膨胀岩土路堑边坡失稳防护★

2019-02-15余昌运钱春杰石名磊

山西建筑 2019年4期

林梅余昌运钱春杰石名磊

(1.南京市公路管理处公路科学研究所，江苏南京 210000; 2.东南大学岩土工程研究所，江苏南京 211189)

0 引言

膨胀岩土工程危害具多发性和成群性特征，其渐进性、潜在性，有时甚至难以处置的工程特征，早期即被称为“灾害性岩土”［1］，且在边坡工程中尤其显著。依托项目340省道南京段改扩建工程，存在部分弱膨胀土路堑边坡问题，本文围绕膨胀岩土路堑边坡内外因失稳机制、破坏特征规律以及膨胀土边坡的稳定加固，对膨胀土边坡进行了总结和分析。

1 膨胀岩土边坡失稳机制

1.1 内在因素破坏机制

南方地区的自然降雨非常充沛而且降雨入渗与蒸发循环频率高且周期短，膨胀岩土地区路堑边坡失稳现象十分普遍，裂隙扩展发育决定了边坡湿度温度场变化程度与耦合作用破坏效应，成为“逢堑必崩，无堤不塌”膨胀岩土边坡病害关键内在因素。路堑边坡膨胀岩土开挖卸载后变形发展弹性滞后裂缝扩展，进一步坡体渗透性能，降雨入渗与干燥蒸发循环应力作用响应的裂隙风化发育及其切割效应，导致变形破坏效应更加严峻［2］。

膨胀岩土路堑边坡暴露大气中，雨水入渗与干燥蒸发循环作用下，黏土矿物等亲水矿物组分与裂隙结构体组织的耦合，形成了边坡表层湿度温度场循环变化，引起胀缩变形及其软化与开裂敏感响应，呈循环渐进发展演化趋势。因此，膨胀土边坡的变形演化过程，实质上是土体内应力作用变化的宏观效应，经过干湿循环强度逐渐软化与湿化性加剧的演化过程［1］。无荷干湿循环

次数越多，强度衰减速度越快［3］，或最后会趋于稳定［4］。其中，膨胀土粘聚力与含水率呈指数负相关，内摩擦角与含水率之间呈线性负相关［5］，粘聚力强度分量丧失更加严峻。蒙脱石等亲水矿物颗粒特殊水理性质，不仅在于表面结合水层偏厚，且水分或水化离子可浸入粘土矿物晶胞之间，导致膨胀土吸水后显著体积膨胀与强度急剧降低。

膨胀土裂隙性结构及其发育程度，是加剧其强度衰减主要因素［6，7］，不仅取决于物质组成、结构特征及其成土边界条件，且与土体开挖时间长短、外界气候条件变化等关联性密切。膨胀土普遍发育裂隙形态多样的原生裂隙和次生裂隙。无论何种成因类型的膨胀岩土，均为多组裂隙发育所构成的多裂隙结构体，不仅形成了水分渗入与蒸发的良好通道，且裂隙结构面有限淋溶化学风化，促进了次生伊利石和蒙脱石亲水物质在缝隙面上的发育和集聚(灰白色次生蒙脱石粘土条带、薄膜或富集块体)，大幅提高了膨胀岩土亲水性、膨胀性与崩解性。膨胀岩土湿胀干缩循环作用的原生裂隙再发育、多裂隙结构切割土体机械破碎等风化效应，促进了坡面原生裂隙扩展、垂直坡面风化裂隙发育及其坡面风化带形成，可形成风化带下伏软弱结构面和不同程度风化层间软弱结构面。

综上所述，膨胀土边坡裂缝张开闭合及其变形演变过程，揭示了干湿循环下膨胀土边坡浅层性和渐进性破坏特征的内在机制［8］。膨胀土地区滑坡病害，几乎都是在原有各种倾向坡脚的软弱结构面的基础上再发育而形成的，软弱结构面滑坡发育过程中产生渐进性破坏，最后相互连接贯通形成完整的滑动面。因此，膨胀岩土边坡浅层时间关联性的营力作用风化演化进程，主要受控于裂隙发育程度。

