膨胀岩路堑边坡病害机理与防护技术探讨

王建军+何小林+王涛

摘 要：膨胀岩因其胀缩机理、力学性状以及空间分布上的复杂性，使其成为工程地质学和岩土工程领域中最复杂的研究课题之一。该文针对工程中常遇的膨胀岩路堑边坡工程，从其病害特征出发，探讨了膨胀岩路堑边坡的破坏机理，并分析了影响因素；给出膨胀岩路堑边坡设计的基本原则，并总结了工程实践中的膨胀岩边坡防治技术措施。强调“以膨胀岩基本工程性状认识为基础，采取综合防治方法，灵活运用各类防治措施”的思想，为膨胀岩边坡工程建设提供有益的参考。

关键词：膨胀岩 路堑 边坡防护 破坏机理

中图分类号：U213.15 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0105-04

膨胀岩土属于特殊岩土，在我国分布较广[1]。因膨胀岩具有显著的胀缩特性，工程中往往不宜做出正确的评价，且施工方法缺乏应变能力，给实际工程带来许多预料不到的危害[2]。近年来，随着高速公路、铁路等工程的建设的快速发展，许多工程涉及到了膨胀岩路堑边坡问题。

工程人员借助工程地质学、岩体力学和土力学等学科的知识和成果，对膨胀岩边坡进行了研究与探讨，在理论和实践两方面均取得了一些进展[3]。蒋忠信等[4]从膨胀岩的胀缩性、碎裂性、低强度性及膨胀岩路堑边坡支护工程的适应性分析入手，提出了以膨胀岩工程地质分类为基础的膨胀岩地区铁路选线和路堑边坡设计原则；答治华等[5]在对膨胀岩边坡进行病害特征地质调查和分析的基础上，提出了膨胀岩边坡的防护加固原则；杨庆等[6]总结近几年的研究成果，认为在处理膨胀岩边坡工程时，应尽量避免原岩扰动，减小活化程度，有效的隔离膨胀岩与水分的接触，做好防排水工作，利用锚杆、锚索、支护或挡板等加固岩体，采取控制与适度膨胀相结合的防治方法；李青云等[7]对南水北调中线工程中的典型膨胀岩进行深入的试验研究，提出了膨胀岩渠坡治理的主要措施和设计施工导则，并对比了不同措施的处治效果。

尽管在工程实践中，对膨胀岩边坡已积累了一定的工程经验，但其边坡病害问题仍不断出现，这与膨胀岩边坡的工程特性与病害机理认识不足不无关系。因此，该文从膨胀岩路堑边坡的病害特征出发，阐述膨胀岩边坡的破坏机理及影响因素，总结了膨胀岩路堑边坡的设计基本原则，并针对其病害提出可采取的防治技术措施，以期为加深对膨胀岩边坡的认识提供一定参考。

1 膨胀岩路堑边坡病害特点

膨胀岩路堑边坡病害多是在工程开挖暴露条件下，因水的作用而发生，暴露失水、风化和降雨是膨胀岩产生强烈干缩膨胀的先决条件。因此，膨胀岩的病害分析必须考虑工程开挖和运营过程中可能引起的工程环境变化。

膨胀岩边坡失稳的特点是在无支护条件下，浅层逐次发生开裂、剥落和滑塌，如图1所示；在有支护条件下，常见表面开裂，严重时支护整体性丧失稳定性。在反复浸水和失水作用下，浅层膨胀岩边坡体反复胀缩，使岩体结构遭破坏，原有力学强度衰减，直至无法自稳而滑塌，巨大的膨胀压力是引起支护结构开裂的根本原因。膨胀岩滑坡往往具有：①季节性；②区域气候性；③逐级牵引性；④渐进性；⑤结构与构造性；⑥浅层性；⑦在相当平缓的边坡上也会发生滑坡。膨胀岩滑坡的这些特征，除了当地的气候和地形等因素外，还与膨胀岩本身所具有的多裂隙结构和构造性有关，其边坡破坏受到软弱结构面的控制，如图2所示。

膨胀岩边坡的破坏形态既不同于岩石的破坏形态，也不同于土体的破坏形态，其破坏形态可分为：①单平面滑动；②平面张裂滑动；③追踪式阶梯形滑动；④屈服拉裂剪切滑动；⑤弧形滑动；⑥胀裂破坏。工程中最为常见的破坏形态为胀裂破坏。就膨胀岩边坡的变形破坏类型而言，可分为三种破坏类型。①坡体失稳；②坡面失稳；③边坡失稳[8]。其中又以坡面失稳和边坡失稳两种类型为主。坡面失稳的破坏形式有剥落、溜塌、局部崩塌；边坡失稳的破坏形式有坍塌和滑坡。膨胀岩的坡面病害一般发生在边坡表层受气候影响较大的区带内，其深度与大气营力的作用直接相关，但一般不超过lm。湿胀干缩是膨胀岩产生这类病害的原因。坍塌是膨胀岩边坡中最常见的病害形式之一。边坡开挖引起坡脚应力集中，同时膨胀岩岩体结构破碎，吸水膨胀导致岩体强度衰减是产生这类病害的根本原因。坍塌体的边界受到岩体结构面控制，规模不一，大的可波及到整个坡体。

