炭質頁巖工程特性及其邊坡防護技術應用研究

杜日俊 梁日裕 趙世景 李博

作者簡介：杜日俊（1993—），碩士，工程師，主要從事公路路基路面設計工作。

文章以環江縣高鐵站至金禾南路一級公路為例，通過野外地質調查、取樣測試等方法，對環江地區炭質頁巖的崩解機理、浸水抗剪強度開展研究。結果表明：（1）炭質頁巖經歷干濕循環后，水分滲入原生缺陷中，巖體膨脹與收縮產生裂紋，裂紋在水巖相互作用下不斷擴張、貫通，巖體由塊狀最終崩解成小顆粒狀；（2）炭質頁巖的抗剪強度隨著飽水時間、含水率的增加而降低。同時，根據炭質頁巖的崩解性與抗剪強度受降雨影響較大這一研究結果，提出了素混凝土臨時封面+植被混凝土綠化護坡方案，對環江縣高鐵站至金禾南路一級公路的炭質頁巖路塹邊坡進行防護，并取得了良好的防護效果。

炭質頁巖；崩解性；浸水抗剪強度；植被混凝土綠化護坡；邊坡防護

U416.1+4A040123

0?引言

炭質頁巖是指含大量炭化有機質、能污手的黑色或黑灰色黏土巖，是一種易風化、崩解、碎裂、軟化且工程性質隨環境變化較大的特殊性巖石［1-3］。周翠英等［4］通過飽水試驗分析了粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及炭質泥巖的飽水軟化規律和參數變化特征。

炭質頁巖廣泛分布于我國西南地區，隨著廣西高速公路的快速發展，遇到的炭質巖問題也急劇增加，河百高速公路、融河高速公路、隆百路、三柳路、馬梧路等項目均涉及炭質巖，施工過程屢次塌方，邊坡防護方案變更不斷，給項目建設及運營帶來了極大困擾。然而，無論是國家標準、行業標準還是地方標準，都沒有單獨將炭質頁巖列為一種特殊性巖土，也沒有專門針對炭質巖的防治措施［5］。因此，對炭質頁巖的工程性質及邊坡穩定性進行研究，探索適合炭質頁巖邊坡的綜合防治方法，使防治工作更趨合理和經濟，具有深遠意義。

本文以環江縣高鐵站至金禾南路一級公路為依托工程，通過野外地質調查、取樣測試等研究手段，對環江地區炭質頁巖的崩解機理、浸水抗剪強度開展研究，并提出了適合炭質頁巖邊坡的防護方式。

1?項目背景

環江縣高鐵站至金禾南路一級公路位于廣西壯族自治區環江毛南族自治縣境內，路線全長7.18 km，設計速度為60 km/h，路基寬20 m。本項目為環江高鐵站與環江縣城聯系的重要通道，項目的建設對發揮環江縣高鐵站功能，改善區域交通出行條件，提高沿線交通基礎設施水平，促進區域經濟的發展具有重要的意義。

環江縣地處桂中巖溶平原與桂西北云貴高原過渡的斜坡地帶，屬高丘石山地區，地勢北高南低。擬建路線穿過碳酸鹽巖碎屑巖地區的谷地、坡地。根據現場鉆探取芯鑒定、原位測試及室內土工試驗結果，巖性有沖洪積成因、殘坡積成因的黏性土等，局部分布人工形成的耕植土、填筑土。該場地上覆土層為第四系人工填土層（Q4ml）、沖洪積層（Q4al+pl）、殘坡積層（Qel+dl）；下伏基巖為石炭系下統巖關階（C1y）灰巖、炭質頁巖，局部夾灰巖及泥盆系上統榴江組（D3l）灰巖、泥質灰巖。

2?崩解機理研究

炭質頁巖在降雨環境中受到干濕循環作用，可迅速崩解成土，強度降低，工程性質變差［6-7］。為探究炭質頁巖崩解破壞機理，找到影響其遇水崩解的主要因素，本實驗從環江縣高鐵站至金禾南路一級公路邊坡工點K1+650處取微風化炭質頁巖巖樣進行室內遇水崩解試驗。試驗方法分為室內恒溫干濕循環法與模擬日照干濕循環法，試驗后將記錄炭質頁巖在崩解破碎過程中的顆粒級配變化情況。兩種試驗方法的試件經過6 d的干濕循環后，其顆粒級配基本不再變化，即崩解已經完成。室內恒溫干濕循環崩解試件和模擬日照干濕循環崩解試件顆粒級配變化情況如表1～2和圖1～2所示。

