第三系半成巖高邊坡病害分析及對(duì)前期設(shè)計(jì)的指導(dǎo)

盧 歡，李 微

（1.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710000；2.長(zhǎng)安大學(xué)）

1 引言

目前，第三系半成巖的理論研究被“風(fēng)化”、“巖石”等定名束縛，局限于巖石試驗(yàn)或當(dāng)前有限的試驗(yàn)及檢測(cè)方法，不能準(zhǔn)確地通過(guò)試驗(yàn)來(lái)反應(yīng)其實(shí)際工程性質(zhì)[1]。第三系半成巖的力學(xué)強(qiáng)度低，因?yàn)樵擃悗r體抗風(fēng)化能力極差[2]，大多地質(zhì)資料認(rèn)為是強(qiáng)風(fēng)化的結(jié)果，但這類巖體是無(wú)法劃分出明顯風(fēng)化帶界限的，因?yàn)閺膸酌椎綌?shù)十米深度變化微乎其微，力學(xué)性質(zhì)變化不明顯?！稁r土工程勘察規(guī)范》指出[3]，泥巖和半成巖可不進(jìn)行風(fēng)化程度的劃分，說(shuō)明第三系泥質(zhì)巖較軟弱的特征是弱膠結(jié)原因，而非風(fēng)化結(jié)果。因此，對(duì)第三系半成巖不能進(jìn)行風(fēng)化程度的劃分。Vaughan[4]于1993年提出把土和巖石看作連續(xù)變化的工程地質(zhì)材料，土和巖石之間通過(guò)其結(jié)構(gòu)和性狀相聯(lián)系，提出一種新穎的分類觀念和研究思路，在克服土力學(xué)和巖石力學(xué)相分離的同時(shí)，以給定相應(yīng)指標(biāo)范圍的基礎(chǔ)上，將半成巖劃入到新的巖土工程分級(jí)中。

聞垣高速古城聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目起于運(yùn)城市垣曲縣華峰鄉(xiāng)車家溝村，銜接聞喜東鎮(zhèn)至垣曲蒲掌高速公路后，路線由北向南布設(shè)，途經(jīng)王茅鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn)、曹家?guī)X，終于黃河大橋橋頭前50m，接垣澠高速河南段，路線全長(zhǎng)18.10km。其中K12+000至終點(diǎn)段上部地層巖性主要為第四系新黃土及洪積老黃土，下部為第三系砂巖、泥巖。截止目前，段落內(nèi)已有3段深挖高邊坡出現(xiàn)坡面裂縫、坡體坍塌、滑坡等病害，本文對(duì)3段邊坡進(jìn)行問(wèn)題歸類，從地層巖性入手，分析邊坡出露、降雨等因素對(duì)邊坡巖土參數(shù)降低的影響及導(dǎo)致邊坡病害的產(chǎn)生原因，并以此提出防治設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為同類地區(qū)、同類邊坡的公路邊坡設(shè)計(jì)提供參考。

2 項(xiàng)目概況

聞垣高速古城聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目K12+000 至終點(diǎn)段地處山西省垣曲縣境內(nèi)，區(qū)內(nèi)上部地層巖性主要為第四系新黃土及洪積老黃土，下部為第三系砂巖、泥巖，目前3段坡面裂縫、坡體坍塌、滑坡等病害的深挖方高邊坡分別為K14+560～K14+905 段右側(cè)邊坡（滑坡）、K16+094～K16+220 段右側(cè)邊坡（坡面裂縫）、K17+560～K17+705段右側(cè)邊坡（坡體坍塌）。

2.1 K14+560～K14+905段右側(cè)邊坡概況

K14+560～K14+905 段右側(cè)邊坡為挖方邊坡，最高挖方邊坡高度位于K14+680 處（中心挖高24.73m，挖方邊坡高度42.86m）。該邊坡自2018 年2 月開(kāi)始開(kāi)挖，開(kāi)挖至四級(jí)邊坡中部，極易風(fēng)化的半成巖泥砂巖層部分揭露，為順層邊坡，之后暴露在外。2018 年3 月12 日，K14+560～K14+740 段邊坡部分坡面發(fā)生“裂縫和坍塌”，2019 年4 月至5 月中旬，K14+740～K14+760 段右側(cè)開(kāi)挖至二級(jí)邊坡中部，K14+760～K14+905 段右側(cè)開(kāi)挖至路面頂2.2m，半成巖砂泥巖進(jìn)一步揭示出露。2019 年5 月29 日，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)該段邊坡上部出現(xiàn)三道延伸3m～5m 的裂縫，且該處邊坡坡口外發(fā)育有多條貫穿裂縫，縫寬2cm～3cm，裂縫一直延伸至線外耕地處，最遠(yuǎn)處橫向距中線144.3m。6 月5 日項(xiàng)目所在地遭遇降雨，6 月11 日，原位置裂縫已有變寬跡象，最寬處約8cm，且局部有不均勻沉降，兩邊錯(cuò)臺(tái)約有20cm 高差，裂縫深度約為24m，6月14日夜即發(fā)生了較大規(guī)模的滑坡。

