膨脹巖邊坡的危害及其防護措施

賈澤鈺 仝可欣 馬佳驥

(1.石家莊鐵道大學國防交通研究所,河北 石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學交通運輸學院,河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著我國高速公路網的不斷完善，已建或在建山區高速公路邊坡災害日益凸顯，其中膨脹巖邊坡失穩破壞越來越引起人們的關注。山區高速公路的膨脹巖邊坡滑坡、溜塌等失穩破壞對行車安全構成了嚴重威脅，關注膨脹巖邊坡病害，分析其主要特征，總結其災害類型，提前采取應對的防范措施，對確保高速公路運輸暢通無阻，保證高速行車安全具有重要意義。

1 膨脹巖的特點及其對邊坡穩定性的影響

1.1 裂隙性

裂隙性是膨脹巖最重要也是最特殊的性質之一，膨脹巖的裂隙強度遠遠低于其本身的土體強度。天然膨脹巖體中存在著大量由于構造、風化、成巖、卸載等作用自然成形裂隙。巖體裂隙的成因各有不同，又相互聯系，構造裂隙由其構造應力決定，包含張開裂隙和剪切裂隙，發育程度和作用強度與其構造環境密切相關。卸荷、風化裂隙的產生時常伴隨著成巖裂隙和構造裂隙。裂隙的存在破壞了巖體結構面的連續性、使巖體局部應力集中而且加劇了其風化作用。因此，膨脹巖體中的裂隙存在，使其比其他巖石更易發生破壞。

1.2 膨脹性

膨脹巖的膨脹性對邊坡的影響主要表現在以下方面：首先，在降水作用、地表水或地下水的作用下，坡體內巖體的膨脹變形被周圍巖體制約，巖石微粒間的吸附作用和結構面之間的連接強度會降低，導致巖體強度衰減，邊坡穩定性降低[1]。膨脹巖吸水膨脹，誘發膨脹節理裂隙，使巖石更破碎，加速風化剝蝕破壞。

1.3 超固結性

膨脹巖超固結性與巖石所處的地質環境和地質構造應力有關。膨脹巖地質沉積時間較長，地層壓實度高，從而導致其超固結性。超固結性既影響坡面風化病害特征又影響坡體破壞形式，膨脹巖的超固結性直接影響到其工程性質。

膨脹巖的裂隙性、膨脹性、超固結性對坡體穩定性的影響不是孤立存在的，而是相互作用，共同影響的。所以，在討論膨脹巖邊坡破壞原因時要綜合考慮各種因素的影響。

2 膨脹巖邊坡破壞類型及相應防護措施

2.1 坡面破壞類型

自然情況下風化作用無處不在，由于膨脹巖特殊的特性，導致其更易發生風化破壞。坡面破壞由于氣候作用范圍和自然應力的控制，其發生位置一般為地面以下1 m左右。坡面破壞類型主要有以下兩種：

1)邊坡表面剝落。膨脹巖在干濕凍融的循環作用下，巖石破碎成大小約0.5 cm～5 cm的碎塊，在重力和雨水等自然因素的綜合作用下，在坡腳或者臺階處堆積。當坡面風化程度較低，膨脹巖巖性較好時，剝落物呈碎塊狀，粒徑較大。當坡面風化程度較強，膨脹巖巖性較差時，剝落物的粒徑較小。坡腳堆積物需及時處理，否則會阻塞排水溝，導致排水不暢，如落在車道上，會威脅行車安全。在有骨架護坡支撐的坡面上，如對剝落落石不經處理，會架空骨架護坡從而失去其應有的支撐保護作用[2]。

2)邊坡局部溜塌。在風化的作用下，巖體內部裂隙與節理面產生、發育、擴展，其整體性遭到嚴重破壞，巖石被割裂成破碎塊狀。當有外部降雨時，破碎巖土體呈飽水狀態，并在重力和流水的作用下向下移動，從而形成溜塌。膨脹巖風化越嚴重越容易發生局部溜塌，溜塌體的厚度在0.5 m～1.0 m。邊坡溜塌的產生與坡率關系不大。當邊坡為成巖較弱或風化較重的中等膨脹巖石時，溜塌可能產生在坡面的任何部位。由膨脹性泥質巖和非膨脹性巖石組成的邊坡，由于巖層之間的風化差異，當構造節理對溜塌發育有利時，易誘發局部溜塌災害[3]。

2.2 坡面破壞的防護措施邊坡表層的膨脹巖，在風化作用下，巖體風化程度會沿著構造面向巖石深層發育，使巖體強度降低，誘發坡面病害。因此，防風化在膨脹巖坡面防護中的重要性就凸顯出來。坡面防護的措施主要有：漿砌片石護坡、漿砌片石骨架護坡、表面噴射混凝土、水泥砂漿抹面、錨桿掛網噴射混凝土和鋼纖維混凝土噴錨等。如邊坡整體穩定，可采用的措施有漿砌片石、錨桿掛網噴射混凝土和鋼纖維混凝土噴錨等。漿砌片石護坡適用于成巖較好且為弱～中等膨脹巖構成的低矮邊坡。錨桿掛網噴射混凝土和鋼纖維混凝土噴錨防護適用于成巖較好的弱膨脹巖邊坡。水泥砂漿或混凝土抹面適用于成巖較好的弱膨脹巖邊坡，但由于水泥或者混凝土與膨脹巖粘結性不佳，難以形成工作整體，使得抹面易脫落，效果不佳。

