安猇公路膨脹土路塹邊坡淺層滑坡原因與對策

雷軍偉,蔡樹生,王月春,魏耀華,張銳

(1.湖北省路橋集團有限公司,湖北 武漢 430056；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院,湖南 長沙 410114)

膨脹土含較多親水性蒙脫石及其混層礦物,具有顯著吸水膨脹特性,在大氣干濕循環條件下易產生裂隙,加速雨水下滲。此外,膨脹土還具有超固結性。膨脹土邊坡經常發生淺層失穩破壞,且這種失穩很特殊,許多邊坡坡率降至1∶3甚至1∶5也會滑動,但土樣強度指標并不低。一些邊坡在施工階段就發生滑坡,還有相當多的邊坡完工后不滑坡,而是幾年后才發生滑坡。

對于膨脹土邊坡失穩機理和防治技術的研究,最初是采用常規黏土的評價方法計算膨脹土邊坡的穩定性,如極限平衡法。但膨脹土邊坡是淺層漸進性破壞,極限平衡法無法反映其穩定狀態和破壞機制。之后,許多學者從膨脹土自身脹縮性、裂隙性、超固結性和外部環境的干濕循環、大氣降水等因素入手,改進膨脹土邊坡破壞失穩的評價方法,但結果都不太理想。膨脹土防護常用方法有石灰樁法、換填法、支擋結構法。隨著綠色公路概念的提出,石灰樁法逐漸被淘汰；換填法易造成大面積開挖和棄方處治問題；剛性支擋結構如漿砌片石護坡、抗滑擋土墻、錨桿框架梁等是目前國內常用的膨脹土邊坡防護與加固措施,但隨著時間的推移和干濕循環的影響,剛性支擋結構往往在膨脹力的作用下發生破壞。該文以湖北省枝江市安福寺至猇亭區古老背公路工程枝江段(簡稱安猇公路)膨脹土路塹邊坡淺層滑坡為例,通過地質調查,分析引起滑坡的主要原因和常規方法治理膨脹土邊坡存在的問題,提出柔性支護新方案。

1 工程地質特征

安猇公路為雙向四車道一級公路,起于276省道與枝江市安福寺之字溪大道交叉處,止于與猇亭交界處,全長7.3 km,設計速度80 km/h,路基寬度22.5 m。地處鄂西山地向江漢平原沉陷帶過渡地段,屬于長江左岸的河流侵蝕堆積階地壟崗地貌。線路工作區地貌主要屬剝蝕堆積類型,以河流階地為主,部分為構造剝蝕丘陵區。沿線各級階地高程多為50～180 m,沖溝發育,地形稍有起伏,地表植被較發育。年平均降水量1 097～1 482 mm,年平均蒸發量1 815.3 mm,夏季多梅雨。地表水系較發育,地下水主要賦存于第四系松散堆積物中,埋藏較淺,一般埋深1～3 m；主要接受大氣降雨補給,受季節影響,水位動態變化較大,富水性差；一般情況下,地下水在斜坡下部、沖溝底部或地形低洼處以下降泉形式排出地表,多呈季節性變化特征。

該區域膨脹土主要分布于構造、剝蝕丘陵區的第四系中更新統黏土中,土體中普遍夾有網紋狀高嶺土。膨脹土在構造、剝蝕丘陵區呈斷續分布,在猇亭河流侵蝕堆積階地區也有分布。該項目沿線約4 km路段處于膨脹土分布區,共9處膨脹土路塹邊坡發生滑坡,滑坡最大垂直深度普遍為1～2 m。

K9＋160—240右幅邊坡先后在完成防護和瀝青路面鋪筑后出現坍塌(見圖1),放緩至1∶2仍不穩定。該失穩邊坡最高為11 m,位于K9＋100—280挖方邊坡的中段,兩端邊坡處于穩定狀態且土質較好。該失穩邊坡土樣的基本性質見表1。室內試驗結果表明：該邊坡的膨脹土具有典型的高液限土特點,天然含水率較高,細粒含量大,液塑限高,塑性指數大,根據自由膨脹率和塑性指數判定為弱膨脹土。如何對失穩邊坡進行經濟有效的處治,避免征地,且不破壞新建未損壞的排水設施,不擾動兩端未失穩邊坡,成為需重點解決的技術難題。