2.2 K16+094～K16+220段右側(cè)邊坡概況

K16+094～K16+220 段右側(cè)邊坡為挖方邊坡，最高挖方邊坡高度位于K16+230 處（中心填高1.39m，挖方邊坡高度35.24m）。該邊坡自2019 年9 月開(kāi)挖，2019 年12 月4 日，路塹開(kāi)挖至路床頂面，開(kāi)挖揭露下部地層為第三系泥砂巖，為順層邊坡。12 月6 日下午，發(fā)現(xiàn)該段右側(cè)邊坡第一級(jí)邊坡坡面、第一級(jí)邊坡平臺(tái)，第二級(jí)邊坡平臺(tái)，第三級(jí)邊坡平臺(tái)，第三級(jí)邊坡坡口外均發(fā)育有裂縫，縫寬0.5cm～1.6cm，且第一級(jí)邊坡裂縫上部坡體部分已向外剪出。12 月12 日在距中線右側(cè)205m～326m范圍位置附近，發(fā)現(xiàn)有近似與路線中線平行裂縫，縫寬1cm～10cm。12月14日，在K16+286西南側(cè)找到新裂縫，寬度2cm～20cm，裂縫長(zhǎng)度近100m。

2.3 K17+560～K17+705段右側(cè)邊坡概況

K17+560～K17+705 段右側(cè)邊坡為挖方邊坡，最高挖方邊坡高度位于K17+550 處（中心挖高45.65m，挖方邊坡高度35.50m）。該邊坡自2019 年8 月開(kāi)挖，2019 年11 月23 日下午，K17+580 處右側(cè)邊坡第三級(jí)邊坡發(fā)生部分坍塌，同時(shí)發(fā)現(xiàn)K17+580 右側(cè)第三級(jí)邊坡平臺(tái)（沿路線縱向）上發(fā)育有貫通裂縫，滑裂體前緣延伸至第二級(jí)邊坡中下部位置?；洋w部分為第三系泥砂巖，敲擊較硬，滑裂體內(nèi)部可見(jiàn)有明顯剪出面。

3 原因分析

上述3段挖方邊坡基本情況見(jiàn)表1。

表1 3段深挖方邊坡基本情況

3.1 K14+560～K14+905段右側(cè)邊坡滑坡原因分析

K14+560～K14+905 段挖方路基邊坡地質(zhì)條件極為復(fù)雜。邊坡上層為新、老黃土，下層為卵石，透水性相對(duì)較好?；瑤е饕獮榈谌瞪皫r，含水量高，遇水易軟化且持水性能強(qiáng)，使其抗剪強(qiáng)度降低，易于形成潛在滑動(dòng)面，且滑坡巖層順坡，容易產(chǎn)生順層滑坡；滑床主要為第三系泥巖，透水性差，形成一個(gè)相對(duì)阻水面，即中下部飽水后先沿砂泥巖結(jié)構(gòu)面向臨空方向滑動(dòng)，引起斜坡上部土體承受拉應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生拉張裂縫，反復(fù)灌水，抗剪強(qiáng)度降低，最終順著最大剪應(yīng)力面產(chǎn)生變形滑動(dòng)，形成統(tǒng)一的滑動(dòng)面[5]。加之隨后恰逢降雨，更使滑坡發(fā)育加劇，造成了本次滑坡的產(chǎn)生。