2.3 坡體破壞類型

膨脹巖邊坡坡體破壞類型主要有以下兩種：

1)坍塌。邊坡坍塌產生的原因是：由于邊坡坡腳應力集中，巖體吸水膨脹以及巖體結構破碎等因素導致巖體強度降低，工程性質變差。坍塌體的范圍主要取決于巖體的結構面的位置，其厚度為1 m～5 m。坡體的坍塌病害不僅與風化作用有關還與坡率及巖體結構面的發育特征等有關。

2)滑坡。滑坡破壞是指膨脹巖在雨水沖刷、地震、人類活動等因素共同作用下，沿巖體中的軟弱帶產生整體或部分位移滑動。滑坡規模、速度、距離及積蓄的位能及動能影響滑坡強度[4]。滑坡體位置越高、體積越大、速度越快、距離越遠，則強度越高，破壞越大。滑坡的規模由巖石及巖體軟弱結構面的位置決定的，因而其滑坡規模差別很大。

2.4 坡體破壞的防護措施

1)坍塌破壞的防護。常用的防護措施有重力式擋土墻、錨桿框架梁、錨桿擋墻等。不同防護措施適用條件不同，現場資料表明，重力式擋土墻適用于弱～中等的膨脹巖邊坡。錨桿框架和錨桿擋墻適用于膨脹巖塹坡。

2)滑坡破壞的防護。現階段膨脹巖滑坡的防護措施以各種類型的抗滑樁、抗滑檔土墻和錨桿擋墻為主。抗滑樁和抗滑擋土墻適用于大部分膨脹巖邊坡的治理。樁板墻防護適用于極為破碎的膨脹巖巖體滑坡。值得注意的是，新型的玻璃纖維錨桿為邊坡治理提供了新的方法，此類型的錨桿具有更高的強度指標，并且與巖體連接性較好，具有更高的粘結強度，因此具有很好的發展前景。另外，在進行防護措施設計時，需要進行巖心地質勘探由此選取合適的計算設計指標。

3 膨脹巖邊坡的治理原則

3.1 嚴格控制含水率

膨脹巖邊坡的防護要嚴格控制邊坡的含水率，目的是避免裂隙水或地下水侵蝕巖體。因此，坡頂、坡腳及坡體的含水率控制措施顯得十分重要，保水防滲的好壞在一定情況下可以決定防護措施的有效與否。

3.2 因地制宜

邊坡防護措施不是一成不變的，不同地區膨脹巖物理、力學特性會有很大差別，其防護措施應結合具體膨脹巖的巖性，巖層組合特征及邊坡的高度、坡率等因素綜合考慮，做到“一坡一方案，一坡一治理”。

4 工程案例概況

某高速典型膨脹巖邊坡，如圖1所示。

此邊坡為人工巖質永久性邊坡，共六級臺階，其中一級坡面為漿砌片石防護，局部裸露，一級以上坡面完全裸露。節理裂隙非常發育，主要節理兩條，相互垂直分布。三級坡面及以上部分巖性主要為膨脹巖，現狀表現為典型的坡面病害，剝落現象嚴重，在常年風化作用下，膨脹巖的組織結構發生嚴重破壞呈破碎狀，強度指標大大降低。

4.1 技術路線

通過現場踏勘分析，此項研究關鍵為邊坡裸露膨脹巖在長期自然條件作用下結構破壞引發滑塌問題，研究內容需要充分考慮降雨、長期風化、地震等不良工況，通過動態監測數據，對膨脹巖邊坡長期穩定性做出預測，并提出針對性的防護方案。因此，研究的整體思路如圖2所示。

4.2 防護措施與穩定性評價研究的實施細則

1)地質資料測繪及監測。

各級臺階上共布置15個監測點，形成三個監測斷面，監測頻率，正常情況7 d～15 d監測一次，降雨、雪期間，每周監測一次，監測周期為1年，見圖3，圖4。

2)室內實驗。膨脹巖巖樣取5組15塊，規格大小滿足實驗要求，進行巖芯實驗，常規巖層試樣進行常規物理、力學實驗，膨脹巖實驗內容包括：

a.膨脹巖的基本物理指標：密度、干密度、重度、孔隙率、含水量、塑限、液限、最大干密度、最優含水量、平均粒徑、不均勻系數、滲透系數；

b.膨脹巖的力學指標：自由膨脹率、膨脹含水率、凝聚力和內摩擦角值、單軸抗壓強度。

3)模型計算。三維地質模型計算采用現場測繪數據，最大程度的反映原始地形地貌，地層力學性質采用實驗室實驗數據，運用膨脹巖本構模型，分別計算飽水工況、地震工況，計算分析邊坡的長期穩定性，計算如表1所示，特殊工況指地震工況。

表1 模型計算數據表

5 結語

本文介紹了膨脹巖的特性和其對邊坡的破壞類型的影響，以及膨脹巖邊坡的坡面、坡體破壞形式及其防護措施，得出膨脹性巖體是在多種外應力條件共同作用下產生的變形，其誘發因素不是獨立存在而是相互影響的結論。

坡面風化作用繼續向巖體深部發展會導致坡體破壞，因此，膨脹巖邊坡的防護，應遵循嚴格控制含水率、坡面與坡體防護、因地制宜相結合的原則。膨脹巖由于其復雜特性，使得巖體的實際力學指標比室內試驗低得多。因此，進行防護措施設計時還需通過現場地質勘察來確定巖體的設計計算參數值。最后，通過具體工程實例為膨脹巖邊坡的防治提供了思路。