閩北公路邊坡淺層凍融失穩(wěn)的成因分析與防治對(duì)策

陳壽明

(南平市公路局，南平 353000)

0 引言

南平境內(nèi)G237(原S303)武夷山汾水關(guān)和G235(原S202)政和路段位于閩北高海拔山區(qū)，公路路塹邊坡花崗巖殘積土眾多，每年冬季經(jīng)常出現(xiàn)邊坡淺層因凍融失穩(wěn)導(dǎo)致大面積剝落、潰坡，淤埋邊溝及路面，影響交通通暢及運(yùn)營安全。 花崗巖殘積土不同于一般的粘性土，它具有孔隙比大、擾動(dòng)性強(qiáng)、崩解性及飽水軟化特性顯著等特點(diǎn)，通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：雖然短時(shí)凍土形成周期短、凍深淺，但容易引起殘積土邊坡淺層失穩(wěn)，一旦邊坡表層土體滑塌之后，新露出的坡體淺層仍面臨凍融失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，如此循環(huán)，導(dǎo)致殘積土邊坡產(chǎn)生由淺到深逐層失穩(wěn)現(xiàn)象。

1 邊坡短時(shí)凍融失穩(wěn)的成因分析

1.1 土體物理特性

本試驗(yàn)用土選取現(xiàn)場典型的短時(shí)凍區(qū)表層殘積土邊坡土質(zhì)制作土柱， 所取土樣依據(jù) 《公路土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)，進(jìn)行了含水率、液限、塑限、密度等基本土工試驗(yàn)，其結(jié)果見表1。

表1 典型土壤物性參數(shù)

1.2 土體凍脹特性研究

土的凍脹是指在凍結(jié)過程中， 土中原位水結(jié)冰以及土體內(nèi)部及外界水分向凍結(jié)面遷移，并凍結(jié)成冰，形成冰層。 當(dāng)水凍結(jié)成冰時(shí)，體積增大，引起土顆粒間的相對(duì)位移，使土體產(chǎn)生不同形式的膨脹現(xiàn)象。為分析土體的凍脹特征，從現(xiàn)場隨機(jī)抽取土樣制作土柱，對(duì)土柱進(jìn)行凍脹模擬試驗(yàn)， 從應(yīng)力、 位移層面上對(duì)土體的凍脹特征進(jìn)行研究。 在進(jìn)行室內(nèi)凍脹試驗(yàn)中，試樣開始時(shí)，先將凍融機(jī)設(shè)置為1℃對(duì)試樣進(jìn)行冷浴10h，此時(shí)土樣的溫度和變形都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。閩北短時(shí)凍區(qū)的低溫在-7℃左右，設(shè)定凍融機(jī)溫度來實(shí)現(xiàn)降溫， 以每小時(shí)2℃的速率降溫， 當(dāng)達(dá)到-7℃時(shí)停止降溫。試驗(yàn)中，每1 小時(shí)觀測一次土柱的凍脹位移，直至土柱凍脹停止。

圖1 凍脹位移隨降溫時(shí)間的發(fā)展

通過對(duì)土柱凍脹位移隨降溫時(shí)長的變化進(jìn)行記錄如圖1，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理。 通過實(shí)驗(yàn)表明：環(huán)境溫度為-7℃，壓實(shí)度為85%，含水率為21.5%的殘積土凍脹后高度為2.18mm。 經(jīng)公式(1)計(jì)算可知，凍脹率為2.725%，屬于凍脹土。 土體凍脹率計(jì)算公式：

式中： ηf為凍脹率(%)，計(jì)算至0.01；Δh 為試樣總凍脹量，mm；Hf為凍結(jié)深度，mm。

1.3 土體凍脹產(chǎn)生的應(yīng)力分析

在凍脹過程對(duì)每層顆粒間應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測， 發(fā)現(xiàn)不同層間應(yīng)力的變化趨勢基本一致，為避免數(shù)據(jù)過多，此處提取每層正中的測量球， 即10、17、24、31、38、45 測量球的監(jiān)測數(shù)據(jù)，試樣各層內(nèi)部應(yīng)力變化如圖2 所示。

圖2 試樣各層內(nèi)部應(yīng)力變化

由圖2 可見： 模擬過程中冰顆粒每次膨脹擠壓顆粒都會(huì)使顆粒間產(chǎn)生大應(yīng)力，初始狀態(tài)下應(yīng)力值很小，這是由于此時(shí)應(yīng)力主要來源于自重作用。 在凍脹過程中應(yīng)力主要來自于凍脹作用，頂層由于上部無約束，顆粒運(yùn)動(dòng)釋放應(yīng)力，故應(yīng)力增幅不大，但隨著深度增加，應(yīng)力也逐漸增大。通過試驗(yàn)結(jié)果，可以表明邊坡在凍結(jié)過程中整體無明顯位移，但作為一種擾動(dòng)作用，邊坡坡面及坡腳處先后出現(xiàn)明顯橫向位移，并形成兩個(gè)位移影響區(qū)域，隨凍脹過程逐漸向坡體內(nèi)擴(kuò)展， 并最終形成一個(gè)類似于滑動(dòng)面的位移影響區(qū)。邊坡土體在凍結(jié)過程中產(chǎn)生的凍脹力，使坡面土體中形成類似紋溝和細(xì)溝的凍脹裂紋。 當(dāng)溫度升高時(shí)，冰的強(qiáng)膠結(jié)作用轉(zhuǎn)化為水的軟化作用，凍脹力消失，產(chǎn)生的裂紋不可恢復(fù)。經(jīng)過反復(fù)的凍融作用，土體結(jié)構(gòu)性持續(xù)下降，在風(fēng)、雨等外界因素下脫離坡體，發(fā)生剝落破壞。

