不良地质高填方路堤边坡稳定性分析与治理.pdf

第 卷，第 期年 月公路工程 ，：收稿日期 基金项目福建省自然科学基金项目（）作者简介林学春（），男，福建宁德人，教授级高级工程师，硕士，主要从事公路工程施工质量监督工作。引文格式林学春，刘文杰，阙云 不良地质高填方路堤边坡稳定性分析与治理 公路工程，（）：，（）：不良地质高填方路堤边坡稳定性分析与治理林学春，刘文杰，阙云（福建省交通建设质量安全中心，福建 福州 ；中交 一 公 局 厦 门 工程 有限 公 司，福 建 厦门 ；福州大学，福建 福州 ）摘要高速公路建设中，不良地质高填方路堤基底处治是设计和施工的关键环节。结合工程实例对富水淤泥质不良地质条件下高填方路堤边坡稳定性及裂缝产生原因进行分析，并对病害进行综合治理，研究结果表明：含砂淤泥层是否可用于路基基础，应通过含砂率指标、地基承载力检测、边坡稳定性验算等确定，当地质条件不满足路堤填筑要求时进行填筑施工，将加剧路堤病害的产生；在富水淤泥质地层进行高填方路堤施工造成地下水位上升，将进一步加剧路基沉降等病害的产生；“微型钢管桩帽加固 周边注浆”处置方案可有效治理富水淤泥质地层高填方路基沉降等病害，处治约 后边坡变形趋于稳定。治理措施的成功应用为类似工程提供一定工程借鉴。关键词特殊地质；高填方路堤；边坡稳定性分析；应用研究 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，；，），：，第 期林学春，等：不良地质高填方路堤边坡稳定性分析与治理 ；引言随着我国交通行业的迅速发展，高填方路堤在公路工程中随处可见。其沉降变形和稳定性成为公路安全的关键。沉降变形将诱发路基路面病害的衍生，进而影响行车安全及舒适性，严重时甚至出现路基塌方等严重病害，危及道路的使用安全 。近年来，国内外学者从理论研究、试验及数值分析等方面，对高填方路堤的沉降做了大量研究 。其中，基于经典土力学的传统预测方法 、基于本构理论的数值计算法 和根据实测沉降资料的预测法 得到了广泛认可和应用；等 基于极限分析的上限理论，考虑地基表面由填筑体产生的水平荷载，推导出填筑体非均质黏性土地基极限承载力计算公式；杜耀辉等 以 成武高速为 背 景，通 过离心模型试验对路基填料的沉降规律进行了研究；吴宝福 以厦沙高速某标段为例，对高填方 路堤工后沉降情况进行了现场监测和数值模拟研究；赵建军等 以重庆某高速公路为 背景，研 究了填土路堤的变形破坏机制，并对孔隙水压力与路基变形之间的关系进行了分析；张 春 涛 对高填方路堤的不均匀沉降产生的机理及原因进行了研究。为有效防治高填方路堤病害，应及时理清病害种类、成因、施工质量控制方法，以及病害发生后有效处治措施等。本文基于工程实例分析了不良地质情况下病害成因，针对性提出有效的处理措施，可为后续类似工程在设计、施工及日常管养等方面提供借鉴意义。工程背景 工程地质概况某高速公路位于东南山区，属于剥蚀丘陵地貌，横跨山谷段路基三面环山，横纵断面均为半填半挖地段，路基基底地层地质情况为淤泥质粉质黏土，坡积 粉 质 黏 性 土、残 积 黏 性 土（含 小 砂 砾 ）、全风化钾长花岗岩、砂土状钾长花岗岩、碎块状钾长花岗岩。横断面挖方侧山体自然坡比约为 ，节理为顺层向排布，依次为坡积粉质黏土、残积黏性土、全风化甲长花岗岩、砂土状强风化甲长花岗岩。水文地质概况工程建设路段地表水发育，路线边沟路堤边沟红线外侧 为沼泽地，靠近省道边长度约 范围常年积水，地下水主要为地下带网状孔隙裂隙水，主要富存于强风化甲长花岗岩及甲长残积层下部，主要接受侧向补给，往低洼处排泄，随季节性变化较大。路基设计和施工情况该高速公路路堤为三级边坡，最大填土高度 ，路堤的防护形式均为拱形骨架防护，设一处踏步兼急流槽，路基边沟和急流槽均为 ，现场设有纵横向排水盲沟。现场地形较为复杂，路基横断面方向和纵断面方向大小桩号三面位于填挖交界位置，自然坡度为 ，坡度较陡，台阶高度较高，现场施工时均开挖台阶，宽度按设计要求 控制。