.5m，顶部宽度4.5m，渗沟网格中心线纵向间距为20m，横向间距为15m。并要求横向渗沟延伸至路基范围以外，直至梯田边部。

(3)基底结合原地面线形状，横向开挖成台阶，并在原地面以上2m范围设置清宕渣垫层，进一步利于路基排水。

(4)滑坡段原路堤填料全部挖除废弃，重新填筑时严格控制填料质量，其中上路床0～30cm范围内要求采用含泥量小于8%，最大粒径小于10cm的清宕渣，路床顶面横坡应与路拱一致；垫层及换填清宕渣要求含泥量小于10%，最大粒径小于15cm；渗沟材料要求含泥量小于5%，最大粒径小于5cm。同时对本段填方路段提高路基压实度标准，地表基底压实度≥92%，上、下路堤压实度≥94%。

(5)取消了左侧挡墙，改为放坡路堤，并降低涵洞出水口标高。

设计横断面及渗沟平面布置形式如图4、图5所示。

图4 路堤处治横断面图

图5 渗沟布置平面图

3.3 稳定性分析

采用Midas GTS NX有限元软件针对处治后路堤稳定性进行验算，稳定性计算方法采用强度折减法(SRM)，土体材料均为Mohr-Coulomb弹塑性模型，主要参数如表1所示。其中黏土、全风化岩均按偏不利情况直接取饱和状态时的参数。

表1 土体物理力学指标

正常工况按快剪指标及天然重度取值，暴雨工况时，分两种情况进行计算：

(1)路面雨水大部分能通过横坡汇入排水系统后排出，部分雨水渗入路堤填料后能顺利排出，水位线以上材料均取表中正常情况时参数，水位线以下取饱和状态时参数。

(2)路面雨水大量渗入路堤，且排水不畅，填料滞水，即按偏不利情况考虑，填料取饱和状态值，对于垫层及换填清宕渣，仍然按水位线分别取值。

水位线的确定结合补勘时地下水分布情况，按不利情况考虑，假定两侧排水沟失效，路堤右侧发生积水，雨水渗入后从左侧坡脚口溢出，有限元模型如图6所示。

图6 有限元网格模型

经计算，各工况路堤稳定系数如表2所示，潜在滑动面塑性应变如图7～图9所示。

表2 各工况稳定系数计算结果

图7 正常工况 潜在滑动面应变云图

图8 暴雨工况-路堤不滞水 潜在滑动面应变云图

图9 暴雨工况-路堤滞水 潜在滑动面应变云图

由稳定性计算可知，正常情况下以及暴雨工况时路堤不滞水情况时路堤稳定系数满足规范要求，暴雨工况下若路堤滞水时，其稳定系数低于规范要求值，由此可见，只要在施工时按设计要求严格控制路堤填料粒径及压实度，避免路堤滞水，同时完善排水系统，正常工况及暴雨工况时路堤稳定系数均可满足规范要求。

4 结论

通过针对高液限土陡坡路堤路段地质地形的分析，提出了相应的处治措施，并进行了稳定性分析，目前本项目已通车运行接近6年，历经多次强台风降雨考验，运营情况良好，根据该路堤滑坡路段处治经验，获得以下结论：

(1)对于高液限土场地的陡坡高填路堤，排水不畅是引起路堤失稳的直接原因，通过将高液限土进行换填、设置渗沟等措施形成完整的排水系统，可以较好地保证路堤稳定性。

(2)高液限土含水量高、孔隙比大，遇水后强度急剧降低，形成软弱滑动面，需对其进行处理后才能作为路堤持力层。

(3)在排水系统完成前，应重视施工期间临时防排水措施，及时将汇水排出，避免雨水积聚在路基范围。

(4)路堤填料质量是影响路堤稳定性的重要因素，填料级配不良会导致路堤压实度不足，遇水后强度降低、容重增加，从而引发路堤失稳。