第三系半成巖高邊坡病害分析及對前期設計的指導

盧 歡，李 微

（1.中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710000；2.長安大學）

1 引言

目前，第三系半成巖的理論研究被“風化”、“巖石”等定名束縛，局限于巖石試驗或當前有限的試驗及檢測方法，不能準確地通過試驗來反應其實際工程性質[1]。第三系半成巖的力學強度低，因為該類巖體抗風化能力極差[2]，大多地質資料認為是強風化的結果，但這類巖體是無法劃分出明顯風化帶界限的，因為從幾米到數十米深度變化微乎其微，力學性質變化不明顯。《巖土工程勘察規范》指出[3]，泥巖和半成巖可不進行風化程度的劃分，說明第三系泥質巖較軟弱的特征是弱膠結原因，而非風化結果。因此，對第三系半成巖不能進行風化程度的劃分。Vaughan[4]于1993年提出把土和巖石看作連續變化的工程地質材料，土和巖石之間通過其結構和性狀相聯系，提出一種新穎的分類觀念和研究思路，在克服土力學和巖石力學相分離的同時，以給定相應指標范圍的基礎上，將半成巖劃入到新的巖土工程分級中。

聞垣高速古城聯絡線項目起于運城市垣曲縣華峰鄉車家溝村，銜接聞喜東鎮至垣曲蒲掌高速公路后，路線由北向南布設，途經王茅鎮、古城鎮、曹家嶺，終于黃河大橋橋頭前50m，接垣澠高速河南段，路線全長18.10km。其中K12+000至終點段上部地層巖性主要為第四系新黃土及洪積老黃土，下部為第三系砂巖、泥巖。截止目前，段落內已有3段深挖高邊坡出現坡面裂縫、坡體坍塌、滑坡等病害，本文對3段邊坡進行問題歸類，從地層巖性入手，分析邊坡出露、降雨等因素對邊坡巖土參數降低的影響及導致邊坡病害的產生原因，并以此提出防治設計要點，為同類地區、同類邊坡的公路邊坡設計提供參考。

2 項目概況

聞垣高速古城聯絡線項目K12+000 至終點段地處山西省垣曲縣境內，區內上部地層巖性主要為第四系新黃土及洪積老黃土，下部為第三系砂巖、泥巖，目前3段坡面裂縫、坡體坍塌、滑坡等病害的深挖方高邊坡分別為K14+560～K14+905 段右側邊坡（滑坡）、K16+094～K16+220 段右側邊坡（坡面裂縫）、K17+560～K17+705段右側邊坡（坡體坍塌）。

2.1 K14+560～K14+905段右側邊坡概況

K14+560～K14+905 段右側邊坡為挖方邊坡，最高挖方邊坡高度位于K14+680 處（中心挖高24.73m，挖方邊坡高度42.86m）。該邊坡自2018 年2 月開始開挖，開挖至四級邊坡中部，極易風化的半成巖泥砂巖層部分揭露，為順層邊坡，之后暴露在外。2018 年3 月12 日，K14+560～K14+740 段邊坡部分坡面發生“裂縫和坍塌”，2019 年4 月至5 月中旬，K14+740～K14+760 段右側開挖至二級邊坡中部，K14+760～K14+905 段右側開挖至路面頂2.2m，半成巖砂泥巖進一步揭示出露。2019 年5 月29 日，現場發現該段邊坡上部出現三道延伸3m～5m 的裂縫，且該處邊坡坡口外發育有多條貫穿裂縫，縫寬2cm～3cm，裂縫一直延伸至線外耕地處，最遠處橫向距中線144.3m。6 月5 日項目所在地遭遇降雨，6 月11 日，原位置裂縫已有變寬跡象，最寬處約8cm，且局部有不均勻沉降，兩邊錯臺約有20cm 高差，裂縫深度約為24m，6月14日夜即發生了較大規模的滑坡。

2.2 K16+094～K16+220段右側邊坡概況

K16+094～K16+220 段右側邊坡為挖方邊坡，最高挖方邊坡高度位于K16+230 處（中心填高1.39m，挖方邊坡高度35.24m）。該邊坡自2019 年9 月開挖，2019 年12 月4 日，路塹開挖至路床頂面，開挖揭露下部地層為第三系泥砂巖，為順層邊坡。12 月6 日下午，發現該段右側邊坡第一級邊坡坡面、第一級邊坡平臺，第二級邊坡平臺，第三級邊坡平臺，第三級邊坡坡口外均發育有裂縫，縫寬0.5cm～1.6cm，且第一級邊坡裂縫上部坡體部分已向外剪出。12 月12 日在距中線右側205m～326m范圍位置附近，發現有近似與路線中線平行裂縫，縫寬1cm～10cm。12月14日，在K16+286西南側找到新裂縫，寬度2cm～20cm，裂縫長度近100m。

2.3 K17+560～K17+705段右側邊坡概況

K17+560～K17+705 段右側邊坡為挖方邊坡，最高挖方邊坡高度位于K17+550 處（中心挖高45.65m，挖方邊坡高度35.50m）。該邊坡自2019 年8 月開挖，2019 年11 月23 日下午，K17+580 處右側邊坡第三級邊坡發生部分坍塌，同時發現K17+580 右側第三級邊坡平臺（沿路線縱向）上發育有貫通裂縫，滑裂體前緣延伸至第二級邊坡中下部位置。滑裂體部分為第三系泥砂巖，敲擊較硬，滑裂體內部可見有明顯剪出面。

