路塹邊坡垮塌成因分析及防治措施探討

鄭 勇

(上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080)

0 引 言

正在建設(shè)中的環(huán)天府新區(qū)快速通道起于眉山市西南，途經(jīng)眉山市彭山區(qū)、仁壽縣，止于簡(jiǎn)陽(yáng)市三岔湖旅游環(huán)線(xiàn)。作為眉山市北部地區(qū)一條重要的橫向快速通道，聯(lián)通了天府新區(qū)青龍、視高兩大核心區(qū)。該項(xiàng)目線(xiàn)路全長(zhǎng)48.5 km，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，雙向四車(chē)道，路基寬度25.5 m。它的建成將極大地改善眉山市北部缺乏東西向大通道的現(xiàn)狀、促進(jìn)眉山市與天府新區(qū)的互聯(lián)互通。

該路在一年的建設(shè)過(guò)程中，有多處路塹在開(kāi)挖后均出現(xiàn)了不同程度的垮塌現(xiàn)象。從幾處垮塌的地方分析，垮塌的路塹邊坡與開(kāi)挖坡率和開(kāi)挖高度關(guān)系不大，而與路塹土體的地質(zhì)特征有很大的關(guān)系。尤其對(duì)于已經(jīng)修整成型的高路塹邊坡，邊坡的垮塌造成的修復(fù)經(jīng)濟(jì)損失往往更大。如單純的擴(kuò)大征地范圍，既浪費(fèi)土地資源，征地手續(xù)辦理又很麻煩；機(jī)械操作難度大；還要占用大量的人力、材料、設(shè)備，工期也同時(shí)跟著延誤。本文重點(diǎn)闡述該項(xiàng)目所在區(qū)域的巖土的工程特征，介紹邊坡穩(wěn)定性的影響因素，并概括介紹了相應(yīng)垮塌的處理方法。

1 公路路塹邊地質(zhì)特征

通過(guò)我們對(duì)全線(xiàn)垮塌區(qū)域的土樣采集分析后發(fā)現(xiàn)，土樣顏色以灰黃色、褐黃色、紅黃色、紅色、灰白色粘土和強(qiáng)風(fēng)化泥巖(泥巖是指弱固結(jié)的黏土經(jīng)過(guò)中等程度的后生作用形成強(qiáng)固結(jié)的巖石，主要成分與粘土類(lèi)似)為主。該土樣遇水膨脹，宜塑宜滑，失水干裂收縮。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，該土為典型的“成都粘土”，而邊坡垮塌的主要原因就是成都粘土，地下水、裂隙水與自然降水等共同作用的結(jié)果。

1.1 成都粘土物質(zhì)組成

成都粘土的礦物成分主要為伊利石，次為蒙脫石；此外，還含有少量高嶺土、綠泥石和石英。在不同層次、不同顏色的粘土中，各種粘土礦物的相對(duì)含量有一定的差異。其中灰白色粘土中蒙脫石含量較高。

成都粘土的化學(xué)成分中SiO2占絕大多數(shù)，主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、NaO、MgO、CaO組成。其中主要物質(zhì)含量SiO2=63.6%～69.2%；Al2O3=13.4%～15.9%；Fe2O3=6.2%～9.2%；三者總量達(dá)到了85%以上。

成都粘土的PH值在7.3～7.9，呈弱堿性，有利于生成伊利石、蒙脫石等粘土礦物。

1.2 成都粘土的工程地質(zhì)特征

(1)成都粘土的物理力學(xué)性質(zhì)。成都粘土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表 1。

表1 成都粘土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

(2)成都粘土一般工程特征

從表1可看出，成都粘土塑性指數(shù)為18～33，天然密度較大，為18.7～20.7 KN/m3，天然孔隙比較小，為0.61～0.79，密實(shí)度較高，力學(xué)性能較好；壓縮模量為9.00～27.00 MPa，壓縮系數(shù)為0.10～0.28 MPa-1，屬中等壓縮性地基土。根據(jù)對(duì)28組工地現(xiàn)場(chǎng)取樣原狀試樣物理力學(xué)指標(biāo)值分析得知:項(xiàng)目區(qū)域土樣有隨天然含水率的增高，天然密度降低，孔隙比增大的規(guī)律。在天然含水率狀態(tài)下原狀試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，遠(yuǎn)大于飽水狀態(tài)下土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，重塑土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)高于原狀試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(說(shuō)明裂隙對(duì)粘土強(qiáng)度的影響較大)，而且重塑土樣的抗剪強(qiáng)度隨含水率的提高而降低。