3.2 K16+094～K16+220段右側(cè)邊坡裂縫原因分析

K16+094～K16+220 段右側(cè)邊坡上部覆蓋厚度不等的第四系黃土（粉質(zhì)黏土），大孔隙和垂直節(jié)理發(fā)育為地表水的下滲提供了有利條件?；瑤林饕獮榈谌瞪皫r底部夾薄層泥巖，砂巖抗風(fēng)化能力極差，遇水飽和后其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)顯著降低，泥巖層黏性較大，濕——很濕，遇水軟化且透水性能差、持水性能強(qiáng)，易形成一個(gè)隔水層使上部巖體強(qiáng)度急劇下降。在持續(xù)降雨條件下，雨水通過(guò)上部黃土的大孔隙結(jié)構(gòu)及砂巖裂隙滲入至泥巖層，因其隔水性，逐漸使大量水匯聚到該層，使其含水量陡增，漸呈飽和狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度降低[6]，當(dāng)下滑力超過(guò)抗滑力時(shí)，先是坡體中下部巖土體沿該薄層泥巖層面向臨空方向滑移蠕動(dòng)，形成開(kāi)挖邊坡上的裂縫及剪出現(xiàn)象，其進(jìn)一步發(fā)展有可能引起斜坡上部土體承受拉應(yīng)力，產(chǎn)生拉張裂縫并最終形成滑坡。

3.3 K17+560～K17+705段右側(cè)邊坡坍塌原因分析

K17+560～K17+705 段右側(cè)邊坡巖質(zhì)為第三系灰綠色砂泥巖，為順層巖層，砂泥巖抗風(fēng)化能力極差[7]且具有膨脹性，這是該邊坡坍塌形成的先決物質(zhì)條件。第三系砂泥巖，呈半成巖狀態(tài)，新鮮狀態(tài)下，物理力學(xué)指標(biāo)較好，但暴露在外時(shí)，會(huì)吸水并風(fēng)化成散體狀，物理力學(xué)指標(biāo)迅速下降，當(dāng)遇降水時(shí)，產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)，形成崩塌。本挖方段落因未能做到開(kāi)挖一級(jí)、防護(hù)一級(jí)，致使坡面形成張拉裂縫，邊坡前緣形成了崩塌，進(jìn)而形成更陡峭的凌空面，加速邊坡失穩(wěn)，導(dǎo)致邊坡原有力學(xué)平衡破壞，產(chǎn)生蠕動(dòng)，進(jìn)而形成較大規(guī)模的坡面坍塌。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)于上述3段邊坡病害原因分析，其前期設(shè)計(jì)階段可采取以下措施進(jìn)行規(guī)避：

①公路選線時(shí)，結(jié)合地質(zhì)勘查結(jié)果，盡量避免開(kāi)挖第三系砂巖、泥巖順層邊坡[8]，當(dāng)不可避免時(shí)，盡量抬高路基，減小坡面開(kāi)挖高度。

②在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，巖體參數(shù)的確定除考慮新鮮巖樣試驗(yàn)結(jié)果，還應(yīng)考慮巖體裸露一定時(shí)間風(fēng)化后的力學(xué)指標(biāo)下降值，同時(shí)針對(duì)第三系砂、泥巖遇水易吸水并風(fēng)化成散體狀的特性[9]，在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)應(yīng)著重進(jìn)行飽水工況的參數(shù)選取及計(jì)算。

③邊坡坡率設(shè)計(jì)時(shí)，緩邊坡造成坡面投影面積較大，雨水更易滲入，對(duì)坡面穩(wěn)定不利，相比于放緩邊坡坡率，適當(dāng)增加平臺(tái)寬度并做好平臺(tái)排水設(shè)施能更好地的提高邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)。

④重視截、排水設(shè)計(jì)，導(dǎo)致第三系砂、泥巖參數(shù)降低最直接的影響因素為雨水滲入[10]，公路設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)邊坡平臺(tái)設(shè)置平臺(tái)截水溝、坡頂設(shè)置坡頂截水溝、坡腳設(shè)置邊溝、每級(jí)邊坡做好封閉設(shè)施等措施，將對(duì)邊坡范圍有影響的降水迅速排出，降低雨水危害。

⑤施工過(guò)程中要求開(kāi)挖坡面及時(shí)進(jìn)行防護(hù)、封閉處理，務(wù)必開(kāi)挖一級(jí)、防護(hù)一級(jí)，防護(hù)類型可選擇坡面封閉較好的護(hù)面墻、框架梁+生態(tài)袋、骨架植草等。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，我國(guó)公路建設(shè)發(fā)展十分迅速，但是由于地形和地質(zhì)等多種因素的影響，高邊坡設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中仍存在著較多的問(wèn)題，這對(duì)路基高邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)水平提出了更高的要求。本文針對(duì)于半成巖地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合聞垣高速古城聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目，對(duì)于該地區(qū)第三系半成巖砂巖、泥巖順層高邊坡易產(chǎn)生的坡面裂縫、坡體坍塌、滑坡等病害問(wèn)題進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)，為廣大基建人員提供設(shè)計(jì)參考。