1.2 外在诱因作用效应

膨胀岩土边坡失稳破坏演化过程，一般来说主要是内在的因素在某些外部条件的诱发下而发生作用的。针对膨胀岩土路堑边坡失稳的外在诱因的诱发破坏机制在于:湿化性、风化性与卸载激发。

路堑边坡开挖暴露破坏固有平衡状态，坡面环境湿度、地下水位变化等可引起膨胀岩土湿化崩解——湿化性。膨胀岩吸水崩解湿化特征，可定义为无约束条件下块体湿化成碎粒状散体的不可逆过程，不同于膨胀土胀缩可逆变形演化特征，且营力循环作用的崩解叠加效应显著。膨胀岩湿化性地质概念模型，可以用气致崩溃力学来解释［9］，即裂隙结构膨胀岩土不均匀收缩(微)裂隙扩展发育，裂隙结构面上淋溶化学风化等形成具有强吸湿压力粘土矿物富集，外界水分沿(微)裂隙通道迅速迁移渗入并强烈吸附在裂隙结构面上，累积挤压裂隙内空气压力上升形成楔裂压力，破坏最薄弱结构面联结导致系统崩解。显然，亲水性矿物和微裂隙结构是膨胀岩湿化基础，吸湿压力是湿化动力，两者耦合克服结构面联结强度的时间，反映了膨胀岩湿化崩解难易性。膨胀岩土裂隙及其裂隙面构成，成为影响膨胀岩土工程性状最直接原因［10］。

开挖暴露坡面温度湿度场环境营力响应区，膨胀岩土干缩湿胀循环，促进了裂隙体结构裂隙发育;裂隙局部应力集中、边缘剪损与浸水软化等风化作用，随着坡面暴露时间增加，渐进式破坏岩土体原始结构，逐渐形成坡面表层风化带。雨水入渗与干燥蒸发循环作用时，导致膨胀土体湿胀软化与干缩开裂循环响应，并引起膨胀岩土体各项性能指标发生较强烈的波动。旱季干燥蒸发失水时的坡面收缩开裂，表层剥落、侵蚀与形态改变;雨季降雨入渗吸水时，坡面局部膨胀软化或湿化性、结构面裂隙剪损与填充物泥化，可诱发各类失稳病害。

天然膨胀岩土体在历史上往往经受过上部土层被侵蚀的作用，且沉积生成过程中的蒸发收缩孔隙减小，形成显著地应力状态的超固结性。路堑边坡开挖卸载应力释放与超固结性耦合变形响应加剧，应力状态变化关联裂隙扩展进一步促进裂隙再发育［11］，尤其是边坡坡趾高应力区卸载，可引起剪切塑性区大变形，导致膨胀土路堑边坡坡趾牵引坡面叠瓦状浅层滑动失稳。

1.3 坡面风化带特征

上述膨胀岩土路堑边坡环境营力作用时的湿化性、风化性与卸载激发，可形成坡面表层风化带中，由地表向下逐渐减弱，一般可分为强风化带、弱风化带和微风化带，参见表1。路堑边坡表层风化带中，不同程度风化层分界面均为坡体的软弱结构面，成为各类浅层滑动机构形成基础。相对而言，膨胀岩边坡风化带影响深度相对较浅，但可引发不同性质边坡失稳病害。

表1 膨胀土风化特征

2 膨胀岩土边坡破坏特征

膨胀岩土边坡一般存在两大破坏形式:其一是强度衰减关联性边坡滑动，即边坡稳定性问题;其二是膨胀变形受限时的膨胀力的问题，导致边坡衬砌顶破与支挡位移等病害。膨胀岩土边坡失稳机理主要为上述湿化性与风化性及其卸荷激发，同时还存在地表水径流与侵蚀破坏机理。膨胀岩土路堑边坡失稳阶段性演化特征:暴露表面裂隙风化发育及风化带生成，裂隙软化剪损应力集中剪切变形及局部软弱结构面剪切滑动机构生成，坡趾剪切塑性区大变形及牵引式叠瓦状浅层滑动机构。膨胀土边坡渐进性破坏理论指出，膨胀岩土裂隙体大量裂隙存在及其风化开合效应，形成坡体干燥开裂应力集中、吸水软化或湿化崩解，导致局部软弱结构面剪切破坏，并逐渐发展的膨胀土循环渐进性破坏、降雨滞后性破坏的基本特征［12］。