路基填筑填料主要为残积黏性土和全风化花岗砂包土，地勘芯样与土工试验土样一致，土工试验最大干密度为 ，填筑材料较好。路基填筑松铺厚度和分层碾压遍数按照试验总结实施，路基填筑采用 大吨位压路机碾压和冲击碾压补强。路堤路面病害情况 病害状况该高速公路路面病害发生在路堤施工完 个月，交工验收前 个月时间，高填方路堤沥青路面出现纵、横向裂缝，路面及边坡沉降位移，路面纵向裂缝长度 、宽度 ，横向裂缝长度 、宽度 ，一、二级平台出现凹陷、沉降 ，填挖交界位置急流槽挤压变形 ；路堤边沟沉降 ；路基排水盲沟出口沉降 ，沥青路面较设计标高沉降 。病害应急处置及监测该高速公路病害产生后，施工单位立即对裂缝位置采用水泥浆灌缝处置，并在路堤二级平台位置布设沉降观测点进行监测，持续监测 ，监测结果如表 所示。表 病害监测结果统计 累计沉降量 累计位移量 路面纵向裂缝长度展 路面纵向裂缝宽度发展 路面纵向裂缝长度展 路面纵向裂缝长度展 公路工程 卷 路堤边坡病害成因分析 地基承载状况分析经调查，施工单位完成现场清表后发现纵断面方向长度 、横断面方向宽度 的范围内存在表层为 黑色淤泥层，以下有深度约的灰黑色淤泥层，且淤泥层含有一定砂，与设计文件相符，根据设计要求现场施工期间未采取相应处理措施。根据现场沉降情况分析，对该沉降段路基二级平台位置进行地质补勘，并对沉降边沟外侧 范围内进行放坡开挖探测，依据 公路土工试验规程（）及 公路工程地质原位测试规程（）对两处复测地段进行土质分析、静力触探及土样的抗剪强度试验等，具体检测指标如表 所示，现场开挖见图 、图 。表 现场复测段实测指标 检测位置物理性质力学性质土质深度 形态描述砾石含量 地基承载力 抗剪强度 二级平台处淤泥质土 呈灰黑色，淤泥段芯样 位置含腐植质，有异味，呈饱和软 可塑状态 坡脚边沟外侧淤泥质土 呈灰黑色，含较多腐殖质，有异味，呈饱和状态，流 软塑状态 设计指标 图 工程地质横断面图显示淤泥层 图 坡脚水沟外侧挖探情况 由表 、图 、图 可知：经现场补勘可明显看出路基基底存在软弱下卧层，且坡脚位置水平承载力不足，对路基沉降和位移产生较大影响；二级平台位置与边沟外侧实测承载力差别较大，除试验方法不同造成差异性影响外主要是因为边沟位置为原状土，二级平台位置为路基填筑 个月后的受力压缩状态，两者受力状态不同造成的数值差异，同时较大的数值差异也进一步说明原地基承载力不足造成路基沉降与位移。周边环境影响分析根据现场实测，路堤边沟红线外侧 为沼泽地（如图 、图 所示），常年积水，实测路堤排水 盲 沟 出 口 标 高 为 ，沼 泽 地 水 面 标 高 ，高差 ，已探明原地面以下淤泥层深度为 ，按照潮汐理论，沼泽地积水会反流侵入路基基底淤泥层，淤泥层积水无法排出，持续的积水使淤泥层难以固结，进而造成路基沉降。图 路面病害段落平面图及反流浸泡示意士 同时在路基右侧小桩号红线外靠近山体侧面发现一处新泉眼，持续冒水，在复勘钻孔取样时当钻孔深度到原地面标高以下时，受潜孔钻风压的影响，相邻孔大量冒水，这主要是由于该段路基地形第 期林学春，等：不良地质高填方路堤边坡稳定性分析与治理图 路基边坡坡脚及线外沼泽地 起伏较大，路基地质不良，横纵断面三面位于填挖交界位置，路基填筑后，造成山体裂隙水系改变，地下水位上升等现象；由于地下水位上升，侵入路基基底，使路基基底遇水软化，这进一步加剧了路基沉降变形，使路面出现裂缝、路基边坡出现位移。现场结构影响分析该段路基边沟和急流槽设计为 的浆砌片石边沟，路堤排水沟与两端急流槽边沟连接，路基沉降后，路基边沟两侧沟顶高差 ，内侧低、外侧高，小桩号侧填挖交界位置急流槽沉降变形，挤压变形缩小 ，排水不畅，排水盲沟沉降，路基盲沟出水口标高较流水面标高沉降 ，路基基底积水无法排出。由于路基边沟的不透水设计使边沟外侧积水无法有效通过边沟排出，难以固结，同时路基沉降造成边沟和盲沟的变形、阻塞，路基内部水分无法排出，使基底遇水软弱，加剧了路基的进一步沉降。