桂南地区红黏土路基病害机理探讨

摘要：文章以桂南地区某高速公路红黏土填方路段病害勘察地质调绘、采样室内试验为基础，从地貌、地质、水文、填料性质、病害力学机制等方面综合分析了填方路基的病害机理和演化过程。结果表明，该路段病害机理与内凹地形、排水不畅、填料随含水率的抗剪强度变化大、裂缝的张剪特性息息相关；红黏土的特殊性质、车辆荷载与强降雨分别构成本路段病害的内因和外因；病害的演化在不经干预的情况下可经历颗粒搬运、小范围塑性变形、附加沉降变形、变形扩展、塑性区贯通等五阶段，届时将面临渐进累积变形的风险，建议采用加强梳排水、填方加固、包边、加强监测等处治措施。

关键词：红黏土；路基病害；填料；机理

U416.1A090293

0 引言

红黏土是广泛存在于桂南地区的一类特殊性土，因其不易压实［1］、水稳性不佳的工程性质曾被排除于路基填料的选择范围［2］，然而在日趋紧张的用地及环保等要求下，挖方红黏土不得不更多地应用到高速公路的填方建设中来，不可避免地因其特殊性产生诸多公路病害，如何分析其作为填料的变形机理，进而规避其特殊性质引发的工程负面效应是亟待解决的工程课题之一。

有鉴于红黏土填料在桂南地区某高速公路K45路段诱发的路面裂缝等病害，本文以此为例，试图从地貌、地质与水文、填料抗剪力学特性、裂缝性状等多个方面进行阐述和探讨，厘清红黏土填方路基的病害机理特征，进而给出合理的防治建议。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

桂南地区某高速公路K45路段原始地貌区域为地势较为平缓的剥蚀残丘～溶蚀准平原地貌区，自然地面高程为95～105 m，相对高差约为10 m。研究区在南、北部分为地势相对较高的山丘，其余地段地势相对较低且相对平坦。该段高速公路大约以N15°E的走向穿越勘察区，最大填方高度约为16.4 m，形成坡度分别为1∶1.75、1∶1.5的二级填方斜坡。研究区表层覆盖5～10 m的冲洪积成因黏土层，该层之下为泥盆系灰岩，岩溶弱发育。

冲洪积黏土层可～硬塑状，厚度为4～10 m，微透水，属相对隔水层。地下水以原始地面以下赋存于灰岩内的岩溶裂隙水为主，属具有弱承压性的地下水。

出于平衡土石方、环境保护、尽量减少用地等多方因素考量，本路段采用了红黏土填方路基为主的形式穿越研究区，填方采自研究区南北两侧拟建挖方边坡挖出的土石方。填方经分层碾压至完工之时，尚未出现显著沉降、变形裂缝等破坏。

1.2 路基病害特征

交工通车3个月，在研究区的路面上出现了三道与线路平行的裂缝，裂缝总体平直，长度为50～150 m，细观上为锯齿状。为维护高速公路的正常运营对裂缝进行了紧急封闭止水处理和持续观测。

2 研究思路

由于本项目在地形地貌、水文地质、填方性质等诸多方面的特殊性，需建立从病害宏观特点出发，由研究区工程地质条件、填料性质、病害细观特征等多方面结合的病害机理研究思路，从而进一步梳理和预测病害的形成和演化规律，以便提出研究区处治原则和方案，其技术路线图见图1。

3 病害机理分析

3.1 地形与地貌

研究区主要位于溶蚀准平原的相对低洼部位，地表多为第四系冲洪积土层覆盖，土层成分主要是透水性差的黏性土，未见有基岩出露点，因相对内凹的地形、缺乏良好的地表水排泄通道，成为地表的相对汇水区域。原始地貌的人工改造主要是某高速公路大约以N15°E的走向穿越研究区，形成二级填方斜坡，于K45+250处设置一道与线路大角度斜交的钢筋混凝土圆管涵以疏排地表水。勘察区通常情况下无地表流水，但是在强降雨期间可在涵洞附近汇成积水，堤脚部位填料浸水时间长。