膨胀岩土路堑边坡表层湿化性失稳，大气降雨蒸腾循环营力作用下，暴露坡面膨胀岩土裂隙结构裂隙扩展发育一定程度，强降雨时表层膨胀岩土雨水入渗软化后局部湿化性崩解，在重力与渗透压力联合作用下，形成薄层塑流状局部流滑体，沿坡面向下产生溜塌病害。溜塌病害是膨胀岩土边坡表层常见小型病害形式之一，多发生在雨季某次强降雨之后，呈降雨节点短暂滞后的时间关联特征。膨胀岩土路堑边坡溜塌病害，可发生在边坡的任何部位，几乎与坡度无关。局部溜塌处上方虽有弧形水坎，但一般无明显规则滑面或明显裂缝，流滑体移动距离较短，且很快自行稳定于边坡风带表层内。溜塌体厚度受边坡表面强风化带控制，且塑流状含水量偏高，大多在1.0 m以内，一般不超过1.5 m。

膨胀岩土路堑边坡风化带浅层风化性失稳，暴露边坡表层风化带入渗蒸发的湿胀干缩效应，裂隙边缘剪损与浸水软化(湿化)耦合切割效应、结构面应力集中与重新分布等，促进了边坡风化影响带中裂隙结构面发育，局部联通成软弱结构面引起剪切大变形，逐渐形成伴有坍落为特征的局部坍塌滑动机构与坍滑病害。坍滑现象常发生在雨季，同样具有降雨稍滞后的时间关联特征。坍滑滑动机构的软弱结构面清晰且有擦痕，滑体裂隙密布。坍塌多在坡脚或软弱夹层(滑带)处滑出，软弱破裂面上陡下缓，且滑动带含水量明显高于坍塌滑体。坍滑继续变形发展，可分级牵引形成膨胀岩土边坡叠瓦式浅层滑坡。坍滑一般发生在营力风化作用影响层内，具有软弱滑动结构面滑动特征，滑体厚度为1.0 m～3.0 m。

膨胀岩土边坡滑坡常具有弧形外貌和明显的滑床，类似于一般粘性土滑坡几何特征，失稳切割出滑床后壁陡直。但是，前缘比较平缓，具有坡趾局部裂隙发育控制坍塌特征。膨胀岩土坡面次生裂隙(缝)风化发展，提供了坡面入渗与蒸发通道，增强了滑动带亲水性黏土矿物的循环干缩湿胀效应——裂隙结构体裂隙强烈风化发育，导致降雨入渗时的滑床(带)饱和软化与湿化崩解，强度急剧衰减。此外，路堑开挖卸载坡趾区域高应力释放与膨胀岩土超固结性的综合，坡趾高剪力区应力集中促进了裂隙快速发育，且往往最先剪切变形失稳，并沿坡面向上逐级牵引，形成坡面叠瓦状形态滑坡的成群发生。因此，膨胀土边坡极限平衡弹性理论认为，首次滑移是因为坡趾附近膨胀岩土软化崩解产生了剪切塑性区与剪切大变形，导致坡体牵引破坏。膨胀岩土路堑边坡滑坡坡面竖向裂缝切割效应，滑动机构［13］一般仍为浅层滑动，滑体厚度在6.0 m 以内，一般为 1.0 m ～3.0 m。

3 膨胀岩土边坡防护对策

膨胀岩土路堑边坡失稳病害内在机制为膨胀岩土的亲水性物质组成、裂隙性组织结构及其天然沉积超固结性;外在诱因则包括边坡开挖卸载应力释放平衡破坏、暴露坡面环境营力的循环作用。因此，膨胀岩土暴露坡面护坡系统工程包括:边坡结构支撑稳定、抗风化防护、截排水系统与坡面植被绿化。