(3)成都粘土的脹縮性

從表1中的自由膨脹率可以看出，成都粘土具有弱-中等膨脹潛勢(shì)。而根據(jù)該項(xiàng)目來(lái)看，全線(xiàn)約有70%區(qū)域處于弱-中等膨脹土地區(qū)。而由于膨脹土與水結(jié)合的能力，吸水膨脹，失水收縮，并具膨脹-收縮-再膨脹的往復(fù)脹縮特征，再水巖的相互作用下，極易發(fā)生路塹邊坡外鼓、剝落、表層滑塌、淺層滑坡等自然災(zāi)害。

2 成都粘土邊坡垮塌產(chǎn)生機(jī)理

2.1 大氣降雨(物理效應(yīng))

由于大氣降雨，降水下滲在邊坡巖土體上產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，使巖土體面上的摩阻力減小，作用在巖土體面上的剪應(yīng)力效應(yīng)增強(qiáng)，結(jié)果沿滑動(dòng)面誘發(fā)巖土體的剪切運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過(guò)程在滑坡體受降水入滲使得地下水位升到滑動(dòng)面以上時(shí)尤其顯著。同時(shí)降水下滲還使邊坡巖土體產(chǎn)生軟化和泥化效應(yīng)，主要表現(xiàn)在對(duì)巖土體中充填物的物理性狀的改變，巖土體內(nèi)充填物隨含水量的變化，發(fā)生由固態(tài)向塑態(tài)直至液態(tài)的弱化效應(yīng)，特別是在巖土體中存在較多吸水易脹的礦物成分(如蒙脫石、伊利石等)時(shí)。因此降水對(duì)邊坡巖土體產(chǎn)生的潤(rùn)滑作用及弱化效應(yīng)，反映在力學(xué)上就是使巖土體的內(nèi)聚力和摩擦角減小。

另外雨水下滲還通過(guò)孔隙靜水壓力和孔隙動(dòng)水壓力作用對(duì)該邊坡巖土體的力學(xué)性質(zhì)施加影響。前者減小滑坡體的有效正應(yīng)力，從而降低滑坡體的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)在裂隙中的孔隙靜水壓力可使原有裂隙產(chǎn)生擴(kuò)容變形；后者對(duì)滑坡體產(chǎn)生切向的推力，從而降低滑坡體的抗剪強(qiáng)度。地下水在松散土體、松散破碎巖體及軟弱夾層中運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)土顆粒施加橫向推力，在孔隙動(dòng)水壓力的作用下可使巖土介質(zhì)中的細(xì)顆粒物質(zhì)產(chǎn)生移動(dòng)，甚至被攜出巖土介質(zhì)之外，產(chǎn)生潛蝕而使巖土體破壞。

邊坡垮塌在強(qiáng)降雨期間尤其容易發(fā)生。結(jié)合環(huán)天府快速通道項(xiàng)目在2018年夏季出現(xiàn)了50年一遇的強(qiáng)降雨，項(xiàng)目出現(xiàn)數(shù)十處大小不等的邊坡垮塌及滑坡現(xiàn)場(chǎng)也說(shuō)明這一點(diǎn)?？傊涤陮?duì)邊坡巖土體的力學(xué)性質(zhì)的影響主要有三個(gè)方面。

