膨胀岩地区公路工程边坡人工坡率及变形破坏分析

段全江 王 东 张 宏

(中交远洲交通科技集团有限公司,河北 石家庄 050051)

膨胀岩地区公路工程边坡人工坡率及变形破坏分析

段全江 王 东 张 宏

(中交远洲交通科技集团有限公司,河北 石家庄 050051)

结合张石高速实际情况，根据现场调查和有关图件，统计了不同坡高情况下的自然坡率，结合规范推荐路堑坡率值，提出了膨胀岩地区人工边坡坡率的确定方法，同时分析了裂隙对边坡稳定性的影响，指出裂隙位于边坡后部时对稳定性的影响最大。

膨胀岩边坡，坡率，变形，破坏

0 引言

膨胀(岩)土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊性粘土，其矿物成分以亲水性较强的蒙脱石和伊利石为主，遇水后强度大幅度下降[1，2]。膨胀土常呈大面积分布，公路布线难以避让。对公路的破坏作用主要表现为路基的湿胀和干缩变形导致路面开裂以及柔性路面平整度降低和翻浆冒泥，因裂缝渗水导致路基强度下降而引起路堤坍塌、滑坡、纵裂缝和沉陷、边坡坍塌及众多的浅层滑动等，这些破坏形式具有多次反复性特征，如不加以改造将会造成公路工程的永久性病害[3，4]。

由于膨胀岩的特殊性，膨胀岩人工边坡的破坏模式往往有着独特的工程特征，比如：只有6 m高的路堑产生坍塌，在很缓的坡度下也会产生滑动等，变形破坏模式随着工程地质特征不同而各有差异。与此相对应，不同的破坏模式下，对边坡稳定性分析采用的方法和力学模型也各不相同。

1 自然边坡的调查统计

在现场调查的基础上，选用与张(家口)石(家庄)高速公路通过区域岩性、构造以及地下水赋存状况等条件相同或相近的天然斜坡进行量测。对不同高度的边坡进行大量的调查，测量坡顶、坡底的相对坐标，从而可以换算成坡长(L)与坡高(H)，此坡高与其相应的最小坡面水平投影长度即为所获得的一组数据。将这些数据对标在双对数坐标系下，并把经验汇聚点P的坐标求对数后也投在同一坐标系下，采用最小二乘法进行估计，从而得到完整的坡高、坡长的投影规律，计算任意坡高下稳定自然边坡坡率推算值，为人工边坡坡率设计提供参考。

2 推荐坡率确定方法

膨胀岩出露地表区域，风化作用强烈，表层多已经风化呈土状，仅保留原岩结构，自然边坡较缓，在地貌上多形成浑圆状山丘。挖方边坡在开挖后，表面膨胀岩很快会产生干缩裂隙，并致使原岩结构不断破坏，岩体弱化。但总体而言，自然形成的边坡经过长时间风化，已经达到平衡状态，风化深度、程度较高，因而形成的自然边坡的坡率一般会比开挖边坡稳定坡率要低。根据所得到的回归方程，经过计算列出了不同坡高(4 m～30 m)所对应的推测坡长值(见表1)。

表1 坡高坡长的推算表

根据试验及相关工程经验，张家口地区膨胀岩为中～强膨胀性，对比表1与根据JTG D30—2004公路路基设计规范中相关规定发现，规范推荐坡率相对自然边坡坡率高1.2倍～1.5倍。

由于规范规定的取值范围跨度很大，针对具体边坡高度下的坡率并无推荐值，对于强膨胀性的膨胀岩边坡防护并无特殊坡率规定。根据自然边坡坡率值进行统计，确定稳定自然边坡坡率值后进行折减，折减方法如下式：

tgφ=tgφ′/S

(1)

其中，φ′为自然边坡稳定坡率，由调查确定；φ为拟推荐人工边坡坡率；S为折减系数，S=1.2～1.5。

根据膨胀性进行S取值，当膨胀性强时取高值，膨胀性弱时取低值。

3 裂隙的影响分析

裂隙的分布、倾斜度、形状和粗糙度对岩土体的强度具有明显影响[5]，而膨胀岩边坡与其他类型边坡不同的特征之一就是：在干湿循环作用下能够产生大量裂隙。地表水向下渗透，主要借助于收缩产生的裂隙进行。干湿循环不但对岩体结构进行破坏，还能够使裂隙进一步向下发展。

由于裂隙展布深度不同，单个岩土柱体的破坏也不相同，形成浅层破坏与深层破坏相结合的破坏模式，在浅层由于裂隙间距密集，容易产生倾倒破坏，从而形成表层的溜坍。在深层，受到深大裂隙影响，容易产生滑动，而整体形态上处于近似圆弧状滑动。

不同位置的裂隙对边坡稳定性影响也不相同，采用极限平衡法对裂隙位置的影响进行了敏感性分析，模型采用45°斜坡(坡比为1∶1)，坡高为8.0 m，由膨胀岩组成，岩体力学参数为：岩体重度20 kN/m，饱和c值为10 kPa，Φ=15°。边坡稳定性计算分析见图1。

根据计算结果，可见边坡上的裂隙位置对整体滑动稳定性影响非常大，发育于后部的裂隙影响最大。

在边坡防护时，特别要注意对坡角的保护和对坡顶的保护，及时封闭，防止收缩产生，坡顶产生裂隙，造成路堑整体失稳。

但在膨胀岩地区，防止边坡破坏的主要方法仍然为放缓边坡坡率。

4 结语

1)在膨胀岩地区进行自然坡率调查基础上，研究膨胀岩不同坡高情况下的自然边坡坡率规律，并在自然坡率基础上，对照规范规定坡率，提出了折减方法，符合膨胀岩地区实际情况，能够为工程所应用。

2)膨胀岩边坡稳定性较差，除了与干湿循环后强度大为降低有关，还和收缩造成边坡岩体整体性破坏有关。裂隙是造成边坡渐进破坏和浅层溜坍、滑动破坏的基础，整体稳定分析表明裂隙位于边坡后部时对稳定性的影响最大。

[1] 唐大雄,孙愫文.工程岩土学[M].北京:地质出版社,1985.

[2] 刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建筑出版社,1997.

[3] 汤国璋.膨胀岩的工程特性与路基工程防治途径[J].兰州铁道学院学报,2002,21(1):111-115.

[4] 答治华,王小军.堑坡岩石膨胀性评价及设计原则[J].铁道工程学报,2001(2):70-72.

[5] 黄文熙.土的工程性质[M].北京：水利电力出版社,1983.

Analysis on artificial slope ratio and deformation failure of highway slope in swelling rock area

Duan Quanjiang Wang Dong Zhang Hong

(CCCCYuanzhouTrafficScienceandTechnologyGroupLimitedCompany,Shijiazhuang050051,China)

Combining with the actual situation of Zhang-Shi highway, based on field investigation and related statistical maps, this paper counted the natural slope ratio under different slope height condition, combining with the recommended cutting slope ratio, proposed the determining method of artificial slope ratio in expansion rock area, also analyzed the influence of cracks to slope stability, pointed out that the crack located in slope rear had maximum influence to stability.

swelling rock slope, slope rate, deformation, failure

2015-02-11

段全江(1980- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)12-0058-02

TU443

A