高速公路红黏土填方路基路面病害及处治技术研究

吴勇 王诗海 周泽昶 王琪

作者简介：吴 勇（1988—），硕士，工程师，研究方向：路基路面工程。

摘要：为处治穿越红黏土地区填方路基路面病害，文章以吴隆高速公路K45+080～K45+400段为例，从填土材料特殊工程性质、环境水影响、天然地基土特征等方面，分析了路面开裂及路基损坏原因；通过计算边坡稳定安全系数，结合日常监测数据，判定该边坡位移速率处于黄色预警范围；基于路基病害机理及演化分析，采用路面注浆技术和护面墙防护进行处治，并加强了防排水处理。工后监测表明，路面裂缝封闭效果和路基边坡稳定性得到了有效提高。

关键词：红黏土；填方路基；病害分析；边坡稳定性；处治技术

中图分类号：U418.5

0 引言

高速公路的建设加快了我国交通运输网格化布局进程，推动了国内各地区的物流运输及经济发展。但同时在高速公路运营期内也产生了一些工程病害，主要是路面开裂、沉降、路基边坡塌方等问题，严重影响了行车人员安全，造成了一定的经济损失和環境破坏^［1］。对于高速公路病害原因分析及处治，研究者进行了一些相关研究。梁志光^［2］总结了高速公路路基路面常见病害特征，分析了病害形成原因，提出了预防养护和病害处置技术防治措施。张华等^［3］通过分析四川高速公路典型路基病害原因，提出了微型钢管群桩加固处治方案。马磊^［4］通过分析高聚物注浆技术原理及材料性能，并对高速公路路面深层病害进行技术应用，取得了较好的应用处治效果。本文以吴隆高速公路K45+080～K45+400填方路基段存在的病害及处治工程为例，在考虑了红黏土的特殊工程性质后，对路面和路基进行了重新处治设计。

1 工程概况

1.1 基本情况

吴隆高速公路K45+080～K45+400填方路基段为双向三车道。该段路基最大填高为16.4 m，公路宽度约为28 m，形成了坡度分别为1∶1.75、1∶1.5的两级路基边坡。填方主体为取自该项目南北端边坡工程的填方土体，属红黏土掺入了少许砾石。该段路基纵向坡率较小，路段防排水设施主要有边缘排水沟、路基底部涵洞和一处填方深层泄水孔。

1.2 主要病害情况

路基边坡坡顶路面出现裂缝，裂缝处有少许沉陷，拱形骨架、混凝土护面未能对坡面上全部填土进行有效侧向位移约束，填土在雨季易受冲刷侵蚀，并被地表径流搬运至高程较低处。因此，边坡上主要的变形迹象是填土向边坡台阶、坡脚聚集。

路面病害发育阶段主要经历了裂缝初见和裂缝扩展两个阶段。裂缝初见阶段主要分布于上行线K45+130～K45+390路基段和下行线K45+350～K45+400路基段，位于超车道右侧0.5～2.0 m，裂缝宽度为1～5 mm，长度为50～260 m；裂缝扩展阶段裂缝沿平行线路方向扩展，其中上行线在平面上扩展不明显，下行线扩展至K45+300～K45+420路段。封堵材料由于与路基结构层的协调变形，表面不平整，呈二次裂开的迹象和轻微下凹的微观形态。裂缝在宏观平面上呈直线形，符合剪切破裂的普遍规律，但在微观上呈锯齿状，起伏度大，符合张开破裂的普遍规律。

2 工程地质情况

2.1 地层岩性

根据地质调查、钻探揭示及室内土工试验结果，场地内地层主要有第四系新近人工堆积层（Q^ml）、第四系冲洪积层（Q^al+pl）、第四系残积层（Q^el）和第四系残坡积层（Q^el+dl）和泥盆系中统东岗岭基岩（D₂d）。其中第四系新近人工堆积层（Q^ml）主要成分是红黏土夹砾石，砾石含量＜10%，该层主要分布于吴隆高速公路路基范围内，具中等压缩性。第四系冲洪积层（Q^al+pl）局部含少许圆砾。第四系残积层（Q^el）土质均匀，韧性低，具中等～高压缩性。第四系残坡积层（Q^el+dl）土质不均匀，含少量强风化碎块。泥盆系中统东岗岭阶基岩（D₂d）岩质较硬，薄～中厚层状构造，局部节理裂隙较发育，少数钻孔揭示溶洞，钻孔揭示洞径为0.50～2.80 m，无充填或充填软～可塑状黏性土。

