膨脹巖邊坡的危害及其防護(hù)措施

賈澤鈺 仝可欣 馬佳驥

(1.石家莊鐵道大學(xué)國(guó)防交通研究所,河北 石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)的不斷完善，已建或在建山區(qū)高速公路邊坡災(zāi)害日益凸顯，其中膨脹巖邊坡失穩(wěn)破壞越來(lái)越引起人們的關(guān)注。山區(qū)高速公路的膨脹巖邊坡滑坡、溜塌等失穩(wěn)破壞對(duì)行車安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，關(guān)注膨脹巖邊坡病害，分析其主要特征，總結(jié)其災(zāi)害類型，提前采取應(yīng)對(duì)的防范措施，對(duì)確保高速公路運(yùn)輸暢通無(wú)阻，保證高速行車安全具有重要意義。

1 膨脹巖的特點(diǎn)及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

1.1 裂隙性

裂隙性是膨脹巖最重要也是最特殊的性質(zhì)之一，膨脹巖的裂隙強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其本身的土體強(qiáng)度。天然膨脹巖體中存在著大量由于構(gòu)造、風(fēng)化、成巖、卸載等作用自然成形裂隙。巖體裂隙的成因各有不同，又相互聯(lián)系，構(gòu)造裂隙由其構(gòu)造應(yīng)力決定，包含張開(kāi)裂隙和剪切裂隙，發(fā)育程度和作用強(qiáng)度與其構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)。卸荷、風(fēng)化裂隙的產(chǎn)生時(shí)常伴隨著成巖裂隙和構(gòu)造裂隙。裂隙的存在破壞了巖體結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性、使巖體局部應(yīng)力集中而且加劇了其風(fēng)化作用。因此，膨脹巖體中的裂隙存在，使其比其他巖石更易發(fā)生破壞。

1.2 膨脹性

膨脹巖的膨脹性對(duì)邊坡的影響主要表現(xiàn)在以下方面：首先，在降水作用、地表水或地下水的作用下，坡體內(nèi)巖體的膨脹變形被周圍巖體制約，巖石微粒間的吸附作用和結(jié)構(gòu)面之間的連接強(qiáng)度會(huì)降低，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度衰減，邊坡穩(wěn)定性降低[1]。膨脹巖吸水膨脹，誘發(fā)膨脹節(jié)理裂隙，使巖石更破碎，加速風(fēng)化剝蝕破壞。

1.3 超固結(jié)性

膨脹巖超固結(jié)性與巖石所處的地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)。膨脹巖地質(zhì)沉積時(shí)間較長(zhǎng)，地層壓實(shí)度高，從而導(dǎo)致其超固結(jié)性。超固結(jié)性既影響坡面風(fēng)化病害特征又影響坡體破壞形式，膨脹巖的超固結(jié)性直接影響到其工程性質(zhì)。

膨脹巖的裂隙性、膨脹性、超固結(jié)性對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響不是孤立存在的，而是相互作用，共同影響的。所以，在討論膨脹巖邊坡破壞原因時(shí)要綜合考慮各種因素的影響。

2 膨脹巖邊坡破壞類型及相應(yīng)防護(hù)措施

2.1 坡面破壞類型

自然情況下風(fēng)化作用無(wú)處不在，由于膨脹巖特殊的特性，導(dǎo)致其更易發(fā)生風(fēng)化破壞。坡面破壞由于氣候作用范圍和自然應(yīng)力的控制，其發(fā)生位置一般為地面以下1 m左右。坡面破壞類型主要有以下兩種：

1)邊坡表面剝落。膨脹巖在干濕凍融的循環(huán)作用下，巖石破碎成大小約0.5 cm～5 cm的碎塊，在重力和雨水等自然因素的綜合作用下，在坡腳或者臺(tái)階處堆積。當(dāng)坡面風(fēng)化程度較低，膨脹巖巖性較好時(shí)，剝落物呈碎塊狀，粒徑較大。當(dāng)坡面風(fēng)化程度較強(qiáng)，膨脹巖巖性較差時(shí)，剝落物的粒徑較小。坡腳堆積物需及時(shí)處理，否則會(huì)阻塞排水溝，導(dǎo)致排水不暢，如落在車道上，會(huì)威脅行車安全。在有骨架護(hù)坡支撐的坡面上，如對(duì)剝落落石不經(jīng)處理，會(huì)架空骨架護(hù)坡從而失去其應(yīng)有的支撐保護(hù)作用[2]。

