膨脹巖地區公路工程邊坡人工坡率及變形破壞分析

段全江 王 東 張 宏

(中交遠洲交通科技集團有限公司,河北 石家莊 050051)

膨脹巖地區公路工程邊坡人工坡率及變形破壞分析

段全江 王 東 張 宏

(中交遠洲交通科技集團有限公司,河北 石家莊 050051)

結合張石高速實際情況，根據現場調查和有關圖件，統計了不同坡高情況下的自然坡率，結合規范推薦路塹坡率值，提出了膨脹巖地區人工邊坡坡率的確定方法，同時分析了裂隙對邊坡穩定性的影響，指出裂隙位于邊坡后部時對穩定性的影響最大。

膨脹巖邊坡，坡率，變形，破壞

0 引言

膨脹(巖)土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特殊性粘土，其礦物成分以親水性較強的蒙脫石和伊利石為主，遇水后強度大幅度下降[1，2]。膨脹土常呈大面積分布，公路布線難以避讓。對公路的破壞作用主要表現為路基的濕脹和干縮變形導致路面開裂以及柔性路面平整度降低和翻漿冒泥，因裂縫滲水導致路基強度下降而引起路堤坍塌、滑坡、縱裂縫和沉陷、邊坡坍塌及眾多的淺層滑動等，這些破壞形式具有多次反復性特征，如不加以改造將會造成公路工程的永久性病害[3，4]。

由于膨脹巖的特殊性，膨脹巖人工邊坡的破壞模式往往有著獨特的工程特征，比如：只有6 m高的路塹產生坍塌，在很緩的坡度下也會產生滑動等，變形破壞模式隨著工程地質特征不同而各有差異。與此相對應，不同的破壞模式下，對邊坡穩定性分析采用的方法和力學模型也各不相同。

1 自然邊坡的調查統計

在現場調查的基礎上，選用與張(家口)石(家莊)高速公路通過區域巖性、構造以及地下水賦存狀況等條件相同或相近的天然斜坡進行量測。對不同高度的邊坡進行大量的調查，測量坡頂、坡底的相對坐標，從而可以換算成坡長(L)與坡高(H)，此坡高與其相應的最小坡面水平投影長度即為所獲得的一組數據。將這些數據對標在雙對數坐標系下，并把經驗匯聚點P的坐標求對數后也投在同一坐標系下，采用最小二乘法進行估計，從而得到完整的坡高、坡長的投影規律，計算任意坡高下穩定自然邊坡坡率推算值，為人工邊坡坡率設計提供參考。

2 推薦坡率確定方法

膨脹巖出露地表區域，風化作用強烈，表層多已經風化呈土狀，僅保留原巖結構，自然邊坡較緩，在地貌上多形成渾圓狀山丘。挖方邊坡在開挖后，表面膨脹巖很快會產生干縮裂隙，并致使原巖結構不斷破壞，巖體弱化。但總體而言，自然形成的邊坡經過長時間風化，已經達到平衡狀態，風化深度、程度較高，因而形成的自然邊坡的坡率一般會比開挖邊坡穩定坡率要低。根據所得到的回歸方程，經過計算列出了不同坡高(4 m～30 m)所對應的推測坡長值(見表1)。

表1 坡高坡長的推算表

根據試驗及相關工程經驗，張家口地區膨脹巖為中～強膨脹性，對比表1與根據JTG D30—2004公路路基設計規范中相關規定發現，規范推薦坡率相對自然邊坡坡率高1.2倍～1.5倍。

由于規范規定的取值范圍跨度很大，針對具體邊坡高度下的坡率并無推薦值，對于強膨脹性的膨脹巖邊坡防護并無特殊坡率規定。根據自然邊坡坡率值進行統計，確定穩定自然邊坡坡率值后進行折減，折減方法如下式：

tgφ=tgφ′/S

(1)

其中，φ′為自然邊坡穩定坡率，由調查確定；φ為擬推薦人工邊坡坡率；S為折減系數，S=1.2～1.5。

根據膨脹性進行S取值，當膨脹性強時取高值，膨脹性弱時取低值。

3 裂隙的影響分析

裂隙的分布、傾斜度、形狀和粗糙度對巖土體的強度具有明顯影響[5]，而膨脹巖邊坡與其他類型邊坡不同的特征之一就是：在干濕循環作用下能夠產生大量裂隙。地表水向下滲透，主要借助于收縮產生的裂隙進行。干濕循環不但對巖體結構進行破壞，還能夠使裂隙進一步向下發展。

由于裂隙展布深度不同，單個巖土柱體的破壞也不相同，形成淺層破壞與深層破壞相結合的破壞模式，在淺層由于裂隙間距密集，容易產生傾倒破壞，從而形成表層的溜坍。在深層，受到深大裂隙影響，容易產生滑動，而整體形態上處于近似圓弧狀滑動。

不同位置的裂隙對邊坡穩定性影響也不相同，采用極限平衡法對裂隙位置的影響進行了敏感性分析，模型采用45°斜坡(坡比為1∶1)，坡高為8.0 m，由膨脹巖組成，巖體力學參數為：巖體重度20 kN/m，飽和c值為10 kPa，Φ=15°。邊坡穩定性計算分析見圖1。

根據計算結果，可見邊坡上的裂隙位置對整體滑動穩定性影響非常大，發育于后部的裂隙影響最大。

在邊坡防護時，特別要注意對坡角的保護和對坡頂的保護，及時封閉，防止收縮產生，坡頂產生裂隙，造成路塹整體失穩。

但在膨脹巖地區，防止邊坡破壞的主要方法仍然為放緩邊坡坡率。

4 結語

1)在膨脹巖地區進行自然坡率調查基礎上，研究膨脹巖不同坡高情況下的自然邊坡坡率規律，并在自然坡率基礎上，對照規范規定坡率，提出了折減方法，符合膨脹巖地區實際情況，能夠為工程所應用。

2)膨脹巖邊坡穩定性較差，除了與干濕循環后強度大為降低有關，還和收縮造成邊坡巖體整體性破壞有關。裂隙是造成邊坡漸進破壞和淺層溜坍、滑動破壞的基礎，整體穩定分析表明裂隙位于邊坡后部時對穩定性的影響最大。

[1] 唐大雄,孫愫文.工程巖土學[M].北京:地質出版社,1985.

[2] 劉特洪.工程建設中的膨脹土問題[M].北京:中國建筑出版社,1997.

[3] 湯國璋.膨脹巖的工程特性與路基工程防治途徑[J].蘭州鐵道學院學報,2002,21(1):111-115.

[4] 答治華,王小軍.塹坡巖石膨脹性評價及設計原則[J].鐵道工程學報,2001(2):70-72.

[5] 黃文熙.土的工程性質[M].北京：水利電力出版社,1983.

Analysis on artificial slope ratio and deformation failure of highway slope in swelling rock area

Duan Quanjiang Wang Dong Zhang Hong

(CCCCYuanzhouTrafficScienceandTechnologyGroupLimitedCompany,Shijiazhuang050051,China)

Combining with the actual situation of Zhang-Shi highway, based on field investigation and related statistical maps, this paper counted the natural slope ratio under different slope height condition, combining with the recommended cutting slope ratio, proposed the determining method of artificial slope ratio in expansion rock area, also analyzed the influence of cracks to slope stability, pointed out that the crack located in slope rear had maximum influence to stability.

swelling rock slope, slope rate, deformation, failure

2015-02-11

段全江(1980- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)12-0058-02

TU443

A