復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境公路地質(zhì)病害誘發(fā)機(jī)理及其對策研究

田遼西

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,甘肅 張掖 734000）

與平原地區(qū)公路工程相比,山區(qū)公路的設(shè)計(jì)與施工更加依賴自然環(huán)境載體,受到地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的影響更大,因此工程建設(shè)任務(wù)更加艱巨,投資巨大,建設(shè)指標(biāo)也更嚴(yán)格。我國西部山區(qū)存在更多樣的不良地質(zhì)現(xiàn)象且海拔高、地勢起伏大,因此在交通建設(shè)過程中更需要切實(shí)有效地針對具體地質(zhì)環(huán)境條件的應(yīng)對技術(shù)與方法。通過研究山區(qū)公路地質(zhì)病害誘發(fā)產(chǎn)生的條件與發(fā)生機(jī)理,可指導(dǎo)山區(qū)公路建設(shè)過程中形成全面集中的、具有針對性的公路建設(shè)與維護(hù)的技術(shù)體系。

1 自然地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 地質(zhì)環(huán)境

山區(qū)公路建設(shè)中面臨的具體自然地理?xiàng)l件限制主要分為如下幾個(gè)方面：

1.1.1 地形條件限制：以甘肅省為范例,西北山區(qū)多高山深谷,公路建設(shè)難度大。地形復(fù)雜,山地、高原、河谷、沙漠、戈壁錯(cuò)落分布,施工區(qū)域特征明顯。布線的選擇對于公路建設(shè)工程的重要性更加突出,難以避免地需要修建隧道、穿越河谷[1]。

1.1.2 地質(zhì)構(gòu)造限制：西北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,自然地基的穩(wěn)定性差,容易受到氣候波動(dòng)的影響,膨脹土與軟土地基分布范圍廣較為常見。周圍生態(tài)環(huán)境脆弱容易,受施工影響后的恢復(fù)期長。部分區(qū)域幾年來有地震的記錄,施工地區(qū)可見歷史地震形成的斷裂帶,對工程的防震性能提出了更高要求。

1.1.3 水文條件限制：西北山區(qū)屬于溫帶大陸性氣候,部分區(qū)域由于海拔高屬于典型的高原氣候,晝夜溫差較大,不同地區(qū)降水量差異很大,山體滑坡類事故高發(fā)。

1.2 地質(zhì)環(huán)境誘發(fā)的地質(zhì)病害

公路建設(shè)既會受到自然地質(zhì)條件的限制,受到不良地質(zhì)環(huán)境與特殊地質(zhì)現(xiàn)象的負(fù)面影響,同時(shí)也會導(dǎo)致在建設(shè)與運(yùn)行過程中影響周圍環(huán)境、誘發(fā)地質(zhì)病害。這種誘發(fā)的地質(zhì)病害不易發(fā)現(xiàn),具有隱蔽性,在特殊條件下可能引發(fā)惡劣的后果,因此需要深入分析其產(chǎn)生的機(jī)理才能采取對應(yīng)的措施,從源頭防治,這在具體施工建設(shè)中仍有一定的難度[2]。圖1 為西北山區(qū)公路建設(shè)過程中地質(zhì)災(zāi)害情況的實(shí)際范例,其中圖（A）為公路開挖引起的滑坡,圖（B）為路基順層滑坡,圖（C）為泥石流沖擊防護(hù),圖（D）為公路沉陷。

圖1 地質(zhì)病害實(shí)例

2 地質(zhì)病害誘發(fā)機(jī)理

西北地區(qū)地質(zhì)的地質(zhì)病害的破壞形式可分為公路地基沉陷或者位移、滑坡、崩塌和翻漿[3]。

2.1 軟土引發(fā)病害的機(jī)理

軟土對于公路地基的影響主要表現(xiàn)在地基沉降、邊坡滑移擋土墻變形等。地基沉降與沉陷主要是由于路基自身重力引起的整體沉降或者由于路基下方地質(zhì)的支撐力不足而導(dǎo)致的兩側(cè)外力擠壓形成的結(jié)構(gòu)沉陷,沉陷對于路面的破壞性更大[4]。

軟土含水量較大的情況下會獲得較大流動(dòng)性但是透水性和常規(guī)土質(zhì)相比的更低,因此有外加壓力時(shí)候,容易進(jìn)入流變狀態(tài),支撐力下降形變量快速增加,這種條件下容易誘發(fā)公路地基的沉降,且沉降明顯不均勻,進(jìn)一步導(dǎo)致路基橫向或者縱向開裂。

