山区平缓填方路基稳定性分析与处治方案

摘  要：某高速公路某段填方路基中心填高16m，局部地段填方放坡高度为18m，地面横坡平缓，地面自然坡度3°～8°，呈台阶状，总体坡度约7°，地下水较为丰富，局部基岩出露为灰岩、砂岩夹泥岩，岩层坡向与地面坡向顺倾，倾角14°，按照一般填方路基填筑时，上部填方加载导致路基发生整体变形形成滑坡。本文对位于地面横坡平缓的填方边坡稳定性进行了计算分析，总结了边坡稳定性影响因素及边坡变形特征。在基岩顺倾的地面上填筑路基，即使填筑高度较小，仍然会导致路堤失稳，引发上部路基产生滑移形成滑坡。填方边坡采用了地基处理、碎石盲沟、串联集水井、抗滑桩等综合处治措施，取得了良好的效果。

关键词：地基处理;抗滑桩;地基注浆;串联集水井

中图分类号：U416    文献标识码：A

0引言

填方路堤是高速公路建设项目中的常见工程，在建设投资受控时，经常采用桥改路基措施降低造价。对于填方高度小于20m的路堤[1]，当地面较为平缓、地下水较为丰富地段时，采用一般填方路基在填筑过程中易发生变形形成滑坡，本文以某高速公路填方路基作为案例，分析计算填方路基的整体稳定性，根据计算结果和现场实施的效果，归纳影响边坡稳定的因素和变形方式，对采取的处治措施，地下集水井排水和抗滑支挡防护进行评价。

1工程地质及概况

本滑坡位于填方路堤范围，中心填高13m，最大填方高度约16m，按照填土高度分为二级边坡，填方坡率1：1.5～1：1.75，中间设置2m宽平台。当二级填方左幅已完成，右幅完成近半时，边坡变形，填方路基开裂（如图1所示）、路基下方自然坡面开裂（如图3所示），自然斜坡坡脚土体剪出将村民自建挡墙推倒（如图2所示），最大累计位移35cm，最大累计沉降13cm。

工程区属于侵蚀溶蚀低中山～槽谷地貌，地势上东西两侧为低中山高，中间为狭长槽谷。滑坡区位于斜坡下部，地面自然坡度3°～8°，呈台阶状，总体坡度约7°，地表植被以农作物为主，坡脚有高约7～8m陡坎（如图4所示）。

场区覆盖层主要由第四系残坡积（Q4el+dl）的含碎石粉质黏土组成。地表分布有少量雜填土及种植土，下伏基岩为古生界二迭系上统宣威群长兴组—龙潭组（P2l-c）泥岩。从上至下主要地层岩性为：含碎石粉质黏土，强风化砂岩夹泥岩、炭质页岩，中风化灰岩和中风化砂岩夹泥岩、炭质页岩（如图5所示）。

地表水主要为大气降水形成的地表短时径流，水量随季节天气变化明显，降水量在793.1～984.5mm之间，年均降水851.6mm，地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩风化裂隙水，由于滑坡区下伏基岩为砂岩夹泥岩、炭质页岩，渗透性较差，属相对隔水层，地下水下渗缓慢，最终沿岩土交界面向地形低洼处渗出地表。

2主要工程问题

该段填方路堤具有如下特点：

（1）填方路堤坡脚外110m处有陡坎临空面，临空高度7～8m。

（2）地形横坡较平缓，地形坡度在3°～8°之间，呈台阶状，总体坡度约7°，出露基岩倾向顺倾，基岩倾角为14°，视倾角11.9°;

（3）覆盖层较厚，平均厚度7m，最厚深达12m，为含碎石粉质粘土层，褐黄色，灰褐色、可塑状，其物理力学性质较差。

（4）有隔水层为强风化砂岩夹泥岩、炭质页岩，原岩结构大部分破坏，节理裂隙较发育，渗透性较差，地下水在土岩界面处聚集，从坡脚外剪出口处渗出;

（5）地下水埋藏深度不稳定，跨度较大，钻孔过程在2m～10m处发现有地下水活动，但水量较少，受季节性影响较大。

根据以上地形地貌特点，结合本项目出现的问题，综合分析，在天然平缓地面上填筑路堤存在如下工程地质问题：

（1）坡脚外有临空面为滑移提供了外在条件，基岩面顺倾，即使倾角较为平缓时，填方路堤整体可能沿土石界面产生顺向滑移;

（2）基底有强风化砂岩夹泥岩、炭质页岩，形成隔水层，地下水往下渗透较慢，一直存于土层中，在上部荷载加载情况下，可能会在土层中形成滑裂面，当整个滑面贯通时，即形成滑坡，滑面最深处为土岩界面位置。