3.2 水文地质

研究区在地形地貌上处汇水段，表层黏性土透水性弱，地表汇水易于积聚于研究区，汇水成了路基病害的诱因之一［3］。结合区域水文地质图（见图2），研究区北西、西、南西为丘陵区，水文地质单元属地下水的补给区；场地北东、东侧的右江、岩溶洼地地势相对研究区更低，属区域地下水排泄基准面，且北东侧发育断层，更利于地下水的运移。地下水按含水介质分类属岩溶裂隙水，按埋藏条件分类属承压水。在岩溶水垂直分带的划分上，研究区地下水位于水平循环带～深部循环带，有利于形成近似水平的地下暗河通道。由于勘察区附近未见岩溶泉，岩溶水总体向北东、东方向运移至沿断层发育的构造暗河，最终向右江或岩溶洼地排泄。研究区地下水主要活动于基岩中，地表水与路堤的相互作用是水文地质对病害的主要影响。

3.3 填料物理力学性质

经走访调查，该段路基填料取自研究区南、北侧的挖方土体，含少许砾石。对病害专项勘察的取样进行室内试验，填土试样均具备高液限、高孔隙比、中等压缩性等工程性质，具有团聚体-内部扁平矿物的微观结构，属红黏土。填方土层具较高压实度，然而室内试验反馈填料含水率分布于22%～58%，含水率与其直剪试验抗剪强度呈非线性相关性（见图3）。

由于采样的位置和深度有所差别，各个采样点的水补给和散失条件有差异，含水量有所浮动，样品抗剪强度随含水率的增大出现先增大后减小的趋势［4］，粘聚力和内摩擦角均在低含水率区间急增至某一峰值后相对平缓的减少，粘聚力和内摩擦角的“峰值”分别出现于含水率30%～34%和34%～38%处，两指标的增减不同步。

经过代表性样品的数据拟合，研究区红黏土填料抗剪强度的拟合公式分别如下：

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）

上述两式相关系数的平方值R2分别为0.979和0.991，拟合效果佳，是红黏土填方较为合理的力学性质反映。

3.4 病害细观特征及成因分析

裂缝是该路段病害的主要体现，通过病害勘察期间对其细观的观察可以发现，裂缝在地表总体呈直线形展布，而在更小的观察尺度上，其在延伸长度上呈现为锯齿形的形态。钻取芯样揭示，裂缝有所起伏，粗糙度系数［5］JRC=12～18，表层宽度略大于下端。从力学机制的观点上看，裂缝的成因以张性拉裂为主，剪切破坏次之。

4 病害形成与演化机理

4.1 病害的内因与外因

综上对几个影响因子的分析可知，研究区填方路段的病害机理包含内因与外因。

其内因主要在于红黏土填料的特殊性质，其在微观上通常由扁平状的黏土矿物组成，具有团聚体-团聚体内部结构的双重结构［6］：团聚体内部由排列紧密的扁平状黏土矿物组成，彼此之间形成细小的微观孔隙，即团聚体内孔隙；团聚体由于尺寸相对较大，其间还会形成较大的团聚体间孔隙（见图4）。红黏土作为填料经开挖其结构性被破坏，压实作业可在使团聚体形成相对“嵌锁”的土体结构，而团聚体内部的扁平黏土矿物难于压密，且干湿循环下易于产生胀缩变形。

外因方面，长期的内外地质营力造就了研究区相对低洼的地貌条件，又因地表土层透水性差，雨水作用下研究区极易成为集中汇水区，尽管设置了通水涵洞，但是却未能起到疏干地表水的作用，造成堤脚部位填料吸纳大量结合水，成为相对劣质的高液限土。此外，该路段已通车，车辆荷载在靠近路面的部位属瞬时附加应力，按照有效应力原理，上部红黏土中孔隙水在荷载作用瞬间来不及排出会形成很大的孔隙水压力［7］，可在初始裂缝形成后进一步促进填料与大气、水的相互作用，并加剧胀缩变形、沉降变形的扩展。

