葉舞高速公路膨脹土路塹邊坡調查與防護

河南省交通科學技術研究院有限公司 王曉峰

河南建筑職業技術學院 劉 萍

葉舞高速公路膨脹土路塹邊坡調查與防護

河南省交通科學技術研究院有限公司 王曉峰

河南建筑職業技術學院 劉 萍

中國是世界上膨脹土分布最廣，面積最大的國家之一。由于膨脹土層遇水后強度會極速降低，極易形成軟弱夾層，造成邊坡滑塌，因此，在膨脹土地區修建的鐵路、公路邊坡滑坡等病害十分普遍。尤其是因土方開挖形成的路塹邊坡，由于膨脹土滑坡破壞性較大，后期處理困難，在設計和施工時，需采取合適的防護和加固措施，防止滑坡的產生。

一、膨脹土的工程特性及路塹邊坡破壞機理

1. 膨脹土的工程特性。對膨脹土的判別，目前國內外尚無統一標準，各行業也都有不同規定。《膨脹土地區建筑技術規范》將自由膨脹率大于40%和液限（76克錐）大于40%的黏性土作為判定原則。現行《公路路基設計規范》將自由膨脹率大于40%和液限大于40%的黏性土作為判定原則，而最終的判定原則是脹總縮率大于或等于0.7%，并考慮脹縮循環變形特性，以及與其他指標相結合的綜合判別方法。膨脹土分為強、中等、弱膨脹土3種類別，如表1所示。

表1 膨脹土工程特性分類

2. 膨脹土的功能特性。

（1）反復脹縮性。膨脹土中含有較多強親水性黏土礦物質（蒙脫石、伊利石等）。當土體浸水時，土顆粒表面的結合水膜增厚，使顆粒間距拉大，引起土體膨脹；當土體失水時，結合水膜變薄，顆粒間距縮小，引起土體縮小。隨著土體含水量的增減，膨脹力也會相應發生變化。

（2）超固結性。膨脹土的超固結性是土體在地質歷史過程中，曾經承受過比目前上覆壓力更大的荷載作用，并已經達到完全或者部分固結的特性。

（3）多裂隙性。反復的干縮濕脹，使土體中的裂隙發育明顯。裂隙不僅破壞土體的連續性和完整性，而且也為地表水的浸入形成了通道。而水的浸入又加速了土體的軟化及裂隙生成。此外，由于膨脹土的超固結性，在邊坡開挖過程中出現卸荷作用，使得土體中的應力釋放，會產生大量卸荷裂隙。

（4）崩解性。膨脹土浸水后體積膨脹，在無側限條件下吸水濕化，產生崩解。不同類型膨脹土的崩解性不同：強膨脹土浸水后幾分鐘就會完全崩解，弱膨脹土浸水后需要較長時間才能逐步崩解，并且不能完全崩解。

（5）風化特性。膨脹土受氣候因素影響，極易產生風化破壞作用。

（6）強度衰減性。膨脹土的抗剪強度為典型的變動強度，具有峰值強度高，殘余強度低的特性。由于膨脹土的超固結性，其初期強度高，隨著土體受脹縮效應和風化作用的影響，抗剪強度將大幅度衰減。

3. 路塹邊坡破壞機理。膨脹土路塹開挖過程中由于開挖卸荷引起土體結構松弛和應力狀態改變，使得邊坡土體普遍產生膨脹，導致各種裂隙發育和發展，從而使地表水入滲，或使土體中的水分遷移變得容易。隨著氣候、地質環境和工程建設活動等條件的改變，水分遷移會更加迅速，從而引起土體中內應力的改變，最終造成邊坡失穩。概括說，膨脹土路塹邊坡滑塌是土體強度衰減的結果，而強度變化主要由土體結構與含水量兩個因素控制。

二、葉舞高速公路膨脹土路塹邊坡調查

葉舞高速公路是焦作至桐柏高速公路的重要組成部分，北起平頂山市葉縣接南洛高速公路，向南經舞鋼，止于平頂山與駐馬店市界，全長49.96km。該項目區膨脹土多分布在壟崗和斜地，屬第四系中更新統地層，其巖性為棕紅色夾灰綠色斑塊和條紋，下部棕褐色減少。該膨脹土多含姜石，局部富集。經過對已開挖路塹邊坡的調查，沿線膨脹土分布情況及其各項物理指標如表2所示（表中數據根據《公路土工試驗規程》JTG E40-2007試驗得到）。