（3）土层中含水量较大，降低了土层的物理力学参数，路堤填筑较快，土层固结慢，承载力能力较低，路堤工后沉降量较大。

3填方路堤分析计算

3.1稳定性评价分析

根据填方路堤所在的工程地质环境分析，影响路堤稳定性的因素分为内部条件和外部条件两类，内部条件主要是由于地形地貌和地层岩性;外部条件主要是降雨和人类工程活动。影响路堤稳定的主控因素是地形地貌、地层岩性;促使路堤产生失稳破坏的诱发因素是降雨以及人类工程活动。

（1）地形地貌。滑坡位于斜坡下部平台处，地表覆盖层厚度较大，雨季上部山体快速下泄的地表水易在平台处汇集，短时间内使土体处于过饱和状态，为滑坡的变形破坏提供了有利条件。

（2）地层岩性。滑坡体的覆盖层孔隙大，强度较低，土质较为松散，饱和抗剪强度较低，泥砂岩风化层为下伏相对隔水层。滑坡区上部山体为灰岩，基岩裂隙水下渗速度较快，至灰岩与泥砂岩界面处时，下渗通道受阻，沿岩性界面渗出，转为土体中的孔隙水。根据钻探成果，滑坡区岩土界面呈凹形，排泄途径不畅，为地下水在土体内汇集提供了有利条件。地下水长期作用下使原本松散的土体抗剪强度降低很大，增大了滑坡体变形破坏的可能。

（3）降雨。滑坡区雨量充沛。施工期间正值雨季，长时间降雨[2]，地下水大量汇集于第四系松散孔隙中，由于凹形岩土界面导致地下水排泄受阻，使土体处于过饱和状态，容重增加，抗剪强度降低。在自重、填方荷载及雨水作用下，滑坡下滑力相对增大，抗滑力相对减小，稳定性系数降低，导致边坡发生变形。此外坡体内产生动静水压力，也造成了滑坡稳定性降低。由于地表水与地下水作用诱发了滑坡发展。上述原因为工程滑坡产生提供了基本条件。

（4）人类工程活动。由于修建高速公路，滑坡体上部填方堆载较多，破坏了原来的稳定結构，使得下滑力增加。村民为修建房屋在滑坡前缘开挖形成的7～8m高陡坎增大了滑坡变形破坏的可能。

3.2计算模型

根据边坡工程地质条件，该滑坡破坏形式主要为上覆堆积体沿土体内部浅层发生的以推移式为主，辅助牵引式滑动，滑面呈折线型剪切。稳定性验算采用极限平衡理论的传递系数法公式进行计算。填方路堤设计为二级填方，中心填高11～13m，最大填方高度约15～16m，填方坡率1：1.5～1：1.75。选取图6和图7两个典型横断面建立计算模型。

根据工程详细勘察报告和经验，确定岩土体各层计算参数如下表1所示。括号内为暴雨工况参数。滑带含碎石粉质黏土c=10.9KPa、φ=8.8°。

3.3工况选取

该填方路堤工程安全等级和滑坡防治工程等级均为一级，按照《公路路基设计规范》的第7.2.2条规定[3]，边坡安全系数按照以下方式确定：

工况一：正常工况，天然状态下为1.30;

工况二：非正常工况，暴雨或连续降雨状态下的饱水工况为1.20。

根据上述原理，本滑坡体以暴雨工况下，计算典型断面的稳定性，计算分析结果见下表2。

由典型断面剩余下滑力计算结果对比可知：

滑面位置与现场实际情况基本一致，后缘裂缝在左幅路堤边角处;地面较为平缓时，滑坡抗力增加较小，以至于路堤坡脚与陡坎处剩余下滑力相差较小;滑面基本沿着土岩界面处滑移，与基岩倾角相差较小，并且该处正是地下水从剪出口渗出位置，基岩相当于一块“石板”，上覆土层在地下水的影响下，在“石板”处摩擦力较小，现状情况下处于基本稳定状态，上部填方路堤加载后，推力增大，沿着“石板”面滑移。

由上诉分析可知，填方边坡稳定性主要受原边坡覆盖层土体、地下水和顺倾向基岩面影响。即使基岩面倾角较为平缓时，在地下水影响下，仍会沿着基岩面产生滑移变形。

4处治措施

通过上述分析可以看出，该填方路堤需及时进行处治，不然将对公路运营安全造成重大影响。要提高填方路堤稳定性，确保滑坡整体稳定，根据填方路堤的特点，从以下几方面着手处治：

对路堤基底进行处理，提高路堤基底覆盖层强度，改善覆盖层的力学特性;在坡脚增设反压护道或者设置支挡构造物，抵消剩余下滑力;加强排水措施，使淤积在边坡中的地下水及时排出路基之外。

由于陡坎外侧为现状县道，设置反压回填空间不足，基于上述考虑该段填方路堤采用地基处理、抗滑桩、地下排水等综合处治措施。

4.1地基处理

由于填方路堤土体力学特性较差，局部处于富水状态，对路基基底采用局部换填和复合地基[4]处理措施，增加路基基底强度，改善土体性质，该项措施对基底承载力有显著提高，对路基滑面抗滑效果提高较小[5]，仍需增加支挡措施。