軟土地基在壓力狀態(tài)下的沉降量記為:

其中：La（t）為研究時(shí)間范圍內(nèi)的排水主固沉降量,Lb（t）為次固結(jié)沉降,而LC為瞬時(shí)沉降量。LC的大小僅與軟土的自身性質(zhì)有關(guān),因此可以用經(jīng)驗(yàn)常數(shù)代替。主固沉降主要土質(zhì)中的間隙在壓力的作用下從土體中向外流動(dòng),范圍內(nèi)的土質(zhì)被壓縮引起整體沉降。隨著壓力作用,土質(zhì)密度逐漸上升孔隙率逐漸下降因而沉降量隨著時(shí)間遞減。次固體沉降的變化很大,主要發(fā)生在主固沉降之后,此時(shí)有機(jī)質(zhì)黏土發(fā)生蠕變,沉降量開始呈現(xiàn)不均勻的特性[5]。

軟土地質(zhì)對路基沉降或者沉陷的影響大小與軟土埋藏深度有關(guān),各埋深的軟土樣力學(xué)特征參數(shù)的測試平均值如表1 所示。

表1 土樣的力學(xué)測試平均值

由力學(xué)分子可知軟土層的埋層越淺,對路基的影響越大,越容易導(dǎo)致滑移現(xiàn)象的發(fā)生,路基發(fā)生非常規(guī)沉陷和沉降的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)路基形變同時(shí)會影響邊坡結(jié)構(gòu)導(dǎo)致溜方和滑坡。

2.2 膨脹土引發(fā)病害的機(jī)理

膨脹土病害多發(fā)生在甘肅西南部分地區(qū),病害引發(fā)多與土質(zhì)自由膨脹率有關(guān),膨脹率越大,土體開裂的可能性越大,可能引發(fā)路基滑塌[6]。

一般當(dāng)公路路基宏觀斷面與開挖坡面的傾斜角角度差距在5%以內(nèi)時(shí),側(cè)面土體壓在臨空面上會驟減以至于剪應(yīng)力在宏觀斷面上迅速集中,導(dǎo)致坡體受力狀態(tài)變化,穩(wěn)定性降低,順著潛伏斷面下滑,使得路基出現(xiàn)不規(guī)則折線形狀的斷裂破壞面,嚴(yán)重失衡時(shí)滑動(dòng)深度會超過7m。當(dāng)公路路基宏觀斷面與開挖坡面的傾斜角不一致且不存在斷裂面時(shí)候,側(cè)面土體壓力減小會導(dǎo)致膨脹土形變,而剪應(yīng)力在坡腳部位集中,坡體上部需承受拉應(yīng)力,當(dāng)剪應(yīng)力與拉應(yīng)力超出土體的承受范圍,土體整體性被嚴(yán)重破壞,強(qiáng)度迅速降低,僅有殘余值水平。隨著壓力變化,這種結(jié)構(gòu)破壞逐步向下擴(kuò)展,向四周發(fā)育,直至形成連續(xù)滑動(dòng)面,導(dǎo)致滑坡[7]。

2.3 巖堆病害機(jī)理

山地公路建造過程中巖堆是較為常見的一類不良地質(zhì),大部分巖堆都是現(xiàn)代地基而成,表面堆積坡度一般與組成物的天然安息角度偏差不大,內(nèi)部呈現(xiàn)外傾斜層理,角度與表面堆積角近似。這種現(xiàn)代堆積巖堆由于孔隙率大且不均勻,因此大多呈現(xiàn)比較松散的狀態(tài),但也有部分巖堆在風(fēng)化作用下,孔隙中進(jìn)入大量細(xì)小而顆粒物,顆粒物呈現(xiàn)能凝態(tài)形成比較密實(shí)的粘結(jié)體而硬度較好。這種硬度不均勻的分布狀態(tài)使得在具有壓力荷載的情況下很容易產(chǎn)生剪切力使土基發(fā)生沉陷。由于巖石堆多坐落在斜坡上,更容易受到下滲地下水的額影響,接觸面在水分作用下能提供的粘結(jié)力會急速降低,巖堆穩(wěn)定性減低。在規(guī)定內(nèi)的壓力作用下也可能發(fā)生滑移,導(dǎo)致公路路基形變或者邊坡塌陷。