综合治理方案与监测 综合治理方案综合考虑到该段路基地质、水文、现场施工质量、总体沉降、位移，处治重点是含砂淤泥层的加固和路面裂缝的加固，避免路基进一步沉降造成滑坡，确保路基的整体稳定。本着运营安全、长治久安、一次性处治到位的原则进行处治，现场采用“微型钢管桩帽加固 周边注浆”，同时对破坏的路基排水系统按修复方案进行治理，如图 、图 所示。微型钢管桩帽加固方案处治的原则是对路基整体进行加固，通过微型桩加固，解决路基软基沉降位移的问题，通过边坡注浆加固软弱地基，增加路基的整体性，具体处治方案如下：图 钢管注浆桩加固平面图 图 钢管注浆桩加固布置图 采用 无缝钢管注浆桩结合钢筋混凝土桩帽加固钢管注浆桩。采用 无缝钢管注浆桩加固的方法对二级平台进行加固，钻孔直径 ，桩间距按照纵向 、横向 梅花型布置，钢管嵌入强风化岩层深度不小于 ，确保基底承载力，解决路基沉降和位移的问题，无缝注浆钢管桩外漏，与台帽浇筑成整体，确保整体受力。微型钢管桩施做完成后，在二级平台钢管桩施做范围设宽度 、厚度 的钢筋混凝土桩帽，同时按照间距 预埋预应力锚索孔备用。为进一步加固软弱基底，在二级和三级边坡靠近平台位置各打设 排 无缝注浆钢管至软弱层，对基底进行加固固结，钻孔直径 ，桩间距按照纵向 、横向 梅花型布置，钢管打设夹角 ，钢管嵌入强风化岩层深度不小于 。路面裂缝两侧各打设 排注浆孔，对裂缝位置进行注浆固结，注浆孔深度按照原地面以下 公路工程 卷控制，确保基底承载力，施工时严格控制注浆压力，确保注浆效果。由于原排水盲沟沉降、路面注浆，基底排水系统堵塞，路基基底积水无法排出，在第 级边坡坡脚位置设 根平孔排水孔，横断面方向长度至填挖交界界面，确保路基基底排水。对坍塌边沟进行修复，路基侧浆砌片石修复，另一侧土沟自然放坡。路面裂缝段落铣刨开挖路床顶面，重新施做路面。本边坡处治完成后，经过第三方深孔监测和施工单位 个月的监测，总体沉降和位移稳定，未出现路面缺陷。注浆施工工艺路基病害路段钢管注浆加固的施工重点是注浆质量控制，确保注浆效果，潜孔钻钻孔完成后，采用机械配合人工下放钢管，封闭注浆孔顶部后进行注浆施工，注浆施工方法如下：注浆设备：采用活塞式注浆机，压力不小于 ；为确保注浆压力，采用双压力表双控的方法控制，其中注浆机自带压力表一台，注浆管出浆口位置安装一处注浆压力表，施工人员可随时观测注浆压力，确保注浆质量。浆液配比：注浆材料采用纯水泥浆，强度等级为 ，水灰比 。注浆压力：注浆压力不小于 ，注浆达到压力时，应继续保持 以上后即可停止注浆；注浆时对注浆孔进行编号，做好注浆记录。注浆孔顶面填塞：注浆管下放后，为保证注浆压力，路面以下采用砂浆、水泥浆或混凝土填塞，与注浆管浇筑成整体，填塞深度不小于 ，为保证砂浆或混凝土填塞浇筑密实，填塞前可采用水泥袋等材料填塞，防止浇筑时流入孔内，填塞完成后，强度达到 后，方可注浆；经试验，填塞深度 、填塞物满足强度时，可保证注浆压力。冒浆的控制。由于潜孔钻钻孔和注浆压力易造成注浆孔串孔，注浆时相邻孔易冒浆，无法达到注浆压力；由于串孔后，注浆间歇时浆液凝固，未达到注浆压力时已无法注浆，影响注浆效果；为确保注浆压力，控制方法如下：注浆区域划分：按照分区钻孔、注浆的方法组织施工，每个区域注浆完成后，间隔 个区进行钻孔注浆（如 区注浆完成后、施做 区、再施做 区），每区原则上间隔不小于 。间隔循环注浆：单个区注浆时，应隔孔循环注浆，先两端孔钻孔注浆、再中间孔钻孔注浆，利用中间孔验证注浆效果；注浆前，应将注浆区域全部安装注浆阀门并关闭，防止注浆时相邻孔冒浆。间歇循环注浆：路面冒浆时，应及时调整至相邻孔注浆，如注浆孔均冒浆时，应暂停注浆或调整至其 他 分 区 注 浆，待 浆 液 初 凝 前 再 次 返 回 注 浆（初凝时间 ），再次注浆时适当调整水灰比，增加水泥掺量，调整水灰比至 ，施工时应严格控制时间，防止浆液凝固硬化后无法注浆。