叶舞高速公路膨胀土路堑边坡调查与防护

河南省交通科学技术研究院有限公司 王晓峰

河南建筑职业技术学院 刘 萍

叶舞高速公路膨胀土路堑边坡调查与防护

河南省交通科学技术研究院有限公司 王晓峰

河南建筑职业技术学院 刘 萍

中国是世界上膨胀土分布最广，面积最大的国家之一。由于膨胀土层遇水后强度会极速降低，极易形成软弱夹层，造成边坡滑塌，因此，在膨胀土地区修建的铁路、公路边坡滑坡等病害十分普遍。尤其是因土方开挖形成的路堑边坡，由于膨胀土滑坡破坏性较大，后期处理困难，在设计和施工时，需采取合适的防护和加固措施，防止滑坡的产生。

一、膨胀土的工程特性及路堑边坡破坏机理

1. 膨胀土的工程特性。对膨胀土的判别，目前国内外尚无统一标准，各行业也都有不同规定。《膨胀土地区建筑技术规范》将自由膨胀率大于40%和液限（76克锥）大于40%的黏性土作为判定原则。现行《公路路基设计规范》将自由膨胀率大于40%和液限大于40%的黏性土作为判定原则，而最终的判定原则是胀总缩率大于或等于0.7%，并考虑胀缩循环变形特性，以及与其他指标相结合的综合判别方法。膨胀土分为强、中等、弱膨胀土3种类别，如表1所示。

表1 膨胀土工程特性分类

2. 膨胀土的功能特性。

（1）反复胀缩性。膨胀土中含有较多强亲水性黏土矿物质（蒙脱石、伊利石等）。当土体浸水时，土颗粒表面的结合水膜增厚，使颗粒间距拉大，引起土体膨胀；当土体失水时，结合水膜变薄，颗粒间距缩小，引起土体缩小。随着土体含水量的增减，膨胀力也会相应发生变化。

（2）超固结性。膨胀土的超固结性是土体在地质历史过程中，曾经承受过比目前上覆压力更大的荷载作用，并已经达到完全或者部分固结的特性。

（3）多裂隙性。反复的干缩湿胀，使土体中的裂隙发育明显。裂隙不仅破坏土体的连续性和完整性，而且也为地表水的浸入形成了通道。而水的浸入又加速了土体的软化及裂隙生成。此外，由于膨胀土的超固结性，在边坡开挖过程中出现卸荷作用，使得土体中的应力释放，会产生大量卸荷裂隙。

（4）崩解性。膨胀土浸水后体积膨胀，在无侧限条件下吸水湿化，产生崩解。不同类型膨胀土的崩解性不同：强膨胀土浸水后几分钟就会完全崩解，弱膨胀土浸水后需要较长时间才能逐步崩解，并且不能完全崩解。

（5）风化特性。膨胀土受气候因素影响，极易产生风化破坏作用。

（6）强度衰减性。膨胀土的抗剪强度为典型的变动强度，具有峰值强度高，残余强度低的特性。由于膨胀土的超固结性，其初期强度高，随着土体受胀缩效应和风化作用的影响，抗剪强度将大幅度衰减。

3. 路堑边坡破坏机理。膨胀土路堑开挖过程中由于开挖卸荷引起土体结构松弛和应力状态改变，使得边坡土体普遍产生膨胀，导致各种裂隙发育和发展，从而使地表水入渗，或使土体中的水分迁移变得容易。随着气候、地质环境和工程建设活动等条件的改变，水分迁移会更加迅速，从而引起土体中内应力的改变，最终造成边坡失稳。概括说，膨胀土路堑边坡滑塌是土体强度衰减的结果，而强度变化主要由土体结构与含水量两个因素控制。

二、叶舞高速公路膨胀土路堑边坡调查

叶舞高速公路是焦作至桐柏高速公路的重要组成部分，北起平顶山市叶县接南洛高速公路，向南经舞钢，止于平顶山与驻马店市界，全长49.96km。该项目区膨胀土多分布在垄岗和斜地，属第四系中更新统地层，其岩性为棕红色夹灰绿色斑块和条纹，下部棕褐色减少。该膨胀土多含姜石，局部富集。经过对已开挖路堑边坡的调查，沿线膨胀土分布情况及其各项物理指标如表2所示（表中数据根据《公路土工试验规程》JTG E40-2007试验得到）。

