膨脹巖路塹邊坡病害機理與防護技術探討

王建軍+何小林+王濤

摘 要：膨脹巖因其脹縮機理、力學性狀以及空間分布上的復雜性，使其成為工程地質學和巖土工程領域中最復雜的研究課題之一。該文針對工程中常遇的膨脹巖路塹邊坡工程，從其病害特征出發，探討了膨脹巖路塹邊坡的破壞機理，并分析了影響因素；給出膨脹巖路塹邊坡設計的基本原則，并總結了工程實踐中的膨脹巖邊坡防治技術措施。強調“以膨脹巖基本工程性狀認識為基礎，采取綜合防治方法，靈活運用各類防治措施”的思想，為膨脹巖邊坡工程建設提供有益的參考。

關鍵詞：膨脹巖 路塹 邊坡防護 破壞機理

中圖分類號：U213.15 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0105-04

膨脹巖土屬于特殊巖土，在我國分布較廣[1]。因膨脹巖具有顯著的脹縮特性，工程中往往不宜做出正確的評價，且施工方法缺乏應變能力，給實際工程帶來許多預料不到的危害[2]。近年來，隨著高速公路、鐵路等工程的建設的快速發展，許多工程涉及到了膨脹巖路塹邊坡問題。

工程人員借助工程地質學、巖體力學和土力學等學科的知識和成果，對膨脹巖邊坡進行了研究與探討，在理論和實踐兩方面均取得了一些進展[3]。蔣忠信等[4]從膨脹巖的脹縮性、碎裂性、低強度性及膨脹巖路塹邊坡支護工程的適應性分析入手，提出了以膨脹巖工程地質分類為基礎的膨脹巖地區鐵路選線和路塹邊坡設計原則；答治華等[5]在對膨脹巖邊坡進行病害特征地質調查和分析的基礎上，提出了膨脹巖邊坡的防護加固原則；楊慶等[6]總結近幾年的研究成果，認為在處理膨脹巖邊坡工程時，應盡量避免原巖擾動，減小活化程度，有效的隔離膨脹巖與水分的接觸，做好防排水工作，利用錨桿、錨索、支護或擋板等加固巖體，采取控制與適度膨脹相結合的防治方法；李青云等[7]對南水北調中線工程中的典型膨脹巖進行深入的試驗研究，提出了膨脹巖渠坡治理的主要措施和設計施工導則，并對比了不同措施的處治效果。

盡管在工程實踐中，對膨脹巖邊坡已積累了一定的工程經驗，但其邊坡病害問題仍不斷出現，這與膨脹巖邊坡的工程特性與病害機理認識不足不無關系。因此，該文從膨脹巖路塹邊坡的病害特征出發，闡述膨脹巖邊坡的破壞機理及影響因素，總結了膨脹巖路塹邊坡的設計基本原則，并針對其病害提出可采取的防治技術措施，以期為加深對膨脹巖邊坡的認識提供一定參考。

1 膨脹巖路塹邊坡病害特點

膨脹巖路塹邊坡病害多是在工程開挖暴露條件下，因水的作用而發生，暴露失水、風化和降雨是膨脹巖產生強烈干縮膨脹的先決條件。因此，膨脹巖的病害分析必須考慮工程開挖和運營過程中可能引起的工程環境變化。

膨脹巖邊坡失穩的特點是在無支護條件下，淺層逐次發生開裂、剝落和滑塌，如圖1所示；在有支護條件下，常見表面開裂，嚴重時支護整體性喪失穩定性。在反復浸水和失水作用下，淺層膨脹巖邊坡體反復脹縮，使巖體結構遭破壞，原有力學強度衰減，直至無法自穩而滑塌，巨大的膨脹壓力是引起支護結構開裂的根本原因。膨脹巖滑坡往往具有：①季節性；②區域氣候性；③逐級牽引性；④漸進性；⑤結構與構造性；⑥淺層性；⑦在相當平緩的邊坡上也會發生滑坡。膨脹巖滑坡的這些特征，除了當地的氣候和地形等因素外，還與膨脹巖本身所具有的多裂隙結構和構造性有關，其邊坡破壞受到軟弱結構面的控制，如圖2所示。

