路塹邊坡垮塌成因分析及防治措施探討

鄭 勇

(上海建工集團股份有限公司，上海 200080)

0 引 言

正在建設中的環天府新區快速通道起于眉山市西南，途經眉山市彭山區、仁壽縣，止于簡陽市三岔湖旅游環線。作為眉山市北部地區一條重要的橫向快速通道，聯通了天府新區青龍、視高兩大核心區。該項目線路全長48.5 km，設計速度為80 km/h，雙向四車道，路基寬度25.5 m。它的建成將極大地改善眉山市北部缺乏東西向大通道的現狀、促進眉山市與天府新區的互聯互通。

該路在一年的建設過程中，有多處路塹在開挖后均出現了不同程度的垮塌現象。從幾處垮塌的地方分析，垮塌的路塹邊坡與開挖坡率和開挖高度關系不大，而與路塹土體的地質特征有很大的關系。尤其對于已經修整成型的高路塹邊坡，邊坡的垮塌造成的修復經濟損失往往更大。如單純的擴大征地范圍，既浪費土地資源，征地手續辦理又很麻煩；機械操作難度大；還要占用大量的人力、材料、設備，工期也同時跟著延誤。本文重點闡述該項目所在區域的巖土的工程特征，介紹邊坡穩定性的影響因素，并概括介紹了相應垮塌的處理方法。

1 公路路塹邊地質特征

通過我們對全線垮塌區域的土樣采集分析后發現，土樣顏色以灰黃色、褐黃色、紅黃色、紅色、灰白色粘土和強風化泥巖(泥巖是指弱固結的黏土經過中等程度的后生作用形成強固結的巖石，主要成分與粘土類似)為主。該土樣遇水膨脹，宜塑宜滑，失水干裂收縮。通過查閱相關文獻資料，該土為典型的“成都粘土”，而邊坡垮塌的主要原因就是成都粘土，地下水、裂隙水與自然降水等共同作用的結果。

1.1 成都粘土物質組成

成都粘土的礦物成分主要為伊利石，次為蒙脫石；此外，還含有少量高嶺土、綠泥石和石英。在不同層次、不同顏色的粘土中，各種粘土礦物的相對含量有一定的差異。其中灰白色粘土中蒙脫石含量較高。

成都粘土的化學成分中SiO2占絕大多數，主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、NaO、MgO、CaO組成。其中主要物質含量SiO2=63.6%～69.2%；Al2O3=13.4%～15.9%；Fe2O3=6.2%～9.2%；三者總量達到了85%以上。

成都粘土的PH值在7.3～7.9，呈弱堿性，有利于生成伊利石、蒙脫石等粘土礦物。

1.2 成都粘土的工程地質特征

(1)成都粘土的物理力學性質。成都粘土的物理力學性質指標見表 1。

表1 成都粘土的物理力學性質指標

(2)成都粘土一般工程特征

從表1可看出，成都粘土塑性指數為18～33，天然密度較大，為18.7～20.7 KN/m3，天然孔隙比較小，為0.61～0.79，密實度較高，力學性能較好；壓縮模量為9.00～27.00 MPa，壓縮系數為0.10～0.28 MPa-1，屬中等壓縮性地基土。根據對28組工地現場取樣原狀試樣物理力學指標值分析得知:項目區域土樣有隨天然含水率的增高，天然密度降低，孔隙比增大的規律。在天然含水率狀態下原狀試樣的抗剪強度指標，遠大于飽水狀態下土的抗剪強度指標，重塑土樣的抗剪強度指標高于原狀試樣的抗剪強度指標(說明裂隙對粘土強度的影響較大)，而且重塑土樣的抗剪強度隨含水率的提高而降低。

(3)成都粘土的脹縮性

從表1中的自由膨脹率可以看出，成都粘土具有弱-中等膨脹潛勢。而根據該項目來看，全線約有70%區域處于弱-中等膨脹土地區。而由于膨脹土與水結合的能力，吸水膨脹，失水收縮，并具膨脹-收縮-再膨脹的往復脹縮特征，再水巖的相互作用下，極易發生路塹邊坡外鼓、剝落、表層滑塌、淺層滑坡等自然災害。

