廣東省高液限土巖土成因及邊坡病害特點與防治對策

任世璽，魏少偉，張玉芳

(1.中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116;2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 3.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;4.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

廣東省高液限土巖土成因及邊坡病害特點與防治對策

任世璽1，2，魏少偉3，4，張玉芳3，4

(1.中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116;2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 3.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;4.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

廣東省高液限土分布面積廣，成因復雜。因其具有滲透性低、細顆粒含量高、微膨脹性、浸水強度低、水穩性差等工程特性，導致高液限土路塹邊坡不論高低均易產生坍塌、滑坡等邊坡病害，及表土溜坍、沖蝕等坡面病害。高液限土邊坡是廣東省高速公路邊坡處治中面臨的難題，而且針對高液限土邊坡的防治措施研究滯后。本文首次通過總結廣東省高液限土母巖種類，得出不同類型高液限土邊坡的工程特點，并對工程實例的破壞機理進行了剖析。

高液限土 邊坡 巖土成因 病害特點 防治對策

在工程中判別高液限土的3個指標為:小于0.074 mm的顆粒含量 ＞50%;液限＞50%;塑性指數＞26［1］。高液限土成因復雜，工程性狀差，具有遇水膨脹、失水收縮、吸水強度低的特點。

高液限土邊坡的病害種類多，防治難度大。對于高液限土邊坡病害機理及防治的研究較多。溫泉［2］以重慶地區高液限土為案例進行了邊坡穩定性研究，發現干濕交替會嚴重影響土體抗剪強度，威脅邊坡穩定性;另外，高液限土邊坡病害類型復雜，沖蝕、剝落、泥流、溜塌、坍滑和滑坡等病害均有可能發生，給邊坡防治帶來很大難度。李林燕［3］研究了廣東省高液限花崗巖殘積土邊坡的工程性狀，認為花崗巖殘積土的粗顆粒比普通高液限土的粗顆粒多，黏聚力小，水敏感性強，故在邊坡施工過程中，應注意邊坡的防水排水。王中文等［4］研究表明，高液限土邊坡不論高低均易產生病害，而且病害種類多樣，坍塌、滑坡、表土溜坍、沖蝕等均可能出現，坍塌和滑坡以淺層中小型為主，影響厚度大多在6 m以內，這和風化層厚度有很大關系;溜坍和沖蝕等坡面病害多數發生在雨季，對坡面防護措施和植被造成很大的威脅。

廣東省高速公路高液限土邊坡的病害特點尤為突出，主要體現在高液限土邊坡分布廣、工程特性差、病害類型多等方面。本文在前人工作的基礎上，首次總結廣東省高液限土邊坡母巖成因種類，得出不同類型高液限土邊坡的工程特點，并對工程實例的破壞機理進行剖析，對今后類似工程有指導和借鑒作用。

1 廣東省高液限土邊坡巖土成因及特點

廣東省高液限土巖土成因主要包括:花崗巖地層、灰巖地層、泥巖地層的風化殘積土及全強風化層。此外，珠江三角洲附近的高液限土多是河流搬運沉積形成的次生高液限土，但是該區域地勢平緩，滑坡等地質災害不明顯，本研究不作考慮。

1.1 花崗巖地層高液限土邊坡

花崗巖的分布面積約占廣東省陸地面積的40%［5］。廣東省地處亞熱帶，在長期的外營力作用下，花崗巖類巖體表面普遍覆蓋著一層較厚的風化殘積土，一般花崗巖風化殼厚度在20～50 m，殘積土厚度在5～20 m。