2 膨胀岩路堑边坡破坏机理

膨胀岩边坡在开挖后将经历不同阶段的动态变形。开挖后边坡表现出前缘水平滑动为主，后缘垂直下坐的运动趋势，但裂缝充水，受到持续孔隙水压力作用时，边坡表现出整体滑动趋势。在强膨胀岩中，常沿强度较低的面形成中型滑坡。但下伏砂岩、泥质砂岩中有地下水补给时，滑带可向下发展至膨胀岩内，出现顺层滑动，也可以产生切层滑动。

3 膨胀岩边坡失稳的影响因素

影响膨胀岩边坡失稳的主要影响因素有工程特性、边坡形状和工作条件、干湿效应、开挖及加固措施等[9]。归纳起来，分为三个方面：岩体内在原因、外在环境影响和人类工程活动[10]。①岩体内在原因主要表现在物质组成、裂隙作用和湿化性影响。膨胀岩含有大量亲水粘土矿物，如蒙脱石、伊利石等，具有吸水膨胀和失水干缩特性，这是影响其宏观工程性质的最关键因素。裂隙的存在破坏了岩体的连续性，同时也为风化营力进入岩体提供了通道，使得风化作用随着结构构造面延伸至地表以下较深的部位，也为工程性质更差的裂隙面填充物质提供了场所；此外，裂隙造成了岩体应力集中，为边坡的连续破坏创造条件。湿化性决定着膨胀岩边坡的坡面风化病害特征，同时也影响着边坡的坡体病害。②外在环境因素主要有：气候、地形地貌、地表水与地下水条件等。对于膨胀岩边坡，水的软化作用不容忽视，水能加剧膨胀岩的干湿循环作用，降低滑面（带）岩土强度，促使和加剧滑坡的形成和滑动。气候变迁与气象变化，也常导致膨胀岩边坡失稳，归根结底也是因为水的影响。③人类工程活动的影响。人们在膨胀岩地区所采取的不当工程活动（如勘察不准确、设计方案不合理或施工方法欠妥等）间对边坡稳定性产生不利影响，也是触发滑坡发生和发展的重要因素。endprint

4 膨胀岩路堑边坡的设计原则

膨胀岩边坡的防护设计应基于其变形机制和破坏模式，根据不同的变形机制和潜在破坏模式设计相应的防护加固对策，以“放缓边坡、坡脚支挡、非全封闭防护”为宜[11]。用桩、墙固脚可解决坡脚岩体强度不足的问题并抵御滑动，以采用抗滑桩、重力式抗滑挡土墙或重力式锚杆挡土墙较有效。抗滑桩需要考虑侧壁应力的控制，加大埋深。挡土墙埋深需要超过气候剧烈影响层，考虑附加膨胀力加大截面以抗倾覆[12]。另外，边坡设计时，还必须综合考虑膨胀岩土的类型、性质、填筑条件，工程措施以及地区气候特点等因素。上部边坡放缓至稳定坡率，与岩体低剪切强度相适应。分级留平台以减小趾部压力。坡面防护措施贯彻“允许膨胀力释放和裂隙水排泄”的宜疏勿堵的原则，以采用锚杆框架加草皮护坡和干砌片石护坡等非全封闭防护为宜。若采用全封闭的浆砌片石护坡，则应注意泄水，加大厚度；若采用浆砌片石骨架加草皮护坡，则应加大骨架的埋深和截面，避免浅层溜坍和坡面鼓胀。

现行《铁路特殊路基设计规范》（TB10035-2006）[13]提出膨胀岩路堑边坡设计应遵循：“缓坡率、宽平台、加固坡脚和适宜的坡面防护相结合的原则”；边坡坡率及平台宽度视边坡的高度及岩土质条件按表1设计，边坡高度大于10 m时应结合稳定性分析计算进行设计。同时规范对边坡防护加固给出了应遵循的规定：

a）可能发生浅层破坏时，宜采取半封闭的相对保湿防渗措施；

b）可能发生深层破坏时，应结合浅层破坏，通过边坡稳定性分析确定加固处理措施；

c）膨胀岩强度指标应采用低于峰值强度值，可采用反算和经验指标；

d）支挡结构基础埋深应大于气候影响层深度，反滤层厚度应适当加厚；

e）路堑边坡防护加固类型依据工程地质条件、环境因素和边坡高度按表2～表3设计。

由于膨胀岩的复杂性、可变性和不确定性，地质勘察参数往往难以准确确定，而设计理论尚不完善，且设计方法带有经验性和类比性。因此，膨胀岩地区的路堑边坡工程设计，不应忽视的重要内容是根据施工中的信息反馈和现场监控资料进行不断校核、补充和完善原始设计，即采取信息化设计的原则。

