摘要：文章聚焦地下水對公路陡坡高填方路堤滑坡的影響，分析在地下水的作用下，高填方路堤滑坡的誘發(fā)機理和發(fā)展過程，以及滑坡前后土體力學性質和參數的變化。通過現場監(jiān)測數據、室內試驗成果、穩(wěn)定性評估與參數反演分析，并結合數值模擬，揭示了地下水對路堤滑坡前后土體的影響規(guī)律，以及滑坡后路堤內部的變形特征與應力分布特征。研究發(fā)現，合理考量地下水作用及其滲透壓力對路堤穩(wěn)定性評估結果的安全系數具有積極影響；地下水對土體的不利影響主要體現為使其物理力學性質趨于惡化，并且對其黏聚力的影響大于內摩擦角，而對土體原有結構基本無破壞；滑坡后滑面（帶）內黏土的殘余黏聚力損失較大，而殘余內摩擦角的損失則相對較小。

關鍵詞：地下水；高填方路堤；室內試驗；數值模擬

中圖分類號：U416.1；P642.22" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）09-0087-05

0 引言

每年雨季，山區(qū)公路的部分高填方路堤常遭受沉降變形甚至滑坡的威脅，這些災害一旦發(fā)生，將對路面結構造成損害，使交通運行受到干擾，并帶來一定的經濟損失。目前，針對路堤邊坡穩(wěn)定性的評估，一般采用基于理論力學的極限平衡法和有限元法等［1］ ?，F有研究廣泛探討了不同計算方法和工程因素對路堤穩(wěn)定性的影響，例如薛雷等［2］利用強度折減法計算非均質邊坡的安全系數，對比了局部和整體折減的區(qū)別；魏義仙［3］依托實際工程，基于現場監(jiān)測數據與數值模擬，分析在不同填方高度、材料、坡度條件下路基的沉降規(guī)律；張慶飛等［4］研究跨越溝谷區(qū)的高填方路基，通過數值模擬，分析沖溝兩側岸坡坡度、溝底寬度、溝底縱坡對路基沉降變形及填方路基邊坡穩(wěn)定性的影響；鄭敏敏［5］采用有限元分析法分析降雨條件下水敏性高填方路基邊坡的穩(wěn)定性，探究路基的體積含水率和孔隙水壓力的變化規(guī)律。雖然已有大量研究聚焦于路堤穩(wěn)定性的計算方法、應力分布及變形特征，并分析了地下水對路堤穩(wěn)定性的影響，但是關于地下水在路堤滑坡發(fā)生前后的具體作用機制及其對土體物理、力學性質變化的深入研究較少。本文基于某山區(qū)高速公路溝谷型高填方路堤案例，綜合運用數據監(jiān)測、室內試驗、穩(wěn)定性計算與參數反演計算等手段，探討在地下水作用下高填方路堤滑坡的成因機制、發(fā)展過程以及滑坡前后土體性質的變化。此外，利用FLAC3D數值模擬軟件，建立高填方路堤的三維數值模型，進一步分析滑坡后路堤內部的變形特征與應力分布特征，以期為山區(qū)公路高填方路堤的設計與防護提供科學依據。

1 工程概況

山區(qū)某高速公路位于剝蝕丘陵地帶，路線呈南北走向，地勢東高西低，其東南與東北方的兩側分別發(fā)育有2條沖溝，向西延伸并最終在坡腳匯合成一處典型的“喇叭口”地形（見圖1）。

項目原始場地自上而下的巖土層如下：①第四系沖洪積黏土層，呈可塑狀，厚度為1.0～4.0 m；②殘坡積層黏土層，呈硬塑狀，厚度為2.2～8.3 m；③泥盆系中風化灰?guī)r。路堤填筑于沖溝之上，最大填方高度約40.8 m，地面橫坡為1∶1.5～1∶1.3，屬高填方、陡坡型路基。

項目于2018年底完成路堤的詳細地質勘察，于2020年5月完成填筑工作，2021年底開始通車運營。然而，在2022年6月上旬經過連續(xù)的降雨之后，路堤開始出現縱向裂縫；至6月中旬，裂縫逐漸加寬、擴展并相互貫通，同時伴隨有明顯的沉降、鼓脹、隆起及側向位移等變形現象；至6月下旬，沉降與滑移繼續(xù)擴大，最終發(fā)展為滑坡事件。針對此災害，相關單位及時展開了專項勘察工作。