4.2 路基病害的演化

在多方面诱发因素的联合作用下，红黏土填料在干湿循环条件下产生胀缩变形，收缩变形难以复位至膨胀变形前的形态诱发路面裂缝的形成。其后在降雨、排水不畅、车辆荷载的综合影响下首先于填方边坡的坡顶（即路面）、近坡脚处（即排水不畅处）产生塑性变形区（见图5），坡脚剪应变集中，若不加以整治，病害仍会进一步演化为渐进累积变形［8］乃至破坏。

在地形地貌、水文地质条件、填料物理力学性质、车辆荷载等各方面影响因子的综合作用下，路堤的病害演化全周期有五个阶段：（1）在坡面上被冲刷形成微沟槽，表面土体颗粒被地表径流搬运至平台、坡脚等低矮处；（2）由于填土内排水不良，加上车辆瞬时荷载的作用，坡顶形成局部塑性变形区和张剪形破裂；（3）坡脚涵洞处填方因排水不良而力学性质劣化，并出现附加沉降与侧向胀缩塑性变形；（4）裂缝及塑性变形进一步扩展，坡顶出现显著张剪错位，堤脚出现全面鼓胀变形；（5）路堤边坡持续蠕变，塑性区相对贯通且大多进入应变硬化阶段，变形停止，局部土体进入塑性软化状态，填方路堤出现过于显著的变形，以致路堤丧失正常使用功能。

5 路基病害处治

病害勘察后实施了该路段的变形监测工作，一定时期内的监测数据显示路堤变形速率位于黄色级别的范畴内，侧向滑移速率和累积位移均还未达到失稳程度，该路段病害发展仍处于阶段（2）至阶段（3），应采取必要的措施以阻止变形扩展为大规模应力屈服而失稳［9］，建议采用如下处治措施：

（1）全面完善路面和路基排水，特别是填土和天然地基接合部位的排水，如因地形内凹而难于疏排则可增设集水井。

（2）利用化学注浆等方法，可进一步强化填土与天然地基土层［10］，以抑制变形和塑性区的扩展。

（3）增设非特殊性填料的包边，防止红黏土填料与大气和水的相互作用导致胀缩变形的进一步扩展。

（4）加强监测，若治理期间，侧滑进一步加剧，需做好坡底反压等应急预案，并在侧滑剪出地段设置抗滑桩或微型桩承式挡墙等强支挡结构。

6 结语

本文以桂南地区某高速公路K45路段路基病害为例，从病害宏观特点出发，通过地形、地质、填料、水文等多方面综合进行了病害机理分析，并基于此给出了治理建议，主要结论如下：

（1）研究区相对内凹的地形条件使得病害路段易于汇水，又由于地表基岩不甚出露，土层透水性差，强降雨条件下地表积水难以消散；取样试验反映了红黏土填料抗剪强度随含水率先增后降的趋势，变化幅度大，且粘聚力与内摩擦角的增减不同步；钻取的路面结构层芯样的裂缝形态反映了其力学成因以张性破坏为主，剪切为次要成因。

（2）红黏土的团聚体内部扁平黏土矿物结构是该路段病害的主要诱因，干湿循环下填料的胀缩变形及变形不易复位是其与大气和水的相互作用的宏观体现；车辆荷载和强降雨会增大红黏土填料内的孔隙水压力，加速其变形破坏。

（3）路基病害在不加干预的情况下会经历颗粒搬运、小范围塑性变形、附加沉降变形、变形扩展、塑性区贯通等五个阶段，基于以上分析提出了排水、填方加固、包边、加强监测等处治建议。

参考文献：

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