(1)雨水通過(guò)物理、化學(xué)的作用改變了邊坡巖土體力學(xué)結(jié)構(gòu)；

(2)雨水通過(guò)孔隙靜水壓力作用，影響滑坡體中的有效正應(yīng)力而降低邊坡巖土體的強(qiáng)度；

(3)雨水通過(guò)孔隙動(dòng)水壓力的作用，對(duì)邊坡巖土體施加一個(gè)推力，即在邊坡巖土體中產(chǎn)生一個(gè)剪應(yīng)力，從而降低滑坡體的抗剪強(qiáng)度。

2.2 地質(zhì)特征(水巖化學(xué)效應(yīng))

還有巖體中的親水性礦物與水作用后引起體積膨脹，使巖土具有較大脹縮性。特別蒙脫石、伊利石和高嶺土等膨脹土在吸水失水往復(fù)脹縮下，由于體積膨脹使不均勻的，因此巖土介質(zhì)產(chǎn)生不均勻內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致巖土介質(zhì)的離解、碎裂、崩解以及裂隙的產(chǎn)生，在降雨等的綜合作用下，最終造成邊坡的垮塌。

2.3 人類(lèi)活動(dòng)

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)邊坡變形垮塌的影響主要表現(xiàn)在路塹的開(kāi)挖、石方爆破作業(yè)、坡面及塹頂及后緣帶的不斷加載等。路塹的開(kāi)挖打破原巖體的應(yīng)力場(chǎng)的平衡，超出了該地區(qū)巖體自平衡能力；爆破作業(yè)對(duì)周?chē)鷰r體的破壞主要表現(xiàn)在使巖體產(chǎn)生松動(dòng)或是裂隙；坡面和坡頂?shù)募虞d對(duì)巖體的危害則由于增加了坡面及坡頂?shù)淖灾厥箮r體出現(xiàn)變形和開(kāi)裂?？偠灾祟?lèi)的活動(dòng)打破了原有巖體應(yīng)力場(chǎng)，使巖體出現(xiàn)變形、裂隙，在其作用下，最終由于巖體自撐能力無(wú)法抵抗巖體剪切應(yīng)力而出現(xiàn)邊坡垮塌。

3 邊坡垮塌病害及防治措施

路塹邊坡施工及后期運(yùn)行過(guò)程中，常伴有各類(lèi)邊坡病害的發(fā)生，如路塹邊坡剝落、沖蝕、溜塌、滑坡等地質(zhì)病害。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目的路塹邊坡地質(zhì)病害的處理，再結(jié)合眉山地區(qū)既往公路項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，路塹邊坡施工前宜采取“要治坡，先排水”的原則，同時(shí)做到“開(kāi)挖一級(jí)防護(hù)一級(jí)”以保證邊坡巖體的穩(wěn)定。綜合治理措施主要以截排堵水、支擋防護(hù)(坡面防護(hù)、支擋防護(hù))、刷坡減重、綜合監(jiān)測(cè)等處理措施。

3.1 截、排、堵水

地下水活動(dòng)是誘發(fā)邊坡滑坡和垮塌的主要誘因，無(wú)論是采用何種邊坡處治方式，都必須先做好對(duì)地表水和地下水的處理，排除地表水和地下水的主要方式有：

(1)開(kāi)挖截水溝：路塹施工前，應(yīng)提前開(kāi)挖截水溝，每開(kāi)挖一級(jí)后根據(jù)設(shè)計(jì)要求馬上施作平臺(tái)截水溝，防止邊坡頂面地表水下滲進(jìn)入巖土體內(nèi)及下流沖刷坡面。

(2)支撐滲溝：在成型坡面上開(kāi)挖排水溝，溝寬0.5 m，溝高0.8 m，間距根據(jù)坡面的巖土體結(jié)構(gòu)確定。溝內(nèi)墊滲水土工布，同時(shí)回填粒徑1～3 cm的碎石或卵石，其上再鋪設(shè)滲水土工布，最后在表面覆蓋素土并壓實(shí)。

(3)地表注漿：部分邊坡地方巖土結(jié)構(gòu)松散，降水容易下滲，在坡面在施作支撐滲溝的同時(shí)，可以考慮對(duì)邊坡坡頂一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行地表預(yù)注漿(水泥漿)。既可以起到固結(jié)巖土體結(jié)構(gòu)，增大巖土體的抗剪強(qiáng)度，又能封閉巖土體裂隙，使地下水無(wú)法下滲。如果能在漿液中添加石灰，還能改善邊坡土體結(jié)構(gòu)化學(xué)性能，從而起到穩(wěn)定邊坡的目的。