膨脹巖邊坡的破壞形態既不同于巖石的破壞形態，也不同于土體的破壞形態，其破壞形態可分為：①單平面滑動；②平面張裂滑動；③追蹤式階梯形滑動；④屈服拉裂剪切滑動；⑤弧形滑動；⑥脹裂破壞。工程中最為常見的破壞形態為脹裂破壞。就膨脹巖邊坡的變形破壞類型而言，可分為三種破壞類型。①坡體失穩；②坡面失穩；③邊坡失穩[8]。其中又以坡面失穩和邊坡失穩兩種類型為主。坡面失穩的破壞形式有剝落、溜塌、局部崩塌；邊坡失穩的破壞形式有坍塌和滑坡。膨脹巖的坡面病害一般發生在邊坡表層受氣候影響較大的區帶內，其深度與大氣營力的作用直接相關，但一般不超過lm。濕脹干縮是膨脹巖產生這類病害的原因。坍塌是膨脹巖邊坡中最常見的病害形式之一。邊坡開挖引起坡腳應力集中，同時膨脹巖巖體結構破碎，吸水膨脹導致巖體強度衰減是產生這類病害的根本原因。坍塌體的邊界受到巖體結構面控制，規模不一，大的可波及到整個坡體。

2 膨脹巖路塹邊坡破壞機理

膨脹巖邊坡在開挖后將經歷不同階段的動態變形。開挖后邊坡表現出前緣水平滑動為主，后緣垂直下坐的運動趨勢，但裂縫充水，受到持續孔隙水壓力作用時，邊坡表現出整體滑動趨勢。在強膨脹巖中，常沿強度較低的面形成中型滑坡。但下伏砂巖、泥質砂巖中有地下水補給時，滑帶可向下發展至膨脹巖內，出現順層滑動，也可以產生切層滑動。

3 膨脹巖邊坡失穩的影響因素

影響膨脹巖邊坡失穩的主要影響因素有工程特性、邊坡形狀和工作條件、干濕效應、開挖及加固措施等[9]。歸納起來，分為三個方面：巖體內在原因、外在環境影響和人類工程活動[10]。①巖體內在原因主要表現在物質組成、裂隙作用和濕化性影響。膨脹巖含有大量親水粘土礦物，如蒙脫石、伊利石等，具有吸水膨脹和失水干縮特性，這是影響其宏觀工程性質的最關鍵因素。裂隙的存在破壞了巖體的連續性，同時也為風化營力進入巖體提供了通道，使得風化作用隨著結構構造面延伸至地表以下較深的部位，也為工程性質更差的裂隙面填充物質提供了場所；此外，裂隙造成了巖體應力集中，為邊坡的連續破壞創造條件。濕化性決定著膨脹巖邊坡的坡面風化病害特征，同時也影響著邊坡的坡體病害。②外在環境因素主要有：氣候、地形地貌、地表水與地下水條件等。對于膨脹巖邊坡，水的軟化作用不容忽視，水能加劇膨脹巖的干濕循環作用，降低滑面（帶）巖土強度，促使和加劇滑坡的形成和滑動。氣候變遷與氣象變化，也常導致膨脹巖邊坡失穩，歸根結底也是因為水的影響。③人類工程活動的影響。人們在膨脹巖地區所采取的不當工程活動（如勘察不準確、設計方案不合理或施工方法欠妥等）間對邊坡穩定性產生不利影響，也是觸發滑坡發生和發展的重要因素。endprint

