閩北公路邊坡淺層凍融失穩的成因分析與防治對策

陳壽明

(南平市公路局，南平 353000)

0 引言

南平境內G237(原S303)武夷山汾水關和G235(原S202)政和路段位于閩北高海拔山區，公路路塹邊坡花崗巖殘積土眾多，每年冬季經常出現邊坡淺層因凍融失穩導致大面積剝落、潰坡，淤埋邊溝及路面，影響交通通暢及運營安全。 花崗巖殘積土不同于一般的粘性土，它具有孔隙比大、擾動性強、崩解性及飽水軟化特性顯著等特點，通過現場調查發現：雖然短時凍土形成周期短、凍深淺，但容易引起殘積土邊坡淺層失穩，一旦邊坡表層土體滑塌之后，新露出的坡體淺層仍面臨凍融失穩的風險，如此循環，導致殘積土邊坡產生由淺到深逐層失穩現象。

1 邊坡短時凍融失穩的成因分析

1.1 土體物理特性

本試驗用土選取現場典型的短時凍區表層殘積土邊坡土質制作土柱， 所取土樣依據 《公路土工實驗規程》(JTG E40-2007)，進行了含水率、液限、塑限、密度等基本土工試驗，其結果見表1。

表1 典型土壤物性參數

1.2 土體凍脹特性研究

土的凍脹是指在凍結過程中， 土中原位水結冰以及土體內部及外界水分向凍結面遷移，并凍結成冰，形成冰層。 當水凍結成冰時，體積增大，引起土顆粒間的相對位移，使土體產生不同形式的膨脹現象。為分析土體的凍脹特征，從現場隨機抽取土樣制作土柱，對土柱進行凍脹模擬試驗， 從應力、 位移層面上對土體的凍脹特征進行研究。 在進行室內凍脹試驗中，試樣開始時，先將凍融機設置為1℃對試樣進行冷浴10h，此時土樣的溫度和變形都達到穩定狀態。閩北短時凍區的低溫在-7℃左右，設定凍融機溫度來實現降溫， 以每小時2℃的速率降溫， 當達到-7℃時停止降溫。試驗中，每1 小時觀測一次土柱的凍脹位移，直至土柱凍脹停止。

圖1 凍脹位移隨降溫時間的發展

通過對土柱凍脹位移隨降溫時長的變化進行記錄如圖1，并對結果進行處理。 通過實驗表明：環境溫度為-7℃，壓實度為85%，含水率為21.5%的殘積土凍脹后高度為2.18mm。 經公式(1)計算可知，凍脹率為2.725%，屬于凍脹土。 土體凍脹率計算公式：

式中： ηf為凍脹率(%)，計算至0.01；Δh 為試樣總凍脹量，mm；Hf為凍結深度，mm。

1.3 土體凍脹產生的應力分析

在凍脹過程對每層顆粒間應力變化進行監測， 發現不同層間應力的變化趨勢基本一致，為避免數據過多，此處提取每層正中的測量球， 即10、17、24、31、38、45 測量球的監測數據，試樣各層內部應力變化如圖2 所示。

圖2 試樣各層內部應力變化

由圖2 可見： 模擬過程中冰顆粒每次膨脹擠壓顆粒都會使顆粒間產生大應力，初始狀態下應力值很小，這是由于此時應力主要來源于自重作用。 在凍脹過程中應力主要來自于凍脹作用，頂層由于上部無約束，顆粒運動釋放應力，故應力增幅不大，但隨著深度增加，應力也逐漸增大。通過試驗結果，可以表明邊坡在凍結過程中整體無明顯位移，但作為一種擾動作用，邊坡坡面及坡腳處先后出現明顯橫向位移，并形成兩個位移影響區域，隨凍脹過程逐漸向坡體內擴展， 并最終形成一個類似于滑動面的位移影響區。邊坡土體在凍結過程中產生的凍脹力，使坡面土體中形成類似紋溝和細溝的凍脹裂紋。 當溫度升高時，冰的強膠結作用轉化為水的軟化作用，凍脹力消失，產生的裂紋不可恢復。經過反復的凍融作用，土體結構性持續下降，在風、雨等外界因素下脫離坡體，發生剝落破壞。

2 邊坡凍融失穩防治技術與對策

2.1 坡面排水措施

含水率作為凍融影響因素之一， 其大小對凍融損傷效應影響明顯。 隨著含水率的增加，土體自身強度下降、凍結溫度升高、已凍結且凍脹明顯、土體結構遭受更嚴重的損傷，強度進一步降低，邊坡穩定性跟著降低。所以，有必要采取排水措施降低邊坡淺層土體含水率。 在距坡頂1m 外設置截水溝以便排除地表水并減弱坡面徑流；還可以沿坡面設置多排仰斜式直徑3cm、長50cm 并纏有土工布的PVC 排水管，排除坡內土中水分，進而提高淺層土體強度、增強邊坡淺層穩定性。

2.2 邊坡防護技術措施

短時凍土區域具有凍融周期短、凍融次數頻繁、凍土層深度較淺等特點，綜合公路安全、舒適、美觀與環境相協調等特點，優先考慮植物防護技術，利用植物根系固著邊坡表層土壤以減輕沖刷，從而達到邊坡防護的目的。在邊坡失穩成因分析的基礎上，根據土質特征，在武夷山市原S303 線、 政和縣原S202 線凍土邊坡災害頻發區選取試驗點進行邊坡防護現場試驗， 經比選， 采用陶砂混凝土、普根生生態防護、JCDK-1 化學固化劑、CBS 植被混凝土等防治技術措施。 現場試驗方案分類見表2。

表2 失穩防治方案分類

以上現場試驗項目于2016 年夏季完工， 邊坡防護效果整體效果很好，未出現溜土、沖溝和水土流失，植物覆蓋率很高，植物生長茂盛；陶砂混凝土未出現凍裂現象，對邊坡淺層水土流失起到了很好的防護效果，凍融失穩現象得到有效的治理。工程的實施效果如圖3～8所示。

圖3 陶沙混凝土坡

圖4 普根生生態防護

圖5 CBS 植被混凝土護坡

圖6 JCDK-1 固化劑護坡

圖7 乳化瀝青護坡

圖8 植被毯護坡

3 結語

原省道303、202 試驗點項目完工后， 通過兩年的現場觀察、監測，對各類邊坡短時凍融失穩治理技術取得的成效，結論如下：

(1)土質邊坡因凍脹產生坡面剝落，受雨水作用容發生沖刷破壞，邊坡失穩，采用JCDK-1 化學固化劑護坡、乳化瀝青表層護坡及植被毯護坡方案可有效穩固破面，恢復生態，效果明顯。

(2)土夾石邊坡土壤較為貧瘠，冬季表土因凍脹易滑落造成土石剝離，夏季多雨季節較易產生溜坡，采用普根生生態防護和CBS 植被混凝土方案，植被可在坡面表層中起到加筋加固作用，防治溜坡效果明顯。

(3)破碎石質邊坡易發生面剝落、坍塌、崩巖等現象，采用陶砂混凝土護坡方案， 克服了凍土區常規混凝土存在易凍融破壞、開裂等現象，可明顯起到固結落石、坡土的作用。