該路堤原地表水排水體為3條斜坡沖溝，經填筑后，主要排水體變?yōu)榕判菇涤陞R流的排水溝和截水溝，地表水調查情況見表1。

場地地下水類型主要包括孔隙水和巖溶裂隙水。其中，孔隙水主要存于填土中，富水性較弱；巖溶裂隙水則賦存于溶蝕裂隙及溶洞中，屬承壓水，富水性中等。路基病害勘察期間鉆孔內孔隙水水位見表2。

2 滑坡穩(wěn)定性分析評價

2.1 滑坡要素特征

滑坡整體輪廓清晰，呈倒三角形沿喇叭形沖溝分布，后緣特征為錯落臺階與拉張裂縫，中部有數條拉張裂縫，前緣因擠出變形而隆起，形成明顯的剪出口，屬推移式滑坡。滑坡主體滑動方向約300°，主軸延伸長約95 m，橫向寬約320 m。結合鉆探及測斜數據分析發(fā)現，病害路段發(fā)育有一個主滑動面，該滑動面呈弧形，上部穿透填土層，中、下部則沿基巖面滑動，滑動面（帶）的深度為8～22 m。測斜孔剖面圖如圖2所示。

2.2 滑坡機理分析

首先，路基填筑于沖溝與天然斜坡之上，自然形成匯水條件及新的臨空面；其次，路堤填筑后形成上大下小的結構，并且車輛通行在坡頂產生動態(tài)荷載，地質條件與人類活動兩方面因素共同構成了路堤滑坡的引發(fā)條件。

降雨成為滑坡的觸發(fā)因素，其中部分雨水在地表重力的作用下匯聚至路堤后緣，因排泄不及時而滲入路堤內部后，浸泡、軟化路堤。同時，另一部分雨水滲入土坡，同樣造成土體軟化，使其力學性能降低，從而降低了路堤的安全系數，直至引發(fā)滑坡［6］。

2.3 滑動面參數反算

為確定滑面（帶）巖土體的參數值，利用詳細勘察階段的室內試驗數據，結合極限平衡條件下的簡化Bishop法進行計算。該方法充分考慮了地下水作用及滲透壓力的影響，利用滑坡發(fā)生后處于欠穩(wěn)定狀態(tài)下的安全系數Fs，反演計算滑面（帶）參數，計算公式如下：

[Fs=c'iΔXi+（γihi-γwhwi）ΔXimθiQicosθi+γihiΔXisinθi，]" " "（1）

其中：i為計算條塊編號， c為條塊滑面的黏聚力；[?]為條塊滑面的內摩擦角；γ為條塊土體重度；γw為條塊水重度；h為條塊高度；hw為條塊滑面前端水頭的高度；θ為條塊滑面的傾角，滑面傾向與滑動方向一致時取正值，相反時則取負值；Q為條塊滑面單位寬度的自重；l為條塊滑面的長度；W為條塊單位寬度的自重；u為條塊滑面單位寬度的總水壓力。 式中，[ΔXi=licosθi，Wi≈γhiΔXi，ui=γwhwli，mθi=cosθi+sinθitan?'i/Fs] 。

計算時，一般可先假設[Fs]=0.980，代入公式（1）求出mθ，再將求得的mθ再次代入公式（1）中，通過設定初始的c值或j值，交替迭代求解另一參數，當所有條塊的剩余下滑力趨向于0時停止迭代，得到滑面（帶）的c值和j值。根據計算經驗，一般情況下迭代5～10次即可滿足計算精度要求，并且上述迭代過程通常表現出良好的收斂性。根據《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015），路堤處于變形滑動狀態(tài)時，滑面（帶）反演計算在正常工況及非正常工況下的安全系數Fs分別取0.980和0.940，計算結果見表3。

表4為合理考慮地下水與不考慮地下水時路堤的穩(wěn)定性計算對比。在進行路堤穩(wěn)定性計算時，必須考慮地下水的作用及其產生的滲透壓力。通過將孔隙水水位曲線導入計算模型，反演計算c值和j值，再將計算結果重新代入不考慮地下水作用及滲透壓力影響的計算模型中，評估其對穩(wěn)定性的具體影響。對比結果顯示，正常工況與非正常工況的安全系數相差約15%。對于山區(qū)公路溝谷型高填方路基而言，準確測定地下水水位對于提高計算精度以及確保路堤設計的成功至關重要。