2.2 土性试验

钻探选取该段填方路基具有代表性的土样，按照《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）^［5］进行室内土工试验，测定其物理力学指标参数如下页表1所示。

3 病害机理及演化分析

3.1 填料特殊性质

根据表1计算可知，素填土液塑比Ir平均值为1.868，界限液塑比Ir＇平均值为1.895，Ir［6^］，素填土属Ⅱ类红黏土，失水收缩后复浸水膨胀，不能恢复到原位，胀缩循环呈现缩势。红黏土作填料不易压实且压实稳定时间长，水的浸泡和干湿循环作用会使素填土的收缩变形逐次积累而加速崩解。

3.2 环境水工程影响

勘察区含两层地下水，分别是赋存于素填土中的上层滞水和赋存于中风化灰岩中的岩溶裂隙水。上层滞水水量较小，属填土层孔隙内的重力水，呈不连续条带状分布，水位随气象条件、季节动态变化大。该层地下水不易排出，可促进填土中的黏土矿物、水的相互作用，进而造成土层软化，产生附加下沉和侧向变形。中风化基岩的上覆岩土层为粉质黏土，因岩溶裂隙水具弱承压性，对粉质黏土形成浮托作用，粉质黏土因此具备更高的含水率。地表水、地下水在病害路段的情况如图1所示。

3.3 天然地基土特征

该段路基的天然地基岩土层为粉质黏土（Q^al+pl）与粉质黏土（Q^el），两者均有特殊性。根据表1计算结果可知，粉质黏土（Q^al+pl）液塑比为1.925，大于界限液塑比1.895，属Ⅰ类红黏土，失水收缩后复浸水膨胀，能恢复到原位。粉质黏土（Q^el）天然含水率为67%大于液限62%，天然孔隙比为1.337≥1.0，具中等～高压缩性，属软土、天然地基的相对软弱下卧层。根据原位测试，粉质黏土（Q^al+pl）标准贯入试验锤击数N=7～20，属中硬土，该段路基不属高填、陡坡路基，按地区工程经验路基填筑加载后，粉质黏土（Q^al+pl）层中不至于产生显著变形和失稳。粉质黏土（Q^el）因具中等～高压缩性，排水条件差，路基填筑形成的附加荷载易诱发其附加固结，进而出现下沉变形。

3.4 变形演化机理

填方路基变形乃至潜在的失稳破坏主要包含微观和宏观两方面的演化机理。微观上，红黏土和其中的粗颗粒在长期内外地质营力的作用形成了相对“嵌锁”的土体结构，其结构性被破坏后用作填土时，通常难以压实到原始结构状态，如图2所示。因此，红黏土极易在填筑完成后的项目运营期间形成附加沉降，不宜用作路基填料。宏观上，病害主要体现于路面结构层上的裂缝、路基边坡上刚性构筑物的破裂、堤脚的剪出变形等。

高速公路填筑工程破坏了天然溶蚀谷地的地表水和地下水的补、径、排平衡，而人工修建的地表水和地下水排水等调节设施，均出现了不同程度的淤塞问题，导致以红黏土为填料的路基填土局部地段汇集地下水，强度逐渐降低，出现下沉变形；再加上天然地基土下卧软弱的粉质黏土（Q^el）层，随着岩溶水位升降的影响，在上覆荷载作用下也出现下沉变形。上述两类下沉变形累积到一定程度时，就会产生侧向滑移变形。

4 边坡稳定性分析

4.1 边坡稳定计算分析

基于上述工程病害特点及机理分析，路基稳定性主要受控于路基边坡稳定性，现通过理正岩土软件计算边坡稳定性。以填方厚度最大的K45+290断面的安全系数为验算目标，岩土层各力学参数取值综合原位测试成果、室内试验结果和工程经验，并结合规范和机理分析进行修正确定，有关参数见表2。

根据《公路滑坡防治设计规范》（JTG/T 3334-2018）^［7］中表5.2.3规定，结合道路滑坡防治等级为Ⅰ级确定，正常工况下，稳定安全系数应≥1.20，非正常工况Ⅰ（自重+暴雨）条件下稳定安全系数应≥1.10。经过计算，路基边坡在正常工况下稳定安全系数为1.281＞1.20，均较稳定；非正常工况Ⅰ条件下稳定安全系数为1.117＜1.20，路基边坡欠稳定。