2)邊坡局部溜塌。在風(fēng)化的作用下，巖體內(nèi)部裂隙與節(jié)理面產(chǎn)生、發(fā)育、擴(kuò)展，其整體性遭到嚴(yán)重破壞，巖石被割裂成破碎塊狀。當(dāng)有外部降雨時(shí)，破碎巖土體呈飽水狀態(tài)，并在重力和流水的作用下向下移動(dòng)，從而形成溜塌。膨脹巖風(fēng)化越嚴(yán)重越容易發(fā)生局部溜塌，溜塌體的厚度在0.5 m～1.0 m。邊坡溜塌的產(chǎn)生與坡率關(guān)系不大。當(dāng)邊坡為成巖較弱或風(fēng)化較重的中等膨脹巖石時(shí)，溜塌可能產(chǎn)生在坡面的任何部位。由膨脹性泥質(zhì)巖和非膨脹性巖石組成的邊坡，由于巖層之間的風(fēng)化差異，當(dāng)構(gòu)造節(jié)理對(duì)溜塌發(fā)育有利時(shí)，易誘發(fā)局部溜塌災(zāi)害[3]。

2.2 坡面破壞的防護(hù)措施邊坡表層的膨脹巖，在風(fēng)化作用下，巖體風(fēng)化程度會(huì)沿著構(gòu)造面向巖石深層發(fā)育，使巖體強(qiáng)度降低，誘發(fā)坡面病害。因此，防風(fēng)化在膨脹巖坡面防護(hù)中的重要性就凸顯出來(lái)。坡面防護(hù)的措施主要有：漿砌片石護(hù)坡、漿砌片石骨架護(hù)坡、表面噴射混凝土、水泥砂漿抹面、錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土和鋼纖維混凝土噴錨等。如邊坡整體穩(wěn)定，可采用的措施有漿砌片石、錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土和鋼纖維混凝土噴錨等。漿砌片石護(hù)坡適用于成巖較好且為弱～中等膨脹巖構(gòu)成的低矮邊坡。錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土和鋼纖維混凝土噴錨防護(hù)適用于成巖較好的弱膨脹巖邊坡。水泥砂漿或混凝土抹面適用于成巖較好的弱膨脹巖邊坡，但由于水泥或者混凝土與膨脹巖粘結(jié)性不佳，難以形成工作整體，使得抹面易脫落，效果不佳。

2.3 坡體破壞類型

膨脹巖邊坡坡體破壞類型主要有以下兩種：

1)坍塌。邊坡坍塌產(chǎn)生的原因是：由于邊坡坡腳應(yīng)力集中，巖體吸水膨脹以及巖體結(jié)構(gòu)破碎等因素導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低，工程性質(zhì)變差。坍塌體的范圍主要取決于巖體的結(jié)構(gòu)面的位置，其厚度為1 m～5 m。坡體的坍塌病害不僅與風(fēng)化作用有關(guān)還與坡率及巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征等有關(guān)。

2)滑坡。滑坡破壞是指膨脹巖在雨水沖刷、地震、人類活動(dòng)等因素共同作用下，沿巖體中的軟弱帶產(chǎn)生整體或部分位移滑動(dòng)?；乱?guī)模、速度、距離及積蓄的位能及動(dòng)能影響滑坡強(qiáng)度[4]?；麦w位置越高、體積越大、速度越快、距離越遠(yuǎn)，則強(qiáng)度越高，破壞越大?；碌囊?guī)模由巖石及巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的位置決定的，因而其滑坡規(guī)模差別很大。

2.4 坡體破壞的防護(hù)措施

1)坍塌破壞的防護(hù)。常用的防護(hù)措施有重力式擋土墻、錨桿框架梁、錨桿擋墻等。不同防護(hù)措施適用條件不同，現(xiàn)場(chǎng)資料表明，重力式擋土墻適用于弱～中等的膨脹巖邊坡。錨桿框架和錨桿擋墻適用于膨脹巖塹坡。

2)滑坡破壞的防護(hù)?，F(xiàn)階段膨脹巖滑坡的防護(hù)措施以各種類型的抗滑樁、抗滑檔土墻和錨桿擋墻為主?？够瑯逗涂够瑩跬翂m用于大部分膨脹巖邊坡的治理。樁板墻防護(hù)適用于極為破碎的膨脹巖巖體滑坡。值得注意的是，新型的玻璃纖維錨桿為邊坡治理提供了新的方法，此類型的錨桿具有更高的強(qiáng)度指標(biāo)，并且與巖體連接性較好，具有更高的粘結(jié)強(qiáng)度，因此具有很好的發(fā)展前景。另外，在進(jìn)行防護(hù)措施設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行巖心地質(zhì)勘探由此選取合適的計(jì)算設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 膨脹巖邊坡的治理原則

