軟弱砂泥巖互層公路路基邊坡整治案例分析

摘要：文章通過探討廣西北部泉南高速公路邊坡工程的三個整治案例，分析軟弱砂泥巖互層邊坡因砂巖與泥巖不同的工程特性、互層狀況與受褶皺等地質構造影響而經常發生的邊坡穩定性問題，并介紹使用于軟弱砂泥巖互層的邊坡穩定工法，包括預應力地錨、擋土排樁、擋土墻、平衡荷載式填土與土釘等，對軟弱砂泥巖互層邊坡工程的調查設計與施工重點提出歸納建議，為類似地形及地質條件的邊坡工程提供設計參考。

關鍵詞：軟弱砂泥巖互層;邊坡坍滑;邊坡整治

中圖分類號：U418.5+2A150563

0 引言

近年來，由于社會經濟的快速發展，廣西有限的平原地區已趨于開發飽和，因此北部山地地區的開發與利用成為必然的趨勢。廣西北部的地層多為砂巖、頁巖、泥巖及其互層所組成的軟弱基巖，在此種地層興建公路或進行坡地開發工程，會經常發生開挖或填土時邊坡坍滑的問題，因此了解邊坡崩塌的原因并選擇適當的整治措施是交通領域的重要課題。本文以泉南高速公路中邊坡坍滑整治的實際案例，說明軟弱砂泥巖互層基巖的邊坡問題與整治對策，并給出調查、設計與施工重點的建議。

1 建設條件

本文所探討的公路位于廣西北部，沿線所出露的地層主要為更新世晚期的紅土礫石層及全新世的河階堆積、河床沖積、崩塌堆積與扇狀堆積。本文所探討邊坡整治案例的地層主要由砂巖與泥巖互層及其上覆的崩積層所組成。其中，泥巖厚度大多≤1 m;崩積層的組成物則包括表土、受擾動的風化砂巖、紅土及礫石。與案例相關的主要地質構造線包括A背斜與B向斜構造。A背斜位置在路線南側且穿越部分路段（見圖1），大約呈東北—西南走向，向西南傾沒，其西北翼巖層傾角較陡（約>60°），而東南翼傾角較緩（約<30°），為不對稱的背斜構造。B向斜構造的走向亦大致呈東北—西南方向（見圖2），其西北翼巖層傾角較陡，東南翼較緩，導致本公路位于B向斜軸西北側的邊坡大部分屬于順向坡，且路線經過多處舊崩塌區，產生許多邊坡失穩問題[1]。

一般而言，泥巖的強度遠低于砂巖，尤其當地下水滲至泥巖后，將破壞其顆粒間的膠結與鍵結，發展成富水層而增加顆粒間的斥力，致使泥巖產生膨脹與強度明顯降低的軟化情形。此外，泥巖的透水性亦遠低于砂巖，由于泥巖的阻水作用使地下水長存在砂巖中，不易向下入滲至泥巖層，以致泥巖的表面易軟化而成為不穩定的弱面，使邊坡沿此弱面發生坍滑[2]。

根據調查結果，本公路沿線泥巖的粉土含量>50%，在土體分類上屬低塑性黏土。根據巖石單軸壓縮試驗結果的統計，砂巖與泥巖的單軸抗壓強度平均分別約為23.4 kg/cm2與10.1 kg/cm2。另外，根據試驗室以巖心預切成兩片巖樣在不浸水情況下進行的巖石反復直接剪切試驗結果顯示：砂巖的有效粘聚力為0，峰值摩擦角大多介于33°～44°，殘余摩擦角則介于25°～36°;泥巖的有效粘聚力為0，峰值摩擦角介于29°～35°，而殘余摩擦角則介于22°～27°。

2 案例1——背斜構造對高路塹邊坡的影響

本案例路段的路塹為6階，邊坡總高度約為60 m，坡比采用1[KG-*4]∶[KG-*8]1.5。根據規劃設計時的地質調查，推測A背斜軸以極小的角度與路線相交，故原先分析此路段的西北側開挖邊坡均為逆向坡，設計時全部采用格構式護坡與植生作為邊坡保護措施。但在邊坡開挖至第二、三階時，因連日降雨導致大規模的坍滑。根據施工階段的地質復核結果，背斜軸的實際位置應向西偏約20°，即由右側開挖邊坡的第三、四階坡附近穿過，因此位于背斜軸東南翼的邊坡應為順向坡（傾角約為20°～30°），而位于西北翼的邊坡屬逆向坡。

經分析，本路段的基巖因受褶皺所產生的張力裂隙及節理的影響而特別破碎，且褶皺所引起砂巖及泥巖的層間滑動使泥巖的剪力強度降低，因此在連續降雨后發生邊坡坍滑。經詳細研究本路段的地質狀況及坍滑原因后，采用預應力地錨、擋土排樁、橫向地下排水管、噴凝土及土釘作為穩定設施，其中地錨的預應力為80 t，排樁的直徑為1.5 m，長度為12 m，排水管的長度為20 m。