3.1 路堑边坡坡面防护

膨胀岩土路堑边坡具有几乎与边坡坡度几何条件无关的缓坡破坏特征显著。因此，单纯采用缓坡稳定的几何缓坡调坡方案，往往难以取得满意的效果。

边坡坡面抗风化植被防护，系指使用植被结合土木工程与非生命生物材料，增强坡体稳定和减少坡面侵蚀的措施，且符合现代工程绿化景观设计要求。植被护坡根系力学效应与茎叶水文效应，形成了坡面表层土体加筋、锚固、支撑与抑制裂隙体结构裂隙发育功能。尤其是大气降雨时的植被护坡，可显著削弱坡面强降雨溅蚀与缓解坡面径流冲蚀，且可改善坡面湿度温度场改变。

针对膨胀岩土暴露坡面非结构性溜塌滑落等病害系统性群发特征，基于抑制坡面湿度温度场变化、雨水表面流冲蚀等坡面保湿防渗封层的抗风化稳定要求，现代植被加筋锚固护坡系统中，厚基质客土(干法)喷附技术，结合固土网垫材料为高强度(普通三维网10倍)、高刚度(低延伸率)和耐久性(50年)土工合成加筋型材料，或高强耐久金属网及其短锚钉(earth anchor)注浆地锚浅层加固型挂网构造［14］，形成了坡面浅层柔性主动支撑稳定与封层保湿抗风化的植被护坡系统，坡面膨胀变形自适应性或变形受限时膨胀力补偿功能，更加的刚柔相济，实现了坡面浅层稳定加固、表面风化防护与植被景观绿化的统一。

3.2 路堑边坡结构支撑

膨胀岩土坡面风化带中坡面法向裂缝发育的入渗通道与风化切割效应，可形成坡面风化带中软弱结构面坍塌剪切滑动机构。膨胀性岩土坡趾高地应力区卸荷应力释放及其超固结性激发效应、结构松驰流变、湿度与温度场变化等引起坡趾局部裂隙强烈发育与塑性剪切大变形，产生坡趾局部坍塌关联的渐进式牵引浅层滑动机构。针对性采取膨胀岩土边坡坡面结构支撑与坡趾抗滑支挡结构加固，十分必要。

此外，不同于一般岩土体，膨胀性岩土路堑边坡开挖卸荷后，立即设置高刚度结构支挡或可有效边坡卸荷变形，但膨胀岩土变形约束可转换为膨胀力显著提高，即边坡结构加固荷载作用水平的显著提高。因此，膨胀性岩土路堑边坡开挖后，综合暴露坡面环境营力作用风化响应特征以及临时性柔性抗风化防护、坡脚欠挖压脚稳定与封层保湿截排水疏干构造等确保短期(short term)稳定前提下，开挖卸载后留出一段应力释放时间，适应膨胀岩土卸荷弹性滞后效应——弹性后效［10］等，具有显著的减小膨胀力的变形减载“补偿”效应，对于减小膨胀岩土路堑边坡压脚支挡结构变形、避免变形关联损伤或结构损毁十分有利，且可优化压脚支挡结构设计。尤其是，既有公路膨胀土路堑边坡经历若干年后发生失稳病害的后加固处理，应充分考虑源于膨胀性岩土卸荷膨胀力的变形关联减载补偿机制。

既有工程实践表明，膨胀岩土边坡结构支撑与支挡护坡技术中，采用坡面锚杆框架梁与坡趾支挡结构组合的边坡支撑方案成功率高，其他方案则经常失效，甚至出现反复治理、反复失败现象。膨胀性岩土路堑边坡的坡面锚杆框架梁体系将坡面切割分离，减小了膨胀岩土坡面独立风化单元面积，自由坡面单元的自稳定性显著提高，粘结式注浆地锚体的局部加筋效应，阻断膨胀岩土连续结构面发展，分散了软弱结构面应力集中与滑体下滑力，同时有利于坡面局部坍塌加固稳定，有利于坡面植被护坡固土稳定。同时框架梁地锚拉弯组合结构提供了梁底局部坡面变形的膨胀力反力(抗力)，提高坡面裂隙结构风化发育的抵抗能力;且框架梁间坡面独立单元自由表面适度变形，亦可发挥膨胀岩土变性关联的膨胀力减载补偿效应，刚柔相济。