表5為路堤填筑前與路堤滑坡后第②層黏土室內試驗參數的對比。路堤填筑后，在附加荷載作用下，土體被壓密，顆粒之間產生壓縮，形成新的致密土體結構，此過程中部分水體被排出，導致第②層黏土的孔隙比與含水率下降，土粒比重增大，進而提升了土體的黏聚力與內摩擦角。這一過程緩慢且持續(xù)，通常2年左右趨于收斂，最終形成新的土體結構及路堤穩(wěn)定體。然而，路堤在遭遇連續(xù)降雨并發(fā)生滑坡后，部分雨水沿地表徑流并匯至后緣，浸泡并軟化路堤；其余雨水則滲入土體，沿巖土界面流動，因路堤阻礙導致水體不能沿水平向及時排泄，此時，補給量大于排泄量，水體沿裂隙、孔隙滲透，不斷浸泡和軟化土體。滑坡后，第②層黏土的黏聚力、內摩擦角相較于填筑前均有所降低，表明地下水軟化導致兩者的降低值超過了前期壓密過程的增加值，同時含水率與天然容重上升。盡管如此，滑坡后第②層黏土的土粒比重增大，天然孔隙比減小，說明附加荷載壓密形成的新土體結構并未被地下水軟化破壞，或地下水軟化作用對土體結構影響甚微。由此可知，地下水主要削弱了土體的物理力學性能，但對土體基本結構的影響有限。

高填方路堤填筑前與路堤滑坡后，第②層黏土的黏聚力由31.75 kPa減至27.90 kPa，降幅達12.13%，內摩擦角則由20.30°降至19.10°，降幅達5.91%。在填筑后至滑移期間，黏聚力的降幅明顯大于內摩擦角的降幅，表明地下水軟化作用對黏聚力的影響更顯著。

對比表5與表3，路堤發(fā)生滑坡后，非滑面（帶）與滑面（帶）的第②層黏土黏聚力分別為27.90 kPa和23.20 kPa，滑坡后的殘余黏聚力損失16.84%；內摩擦角分別為19.10°和18.10°，殘余內摩擦角損失5.23%，說明高填方路堤受地下水影響發(fā)生滑坡后，殘余黏聚力損失較大，而殘余內摩擦角損失較小。

2.4 有限元模型

滑坡段高填方路基在填筑完成后的兩年內，未出現明顯的開裂變形跡象，后因連續(xù)降雨導致巖土體強度參數c和?有不同程度的衰減，最終引發(fā)了路堤滑坡。故假定原工況為穩(wěn)定狀態(tài)，并以此為基礎，對比分析滑坡后路堤的移動情況，探討地下水對路堤變形特征及內部應力分布規(guī)律的影響。

為精確模擬地下水的作用，采用FLAC3D有限元軟件建立滑坡工況下的三維模型，該模型重點考慮了地下水的影響。通過模型計算獲取路堤水平、垂直變形量、剪切應變及總位移等關鍵參數，并將這些計算結果與現場實測的路基沉降值進行對比驗證。在模型構建中，根據路基土體的不同性質，將路基劃分為3個區(qū)域，每個區(qū)域均采用brick單元進行精細劃分。路堤及地下水計算網格模型示意圖見圖3。

根據計算結果，路堤的水平向位移（滑移）呈現出第一、二級最大，第三級次之，第四級與滑面處位移相對較小的規(guī)律，表明路堤滑坡的根本機理是中下部路堤在承受上部路堤的重力作用下產生了滑移。在豎向位移方面，負位移（沉降）最大值出現在路堤第四級，第三級次之，而第二級則基本保持穩(wěn)定。值得注意的是，坡腳處出現正位移，表現為向上凸起。路基及下部路堤的沉降壓縮是引起路面沉降變形的主要原因，而路面及上部路堤由于承受的荷載較小，因此沉降變形相對較小。從剪切應變的角度來看，路基的第三、四級剪切應變最小，主要受重力作用的影響，呈現向下推移的趨勢，屬于牽引段。相反，第二、三級作為主滑段和阻滑段，其剪切應變和位移均達到最大值，成為應力集中區(qū)，也是滑坡產生的薄弱地帶。路堤水平及豎向沉降云圖見圖4，剪切滑動應變和總位移矢量云圖見圖5。

根據數值模擬分析結果，針對路堤不同區(qū)域的水平位移、垂直變形量、剪切應變及總位移等矢量云圖所揭示的變形特征，本文提出以下針對性的加固措施：①坡腳區(qū)域采用反壓堆載、抗滑樁、鋼管樁等加固手段。②路面采用鉆孔注漿等加固技術。③路堤中部及滑面區(qū)域采用錨桿（索）格梁或注漿樹根樁等加固方法。

3 工程處治措施

2022年6月底，針對已通車運營的高速公路出現的滑坡風險，實施了搶險性處治措施，并進行了全時段的地表位移及深層位移監(jiān)測。截至目前，路堤未出現明顯沉降或變形，具體處治方案如下。