由表1、圖1可知，恒溫烘干崩解試驗在前兩次干濕循環過程中，粒徑在10～40 mm的顆粒顯著增加，并在之后的干濕循環中逐漸減少，與此同時，＜10 mm的顆粒呈逐漸增加的趨勢。由此分析，炭質頁巖前期以大顆粒崩解為主，后期以小顆粒破碎為主。由表2、圖2可知，模擬日照崩解試驗的顆粒崩解特征趨勢大致同恒溫烘干崩解實驗，但其粒徑＜2 mm顆粒組成大于恒溫烘干崩解試驗，說明日照溫度變化會使炭質頁巖崩解更徹底。

[=XDL（]炭質頁巖工程特性及其邊坡防護技術應用研究/杜日俊，梁日裕，趙世景，李?博

以上試驗現象可以說明炭質頁巖的崩解過程為：存在原生缺陷→水分滲入缺陷中→收縮與膨脹不一產生的應力作用于缺陷上→產生裂紋→水巖相互作用隨接觸面積增大而增強→裂紋持續擴張至貫通，巖體崩解成塊狀→裂縫向各處擴展→炭質頁巖不斷崩解成更小顆?！澜馔瓿桑?］。

3?浸水抗剪強度研究

巖石在一定水動力條件下產生的物理、化學及力學作用過程是導致工程巖體發生變形破壞的根本原因［9］，炭質頁巖在天然狀態下較為完整、堅硬，但遇水后易崩解、軟化，從而導致力學性質大幅度降低。本研究從環江縣高鐵站至金禾南路一級公路邊坡工點K6+800處取弱風化炭質頁巖巖樣，開展攜帶式直剪試驗。分別在天然狀態、飽水1 h、飽水1 d和5 d條件下進行剪切實驗，結果如表3和圖3～4所示。

由表3和圖3～4可知，含水狀態是影響炭質頁巖抗剪斷強度的重要因素，炭質頁巖的抗剪強度隨飽水時間的延長而迅速降低。飽水1 h內，c、φ值的變化速率最快；飽水1 d時，c、φ值發生了較大幅度的下降，c值下降了27.8%，φ值下降了40.1%；飽水5 d時，抗剪強度發生了大幅下降，c值下降了68.8%，φ值下降了80.9%。因此，炭質頁巖在遇水后短時間內將發生力學性質軟化，強度大幅度降低，對公路邊坡的穩定性產生極大影響。根據以上實驗結果，遇到類似巖性的邊坡時，可以通過測定巖體的含水率來粗略預測該巖體的抗剪強度，為路塹邊坡的穩定性評價提供依據和參考。

4?植被混凝土綠化護坡技術

炭質頁巖邊坡防護首先要分析影響邊坡穩定性的因素，根據邊坡巖性特點及其破壞模式采取合理的支護方案。

4.1?炭質頁巖邊坡的破壞模式

根據邊坡變形滑塌的機理和特征，炭質頁巖邊坡的破壞模式主要分為沿巖土界面順層滑動和淺層巖體崩解剝落兩種［10］。

（1）順層滑動是由于巖土交界面透水性差和炭質頁巖遇水軟化、崩解的特點，在巖土交界面處形成軟弱夾層，在巖土體自重荷載和附加荷載作用下沿巖土交界面向下滑動［11］。此類破壞往往形成較大范圍的滑坡，甚至可達數百米。

（2）淺層巖體崩解滑塌是由于邊坡開挖后，坡面表層巖體遇水崩解、軟化而產生的剝落和塌方［12］。

4.2?炭質頁巖邊坡防護

炭質頁巖礦物組成中，含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等大量的親水性黏土礦物，結合本文崩解機理及浸水抗剪強度研究結果，若路塹邊坡開挖后坡面未及時封閉防水，在降水及干濕循環的作用下，將迅速造成炭質巖體開裂崩解，力學性質軟化，抗剪強度大幅降低，最終引發邊坡失穩垮塌。由此可見，影響炭質頁巖物理性質的最主要因素是水，而且不管是沿巖土界面順向滑動還是巖體表層崩解引起的塌方，降水都是邊坡破壞的主要控制因素。因此，對開挖的炭質頁巖邊坡及時進行封水、阻水、排水是邊坡防護的關鍵。