3 案例2——擋土墻在順向坡的應用

本路段邊坡高約15 m，根據設計時的地質調查結果，此路段屬舊崩坍區，開挖施工前亦有邊坡坍塌的記錄。此邊坡位于B向斜構造的西北翼，屬順向坡，但考慮巖層平緩（傾角約為5°），且基于經濟性的考慮，原設計僅采用格構式卵石護坡。施工期間，當完成第二階約5 m高的坡面開挖，并已設置格構護坡，正向下進行第一階開挖時，在暴雨過后產生坡面坍滑，坡頂下陷約1 m。根據施工階段的地質復核結果，本路段為老舊崩坍區，崩積層土質松軟易透水，暴雨期間因雨水入滲，使泥巖軟化，且實際的巖層傾角約為6°～10°，因此在泥巖開挖出露后發生順向坡的坍滑。考慮本路段當時正進行全面的土方工程，施工空間足夠且施工機具可靈活調度，其邊坡處治方案為將軟弱的泥巖置換成強度較高的夯實土體，形成一類似重力式擋土墻的土體，以抵抗邊坡的滑動力。其施工的重點依序為：（1）以跳槽方式分段進行開挖;（2）完全清除坡面出露的泥巖層;（3）在背面及底部設置完善的排水層;（4）嚴格要求填土的滾壓夯實;（5）坡面進行植生護坡并設置排水系統。擋土墻的主要特色系利用現有崩塌材料進行回填，避免棄土問題，其表面在植生綠化后的外觀與自然邊坡無異，較一般預制混凝土結構更能符合景觀的要求，且費用較為經濟，工期一般亦較短。配合現場狀況、紅線限制及工期要求，擋土墻的材料亦可采用石籠或加勁邊坡方式構筑[3]。

4 案例3——高填方順向邊坡的整治

本路段屬填方路段，填土高度最大約為35 m，修成四階，每階最大高度為10 m，坡度采用1[KG-*4]∶[KG-*8]2。原地表多洼地、灌溉用蓄水池及舊河道，地層主要由厚層砂巖與泥巖所構成，并夾有砂頁巖與薄泥巖互層的構造。根據航拍判斷及地表地質調查等結果，本區系屬古老崩塌區，主要的地質構造為在路線東南側

通過的B向斜（見圖3）。因此，本路段的高路堤系填筑在向斜構造的西北翼順向坡上。本路段的路堤填筑至約15 m高（高程約98 m）時，在施工路面及其附近發現多處裂隙，根據傾斜管與水壓計的監測與調查結果顯示，滑動面主要為泥巖弱面。由采用自滑動面上的巖樣（包含泥巖滑動面）所進行的巖石反復直接剪力試驗結果顯示，當位移量約為50 mm時，其相對應的有效摩擦角約為10°。此外，由本路段邊坡滑動面的剪力強度反推算分析結果顯示，泥巖的有效殘余摩擦角僅為9.6°左右。因此，本路段邊坡滑動的主要原因包括：泥巖的強度低、順向巖層、向斜軸的高地下水壓等[4]。

由于滑動面相當深，且滑動力極大，本路段采用在坡腳及溪谷設置平衡荷載式填土作為整治措施，填土最大高度約達18 m，填方總計約為28萬m3。在設計及施工時考慮的重點依序為：確認向斜構造的正確位置、清除填土前的原有地表植生與軟弱土體、設置完善的地下與地表排水系統、適當地滾壓夯實回填土等。根據傾斜管與水壓計的監測結果顯示，本路段在填土整治后邊坡即趨穩定[5]。

5 結語

根據泉南高速公路三個邊坡坍滑整治案例的調查、設計與施工經驗，本文可歸納結論與建議如下：

（1）泥巖因水分入滲軟化與開挖后出露坡面而發生的順向坡滑動，為砂泥巖互層邊坡中最常發生的破壞形式。

（2）泥巖易因浸水而膨脹，并明顯降低強度，形成破壞弱面。因此設計與施工時首先應為盡量避免水分入滲至泥巖層表面，設計時亦應考慮采用泥巖浸水軟化狀況下的強度而進行邊坡穩定分析。若泥巖位于向斜或背斜構造附近，或為崩坍的滑動弱面，則設計時應考慮采用其殘余強度。

（3）地質構造的位置對砂泥巖互層邊坡的穩定影響極大，路堤及路塹應盡量遠離向斜或背斜等構造，或使其盡可能與這些構造垂直相交。設計前的地質調查須有足夠的精確度，尤其是當邊坡與褶皺等構造距離近、交角小或甚至位置重合時。在調查階段若因地表植生或崩積層覆蓋以致巖層露頭不足，建議可采用挖掘槽溝、探查坑或在鉆孔中進行巖心定位等方法以提高調查精度。施工期間應根據邊坡開挖所顯露的巖性、位態、地質構造與滲水等資料，驗證設計時的調查結果，并研究原設計的邊坡穩定措施是否安全經濟。

（4）除了排水工法之外，在砂泥巖互層基巖中可采用預應力巖錨、擋土排樁、擋土墻、平衡荷載式填土或土釘等工法作為邊坡穩定措施，此五種工法均各有其特性及優缺點。設計時應依實際工程性質，并考慮費用與工期等條件，選擇最適宜的工法。

參考文獻

[1]黃勇博，王博生.某泥巖砂巖互層高邊坡監測與穩定性分析[J].冶金叢刊，2019，4（6）：213-214.

[2]單體龍.砂泥巖互層緩傾順層高邊坡穩定性評價[D].北京：北京交通大學，2012.

[3]趙 琳，秦柳江.紅層路塹邊坡滑坡成因分析及治理措施[J].現代交通技術，2012，9（5）：15.

[4]田文豐，林 銳，楊[HTXH1]堉果，等.新東門碼頭砂泥巖互層邊坡分類及坡率取值[J].水運工程，2021（6）：238-244.

[5]馬河圖.三峽庫區砂泥巖互層岸坡崩塌機制及穩定性分析[D].重慶：重慶交通大學，2019. .

作者簡介：李天寶（1984—），工程師，研究方向：交通土建。