3 原因分析

上述3段挖方邊坡基本情況見表1。

表1 3段深挖方邊坡基本情況

3.1 K14+560～K14+905段右側邊坡滑坡原因分析

K14+560～K14+905 段挖方路基邊坡地質條件極為復雜。邊坡上層為新、老黃土，下層為卵石，透水性相對較好。滑帶主要為第三系砂巖，含水量高，遇水易軟化且持水性能強，使其抗剪強度降低，易于形成潛在滑動面，且滑坡巖層順坡，容易產生順層滑坡；滑床主要為第三系泥巖，透水性差，形成一個相對阻水面，即中下部飽水后先沿砂泥巖結構面向臨空方向滑動，引起斜坡上部土體承受拉應力，進而產生拉張裂縫，反復灌水，抗剪強度降低，最終順著最大剪應力面產生變形滑動，形成統一的滑動面[5]。加之隨后恰逢降雨，更使滑坡發育加劇，造成了本次滑坡的產生。

3.2 K16+094～K16+220段右側邊坡裂縫原因分析

K16+094～K16+220 段右側邊坡上部覆蓋厚度不等的第四系黃土（粉質黏土），大孔隙和垂直節理發育為地表水的下滲提供了有利條件。滑帶土主要為第三系砂巖底部夾薄層泥巖，砂巖抗風化能力極差，遇水飽和后其物理力學性質指標顯著降低，泥巖層黏性較大，濕——很濕，遇水軟化且透水性能差、持水性能強，易形成一個隔水層使上部巖體強度急劇下降。在持續降雨條件下，雨水通過上部黃土的大孔隙結構及砂巖裂隙滲入至泥巖層，因其隔水性，逐漸使大量水匯聚到該層，使其含水量陡增，漸呈飽和狀態，抗剪強度降低[6]，當下滑力超過抗滑力時，先是坡體中下部巖土體沿該薄層泥巖層面向臨空方向滑移蠕動，形成開挖邊坡上的裂縫及剪出現象，其進一步發展有可能引起斜坡上部土體承受拉應力，產生拉張裂縫并最終形成滑坡。

3.3 K17+560～K17+705段右側邊坡坍塌原因分析

K17+560～K17+705 段右側邊坡巖質為第三系灰綠色砂泥巖，為順層巖層，砂泥巖抗風化能力極差[7]且具有膨脹性，這是該邊坡坍塌形成的先決物質條件。第三系砂泥巖，呈半成巖狀態，新鮮狀態下，物理力學指標較好，但暴露在外時，會吸水并風化成散體狀，物理力學指標迅速下降，當遇降水時，產生邊坡失穩，形成崩塌。本挖方段落因未能做到開挖一級、防護一級，致使坡面形成張拉裂縫，邊坡前緣形成了崩塌，進而形成更陡峭的凌空面，加速邊坡失穩，導致邊坡原有力學平衡破壞，產生蠕動，進而形成較大規模的坡面坍塌。

4 設計要點

針對于上述3段邊坡病害原因分析，其前期設計階段可采取以下措施進行規避：

①公路選線時，結合地質勘查結果，盡量避免開挖第三系砂巖、泥巖順層邊坡[8]，當不可避免時，盡量抬高路基，減小坡面開挖高度。

②在進行邊坡穩定性計算時，巖體參數的確定除考慮新鮮巖樣試驗結果，還應考慮巖體裸露一定時間風化后的力學指標下降值，同時針對第三系砂、泥巖遇水易吸水并風化成散體狀的特性[9]，在邊坡穩定性計算時應著重進行飽水工況的參數選取及計算。

③邊坡坡率設計時，緩邊坡造成坡面投影面積較大，雨水更易滲入，對坡面穩定不利，相比于放緩邊坡坡率，適當增加平臺寬度并做好平臺排水設施能更好地的提高邊坡整體穩定性系數。

④重視截、排水設計，導致第三系砂、泥巖參數降低最直接的影響因素為雨水滲入[10]，公路設計時，通過邊坡平臺設置平臺截水溝、坡頂設置坡頂截水溝、坡腳設置邊溝、每級邊坡做好封閉設施等措施，將對邊坡范圍有影響的降水迅速排出，降低雨水危害。

⑤施工過程中要求開挖坡面及時進行防護、封閉處理，務必開挖一級、防護一級，防護類型可選擇坡面封閉較好的護面墻、框架梁+生態袋、骨架植草等。

5 結語

現階段，我國公路建設發展十分迅速，但是由于地形和地質等多種因素的影響，高邊坡設計及施工過程中仍存在著較多的問題，這對路基高邊坡的防護設計水平提出了更高的要求。本文針對于半成巖地質特點，結合聞垣高速古城聯絡線項目，對于該地區第三系半成巖砂巖、泥巖順層高邊坡易產生的坡面裂縫、坡體坍塌、滑坡等病害問題進行分析，提出設計注意要點，為廣大基建人員提供設計參考。