4.2支挡措施

通过剩余下滑力计算结果对比可知，在坡脚和陡坎剪出口处，滑坡抗滑力增加较小，剩余下滑力相差不大，因此在路堤坡脚处设置圆形抗滑桩，机械成孔，避免人工开挖方桩的施工安全风险。

在填方路堤右侧坡脚增设双排圆形抗滑桩[6]，门型布置，桩径2.2～2.4m，间距5～6m，排距4m，桩顶用冠梁进行连接。

由于坡脚陡坎房屋已经拆除，陡坎外侧为现状县道，在陡坎处设置路堑挡墙，挡墙后采用开山石渣回填，坡率不大于1：1。

4.3排水工程

截、排水工程按照排出地表水和地下水两部分分别进行设计，排出地下水主要为疏导滑坡体内的地下积水，排出地表水主要为引出漫流至滑坡体范围的表面雨水。

4.3.1 地表水处治

在滑坡边界四周和中间位置设置截、排水沟，将流向至滑坡范围的地表雨水或者上游冲沟积水，及时引出滑坡范围之外，避免明水漫流下渗。

4.3.2 地下水处治

（1）大直径串联集水井。滑坡内部渗水的收集和疏导是本次滑坡治理的关键。

本处滑坡滑面较深，一般为10～14m，需要采用深层地下排水设施，疏导滑坡体内的地下水，根据地调和钻探显示，该处滑坡地下水埋深较深，基本从路堤上游渗入，因此在路堤左侧设置数个深层集水井，在集水井井壁上预留若干泄水孔、仰斜式排水管，将上游积水引入集水井内，并通过钢筋混凝土管和碎石盲沟将各个集水井连接，形成线状“隔水带”。

集水井之间串联选用钢筋混凝土管，通过顶管施工，其中集水井工作井直径（内径）为6.0m，接收井直径（内径）为4.5m。井深根据滑面深度，深入滑面以下不小于1.0m。一般为11～15m。

圆形集水井壁四周设置发散状仰斜式排水孔，插入仰斜式排水管，长度为10～20m，每个集水井上下排仰斜式排水管应交错布置，纵向间距2.0m，水平弧向间距2.0m。

在地下水富集处，仰斜式排水孔、泄水孔应加密设置，尽可能的将地下水引入集水井内，通过相互连接的集水井，将地下水排出滑坡外。

（2）碎石盲沟与排水桩。在路基左侧护坡道处设置截水盲沟，将上游山体渗水引流至路基边沟，其底部进入基岩不少于1m;在右幅路基底部设置碎石盲沟，间距30m;右幅路基坡脚处设置竖向排水桩，降低地下水位，疏导滑坡体内的地下水，增加填方路基的稳定性。

5结语

该段填方路堤基底覆盖层较厚，主要为含碎石粉质粘土层，地下渗水较多，土层物理力学性质较差，地表横坡较平缓，路堤出露基岩倾向顺倾、基底有强风化砂岩夹泥岩、炭质页岩作为隔水层，填方路堤坡脚外有陡坎临空面等特点，本文对该填方路堤进行了滑坡稳定性分析，并根据分析计算结果，结合路堤所处地段地质特点，采用相应的治理措施，得出如下结论：

（1）填筑路堤应仔细核查周边地形地貌、地下水和基岩倾向，地面横坡较为平缓，及时基岩倾角较为平缓时，贸然填筑将会导致路堤失稳，填方边坡将沿土石分界面产生滑动。

（2）采用换填和复合地基处理措施，增加了路基基底强度，改善土体性质，对基底承载力有显著提高，但对路基滑面抗滑效果提高较小，因此不能替代抗滑支挡结构。

（3）在路堤坡脚处设置圆形抗滑桩，替换方形抗滑桩，避免人工开挖方桩的施工安全风险，采用机械成孔，成孔快，效率高，抗滑效果与方桩相差不大。

（4）本着治坡先治水的原则，地下水是本路堤产生滑移的主要原因，需对地下水做针对性的处理，该路段采用大直径集水井+碎石盲沟处治措施，有效疏排地下水。

该填方路堤滑坡将支挡与排水相结合综合处治措施，从高速公路运营期监测结果来看，治理方案达到了预期效果。

参考文献

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[2] 王瑞刚，闰澎旺，邓卫东.降雨作用下高填土质路堤边坡的渗流稳定性分析[J].中国公路学报，2004，17（4）：25-30.

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[4] 张荣堂.复合地基技术在髙速公路软基处理中的应用[J].华侨大学学报 （自然科学版），2004，25（2）：165-168.

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[6] 贾海莉，王成华，李江洪.关于土拱效应的几个问题[J].西南交通大学学报，2003，38（4）：398-402.

收稿日期：2021-08-22

作者简介：柳丙军（1981—），男，山东龙口人，本科，高级工程师，研究方向：路基路面工程设计。