圖1 K9+160—240右幅膨脹土路塹邊坡淺層滑坡

表1 安猇公路土樣的基本性質指標

2 安猇公路邊坡淺層滑坡原因

膨脹土路塹邊坡按破壞形式分為潛伏斷面滑坡、弧面漸進式破壞和淺表層坍滑,該邊坡屬于淺表層坍滑破壞。淺表層坍滑破壞是指大氣干濕循環導致邊坡淺層土體反復脹縮開裂,雨水從裂隙入滲,導致強度降低,引發淺表層土體坍滑破壞,滑動深度一般為1～2 m。膨脹土構成礦物具有特殊的雙電層結構,吸水性非常強。吸濕時,水分子進入蒙脫石的雙電層結構中,導致土顆粒膨脹,氣體分子從水中溢出。期間土體結構的固體顆粒受氣體沖擊,導致土顆粒之間的接觸部位或膠結體出現一定薄弱或破壞,邊坡產生微小裂縫。淺層邊坡的上覆壓力較小,在水的作用下,土顆粒吸附的水膜變得越來越厚,使土顆粒之間的間距變大,粘結強度減弱,且侵入的水分子越多,粘結強度衰減程度越大,干密度變小。另外,某些膠結物還會被軟化或溶解,在土顆粒間起潤滑作用。脫濕時,水分子從土體中溢出,對土骨架形成進一步沖擊。膠結物從水中析出,加劇土體結構破壞,裂隙進一步形成。

考慮到抗剪強度降低是造成邊坡失穩的直接原因,對該邊坡受干濕循環影響的1.0 m土和不受干濕循環影響的2.2 m土進行固結慢剪直剪試驗,結果見表2。由表2可知：非干濕循環區土(2.2 m)的粘聚力高達21.5 k Pa,而干濕循環區域土(1 m)在受到多次干濕循環影響后其粘聚力降為1 kPa。

表2 K9+160—240原狀土樣抗剪強度指標

通過浸水試驗對比兩土樣的粘聚力,結果(見圖2)顯示：1.0 m土樣粘聚力衰減嚴重,在水中浸泡一段時間后完全垮塌；而2.2 m原狀樣基本保持原樣,能維持自身狀態。

圖2 K9+160—240原狀土樣泡水試驗

從數值上看,21.5 kPa粘聚力可保證路基在使用期間邊坡不發生垮塌。同時,在上覆荷載較低的情況下,膨脹土的脹縮性無法抑制,土顆粒之間的間距增大,相互咬合程度降低,導致內摩擦角變小。對于新建公路,直剪試驗得到的數據大多是沒有經歷干濕循環的深層土,參照該試驗數據進行邊坡設計和防護不準確,這也是許多膨脹土邊坡在使用后期常發生滑塌的原因之一。

綜上,分析該邊坡失穩的原因如下：邊坡土體為弱膨脹土,具有濕脹干縮特性。受大氣干濕循環影響,邊坡淺層(2 m)范圍內裂隙發育,為降雨入滲提供了便利通道。在降雨條件下形成上層滯水區,一方面使淺層土體增濕膨脹,抗剪強度發生衰減,有效粘聚力完全喪失,有效內摩擦角也因土體膨脹而略有降低；另一方面,雨水入滲后淺層土體中孔隙水壓力增加,有效應力降低。坡腳應力最為集中,最先失穩,上層坡體失去支撐,逐漸下滑,發生邊坡的漸進式破壞。上述兩個原因使膨脹土邊坡相對于一般土質邊坡更易發生淺層坍塌。采用JTG D30－2015《公路路基設計規范》中簡化bishop對取樣深度1.0 m的邊坡進行穩定性分析,結果(見圖3)顯示：即使邊坡放緩至1∶2.5仍會發生滑塌(邊坡穩定系數為0.97)。

圖3 K9+160—240右幅膨脹土路塹邊坡穩定性計算結果(坡率1∶2.5)

3 邊坡處治方案及原理

3.1 常用邊坡防護加固措施存在的問題

常用邊坡加固方法有抗滑樁、擋土墻及結合這兩種結構物進行加固,對于大面積膨脹土邊坡坡面,主要采用全封閉漿砌片石、拱形骨架與植被防護等進行處治。

漿砌片石支擋是采用砂漿與毛石料砌筑的砌體結構,大多采用全封閉措施處治,以隔絕外界大氣環境對土體的干擾。為單純防止巖體脹縮,采用能隔水隔熱且有一定抗變形能力的全封閉工程措施,不能適應膨脹巖體的低強度性和碎裂性。

拱形骨架植草防護是一種既能穩定路基邊坡,又具有綠化效果的工程防護,在公路工程中得到廣泛應用。對于膨脹土邊坡,拱形骨架雖能減少坡面徑流導致的沖刷并抵抗膨脹土邊坡開挖時的卸荷應力釋放和部分脹縮變形,但由于含水量變化使受約束膨脹土體積發生變化,產生的巨大膨脹力足以造成坡體剛性結構嚴重破壞。

抗滑擋墻整治膨脹土滑坡,由于膨脹土工程地質性質特殊,土體結構復雜,滑坡發生后及時采用支擋工程,可減少邊坡穩定性破壞,阻止土體進一步滑塌。在膨脹土處治中,剛性支擋雖然能提供足夠的抗力,但也會為膨脹土積蓄可觀的膨脹潛勢,擋土墻在長期集中應力作用下易發生開裂破壞,影響邊坡穩定。