因為有粗顆粒石英的存在，廣東省花崗巖殘積土多屬含砂礫亞黏土，是一類特殊高液限土，基本可將其歸為類土質(saprolite)［6］。此類土具有一般殘積土特征，如結構性較強，天然狀態時具有較好的力學特性，水穩定性較差等;同時又具有高液限土含水率高、孔隙比大等特征，其邊坡工程地質模式和失穩破壞模式有其特殊性。一方面風化層厚、各向同性明顯的邊坡易發生圓弧面滑動破壞;另一方面，節理裂隙發育的邊坡，裂隙為地表水下滲與土中水分蒸發提供了通道，加劇了高液限土的干縮濕脹循環，導致土體結構破壞，同時裂隙面上的次生黏土薄膜或條帶，構成了邊坡的“促滑劑”，邊坡破壞受結構面控制。

1.2 碳酸鹽巖地層高液限土邊坡

碳酸鹽巖系的風化產物也易形成高液限土。在廣東省，以灰巖為主的碳酸鹽巖廣泛分布于粵北、粵西一帶，灰巖區主要城市有廣州、韶關和肇慶等。灰巖出露部分多風化明顯，并經紅土化作用，易形成棕紅、褐黃等色的高液限塑性黏土，這也是南方紅黏土的主要來源之一［7］。

原生紅黏土液限一般在60%以上，普遍比花崗巖殘積土的液限要高，高液限性質更為明顯。次生紅黏土液限一般 ＞45%［8］，由于經過紅土化作用，顆粒細而均勻，黏粒含量較高，孔隙比高，飽和度高。因此，碳酸鹽巖系的風化產物大部分屬于典型的高液限土。紅黏土失水收縮特征顯著，由于廣東地區氣候以亞熱帶季風氣候為主，干濕交替明顯，因此旱季時表層土體干縮，容易形成裂隙面，在雨季到來時，便會發生邊坡病害。另外，灰巖中一般都含有一些白云石和黏土礦物，而當黏土礦物占到一定比重時，灰巖便顯示出泥質巖特征，泥炭質灰巖和灰巖層中的碎屑巖夾層與灰巖風化物共同構成的坡體結構，影響邊坡穩定性。

1.3 泥巖地層高液限土邊坡

廣東地區高液限土的另一來源是泥巖。泥巖礦物成分復雜，主要由黏土礦物(如水云母、高嶺石、蒙脫石等)組成，其次為碎屑礦物(石英、長石、云母等)，是細粒黏土礦物成分最多的一種高液限土，性質與黏土類似。

泥巖種類繁多，廣東地區煤系地層發育，大部分屬于炭質泥巖，其中有機質含量較多，約占10%～30%，抗剪強度在平時就比普通泥巖低，遇水更軟弱;陸相碎屑沉積巖(紅層)也會快速風化成泥巖［9］，紅層泥巖表層處于高溫狀態時降雨是其風化的主要原因;部分灰巖在碎屑沉積巖—灰巖過渡層會形成泥灰巖;另外還有鐵質泥巖、硅質泥巖等。除了沉積作用形成的原生泥巖，在廣東地區，出露巖石風化程度較高，節理裂隙發育，裂隙中充填泥質夾層也很常見。泥質夾層光滑，遇水強度銳減，常常作為滑動控制面出現。

2 典型實例剖析

2.1 京珠高速公路K27+263—K27+290右側滑坡

京珠高速公路K27+263—K27+290右側邊坡在運營期間發生了兩次滑動，2006年雨季期間曾發生過第一次滑動，2009年7月調查時出現第二次滑動。

2.1.1 邊坡工程地質條件

該邊坡位于廣東省樂昌市梅花鎮。路塹位于坡麓附近坡腳地帶，地面自然坡度平緩，為15°～20°。線路于山坡中部穿過。路塹內地層較為單一，表層多被第四系殘坡積黏土覆蓋，局部見擠壓揉皺嚴重的砂頁巖碎片，下覆灰巖。表層黏土厚度大(＞15 m)，天然含水率w=38.5%，天然孔隙比e=1.14，液限WL=61%，天然重度γ=18.3 kN/m3，具弱膨脹性，為高液限土。