3.2 支擋防護(hù)

(1)坡面防護(hù)

路基邊坡坡面由于受到人為或降雨下滲、風(fēng)蝕等自然條件的影響，慢慢會(huì)出現(xiàn)不同程度的坡面病害，如不進(jìn)行坡面的有效防護(hù)，最終會(huì)導(dǎo)致更大的邊坡病害。坡面病害主要表現(xiàn)為坡面剝落、落石、表面滑塌等病害。

因此對(duì)于常規(guī)的石質(zhì)邊坡(泥巖、粉砂巖等)，有坡面有一定的自撐能力，只需要對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)，免收雨水沖刷，減緩溫差及穩(wěn)定變化的影響，防止和延緩軟弱巖土表面的風(fēng)化、碎裂、剝蝕的演化進(jìn)程，從而起到保護(hù)路塹邊坡的整體穩(wěn)定。

常規(guī)坡面防護(hù)方法有：植物防護(hù)(雨水充足地區(qū))、骨架植物防護(hù)(混凝土骨架植草、水凝混凝土空心塊植草等)、圬工防護(hù)(護(hù)面墻、錨噴混凝土護(hù)坡、封面等)、土工織物防護(hù)(三維植被網(wǎng))、主被動(dòng)網(wǎng)等。

(2)支擋防護(hù)

對(duì)于土質(zhì)邊坡、膨脹土邊坡高邊坡、宜滑坡邊坡等，由于巖土體應(yīng)力較大且內(nèi)部應(yīng)力不均勻，簡(jiǎn)單的坡面防護(hù)不能保證邊坡的整體穩(wěn)定。因此這一類(lèi)邊坡除了要對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)以外還需要保證表破坡腳的穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)坡腳修筑支擋以抵抗邊坡側(cè)向壓力。

常規(guī)支擋防護(hù)方法有：矮擋墻、路塹墻、錨桿擋土墻、錨桿框架梁等。

3.3 刷坡減重

對(duì)于部分巖土體自由膨脹率不大的邊坡，如有滑坡風(fēng)險(xiǎn)或已垮塌地段可以采用對(duì)路塹頂部進(jìn)行刷坡減載。主要方法是將頂部邊坡減緩，同時(shí)增大平臺(tái)寬度，使邊坡巖土體剪切應(yīng)力減小，從而起到上部減重的目的。

3.4 綜合監(jiān)測(cè)

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，成都粘土地區(qū)路塹邊坡均存在地質(zhì)病害，只是地質(zhì)病害發(fā)生的程度和大小不一樣。因此作為施工管理者和項(xiàng)目運(yùn)行單位都不能忽視邊坡病害發(fā)生的可能。應(yīng)定期對(duì)可能出現(xiàn)垮塌風(fēng)險(xiǎn)的地段進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控已。特別是對(duì)膨脹土地段路塹地段、30 m以上石質(zhì)邊坡、20 m以上土質(zhì)邊坡及已發(fā)生過(guò)少量垮塌地段進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。對(duì)于雨季應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，從源頭上杜絕邊坡重大邊坡事故的發(fā)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)環(huán)天府新區(qū)快速通道邊坡滑坡原因分析，主要受到邊坡的地質(zhì)、工程特征及邊坡垮塌力學(xué)效應(yīng)、水巖化學(xué)效應(yīng)及人類(lèi)活動(dòng)等幾個(gè)方面影響，總結(jié)出了邊坡垮塌病害的變形機(jī)理。

在此基礎(chǔ)上，依托環(huán)天府快速通道項(xiàng)目路塹邊坡治理的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本地區(qū)相似項(xiàng)目的處理方法。提出了路塹邊坡防治的技術(shù)措施。為以后類(lèi)似項(xiàng)目的建設(shè)提供參考和借鑒。