4 膨脹巖路塹邊坡的設計原則

膨脹巖邊坡的防護設計應基于其變形機制和破壞模式，根據不同的變形機制和潛在破壞模式設計相應的防護加固對策，以“放緩邊坡、坡腳支擋、非全封閉防護”為宜[11]。用樁、墻固腳可解決坡腳巖體強度不足的問題并抵御滑動，以采用抗滑樁、重力式抗滑擋土墻或重力式錨桿擋土墻較有效。抗滑樁需要考慮側壁應力的控制，加大埋深。擋土墻埋深需要超過氣候劇烈影響層，考慮附加膨脹力加大截面以抗傾覆[12]。另外，邊坡設計時，還必須綜合考慮膨脹巖土的類型、性質、填筑條件，工程措施以及地區氣候特點等因素。上部邊坡放緩至穩定坡率，與巖體低剪切強度相適應。分級留平臺以減小趾部壓力。坡面防護措施貫徹“允許膨脹力釋放和裂隙水排泄”的宜疏勿堵的原則，以采用錨桿框架加草皮護坡和干砌片石護坡等非全封閉防護為宜。若采用全封閉的漿砌片石護坡，則應注意泄水，加大厚度；若采用漿砌片石骨架加草皮護坡，則應加大骨架的埋深和截面，避免淺層溜坍和坡面鼓脹。

現行《鐵路特殊路基設計規范》（TB10035-2006）[13]提出膨脹巖路塹邊坡設計應遵循：“緩坡率、寬平臺、加固坡腳和適宜的坡面防護相結合的原則”；邊坡坡率及平臺寬度視邊坡的高度及巖土質條件按表1設計，邊坡高度大于10 m時應結合穩定性分析計算進行設計。同時規范對邊坡防護加固給出了應遵循的規定：

a）可能發生淺層破壞時，宜采取半封閉的相對保濕防滲措施；

b）可能發生深層破壞時，應結合淺層破壞，通過邊坡穩定性分析確定加固處理措施；

c）膨脹巖強度指標應采用低于峰值強度值，可采用反算和經驗指標；

d）支擋結構基礎埋深應大于氣候影響層深度，反濾層厚度應適當加厚；

e）路塹邊坡防護加固類型依據工程地質條件、環境因素和邊坡高度按表2～表3設計。

由于膨脹巖的復雜性、可變性和不確定性，地質勘察參數往往難以準確確定，而設計理論尚不完善，且設計方法帶有經驗性和類比性。因此，膨脹巖地區的路塹邊坡工程設計，不應忽視的重要內容是根據施工中的信息反饋和現場監控資料進行不斷校核、補充和完善原始設計，即采取信息化設計的原則。

5 膨脹巖邊坡防治技術措施

膨脹巖邊坡治理的工程實踐表明，膨脹巖邊坡防治應從邊坡控制和邊坡治理兩個方面著手，綜合運用邊坡控制和邊坡治理技術措施，保證邊坡的長期穩定性。邊坡控制技術措施主要有：排水工程、削方減載、漿砌片石、格構護坡、植物防護等；邊坡治理的措施主要有：抗滑樁支擋、擋土墻支擋及格構錨固等。

5.1 排水工程措施

水分遷移變化是導致膨脹巖工程性狀惡化，誘發邊坡失穩的重要原因之一。因此，在膨脹巖路塹邊坡治理中，要始至終保證邊坡不受或降低遭受外界地表水及地下水的侵蝕。在易發生滑坡或已經產生滑坡的邊緣上方修筑截水溝，隔離滑坡體以外的地面水，由截水溝引向橋涵或排水溝排出；在坡面上設置樹枝狀排水溝來排除坡體范圍內的地表水；對于坡面裂縫，或截水溝滲水形成的大裂縫，應及時予以充填夯實，防止地表水向下入滲。對于地下水一般以疏導為主，通常設置盲溝排水。

5.2 坡面防護措施

（1）物理防護。

隨著大氣營力的作用，邊坡表層暴露的膨脹巖巖體強度逐漸降低，使得坡面難于維持原有坡率，進而導致坡面病害的產生。因此，膨脹巖邊坡坡面防風化是坡面防護的重要內容。目前，常用的物理性坡面防護技術措施主要有：水泥砂漿抹面、噴漿、噴混凝土、灰土捶面、漿砌片石骨架護坡、漿砌片（條、卵）石護坡、錨桿掛網噴混凝土、鋼纖維混凝土噴錨、土工織物、植被防護等。這些坡面物理防護技術措施在許多大型工程中已得到廣泛應用，但不同的技術措施在使用中各有利弊[14]。