當(dāng)工程選區(qū)地質(zhì)組成多為板巖或者片巖石時(shí)巖堆病害記錄較多,此外由硬度差距較大的巖層組成的峽谷區(qū)的陡坡坡腳也是巖病害的高發(fā)區(qū)域,這主要是由地質(zhì)構(gòu)造決定的,斷裂帶內(nèi)部巖層遭到破壞,裂隙本身較為發(fā)育,若是發(fā)生在河谷區(qū)域,裂隙沿著斷裂帶發(fā)育,這種強(qiáng)烈的錯(cuò)動(dòng)力會對巖層的完整性造成破壞,碎落物堆積形成巨大的巖堆,如圖2（A）所示。若是發(fā)生在河谷的背部,則會沿著軸向發(fā)育,裂隙發(fā)育集中,碎落物質(zhì)在兩岸堆積,如圖2（B）所示。

圖2 河谷巖堆示意圖

形成的巖堆本性質(zhì)結(jié)構(gòu)本就不穩(wěn)定,與塊巖石之間的粘結(jié)力不強(qiáng)時(shí)候會形成受力容易發(fā)生形變的軟弱層,一旦填土施加負(fù)載很容易發(fā)生滑移形變。此外,路堤建設(shè)會對地基產(chǎn)生豎向的壓力,在壓力作用下路基會在受力方向向下的一側(cè)產(chǎn)生橫向變形。

2.4 病害誘發(fā)鏈

復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下地質(zhì)病害是各類因素綜合作用的結(jié)果,雖然有主要的誘因但也有其他因素的參與作用,實(shí)際上產(chǎn)生過程是一個(gè)基于地質(zhì)環(huán)境、施工活動(dòng)、自然因素三類主要因素共同構(gòu)成的綜合誘發(fā)鏈作用的結(jié)果,具體的誘發(fā)鏈總結(jié)如圖3。

圖3 病害誘發(fā)鏈?zhǔn)疽鈭D

3 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境公路路基工程技術(shù)

3.1 公路路基工程技術(shù)

西北地區(qū)地勢復(fù)雜,公路線性受到山地環(huán)境的影響,傳統(tǒng)的地基結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)山地復(fù)雜地勢的施工需求,建設(shè)難度大,因此多采取路臺懸出的特殊形式。

圖4 可見,這種單懸臂結(jié)構(gòu)主要依靠橫挑梁作為支撐,使?jié)仓鍙膸r體本身懸掛出去來滿足路基設(shè)計(jì)的寬度要求。這種路基形式可以有效地減少開挖量,施工要求不高,在西北山區(qū)公路的修建中被廣泛選用,尤其適合受到地形限制無法擴(kuò)寬路面的狹窄陡峭的路段。為了增強(qiáng)懸出結(jié)構(gòu)的整體性,在吊臺橫挑梁的懸臂上架設(shè)鋼筋混凝土板,且在挑梁靠近基礎(chǔ)的設(shè)施混凝土基座,保證巖體連接的穩(wěn)定性與整體性。橫挑梁需要采取進(jìn)一步的加固穩(wěn)定措施,在靠近山體的一側(cè),設(shè)置兩根錨桿,長度滿足抗拔需求,同時(shí)挑梁深入山體后進(jìn)行錨固,使系統(tǒng)整體處于受力較平衡的狀態(tài)[8]。

圖4 路臺懸出結(jié)構(gòu)平面圖

3.2 軟土環(huán)境下工程技術(shù)

處于軟土環(huán)境中路臺懸出結(jié)構(gòu)的公路路基的建設(shè)需要對軟土地面以上和以下的土質(zhì)進(jìn)行相對應(yīng)的處理。軟土地面以上的部分進(jìn)行堆載預(yù)壓,而后敷設(shè)加筋路預(yù)墊層。地表以下的淺層需要采用顆粒性物料進(jìn)行輔助充填,壓力狀態(tài)下進(jìn)行擠淤置換,從而改善受力結(jié)構(gòu)。深層結(jié)構(gòu)在優(yōu)化排水方式的基礎(chǔ)上做下沉的剛性樁,采用側(cè)向限制法來限制軟土的流變[9]。

這種綜合方案是在軟土力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上綜合采用壓力填充擠淤與側(cè)向限制技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過機(jī)械力來改變軟土表層土質(zhì)結(jié)構(gòu)以形成一層有足夠厚度的土基礎(chǔ)。側(cè)向限制需要從側(cè)向打入限制木樁兩排以上,木樁截面周長不小于50 公分,長度大于4m,間距在半米以內(nèi)且不能垂直放置,需向路中傾斜一定角度,一般在10°左右。這種限制方法不僅可以防止軟土的流變,而且在流變后通過對周圍的土體進(jìn)行擠壓而形成反作用力,增大了路基土體的有效保護(hù)范圍,可以有效防止泥漿的上翻。保護(hù)范圍內(nèi)側(cè)向樁可以使地基處于側(cè)向受限的狀態(tài),進(jìn)一步加強(qiáng)了軟土與填充物的沉降固結(jié)的速度,形成復(fù)合式的受力層,進(jìn)一步保護(hù)了地基[7],有效緩解地基沉陷。以西秦嶺亞區(qū)山地公路工程為例,投入使用后的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制的沉降曲線如圖5。