表2 葉舞高速公路膨脹土路塹邊坡調查

三、膨脹土路塹邊坡防護方式

在進行路塹邊坡加固防護時，不僅需要滿足坡面綠化和工程防護穩固的要求，而且要將工程防護與植被防護有機結合起來，形成穩固而又生態美觀的防護體系，恢復由于工程建設而受到破壞的生態環境。葉舞高速公路由于地質情況復雜，各路段膨脹土的物理性質和地形地貌各不相同，因而路塹邊坡很難采用單一的防護方式。根據各路段膨脹土的工程特性，結合附近的地理環境，同時考慮環保要求，葉舞高速公路膨脹土路塹邊坡主要采用了拱形骨架、漿砌片石護面墻、土工格柵柔性擋墻和土工格室植被護坡等防護形式。

1. 拱形骨架護坡。拱形骨架護坡主要用于邊坡具有一定的穩定性，但在雨水侵蝕或外力作用下會出現局部解體坍塌的路段，它可以對土體起支撐穩固作用。葉舞高速公路K24+160～K24+495、K24+540～K24+680、K26+450～K26+680、K38+740～K39+150和K49+100～K49+840等段路塹邊坡采用此種防護形式。拱形骨架護坡結構輕盈、外形美觀、造價適中，是目前高速公路首選的防護形式。通過在拱形骨架窗格間鑲砌預制小型六棱塊，使邊坡無法與外界直接接觸，可以有效防止雨水對坡體的侵蝕，保證邊坡的穩定性；也可以在拱形骨架窗格間種植適宜當地氣候、根系發達的植物，既起到工程護坡的作用，又改善了原有的自然景觀。

2. 漿砌片石護面墻。漿砌片石護面墻主要用于邊坡穩定性差、土體松散，存在滑坡、坍塌等潛在危險的路段，漿砌片石護面墻類似于擋土墻，從下向上逐漸變薄（下部厚90cm，頂部厚30cm）。葉舞高速公路k24+495～k24+540和k26+350～k26+450段采用漿砌片石護面墻防護。這種防護形式可以平衡土體由于卸載而產生的向外張力，有效防止邊坡失穩產生的滑坡、坍塌。但是，漿砌片石護面墻施工工作量大，特別是開挖較深的路塹邊坡，材料運輸困難，費用明顯提高。施工中還應在護面墻上呈菱形布置泄水孔，護面墻基礎下部也應設置碎石盲溝，以利于邊坡土體滲水的排出，保證邊坡和護面墻的穩定性。

3. 土工格柵柔性擋墻。土工格柵柔性擋墻主要指以土工織物加筋邊坡土體為主，輔以其他必要綜合處理措施的處理方案。其特點是支護體不但能承受土體壓力而且允許土體產生一定變形，可吸收邊坡土體因超固結引起的應力釋放和含水量變化產生的膨脹力。另外，土工格柵柔性擋墻可有效利用原邊坡膨脹土，減少借棄土方，而且施工工藝簡單，通過在柔性擋墻上部鋪設種植土，種草綠化，還可有效改善行車環境。葉舞高速公路k25+310～k25+800段右側邊坡采用了土工格柵柔性擋墻防護方案。此段邊坡上方由山體會流自然形成兩個水潭，造成此段邊坡土體含水量較大，個別位置滲流嚴重，多處路床也常處于濕潤狀態。因此，在土工格柵柔性擋墻下部開挖寬1.8m，深2m的滲溝，在滲溝底部和側面鋪設“兩布一膜”，作好防滲工作；在底部布置縱向帶孔PVC排水管作為縱向排水通道，然后回填碎石形成滲溝。從工程效果來看，滲溝排水通暢，路床再未受邊坡滲水影響。

4. 土工格室植被護坡。土工格室同格室內部填土和植被一起形成一個復合加筋層，該復合加筋層具有協調變形、消減坡面徑流、固土防沖刷、快速恢復公路沿線生態、綠化邊坡、美化公路沿線景觀等功能。葉舞高速公路在K22+175～K22+725和K32+100～K32+550段邊坡采用此項防護形式，但K32+100～K32+550段為做好坡體排水而導致多處邊坡積水鼓包，甚至滑塌。通過本工程應用來看，土工格室植被防護邊坡坡度應根據膨脹土的物理指標和含水量放緩邊坡，但這增加了土方開挖的工程量。

四、結論與建議

膨脹土特殊的物理力學性質是滑坡形成的內因，而勘察、設計、施工中的失誤是膨脹土路塹滑坡發生、發展的外在原因。在進行膨脹土邊坡設計、施工時，需注意膨脹土的類別、裂隙發育情況和地下水等因素的影響，適時調整施工方案，選擇合適的膨脹土路塹邊坡防護形式。