2.1.2 邊坡病害分析

根據已收集的技術資料，該邊坡在施工期間未發生滑動，二級坡在2006年和2009年發生了兩次滑動，具體如下:

1)第一次滑動

滑動前設計為二級坡，一級坡坡率1∶0.3，采用漿砌光面片石擋土墻，坡高10.0 m，一級平臺寬10.0 m;二級坡坡率1∶1.5，坡高15.0 m，其中K27+260—K27 +290段采用支撐滲溝，滲溝間為拱形骨架，其余地段采用六棱磚植草防護，如圖1所示。

該滑坡后緣陡坎高2.0 m，坡頂水溝外傾，前緣位于二級坡腳附近。滑坡后緣和前緣剪出口已形成，滑面已完全貫通，邊坡處于不穩定狀態。

2)第二次滑動

圖1 第一次滑動前K27+280斷面原設計方案及巖性示意(單位:m)

邊坡滑動前K27+260—K27+290段二級坡下部采用2.2 m高擋土墻，墻頂以上6 m采用支撐滲溝，考慮到高液限土的水敏感性，二級坡采用漿砌片石護坡，如圖2所示。

圖2 第二次滑動前K27+280斷面原設計及巖性示意(單位:m)

坡頂截水溝出現縱向后緣裂縫。二級坡坡面出現側界裂縫。K27+215—K27+240段一級平臺下沉開裂，下沉30 mm。滑坡前緣剪出口位于一級坡擋墻上部，墻頂以下1.0 m，調查時剪出15 mm。該段二級邊坡已出現滑動跡象，滑坡前緣剪出口和后緣裂縫已形成，隨時有從一級坡上部滑出的可能，邊坡處于不穩定狀態。

2.1.3 滑動原因分析

兩次滑坡規模類似，滑體平均厚約6.0 m，滑動體積約1.0萬m3，屬淺層小型滑坡。該邊坡的巖土結構類型屬細顆粒類均質體邊坡巖體結構，上部為相對隔水的黏土，下伏灰巖，屬于上軟下硬結構，地表水不易下滲。地下水主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水，在穩定水位線附近及基巖頂面易形成滑面。兩次滑動均發生在雨季，邊坡滑動主要原因是殘積土層為灰巖和泥頁巖風化物，厚度大，液限高，具弱膨脹性，降雨量過大導致大量雨水滲入坡殘積土層，無法及時排出，引起坡腳軟化，抗剪強度不足，從而導致沿基巖頂面的類均質體圓弧形滑動。

第一次滑動前，二級坡坡率為1∶1.5;第二次滑動前，二級坡坡率下段達到1∶2.2，上段1∶1.2，但邊坡仍無法維持穩定，說明高液限土邊坡自穩性極差。第一次滑動后，邊坡增加的擋墻產生了“坐船效應”，沒有起到支擋作用，因此，此類邊坡需要增強加固土體的工程措施。

2.1.4 最終設計

考慮到第二次滑動前二級坡已刷緩至1∶2.2，繼續刷方不僅增大征地面積，而且也會增加坡面受雨面積，因此考慮維持原坡率，在此基礎上增強防護措施，提高土體強度，具體措施如下:

1)對二級坡坡腳的矮擋墻及二級坡(沿線路方向27 m范圍)采用錨索框架加固。

2)在二級坡坡腳擋墻外側設兩排豎向注漿鋼花管，孔深8.0 m，沿線路方向間距2.0 m。

3)一級坡擋墻上部已出現變形地段采用 φ25錨桿加固。

4)對坡面、擋墻和坡頂截水溝出現的裂縫進行修復。

2.2 興畬高速公路K7+780—K7+850右側滑坡

該工點位于廣東省興寧市，由于受2010年6月下旬超百年一遇強降雨的影響，2010年7月1日18:00興畬高速公路K7+780—K7+850段右側邊坡出現滑動變形。