2 邊坡凍融失穩(wěn)防治技術(shù)與對(duì)策

2.1 坡面排水措施

含水率作為凍融影響因素之一， 其大小對(duì)凍融損傷效應(yīng)影響明顯。 隨著含水率的增加，土體自身強(qiáng)度下降、凍結(jié)溫度升高、已凍結(jié)且凍脹明顯、土體結(jié)構(gòu)遭受更嚴(yán)重的損傷，強(qiáng)度進(jìn)一步降低，邊坡穩(wěn)定性跟著降低。所以，有必要采取排水措施降低邊坡淺層土體含水率。 在距坡頂1m 外設(shè)置截水溝以便排除地表水并減弱坡面徑流；還可以沿坡面設(shè)置多排仰斜式直徑3cm、長50cm 并纏有土工布的PVC 排水管，排除坡內(nèi)土中水分，進(jìn)而提高淺層土體強(qiáng)度、增強(qiáng)邊坡淺層穩(wěn)定性。

2.2 邊坡防護(hù)技術(shù)措施

短時(shí)凍土區(qū)域具有凍融周期短、凍融次數(shù)頻繁、凍土層深度較淺等特點(diǎn)，綜合公路安全、舒適、美觀與環(huán)境相協(xié)調(diào)等特點(diǎn)，優(yōu)先考慮植物防護(hù)技術(shù)，利用植物根系固著邊坡表層土壤以減輕沖刷，從而達(dá)到邊坡防護(hù)的目的。在邊坡失穩(wěn)成因分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)土質(zhì)特征，在武夷山市原S303 線、 政和縣原S202 線凍土邊坡災(zāi)害頻發(fā)區(qū)選取試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行邊坡防護(hù)現(xiàn)場試驗(yàn)， 經(jīng)比選， 采用陶砂混凝土、普根生生態(tài)防護(hù)、JCDK-1 化學(xué)固化劑、CBS 植被混凝土等防治技術(shù)措施。 現(xiàn)場試驗(yàn)方案分類見表2。

表2 失穩(wěn)防治方案分類

以上現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目于2016 年夏季完工， 邊坡防護(hù)效果整體效果很好，未出現(xiàn)溜土、沖溝和水土流失，植物覆蓋率很高，植物生長茂盛；陶砂混凝土未出現(xiàn)凍裂現(xiàn)象，對(duì)邊坡淺層水土流失起到了很好的防護(hù)效果，凍融失穩(wěn)現(xiàn)象得到有效的治理。工程的實(shí)施效果如圖3～8所示。

圖3 陶沙混凝土坡

圖4 普根生生態(tài)防護(hù)

圖5 CBS 植被混凝土護(hù)坡

圖6 JCDK-1 固化劑護(hù)坡

圖7 乳化瀝青護(hù)坡

圖8 植被毯護(hù)坡

3 結(jié)語

原省道303、202 試驗(yàn)點(diǎn)項(xiàng)目完工后， 通過兩年的現(xiàn)場觀察、監(jiān)測，對(duì)各類邊坡短時(shí)凍融失穩(wěn)治理技術(shù)取得的成效，結(jié)論如下：

(1)土質(zhì)邊坡因凍脹產(chǎn)生坡面剝落，受雨水作用容發(fā)生沖刷破壞，邊坡失穩(wěn)，采用JCDK-1 化學(xué)固化劑護(hù)坡、乳化瀝青表層護(hù)坡及植被毯護(hù)坡方案可有效穩(wěn)固破面，恢復(fù)生態(tài)，效果明顯。

(2)土夾石邊坡土壤較為貧瘠，冬季表土因凍脹易滑落造成土石剝離，夏季多雨季節(jié)較易產(chǎn)生溜坡，采用普根生生態(tài)防護(hù)和CBS 植被混凝土方案，植被可在坡面表層中起到加筋加固作用，防治溜坡效果明顯。

(3)破碎石質(zhì)邊坡易發(fā)生面剝落、坍塌、崩巖等現(xiàn)象，采用陶砂混凝土護(hù)坡方案， 克服了凍土區(qū)常規(guī)混凝土存在易凍融破壞、開裂等現(xiàn)象，可明顯起到固結(jié)落石、坡土的作用。