圖5 側(cè)向限制路段沉降曲線圖

由于沉降曲線可看出壓力填充擠淤與側(cè)向限制綜合法在控制公路路基沉降方面效果良好。

3.3 膨脹土環(huán)境下的工程技術(shù)

膨脹土地區(qū)路基處理最簡單有效的方法是換土,但工程量大,為了減小對周圍環(huán)境的影響,可采用包封法,利用黏土將范圍內(nèi)的路基進(jìn)行包封,避免土質(zhì)的遷移,必要的時(shí)候加入塑性劑,改善膨脹土的形變特質(zhì)達(dá)到維持水土平衡的目的。[8]考慮到膨脹土支撐能力呈現(xiàn)衰減趨勢的力學(xué)特性,初始時(shí)候具有較強(qiáng)的應(yīng)力水平但是開挖后壓力變化導(dǎo)致固結(jié)應(yīng)力釋放,由于后續(xù)風(fēng)化作用的影響,邊坡的穩(wěn)定性也逐步降低,因此邊坡形式需要考慮膨脹土的類別和邊坡的高度進(jìn)行選型,經(jīng)過分析各地區(qū)邊坡選型的數(shù)據(jù),膨脹土地區(qū)多選折線式與平臺式,二者的一般結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 邊坡結(jié)構(gòu)示意圖

膨脹土引起的邊坡形變的類型多變,大多數(shù)屬于表層破壞,而引發(fā)的路堤破壞多結(jié)構(gòu)病害,為加強(qiáng)路堤邊坡的原土穩(wěn)定性,一般將路堤坡面人為分為多個(gè)短小坡面,對每個(gè)坡面的土體進(jìn)行固著,同時(shí)進(jìn)行反壓護(hù)道,加固陸地邊坡,增強(qiáng)支撐力[9]。

3.4 巖堆環(huán)境下的工程技術(shù)

由巖堆的形成過程可知,巖堆很容易受到工程擾動(dòng)的影響,這種松散的堆積體的失穩(wěn)具有突發(fā)性,在路基工程中多數(shù)發(fā)生在路基開挖的階段,一般會直接引起邊坡的坍塌。在路基填筑過程中則表現(xiàn)為沉降與形變,甚至因?yàn)樨?fù)載增加而發(fā)生巖體整體失穩(wěn)定坍塌。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生了除了常規(guī)的做好排水措施外還需要在施工過程中做特定的支護(hù),在邊坡修建擋土墻和噴制混凝土護(hù)面,一般擋土墻需要嵌入基巖,具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 擋土墻示意圖

如圖7 所示,這種加固結(jié)構(gòu)適用于大多數(shù)在巖堆體上部修建路堤的工程,與巖堆體下部修建的工程相比,這種情況修建的路堤處于傾斜狀態(tài),更不穩(wěn)定。巖堆體坡面傾斜角度較大時(shí),如圖中所示的傾斜角為48.9°的情況,擋土墻可以發(fā)揮較好的固定作用。一般擋土墻的角度需要參巖堆天然安息角對應(yīng)的邊坡的角度。

4 結(jié)論

4.1 在分析實(shí)際工程資料基礎(chǔ)上,對西北地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的基本病害類型及其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了討論,重點(diǎn)分析了特殊類土質(zhì)環(huán)境下公路地基病害。

4.2 根據(jù)特殊土質(zhì)的力學(xué)特性分析了誘發(fā)公路路基沉降、沉陷以及邊坡形變位移的內(nèi)在機(jī)理和過程,為分析此類地質(zhì)條件下的施工技術(shù)與防治措施提供了理論基礎(chǔ)。

4.3 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下公路的地基選型與常規(guī)地基不同,特殊土質(zhì)環(huán)境中的路臺懸出結(jié)構(gòu)的路基建設(shè)過程需有針對性地采取加固與防治方案。結(jié)合病害誘發(fā)產(chǎn)生的機(jī)理,各施工技術(shù)與防治技術(shù)要形成體系組合,以有效應(yīng)對公路路基病害,達(dá)到有效防治的目的。