2.2.1 邊坡工程地質條件

該工點區域地貌單元屬剝蝕殘丘類型，線路從小山包半山腰穿過，其走向基本與山坡走向一致，山坡由北東向南西傾斜，線路右側自然邊坡坡度為 15°～25°，場地植被發育。

該處地層由第四系坡殘積層、加里東期混合花崗巖組成。坡殘積土層由粉黏粒為主，含有15%中粗粒石英，褐紅色，平均厚度1 m。混合花崗巖層從上到下依次為全、強、中風化層，全、強風化層厚28 m，基本風化成土狀，遇水軟弱、崩解，結構面泥質充填。鉆孔資料表明，全風化層自由膨脹率44%，液限54%，為含砂高液限黏土。

2.2.2 邊坡病害分析

該邊坡原設計為三級坡，高約32 m。每級邊坡坡率均為1∶1.25，分級平臺寬2 m，分級坡高10 m;坡面均采用拱形骨架植草防護。邊坡線路走向335°，坡向245°。

由于受2010年6月下旬超過百年一遇強降雨的影響，2010年7月1日該邊坡出現滑動變形，后緣最大下錯約6.0 m(見圖3)，前緣反翹，邊溝蓋板反翹約10°。

圖3 塹頂后緣截水溝附近下錯6 m

滑坡后緣位于坡頂截水溝附近。后緣陡坎多處見擦痕，擦痕指向為253°(見圖4)。坡面有臨空結構面，其產狀為262°∠74°，260°∠23～31°。

2.2.3 滑動原因分析

邊坡的巖土體主要為全～強風化混合花崗巖，巖體破碎，結構面極為發育，泥質充填。坡殘積物、全風化巖體具有典型高液限土特征:遇水膨脹、干燥收縮，導致結構面極為發育，泥質充填，風化深度較大;同時巖體具有泡水易軟化、崩解的特點，雨季時由于地表排水不暢，地下水的長期下滲軟化了巖土體的強度并使土體飽水。坡體內存在順坡向的結構面，導致邊坡產生沿順坡向結構面的滑動破壞，其破壞模式為沿順坡向結構面的滑動。

圖4 滑坡后緣擦痕明顯(指向253°)

2.2.4 最終設計(見圖5)

圖5 K7+826斷面邊坡病害防治措施示意(單位:m)

1)對于滑坡地段，主要采用刷緩邊坡 +預應力錨索框架+錨桿框架方式加固，一、二級邊坡刷緩坡率至1∶1.75，每級坡坡面設 3排錨桿，三、四級邊坡坡率1∶0.75，并在每級坡設置3排預應力錨索;對于滑坡兩側邊坡的欠穩定區，保持原坡形坡率，采用預應力錨索框架+錨桿框架加固。

2)在滑坡區(K7+780—K7+850段)一、二級坡框架內采用M7.5漿砌片石護面，三、四級坡采用掛網植草防護。

3)在坡腳碎落臺上方3.0 m設一排φ110仰斜排水孔，每孔深20.0 m，間距為2.5 m或3.0 m，在坡面滲水嚴重地段動態增加，排水孔數量及長度根據現場鉆孔滲水情況作適當調整。

3 不同成因高液限土邊坡病害特點總結

3.1 花崗巖高液限土邊坡病害特點

花崗巖高液限土粗顆粒較多，結構面保留明顯，屬于類土質邊坡，邊坡病害具有以下特點:

1)花崗巖高液限土邊坡自穩性較強，當坡腳掏挖或坡面受外營力影響容易發生失穩，且多半與斜坡土體含水狀態的急劇變化密切相關，邊坡病害大多發生在雨季。

2)滑坡在很多情況下沿其中隱藏的結構面發生，在無控制性結構面的情況下，坡度一定時，滑移面深度隨坡長的增大而減小，說明了雨水的滲透和地下水位的抬升是滑坡發生的主要誘導因素。