綜上,采用剛性支護和全封閉圬工護坡處理膨脹土路塹邊坡不合理,不僅達不到防護處治目的,有時還可能帶來工程安全隱患。因此,在進行膨脹土路基邊坡處治方案設計時應根據膨脹土特有的性質和破壞規律,結合處治邊坡的具體情況,提出切合實際且有經濟性和針對性的處治措施,如柔性支護、剛柔相濟等。

3.2 安猇公路邊坡柔性處治方案

由于常規邊坡防護與加固方案用于膨脹土路塹邊坡存在不足,根據該膨脹土路塹邊坡的破壞特點及產生原因,采用柔性支護方案進行治理(見圖4)。

圖4 K9+160—240右幅膨脹土路塹邊坡滑坍處治方案(單位：cm)

柔性支護是將土工格柵分層攤鋪反包,回填膨脹土壓實形成足夠厚度的加筋體,再對坡頂進行封閉、坡體內外綜合疏排水。格柵與填土間的摩擦力和咬合力可提供足夠的抗剪強度,使加筋體構成一整體抵抗邊坡的作用,即使在雨水滲透下也可保證邊坡具有足夠的抗剪強度。柔性支護允許邊坡產生一定變形,可釋放開挖邊坡的大部分應力和膨脹力。充足的加筋體厚度(大于干濕循環顯著影響區深度)可防止或隔絕風化作用對坡內膨脹土的影響,阻止裂隙發育和淺表層滑坍。

根據該邊坡的土質情況、實際工況,對常用柔性支護方案進行優化：

(1)基底排水設計的優化。常規柔性支護基底滲溝位于邊溝以下,對于新建公路較好實施,對于已建好的公路則難以實現。該邊坡所在路塹段均已鋪筑完路面和邊溝,故只對已坍塌部分進行處治,保留未坍塌的邊坡及其邊溝。為此,將基底滲溝設置為高于邊溝,基底滲水沿縱向排水,在處治邊坡終點沿橫向排至邊溝。另外,考慮到邊坡坡腳是最易發生剪切破壞的區域,且邊坡坡腳土體已嚴重濕化,為保證柔性支護體基底土體的強度,將柔性支護體基底超挖50 cm并回填石灰改良土。這樣,即使后期基底有滲水,土體仍可保持較大的抗剪強度。

(2)加筋體加筋間距優化。常規柔性支護體每層加筋體的加筋間距為50 cm。該邊坡坡體自由膨脹率不高,剛達到弱膨脹土標準,且根據加筋體穩定性分析結果(見圖5),將加筋間距適當增大,仍可滿足柔性支護體整體穩定性。為提高柔性支護結構的經濟性和施工便利性,將加筋間距提升至75 cm。

圖5 K9+160—240右幅膨脹土路塹邊坡處治后穩定性計算結果(坡率1∶1.5)

由于減少了基底滲溝工程量,增加了格柵加筋間距,相對于常規柔性支護方案,優化后方案的造價減少15%左右,工期縮短5 d。

3.3 安猇公路邊坡防護后穩定性分析

防護后的邊坡,位于邊坡表面的加筋土強度得到提高,有效粘聚力增大。格柵反包增加了土體的緊密程度,土顆粒之間的嵌擠增加,內摩擦角增大。位于邊坡內側的土體基本土性參數不變(見表3)。采用JTG/T D32－2012《公路土工合成材料應用技術規范》中加筋土邊坡穩定性分析方法對治理后的邊坡進行分析,結果(見圖5)顯示：邊坡放緩到1∶1.5也能保持穩定。

表3 K9+160—240右幅膨脹土路塹邊坡處治后數值計算參數

4 結論

(1)安猇公路邊坡垮塌為淺表層邊坡坍滑破壞。大氣環境的干濕循環使表層土體反復脹縮開裂,裂隙發育,坡腳最先失穩,上層坡體失去支撐,逐漸下滑,發生邊坡的漸進式破壞。

(2)大氣干濕循環對膨脹土的影響非常大。安猇公路膨脹土路塹邊坡在經歷多次增濕—脫濕過程后,粘聚力由21.5 k Pa下降到5 kPa,內摩擦角降低2.5°。粘聚力的喪失和內摩擦角的減小是邊坡失穩的主要原因。

(3)針對安猇公路邊坡破壞的特殊性,采用柔性支護方法對垮塌部分進行處治,保留未垮塌邊坡及其附屬設施,并增大加筋間距。治理后邊坡坡度在1∶1.5的情況下也能保持穩定,且工程造價降低、工期縮短。