（2）化學防護。

化學防護主要是使用化學改性方法改良膨脹巖土自身的膨脹性。常用的化學改性劑有：DAH（十二胺氯化物）混合溶液、樹根樁+CMA混合溶液、土壤生態改性劑、NT無機防水材料等。該類方法主要用于膨脹土邊坡的坡面防護[15]。對于膨脹巖坡面防護，不宜采用全封閉措施，護坡過程應以非全封閉或柔性封閉類型為宜。

5.3 坡體支護措施

膨脹巖坡體支護措施有傳統的坡腳重力式擋土墻及新型的錨桿框架護坡、板樁墻、錨桿擋土墻等。其中，以漿砌片石坡腳擋墻應用的最多，對弱～中等的膨脹巖邊坡支護效果較好。但對于強膨脹巖邊坡，因坡腳擋墻設計尺寸不足而出現破壞的實例較多；錨桿框架護坡和錨桿擋土墻在膨脹巖塹坡的應用效果良好，但錨桿框架護坡的框架間坡面巖體的防風化措施必不可少，否則，坡面剝落、碎落、溜塌病害不斷發展，會使框架梁支護作用失去效果；邊坡較低時可采用干砌片石護坡、漿砌片石骨架護坡，地面反坡時方可采用漿砌片石護坡，草皮作為框架、骨架護坡補充，支撐滲溝、石灰土樁可作固坡之用。土釘墻在膨脹巖邊坡工程中應慎用。另外，在弱成巖或強或全風化的膨脹巖塹坡中，支撐滲溝的作用是明顯的。

6 結語

膨脹巖是一類受氣候和環境影響較敏感的巖土體，因其易擾動，且具有脹縮性、裂隙性、崩解性和流變性等復雜工程性狀，使膨脹巖邊坡病害及其防治成為工程中的突出難題之一。對于工程中常遇的膨脹巖路塹邊坡，應充分認識膨脹巖工程力學特性和病害產生機理，采用綜合防治方法，以“穩固坡腳，保濕防滲、剛柔結合、以柔治脹”為主要思路，同時應針對主要病因和膨脹巖性質不同而有所側重。總之，膨脹巖路塹邊坡工程有章可循，但決不可生搬硬套，無論采取何種技術措施，把握膨脹巖的工程力學屬性才是根本。

參考文獻

[1] 李生林，施斌，杜延軍.中國膨脹土工程地質研究[J].自然雜志，1997，19（2）：82-86.

[2] 曲永新，張永雙.中國膨脹性巖、土一體化工程地質分類的理論與實踐.中國工程地質五十年[M].北京：地震出版社，2000.endprint

[3] 廖世文.全國首屆膨脹土科學研討會論文集[M].成都：西南交通大學出版社，1990.

[4] 蔣忠信，李敏，秦小林.關于南昆鐵路膨脹巖路塹邊坡設計原則的探討[J].中國地質災害與防治學報，1994，5（4）：66-74.

[5] 答治華，王小軍.膨脹巖邊坡病害與防護[J].路基工程，1998，16（4）：58-63.

[6] 楊慶，張傳慶，欒茂田.巷道及邊坡工程中的膨脹巖[J].防災減災工程學報，2003，23（1）：74-79.

[7] 李青云，程展林，包承綱.膨脹土（巖）渠道破壞機理和處理技術研究[J].南水北調與水利科技，2009，7（6）：13-19.

[8] 曾繼杰.南寧盆地膨脹巖邊坡穩定性研究[D].廣西大學，2004.

[9] Skempton a.w.第四屆朗肯講座： 粘土邊坡的長期穩定性研究[J].巖土工程，1961（2）：77-101.

[10] Lauren J.D.，Expansive rocks in California：an engineering and geologic review in part fulfillments for the degree master of science，San Jose State University，Decemher，1998.