表2 叶舞高速公路膨胀土路堑边坡调查

三、膨胀土路堑边坡防护方式

在进行路堑边坡加固防护时，不仅需要满足坡面绿化和工程防护稳固的要求，而且要将工程防护与植被防护有机结合起来，形成稳固而又生态美观的防护体系，恢复由于工程建设而受到破坏的生态环境。叶舞高速公路由于地质情况复杂，各路段膨胀土的物理性质和地形地貌各不相同，因而路堑边坡很难采用单一的防护方式。根据各路段膨胀土的工程特性，结合附近的地理环境，同时考虑环保要求，叶舞高速公路膨胀土路堑边坡主要采用了拱形骨架、浆砌片石护面墙、土工格栅柔性挡墙和土工格室植被护坡等防护形式。

1. 拱形骨架护坡。拱形骨架护坡主要用于边坡具有一定的稳定性，但在雨水侵蚀或外力作用下会出现局部解体坍塌的路段，它可以对土体起支撑稳固作用。叶舞高速公路K24+160～K24+495、K24+540～K24+680、K26+450～K26+680、K38+740～K39+150和K49+100～K49+840等段路堑边坡采用此种防护形式。拱形骨架护坡结构轻盈、外形美观、造价适中，是目前高速公路首选的防护形式。通过在拱形骨架窗格间镶砌预制小型六棱块，使边坡无法与外界直接接触，可以有效防止雨水对坡体的侵蚀，保证边坡的稳定性；也可以在拱形骨架窗格间种植适宜当地气候、根系发达的植物，既起到工程护坡的作用，又改善了原有的自然景观。

2. 浆砌片石护面墙。浆砌片石护面墙主要用于边坡稳定性差、土体松散，存在滑坡、坍塌等潜在危险的路段，浆砌片石护面墙类似于挡土墙，从下向上逐渐变薄（下部厚90cm，顶部厚30cm）。叶舞高速公路k24+495～k24+540和k26+350～k26+450段采用浆砌片石护面墙防护。这种防护形式可以平衡土体由于卸载而产生的向外张力，有效防止边坡失稳产生的滑坡、坍塌。但是，浆砌片石护面墙施工工作量大，特别是开挖较深的路堑边坡，材料运输困难，费用明显提高。施工中还应在护面墙上呈菱形布置泄水孔，护面墙基础下部也应设置碎石盲沟，以利于边坡土体渗水的排出，保证边坡和护面墙的稳定性。

3. 土工格栅柔性挡墙。土工格栅柔性挡墙主要指以土工织物加筋边坡土体为主，辅以其他必要综合处理措施的处理方案。其特点是支护体不但能承受土体压力而且允许土体产生一定变形，可吸收边坡土体因超固结引起的应力释放和含水量变化产生的膨胀力。另外，土工格栅柔性挡墙可有效利用原边坡膨胀土，减少借弃土方，而且施工工艺简单，通过在柔性挡墙上部铺设种植土，种草绿化，还可有效改善行车环境。叶舞高速公路k25+310～k25+800段右侧边坡采用了土工格栅柔性挡墙防护方案。此段边坡上方由山体会流自然形成两个水潭，造成此段边坡土体含水量较大，个别位置渗流严重，多处路床也常处于湿润状态。因此，在土工格栅柔性挡墙下部开挖宽1.8m，深2m的渗沟，在渗沟底部和侧面铺设“两布一膜”，作好防渗工作；在底部布置纵向带孔PVC排水管作为纵向排水通道，然后回填碎石形成渗沟。从工程效果来看，渗沟排水通畅，路床再未受边坡渗水影响。

4. 土工格室植被护坡。土工格室同格室内部填土和植被一起形成一个复合加筋层，该复合加筋层具有协调变形、消减坡面径流、固土防冲刷、快速恢复公路沿线生态、绿化边坡、美化公路沿线景观等功能。叶舞高速公路在K22+175～K22+725和K32+100～K32+550段边坡采用此项防护形式，但K32+100～K32+550段为做好坡体排水而导致多处边坡积水鼓包，甚至滑塌。通过本工程应用来看，土工格室植被防护边坡坡度应根据膨胀土的物理指标和含水量放缓边坡，但这增加了土方开挖的工程量。

四、结论与建议

膨胀土特殊的物理力学性质是滑坡形成的内因，而勘察、设计、施工中的失误是膨胀土路堑滑坡发生、发展的外在原因。在进行膨胀土边坡设计、施工时，需注意膨胀土的类别、裂隙发育情况和地下水等因素的影响，适时调整施工方案，选择合适的膨胀土路堑边坡防护形式。