2 成都粘土邊坡垮塌產生機理

2.1 大氣降雨(物理效應)

由于大氣降雨，降水下滲在邊坡巖土體上產生潤滑作用，使巖土體面上的摩阻力減小，作用在巖土體面上的剪應力效應增強，結果沿滑動面誘發巖土體的剪切運動。這個過程在滑坡體受降水入滲使得地下水位升到滑動面以上時尤其顯著。同時降水下滲還使邊坡巖土體產生軟化和泥化效應，主要表現在對巖土體中充填物的物理性狀的改變，巖土體內充填物隨含水量的變化，發生由固態向塑態直至液態的弱化效應，特別是在巖土體中存在較多吸水易脹的礦物成分(如蒙脫石、伊利石等)時。因此降水對邊坡巖土體產生的潤滑作用及弱化效應，反映在力學上就是使巖土體的內聚力和摩擦角減小。

另外雨水下滲還通過孔隙靜水壓力和孔隙動水壓力作用對該邊坡巖土體的力學性質施加影響。前者減小滑坡體的有效正應力，從而降低滑坡體的抗剪強度，同時在裂隙中的孔隙靜水壓力可使原有裂隙產生擴容變形；后者對滑坡體產生切向的推力，從而降低滑坡體的抗剪強度。地下水在松散土體、松散破碎巖體及軟弱夾層中運動時，對土顆粒施加橫向推力，在孔隙動水壓力的作用下可使巖土介質中的細顆粒物質產生移動，甚至被攜出巖土介質之外，產生潛蝕而使巖土體破壞。

邊坡垮塌在強降雨期間尤其容易發生。結合環天府快速通道項目在2018年夏季出現了50年一遇的強降雨，項目出現數十處大小不等的邊坡垮塌及滑坡現場也說明這一點。總之，降雨對邊坡巖土體的力學性質的影響主要有三個方面。

(1)雨水通過物理、化學的作用改變了邊坡巖土體力學結構；

(2)雨水通過孔隙靜水壓力作用，影響滑坡體中的有效正應力而降低邊坡巖土體的強度；

(3)雨水通過孔隙動水壓力的作用，對邊坡巖土體施加一個推力，即在邊坡巖土體中產生一個剪應力，從而降低滑坡體的抗剪強度。

2.2 地質特征(水巖化學效應)

還有巖體中的親水性礦物與水作用后引起體積膨脹，使巖土具有較大脹縮性。特別蒙脫石、伊利石和高嶺土等膨脹土在吸水失水往復脹縮下，由于體積膨脹使不均勻的，因此巖土介質產生不均勻內應力，從而導致巖土介質的離解、碎裂、崩解以及裂隙的產生，在降雨等的綜合作用下，最終造成邊坡的垮塌。

2.3 人類活動

人類活動對邊坡變形垮塌的影響主要表現在路塹的開挖、石方爆破作業、坡面及塹頂及后緣帶的不斷加載等。路塹的開挖打破原巖體的應力場的平衡，超出了該地區巖體自平衡能力；爆破作業對周圍巖體的破壞主要表現在使巖體產生松動或是裂隙；坡面和坡頂的加載對巖體的危害則由于增加了坡面及坡頂的自重使巖體出現變形和開裂。總而言之，人類的活動打破了原有巖體應力場，使巖體出現變形、裂隙，在其作用下，最終由于巖體自撐能力無法抵抗巖體剪切應力而出現邊坡垮塌。

3 邊坡垮塌病害及防治措施

路塹邊坡施工及后期運行過程中，常伴有各類邊坡病害的發生，如路塹邊坡剝落、沖蝕、溜塌、滑坡等地質病害。通過對該項目的路塹邊坡地質病害的處理，再結合眉山地區既往公路項目的建設經驗，路塹邊坡施工前宜采取“要治坡，先排水”的原則，同時做到“開挖一級防護一級”以保證邊坡巖體的穩定。綜合治理措施主要以截排堵水、支擋防護(坡面防護、支擋防護)、刷坡減重、綜合監測等處理措施。