4.2 监测验证分析

基于病害路段病害机理分析与稳定性评价，结合1～4期监测日报，可得出如下结论：（1）勘察外业完成至2022-06-30期间，并无明显的侧向滑移变形迹向，地表变形主要以下沉变形为主，当地表变形累积到14.05 mm时，出现侧向滑移；（2）按软件搜索的已知最危险滑动面对应的安全系数，路基边坡目前基本稳定，但是在非正常工况Ⅰ时不满足规范要求的安全储备。

根据第1～4期监测日报显示，边坡位移速率达到黄色警示级，说明该段路基的变形仍在持续发展中，若任由裂缝、塑性区扩展，潜在滑面处的土体强度可能全部降低至屈服强度，在极端天气和路面荷载的联合作用下将逐渐趋于破坏，须做好针对性防护。

5 处治设计及效果分析

针对勘察区路段病害机理分析和稳定性验算，为确保路基边坡稳定和路面行车安全，对病害路段进行处治设计。

5.1 路面注浆

路面注浆范围主要位于上行线K45+290～K45+360段路基（右幅主线），按梅花形布置，纵、横间距为2.0 m。注浆孔采用干作业法成孔，孔径为90 mm，钻孔角度与水平面垂直，孔深控制在基岩面附近。其中纯水泥浆采用P.C42.5复合硅酸盐水泥，设计水灰比为1∶（1～1.2），掺入水玻璃质量占水泥质量为3%～5%，自下而上进行，速率为8～15 L/min，注浆压力为0.3～0.5 MPa。施工顺序由两端往中间注浆，同时采用隔孔灌注水泥浆施工。

5.2 护面墙防护

路基边坡坡面防护范围主要位于K45+080～K45+400段路基右侧，两级坡体均采用护面墙进行防护。护面墙肋墙采用变截面方式，墙面及墙背坡率按边坡坡率分别增减1/20。墙高36 m时，墙背设2个耳墙，耳墙底宽为50 cm。墙背超挖部分采用混凝土回填，沿墙身长度每隔10～15 m设置2 cm宽伸缩缝（沉降缝）一道，用沥青麻絮填塞，深入10～20 cm。同时，在护面墙内开窗，窗内植草灌，碎落台和平台上2～3 m间距种植灌木、爬墙虎等植物。护面墙立面及断面布置见图3。

5.3 处治效果分析

经过重新处治施工后，路面裂缝填充效果较好，表层封闭性完整，坡体内的裂缝得到有效粘结；护面墙的施工有效增强了路基边坡的稳定性。结合施工后期的监测结果可知，处治后的坡体整体稳定性较好，表明了处治设计方案的合理性。

6 结语

通过对吴隆高速公路K45+080～K45+400填方路基段病害进行原因分析及处治研究，得出如下结论：

（1）对穿越红黏土地区的高速公路填方工程，在前期勘察设计时应充分考虑其周边的地质情况和气候条件，通过室内外试验测试，确定红黏土特殊工程性质后，针对不同工程地段部位需确定具体的设计方案。

（2）应该重视环境水对红黏土工程性质的影响，做好路基和路基涵洞积水的疏排，避免地表水匯聚对路基坡脚的浸泡软化，进一步加剧路基下沉开裂。

（3）采用注浆技术对已开裂的路面进行注浆处治，并对路基坡面进行护面墙防护，同时加强防排水处理措施，处治后的路基坡体整体稳定性得到了有效提高，治理效果较好，提升了坡体结构的稳定性和行车人员的安全。

参考文献

［1］庞皓杰.高速公路滑坡治理及边坡预加固分析［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论与方法［J］.西部交通科技，2018，135（10）： 83-86.

［3］张 华，游 宏，黄晚清.微型钢管群桩在四川高速公路运营期路基病害处治中的应用实例［J］.公路，2020，65（2）： 272-278.

［4］马 磊.高聚物注浆技术在高速公路路面深层病害处治中的应用研究［J］.科学技术创新，2022（26）： 100-103.

［5］JTG 3430-2020，公路土工试验规程［S］.

［6］DBJ/T45-066-2018，广西壮族自治区岩土工程勘察规范［S］.

［7］JTG/T 3334-2018，公路滑坡防治设计规范［S］.

收稿日期：2023-04-18