3)少數情況下，當邊坡中的結構面反傾，不對邊坡的破壞起控制作用，或邊坡結構面不明顯，整體呈類均質體時，邊坡易發生圓弧形滑動。

4)當邊坡中的結構面傾向坡體臨空面且傾角很大近于直立時，邊坡開挖容易引起坡體崩塌破壞［10-11］。

3.2 泥巖與灰巖高液限土邊坡病害特點

泥巖與灰巖高液限土邊坡母巖均為沉積巖，邊坡層面明顯，其邊坡病害具有以下特點:

1)液限相對花崗巖殘積土更高，邊坡自穩性更差，邊坡病害相對嚴重。

2)灰巖風化形成的紅土地層細顆粒多，滲透性差，為相對隔水層，降雨一旦滲入該層便不易排出，持續降雨后土體強度降低明顯。

3)泥巖地層細顆粒更多，滲透性相比灰巖更差，常呈淤泥質，若層面為順坡向，邊坡易沿該層滑動。

4 防治對策總結

以上工點都是在雨季發生滑動，這也說明了高液限土的水穩定性差，干濕循環下土體抗剪強度降低，所以針對高液限土邊坡的防治，首要任務就是防水排水，其次在坡度選擇、開挖方式等工藝上也有一定的要求。

4.1 排水措施

排水是高液限土病害的根治措施。工程中高液限土邊坡地表排水措施一般采用截排水溝及生態防護，但在煤系及灰巖風化物形成的邊坡應盡量采用漿砌全封閉措施。地下排水對保持邊坡穩定尤為重要，其中，高液限土地區采用支撐盲溝被認為是一種可行、有效的排水措施;仰斜排水孔要特別注意運營過程的堵塞問題。

4.2 邊坡坡形、坡率選擇

建議泥巖、灰巖地層緩至1∶1.75～1∶2.00，每級坡高控制在6 m;花崗巖地層緩至1∶1.50～1∶1.75，每級坡高控制在8 m。并應結合當地類似工程，采用工程地質比擬法綜合確定高液限土邊坡坡形、坡率。

4.3 邊坡防護與加固

高液限土路塹邊坡一般均應在坡腳設置擋土墻，擋墻基礎應深入路槽以下，且≥1.5 m，并且保證墻基干燥穩定。

對于受結構面控制、滑動深度及范圍較大的高液限土邊坡，應采用支擋措施，如抗滑擋墻及抗滑樁等，同時輔助錨桿框架等措施進行加固;在邊坡坡面巖土體強度較高且具備較好錨固條件的情況下，才建議采用錨索。

對不受結構面控制、滑動深度不大的高液限土邊坡，在坡腳設置擋土墻是行之有效的防治措施;同時可在坡面適當增加錨桿框架以改善巖土體受力性狀。

5 結論

1)花崗巖地層高液限土邊坡基本屬類土質邊坡，其自穩性能稍好，多數沿隱藏結構面破壞，少數產生圓弧形滑動。其坡面易沖蝕剝落，應對坡面進行植物防護。

2)灰巖和泥巖地層高液限土均為沉積巖風化產物，具有類似特征，如層面保存明顯，土體細顆粒多，滲透性差等。針對此類地層，宜采用防排水相結合，注漿加固封堵裂隙，并對邊坡增設錨桿錨索進行加固處理。

3)花崗巖地層高液限土邊坡自穩能力稍好于泥巖及灰巖地層，放緩坡率至1∶1.50～1∶1.75并增強加固措施被證明是有效的防護手段。灰巖和泥巖地層僅放緩坡率不足以保證邊坡穩定，需與排水措施和防護加固措施相結合。為避免“坐船效應”，擋墻基礎應深入潛在滑面以下。

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(責任審編 周彥彥)

U416.1+4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.25

2015-04-05;

:2015-07-13

廣東省交通運輸廳科技項目(2011-02-008)

任世璽(1991— )，男，工程師，碩士。

1003-1995(2015)11-0084-05