3.1 截、排、堵水

地下水活動是誘發邊坡滑坡和垮塌的主要誘因，無論是采用何種邊坡處治方式，都必須先做好對地表水和地下水的處理，排除地表水和地下水的主要方式有：

(1)開挖截水溝：路塹施工前，應提前開挖截水溝，每開挖一級后根據設計要求馬上施作平臺截水溝，防止邊坡頂面地表水下滲進入巖土體內及下流沖刷坡面。

(2)支撐滲溝：在成型坡面上開挖排水溝，溝寬0.5 m，溝高0.8 m，間距根據坡面的巖土體結構確定。溝內墊滲水土工布，同時回填粒徑1～3 cm的碎石或卵石，其上再鋪設滲水土工布，最后在表面覆蓋素土并壓實。

(3)地表注漿：部分邊坡地方巖土結構松散，降水容易下滲，在坡面在施作支撐滲溝的同時，可以考慮對邊坡坡頂一定區域內進行地表預注漿(水泥漿)。既可以起到固結巖土體結構，增大巖土體的抗剪強度，又能封閉巖土體裂隙，使地下水無法下滲。如果能在漿液中添加石灰，還能改善邊坡土體結構化學性能，從而起到穩定邊坡的目的。

3.2 支擋防護

(1)坡面防護

路基邊坡坡面由于受到人為或降雨下滲、風蝕等自然條件的影響，慢慢會出現不同程度的坡面病害，如不進行坡面的有效防護，最終會導致更大的邊坡病害。坡面病害主要表現為坡面剝落、落石、表面滑塌等病害。

因此對于常規的石質邊坡(泥巖、粉砂巖等)，有坡面有一定的自撐能力，只需要對坡面進行防護，免收雨水沖刷，減緩溫差及穩定變化的影響，防止和延緩軟弱巖土表面的風化、碎裂、剝蝕的演化進程，從而起到保護路塹邊坡的整體穩定。

常規坡面防護方法有：植物防護(雨水充足地區)、骨架植物防護(混凝土骨架植草、水凝混凝土空心塊植草等)、圬工防護(護面墻、錨噴混凝土護坡、封面等)、土工織物防護(三維植被網)、主被動網等。

(2)支擋防護

對于土質邊坡、膨脹土邊坡高邊坡、宜滑坡邊坡等，由于巖土體應力較大且內部應力不均勻，簡單的坡面防護不能保證邊坡的整體穩定。因此這一類邊坡除了要對坡面進行防護以外還需要保證表破坡腳的穩定。通過對坡腳修筑支擋以抵抗邊坡側向壓力。

常規支擋防護方法有：矮擋墻、路塹墻、錨桿擋土墻、錨桿框架梁等。

3.3 刷坡減重

對于部分巖土體自由膨脹率不大的邊坡，如有滑坡風險或已垮塌地段可以采用對路塹頂部進行刷坡減載。主要方法是將頂部邊坡減緩，同時增大平臺寬度，使邊坡巖土體剪切應力減小，從而起到上部減重的目的。

3.4 綜合監測

根據以往的經驗，成都粘土地區路塹邊坡均存在地質病害，只是地質病害發生的程度和大小不一樣。因此作為施工管理者和項目運行單位都不能忽視邊坡病害發生的可能。應定期對可能出現垮塌風險的地段進行重點監控已。特別是對膨脹土地段路塹地段、30 m以上石質邊坡、20 m以上土質邊坡及已發生過少量垮塌地段進行重點監控。對于雨季應加強監測頻率，從源頭上杜絕邊坡重大邊坡事故的發生。

4 結 語

本文通過對環天府新區快速通道邊坡滑坡原因分析，主要受到邊坡的地質、工程特征及邊坡垮塌力學效應、水巖化學效應及人類活動等幾個方面影響，總結出了邊坡垮塌病害的變形機理。

在此基礎上，依托環天府快速通道項目路塹邊坡治理的經驗并結合本地區相似項目的處理方法。提出了路塹邊坡防治的技術措施。為以后類似項目的建設提供參考和借鑒。