注浆压力控制：注浆时，现场操作人员应实时观察注浆压力，严禁超过注浆压力时继续注浆，造成冒浆或路面鼓包凸起。注浆的现场巡查：注浆期间，应安排专人对路面、边坡现场巡查，发现冒浆时，应及时通知操作人员停止并调整注浆孔。注浆孔顶部补浆。注浆完成后，检查注浆管是否饱满，出现管内空管时，应进行补浆，管内部分空管主要因是浆液水分渗入土体、凝结后收缩所致，可采用灌浆或注浆的方法补浆。注浆质量检验和淤泥层处治注浆效果分析。注浆加固完成后，经地质勘探 组芯样分析，淤泥层 范围 地层 芯样 地 基 承 载 力 达 到 、，达到路基设计要求；经监测路基边坡总体稳定，未发现沉降、位移，达到了钢管注浆预期效果。边坡稳定性监测分析现场治理施工完成后分别在桩帽（测点 ）、坡脚（测点 ）、路肩（测点 ）位置分别设置沉降观测点，经过 持续观测，现场无明显变形，桩帽与边坡间无脱离，具体数据如图 所示，处置完成 后经现场调查，处置地段稳定，无变形及二次损害现象，现场处置效果良好。由图 可看出：施工完成约 后各测点变形基本趋于稳定，最大相对位移约为 ；竖直向测点 的相对位移高于测点 ，测点 呈现负位移，这主要因为测点 位于桩帽上由于桩帽的重力作用测点竖向位移相对较大，测点 位于坡脚位置，由于浆砌边沟的约束作用，微微隆起，呈现负第 期林学春，等：不良地质高填方路堤边坡稳定性分析与治理（）竖直位移（）水平向位移图 治理后各测点竖直与水平向位移 向位移；测点 的水平向位移较测点 、测点 大，主要由于钢管桩的水平向位移在桩帽测点上反映，测点 受到水平向约束作用，位移相对较小。结论本文通过工程实例，对不良地质条件下高填方路堤边坡稳定性及裂缝产生原因进行分析，并对病害进行综合治理，为类似工程提供一定工程借鉴，主要结论如下：含砂淤泥层是否可用于路基基础，应通过含砂率指标、地基承载力检测、边坡稳定性验算等确定，当地质条件不满足路堤填筑要求时进行填筑施工，将加剧路堤病害的产生。在富水淤泥质地层进行高填方路堤施工造成地下水位上升，将进一步加剧路基沉降等病害的产生。“微型钢管桩帽加固 周边注浆”处置方案可有效治理富水淤泥质地层高填方路基沉降等病害，治理后约 边坡变形趋于稳定。参考文献 宋沛 公路工程高填方路基施工技术研究 黑龙江交通科技，（）：，牛志强，闫长斌 高填方路堤工后沉降理论预测模型研究 公路工程，（）：夏祥山，刘宇 高填方路堤边坡稳定性分析方法及控制措施研究 工程建设与设计，（）：秦亚琼 基于实测数据的路基沉降预测方法研究及工程应用 长沙：中南大学，唐利民，朱建军 软土路基沉降泊松模型的正则化牛顿迭代法 武汉大学学报（信息科学版），（）：刘?炜，韩煊，陈昌彦，等 高填方路基沉降预测的半数值半解析方法 地下空间与工程学报，（）：，：，；（）：，（）：薛凯元，巨玉文，王文正，等 地形对黄土高填方路堤沉降的影响 科学技术与工程，（）：，（）：杜耀辉，杨晓华，王明皎 泥质软岩弃渣及其改良填料路基沉降规律试验 长安大学学报（自然科学版），（）：吴福宝 厦沙高速高填方路堤工后沉降监测及数值分析 科学技术与工程，（）：赵建军，余建乐，解明礼，等 降雨诱发填方路堤边坡变形机制物理模拟研究 岩土力学，（）：张春涛 高填方路基不均匀沉降的机理分析及防治措施 公路交通科技（应用技术版），（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页）动速度的影响 建筑结构，（），刘建友，田四明，吕刚等 地下洞室群微振爆破技术及振动控制标准研究 铁道标准设计，（）：杨梦雪 浅埋偏压隧道穿越古长城施工控制技术研究 石家庄：石家庄铁道大学，刘建友，吕刚，赵勇，等 京张高铁八达岭长城站耐久性设计方法及措施 铁道标准设计，（）：招商局重庆交通科研设计院有限公司 公路隧道设计规范：北京：人民交通出版社股份有限公司，王海林，蒋源，陈兆，等 佛山市季华路西延线顺德水道隧道总体设计关健技术 湖南交通科技，（）：