環江縣高鐵站至金禾南路一級公路對路塹邊坡的防護方式采用素混凝土臨時封面+植被混凝土護坡綠化，并根據地形地勢情況對邊坡高度＞10 m的挖方邊坡設置截水溝。在炭質頁巖邊坡開挖后，及時噴射5 cm C20混凝土進行臨時封面，第一時間保護開挖坡面，并盡快噴射植被混凝土進行綠化防護，最大限度地保護原始坡面不受降水影響。

植被混凝土綠化護坡技術是采用特定混凝土配方和混合植物種子配方對巖石邊坡進行綠化和防護的新技術，其具有一定的結構強度和整體性，又是植物生長的基材，起到坡面防護、營造植被生長環境、促進植被快速生長的作用［13］。特定的混凝土是由幾種功能性材料組成的植物生長基質，能夠為植物生長發育提供肥料和水分。將植生基材、膠結材料、添加劑和植物種子均勻混合后噴射到邊坡坡面，形成植物生長的基層，該基層具有一定強度、抗沖刷、不龜裂、能穩定附著在坡面上，為植物生長提供附著點，且不阻礙植被生長，同時對邊坡起到一定的支護作用［14］。

4.3?工程應用效果

環江縣高鐵站至金禾南路一級公路經過一年半的施工，全線路基已經貫通，邊坡防護已經基本完成，早期噴射植被混凝土的邊坡已經長出了綠植。由此可見，炭質頁巖邊坡采用植被混凝土綠化護坡技術取得了很好的效果，有效保護了開挖坡面，同時也達到了良好的景觀效果。但是施工過程中也出現了如下問題：

（1）部分炭質頁巖路段邊坡開挖后防護不及時，暴露時間過長，導致邊坡產生滑塌。

（2）由于受到用地紅線范圍限制，部分炭質頁巖路段邊坡坡率較陡，達到1∶1～1∶0.75，導致植被混凝土附著性較差及局部炭質頁巖邊坡滑塌等問題。

經過工程實踐，總結出炭質頁巖邊坡設計、施工中需要注意的事項如下：

（1）遇到類似炭質頁巖的特殊性巖土邊坡，從路線選線方面優化，避免出現深路塹，才是減少炭質頁巖邊坡塌方最根本的方法。

（2）炭質頁巖挖方邊坡坡率在條件允許的情況下，盡量放緩。放緩坡率是目前最有效、最安全、造價較低的邊坡處理方式。

（3）影響炭質頁巖挖方邊坡穩定性的最主要因素是水，及時有效的封水、阻水、排水措施是確保邊坡穩定的前提。施工單位進行邊坡施工組織時，在保證施工效率和施工成本的同時，要兼顧邊坡防護的時效性。

5?結語

本文通過野外地質調查、取樣測試等研究手段，對環江地區炭質頁巖的崩解機理、浸水抗剪強度開展研究，得出以下結論與建議：

（1）炭質頁巖經歷干濕循環后，水分滲入原生缺陷中，巖體膨脹與收縮產生裂紋，裂紋在水巖相互作用下不斷擴張、貫通，巖體由塊狀最終崩解成小顆粒狀。

（2）炭質頁巖的抗剪強度隨著飽水時間、含水率的增加而降低，可以通過測定巖體的含水率來粗略預測該巖體的抗剪強度，為路塹邊坡的穩定性評價提供依據和參考。

（3）根據本文崩解機理及浸水抗剪強度研究結果，炭質頁巖巖土性質主要受水的影響，對炭質頁巖邊坡及時封水、阻水、排水是邊坡防護的關鍵。因此，提出了素混凝土臨時封面+植被混凝土綠化護坡方案對環江縣高鐵站至金禾南路一級公路的炭質頁巖路塹邊坡進行防護，并取得了良好的防護效果。

（4）結合本項目的設計、施工經驗，優化選線，放緩坡率，及時封水防護是處理炭質頁巖邊坡最簡單有效的方式。

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