3.1 嚴(yán)格控制含水率

膨脹巖邊坡的防護(hù)要嚴(yán)格控制邊坡的含水率，目的是避免裂隙水或地下水侵蝕巖體。因此，坡頂、坡腳及坡體的含水率控制措施顯得十分重要，保水防滲的好壞在一定情況下可以決定防護(hù)措施的有效與否。

3.2 因地制宜

邊坡防護(hù)措施不是一成不變的，不同地區(qū)膨脹巖物理、力學(xué)特性會(huì)有很大差別，其防護(hù)措施應(yīng)結(jié)合具體膨脹巖的巖性，巖層組合特征及邊坡的高度、坡率等因素綜合考慮，做到“一坡一方案，一坡一治理”。

4 工程案例概況

某高速典型膨脹巖邊坡，如圖1所示。

此邊坡為人工巖質(zhì)永久性邊坡，共六級(jí)臺(tái)階，其中一級(jí)坡面為漿砌片石防護(hù)，局部裸露，一級(jí)以上坡面完全裸露。節(jié)理裂隙非常發(fā)育，主要節(jié)理兩條，相互垂直分布。三級(jí)坡面及以上部分巖性主要為膨脹巖，現(xiàn)狀表現(xiàn)為典型的坡面病害，剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，在常年風(fēng)化作用下，膨脹巖的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞呈破碎狀，強(qiáng)度指標(biāo)大大降低。

4.1 技術(shù)路線

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘分析，此項(xiàng)研究關(guān)鍵為邊坡裸露膨脹巖在長(zhǎng)期自然條件作用下結(jié)構(gòu)破壞引發(fā)滑塌問(wèn)題，研究?jī)?nèi)容需要充分考慮降雨、長(zhǎng)期風(fēng)化、地震等不良工況，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)膨脹巖邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性做出預(yù)測(cè)，并提出針對(duì)性的防護(hù)方案。因此，研究的整體思路如圖2所示。

4.2 防護(hù)措施與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究的實(shí)施細(xì)則

1)地質(zhì)資料測(cè)繪及監(jiān)測(cè)。

各級(jí)臺(tái)階上共布置15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)頻率，正常情況7 d～15 d監(jiān)測(cè)一次，降雨、雪期間，每周監(jiān)測(cè)一次，監(jiān)測(cè)周期為1年，見(jiàn)圖3，圖4。

2)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。膨脹巖巖樣取5組15塊，規(guī)格大小滿足實(shí)驗(yàn)要求，進(jìn)行巖芯實(shí)驗(yàn)，常規(guī)巖層試樣進(jìn)行常規(guī)物理、力學(xué)實(shí)驗(yàn)，膨脹巖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：

a.膨脹巖的基本物理指標(biāo)：密度、干密度、重度、孔隙率、含水量、塑限、液限、最大干密度、最優(yōu)含水量、平均粒徑、不均勻系數(shù)、滲透系數(shù)；

b.膨脹巖的力學(xué)指標(biāo)：自由膨脹率、膨脹含水率、凝聚力和內(nèi)摩擦角值、單軸抗壓強(qiáng)度。

3)模型計(jì)算。三維地質(zhì)模型計(jì)算采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)，最大程度的反映原始地形地貌，地層力學(xué)性質(zhì)采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用膨脹巖本構(gòu)模型，分別計(jì)算飽水工況、地震工況，計(jì)算分析邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，計(jì)算如表1所示，特殊工況指地震工況。

表1 模型計(jì)算數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了膨脹巖的特性和其對(duì)邊坡的破壞類型的影響，以及膨脹巖邊坡的坡面、坡體破壞形式及其防護(hù)措施，得出膨脹性巖體是在多種外應(yīng)力條件共同作用下產(chǎn)生的變形，其誘發(fā)因素不是獨(dú)立存在而是相互影響的結(jié)論。

坡面風(fēng)化作用繼續(xù)向巖體深部發(fā)展會(huì)導(dǎo)致坡體破壞，因此，膨脹巖邊坡的防護(hù)，應(yīng)遵循嚴(yán)格控制含水率、坡面與坡體防護(hù)、因地制宜相結(jié)合的原則。膨脹巖由于其復(fù)雜特性，使得巖體的實(shí)際力學(xué)指標(biāo)比室內(nèi)試驗(yàn)低得多。因此，進(jìn)行防護(hù)措施設(shè)計(jì)時(shí)還需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察來(lái)確定巖體的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)值。最后，通過(guò)具體工程實(shí)例為膨脹巖邊坡的防治提供了思路。