[11] Wittke W.Foundations for the design and Construction of Tunnel in Swelling Rock，Proceedings of the 4th international congress of the Society for Rock Mechanics，Montreux， Switizerland，1979：219-729.

[12] Gysel M. Design methods for structure in swelling rock. Proceedings of the 6th international conference on rock mechanics， Montreal，Canada，1987.

[13] 鐵路特殊路基設計規范（TB10035-2006）[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[15] 劉軍，龔壁衛，徐麗珊，等.膨脹巖土的快速防護材料研究[J].長江科學院院報，2009，26（11）：72-74.endprint

[3] 廖世文.全國首屆膨脹土科學研討會論文集[M].成都：西南交通大學出版社，1990.

[4] 蔣忠信，李敏，秦小林.關于南昆鐵路膨脹巖路塹邊坡設計原則的探討[J].中國地質災害與防治學報，1994，5（4）：66-74.

[5] 答治華，王小軍.膨脹巖邊坡病害與防護[J].路基工程，1998，16（4）：58-63.

[6] 楊慶，張傳慶，欒茂田.巷道及邊坡工程中的膨脹巖[J].防災減災工程學報，2003，23（1）：74-79.

[7] 李青云，程展林，包承綱.膨脹土（巖）渠道破壞機理和處理技術研究[J].南水北調與水利科技，2009，7（6）：13-19.

[8] 曾繼杰.南寧盆地膨脹巖邊坡穩定性研究[D].廣西大學，2004.

[9] Skempton a.w.第四屆朗肯講座： 粘土邊坡的長期穩定性研究[J].巖土工程，1961（2）：77-101.

[10] Lauren J.D.，Expansive rocks in California：an engineering and geologic review in part fulfillments for the degree master of science，San Jose State University，Decemher，1998.

[11] Wittke W.Foundations for the design and Construction of Tunnel in Swelling Rock，Proceedings of the 4th international congress of the Society for Rock Mechanics，Montreux， Switizerland，1979：219-729.

[12] Gysel M. Design methods for structure in swelling rock. Proceedings of the 6th international conference on rock mechanics， Montreal，Canada，1987.

[13] 鐵路特殊路基設計規范（TB10035-2006）[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[15] 劉軍，龔壁衛，徐麗珊，等.膨脹巖土的快速防護材料研究[J].長江科學院院報，2009，26（11）：72-74.endprint

[3] 廖世文.全國首屆膨脹土科學研討會論文集[M].成都：西南交通大學出版社，1990.

[4] 蔣忠信，李敏，秦小林.關于南昆鐵路膨脹巖路塹邊坡設計原則的探討[J].中國地質災害與防治學報，1994，5（4）：66-74.

[5] 答治華，王小軍.膨脹巖邊坡病害與防護[J].路基工程，1998，16（4）：58-63.

[6] 楊慶，張傳慶，欒茂田.巷道及邊坡工程中的膨脹巖[J].防災減災工程學報，2003，23（1）：74-79.

[7] 李青云，程展林，包承綱.膨脹土（巖）渠道破壞機理和處理技術研究[J].南水北調與水利科技，2009，7（6）：13-19.

[8] 曾繼杰.南寧盆地膨脹巖邊坡穩定性研究[D].廣西大學，2004.

[9] Skempton a.w.第四屆朗肯講座： 粘土邊坡的長期穩定性研究[J].巖土工程，1961（2）：77-101.

[10] Lauren J.D.，Expansive rocks in California：an engineering and geologic review in part fulfillments for the degree master of science，San Jose State University，Decemher，1998.

[11] Wittke W.Foundations for the design and Construction of Tunnel in Swelling Rock，Proceedings of the 4th international congress of the Society for Rock Mechanics，Montreux， Switizerland，1979：219-729.

[12] Gysel M. Design methods for structure in swelling rock. Proceedings of the 6th international conference on rock mechanics， Montreal，Canada，1987.

[13] 鐵路特殊路基設計規范（TB10035-2006）[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[15] 劉軍，龔壁衛，徐麗珊，等.膨脹巖土的快速防護材料研究[J].長江科學院院報，2009，26（11）：72-74.endprint