（1）即時反壓措施。為防止滑坡擴大，應及時在坡腳處進行反壓處理，分層壓實直至第一級平臺的高度，遏制滑坡趨勢。

（2）積水引排系統(tǒng)。針對路基左側低洼處的積水，設置明溝進行引流排放；針對路基右側坡體內積水問題，則在第三級坡腳處增設一排深層排水盲溝管，管長16 m，水平間距控制在4～6 m，并在富水地段適當增加排水孔。同時，對路基圓管涵排水進行接管改造，確保雨水不滲入路基內部。

（3）抗滑樁加固。在坡腳位置安裝直徑為1.8 m的抗滑樁，樁中心間距設為4 m，并通過冠梁連成整體。

（4）樹根樁與化學注漿加固。對第一、二、三級路堤采用“樹根樁+化學注漿”的方法進行加固，樁長分別為24 m、18 m、15 m，樁組以3.0 m×4.0 m的縱向及垂向間距布置，每組配置3根HRB400鋼筋作為主筋。同時，利用樹根樁孔進行壓力化學灌漿，通過C30鋼筋砼格梁連成整體。

（5）路面垂直鉆孔注漿。在加寬路段進行路面垂直鉆孔注漿加固處理，注漿孔按梅花形布置，縱、橫間距均為2.5 m，孔深需穿透原狀穩(wěn)定巖土層以下至少2 m。注漿材料采用強度等級為P.C42.5的純水泥漿，設計水灰比為1∶0.9，并且摻入約3%的速凝劑。

4 結論

本文基于監(jiān)測數據，確定了某山區(qū)高速公路溝谷型高填方路堤的滑面位置與深度，通過滑坡前后的室內試驗成果對比、穩(wěn)定性計算與參數反演計算，深入探討了地下水作用及其滲透壓力對路堤穩(wěn)定性的影響，主要結論如下。

（1）在溝谷型高填方路堤穩(wěn)定性計算中，是否合理考慮地下水作用及滲透壓力，可導致安全系數相差15%。因此，準確評估地下水作用與滲透壓力對路堤設計或處治計算模型至關重要。

（2）從路堤填筑完成至滑坡發(fā)生期間，土體經歷了兩個階段：第一階段是填筑附加荷載引起的壓密過程，第二階段是地下水對土體的軟化過程。地下水主要導致土體物理力學性質向不利方向變化，并且其影響程度超過了填筑體附加荷載的壓密效應?；潞?，土體天然容重、含水率及土粒比重增大，而黏聚力與內摩擦角則減小，其中黏聚力的降低更為顯著，但對土體基本結構的影響有限。

（3）滑坡發(fā)生后，高填方路堤滑面（帶）中的第②層黏土的殘余黏聚力損失較大，相比之下，殘余內摩擦角的損失較小。

（4）高填方路堤的滑坡模式一般為推移式，其中路面與滑面（帶）區(qū)域水平位移最大，而豎向的最大位移則出現在路基頂部，坡腳處呈現正位移并向上凸起。路基的第三、四級區(qū)域作為牽引段，剪切應變最?。恢骰螒冏畲?，阻滑段次之，牽引段最小。

5 參考文獻

［1］汪益敏，王秉綱.公路土質路基邊坡坡面沖刷穩(wěn)定性的模糊綜合評價［J］.中國公路學報，2005（1）：28-33.

［2］薛雷，孫強，秦四清，等.非均質邊坡強度折減法折減范圍研究［J］.巖土工程學報，2011，33（2）：275-280.

［3］魏義仙.基于FLAC3D的高填方路基沉降變形因素分析［J］.公路交通科技（應用技術版），2019，15（11）：81-83.

［4］張慶飛，呂改杰，馮宇凇，等.V型溝谷高填方路基沉降變形特征及穩(wěn)定性分析［J］.山西建筑，2021，47（22）：1-4，8.

［5］鄭敏敏.降雨條件下水敏性高填方路基邊坡穩(wěn)定性分析［J］.水科學與工程技術，2022（4）：60-63.

［6］蔡建.原狀土的抗剪強度研究［J］.巖土力學，2012，33（7）：1965-1971.

*南寧市“邕江計劃”青年人才專項項目“水敏性軟巖邊坡災變智能監(jiān)控及加固處治關鍵技術”（RC20230108）。

【作者簡介】劉彬，男，湖南祁陽人，碩士，工程師，研究方向：巖土工程勘察設計；李聲虎，男，四川宜賓人，碩士，工程師，研究方向：路基工程；邵羽，男，湖北仙桃人，博士、博士后，高級工程師，研究方向：邊坡工程災害監(jiān)測預警及處治技術。

【引用本文】劉彬，李聲虎，邵羽.地下水對公路陡坡高填方路堤滑坡影響的分析［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（9）：87-91.