5 膨胀岩边坡防治技术措施

膨胀岩边坡治理的工程实践表明，膨胀岩边坡防治应从边坡控制和边坡治理两个方面着手，综合运用边坡控制和边坡治理技术措施，保证边坡的长期稳定性。边坡控制技术措施主要有：排水工程、削方减载、浆砌片石、格构护坡、植物防护等；边坡治理的措施主要有：抗滑桩支挡、挡土墙支挡及格构锚固等。

5.1 排水工程措施

水分迁移变化是导致膨胀岩工程性状恶化，诱发边坡失稳的重要原因之一。因此，在膨胀岩路堑边坡治理中，要始至终保证边坡不受或降低遭受外界地表水及地下水的侵蚀。在易发生滑坡或已经产生滑坡的边缘上方修筑截水沟，隔离滑坡体以外的地面水，由截水沟引向桥涵或排水沟排出；在坡面上设置树枝状排水沟来排除坡体范围内的地表水；对于坡面裂缝，或截水沟渗水形成的大裂缝，应及时予以充填夯实，防止地表水向下入渗。对于地下水一般以疏导为主，通常设置盲沟排水。

5.2 坡面防护措施

（1）物理防护。

随着大气营力的作用，边坡表层暴露的膨胀岩岩体强度逐渐降低，使得坡面难于维持原有坡率，进而导致坡面病害的产生。因此，膨胀岩边坡坡面防风化是坡面防护的重要内容。目前，常用的物理性坡面防护技术措施主要有：水泥砂浆抹面、喷浆、喷混凝土、灰土捶面、浆砌片石骨架护坡、浆砌片（条、卵）石护坡、锚杆挂网喷混凝土、钢纤维混凝土喷锚、土工织物、植被防护等。这些坡面物理防护技术措施在许多大型工程中已得到广泛应用，但不同的技术措施在使用中各有利弊[14]。

（2）化学防护。

化学防护主要是使用化学改性方法改良膨胀岩土自身的膨胀性。常用的化学改性剂有：DAH（十二胺氯化物）混合溶液、树根桩+CMA混合溶液、土壤生态改性剂、NT无机防水材料等。该类方法主要用于膨胀土边坡的坡面防护[15]。对于膨胀岩坡面防护，不宜采用全封闭措施，护坡过程应以非全封闭或柔性封闭类型为宜。

5.3 坡体支护措施

膨胀岩坡体支护措施有传统的坡脚重力式挡土墙及新型的锚杆框架护坡、板桩墙、锚杆挡土墙等。其中，以浆砌片石坡脚挡墙应用的最多，对弱～中等的膨胀岩边坡支护效果较好。但对于强膨胀岩边坡，因坡脚挡墙设计尺寸不足而出现破坏的实例较多；锚杆框架护坡和锚杆挡土墙在膨胀岩堑坡的应用效果良好，但锚杆框架护坡的框架间坡面岩体的防风化措施必不可少，否则，坡面剥落、碎落、溜塌病害不断发展，会使框架梁支护作用失去效果；边坡较低时可采用干砌片石护坡、浆砌片石骨架护坡，地面反坡时方可采用浆砌片石护坡，草皮作为框架、骨架护坡补充，支撑渗沟、石灰土桩可作固坡之用。土钉墙在膨胀岩边坡工程中应慎用。另外，在弱成岩或强或全风化的膨胀岩堑坡中，支撑渗沟的作用是明显的。

6 结语

膨胀岩是一类受气候和环境影响较敏感的岩土体，因其易扰动，且具有胀缩性、裂隙性、崩解性和流变性等复杂工程性状，使膨胀岩边坡病害及其防治成为工程中的突出难题之一。对于工程中常遇的膨胀岩路堑边坡，应充分认识膨胀岩工程力学特性和病害产生机理，采用综合防治方法，以“稳固坡脚，保湿防渗、刚柔结合、以柔治胀”为主要思路，同时应针对主要病因和膨胀岩性质不同而有所侧重。总之，膨胀岩路堑边坡工程有章可循，但决不可生搬硬套，无论采取何种技术措施，把握膨胀岩的工程力学属性才是根本。

参考文献

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