膨胀岩边坡的危害及其防护措施

贾泽钰 仝可欣 马佳骥

(1.石家庄铁道大学国防交通研究所,河北 石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学交通运输学院,河北 石家庄 050043)

0 引言

随着我国高速公路网的不断完善，已建或在建山区高速公路边坡灾害日益凸显，其中膨胀岩边坡失稳破坏越来越引起人们的关注。山区高速公路的膨胀岩边坡滑坡、溜塌等失稳破坏对行车安全构成了严重威胁，关注膨胀岩边坡病害，分析其主要特征，总结其灾害类型，提前采取应对的防范措施，对确保高速公路运输畅通无阻，保证高速行车安全具有重要意义。

1 膨胀岩的特点及其对边坡稳定性的影响

1.1 裂隙性

裂隙性是膨胀岩最重要也是最特殊的性质之一，膨胀岩的裂隙强度远远低于其本身的土体强度。天然膨胀岩体中存在着大量由于构造、风化、成岩、卸载等作用自然成形裂隙。岩体裂隙的成因各有不同，又相互联系，构造裂隙由其构造应力决定，包含张开裂隙和剪切裂隙，发育程度和作用强度与其构造环境密切相关。卸荷、风化裂隙的产生时常伴随着成岩裂隙和构造裂隙。裂隙的存在破坏了岩体结构面的连续性、使岩体局部应力集中而且加剧了其风化作用。因此，膨胀岩体中的裂隙存在，使其比其他岩石更易发生破坏。

1.2 膨胀性

膨胀岩的膨胀性对边坡的影响主要表现在以下方面：首先，在降水作用、地表水或地下水的作用下，坡体内岩体的膨胀变形被周围岩体制约，岩石微粒间的吸附作用和结构面之间的连接强度会降低，导致岩体强度衰减，边坡稳定性降低[1]。膨胀岩吸水膨胀，诱发膨胀节理裂隙，使岩石更破碎，加速风化剥蚀破坏。

1.3 超固结性

膨胀岩超固结性与岩石所处的地质环境和地质构造应力有关。膨胀岩地质沉积时间较长，地层压实度高，从而导致其超固结性。超固结性既影响坡面风化病害特征又影响坡体破坏形式，膨胀岩的超固结性直接影响到其工程性质。

膨胀岩的裂隙性、膨胀性、超固结性对坡体稳定性的影响不是孤立存在的，而是相互作用，共同影响的。所以，在讨论膨胀岩边坡破坏原因时要综合考虑各种因素的影响。

2 膨胀岩边坡破坏类型及相应防护措施

2.1 坡面破坏类型

自然情况下风化作用无处不在，由于膨胀岩特殊的特性，导致其更易发生风化破坏。坡面破坏由于气候作用范围和自然应力的控制，其发生位置一般为地面以下1 m左右。坡面破坏类型主要有以下两种：

1)边坡表面剥落。膨胀岩在干湿冻融的循环作用下，岩石破碎成大小约0.5 cm～5 cm的碎块，在重力和雨水等自然因素的综合作用下，在坡脚或者台阶处堆积。当坡面风化程度较低，膨胀岩岩性较好时，剥落物呈碎块状，粒径较大。当坡面风化程度较强，膨胀岩岩性较差时，剥落物的粒径较小。坡脚堆积物需及时处理，否则会阻塞排水沟，导致排水不畅，如落在车道上，会威胁行车安全。在有骨架护坡支撑的坡面上，如对剥落落石不经处理，会架空骨架护坡从而失去其应有的支撑保护作用[2]。

2)边坡局部溜塌。在风化的作用下，岩体内部裂隙与节理面产生、发育、扩展，其整体性遭到严重破坏，岩石被割裂成破碎块状。当有外部降雨时，破碎岩土体呈饱水状态，并在重力和流水的作用下向下移动，从而形成溜塌。膨胀岩风化越严重越容易发生局部溜塌，溜塌体的厚度在0.5 m～1.0 m。边坡溜塌的产生与坡率关系不大。当边坡为成岩较弱或风化较重的中等膨胀岩石时，溜塌可能产生在坡面的任何部位。由膨胀性泥质岩和非膨胀性岩石组成的边坡，由于岩层之间的风化差异，当构造节理对溜塌发育有利时，易诱发局部溜塌灾害[3]。

2.2 坡面破坏的防护措施边坡表层的膨胀岩，在风化作用下，岩体风化程度会沿着构造面向岩石深层发育，使岩体强度降低，诱发坡面病害。因此，防风化在膨胀岩坡面防护中的重要性就凸显出来。坡面防护的措施主要有：浆砌片石护坡、浆砌片石骨架护坡、表面喷射混凝土、水泥砂浆抹面、锚杆挂网喷射混凝土和钢纤维混凝土喷锚等。如边坡整体稳定，可采用的措施有浆砌片石、锚杆挂网喷射混凝土和钢纤维混凝土喷锚等。浆砌片石护坡适用于成岩较好且为弱～中等膨胀岩构成的低矮边坡。锚杆挂网喷射混凝土和钢纤维混凝土喷锚防护适用于成岩较好的弱膨胀岩边坡。水泥砂浆或混凝土抹面适用于成岩较好的弱膨胀岩边坡，但由于水泥或者混凝土与膨胀岩粘结性不佳，难以形成工作整体，使得抹面易脱落，效果不佳。

2.3 坡体破坏类型

膨胀岩边坡坡体破坏类型主要有以下两种：

1)坍塌。边坡坍塌产生的原因是：由于边坡坡脚应力集中，岩体吸水膨胀以及岩体结构破碎等因素导致岩体强度降低，工程性质变差。坍塌体的范围主要取决于岩体的结构面的位置，其厚度为1 m～5 m。坡体的坍塌病害不仅与风化作用有关还与坡率及岩体结构面的发育特征等有关。

2)滑坡。滑坡破坏是指膨胀岩在雨水冲刷、地震、人类活动等因素共同作用下，沿岩体中的软弱带产生整体或部分位移滑动。滑坡规模、速度、距离及积蓄的位能及动能影响滑坡强度[4]。滑坡体位置越高、体积越大、速度越快、距离越远，则强度越高，破坏越大。滑坡的规模由岩石及岩体软弱结构面的位置决定的，因而其滑坡规模差别很大。

2.4 坡体破坏的防护措施

1)坍塌破坏的防护。常用的防护措施有重力式挡土墙、锚杆框架梁、锚杆挡墙等。不同防护措施适用条件不同，现场资料表明，重力式挡土墙适用于弱～中等的膨胀岩边坡。锚杆框架和锚杆挡墙适用于膨胀岩堑坡。

2)滑坡破坏的防护。现阶段膨胀岩滑坡的防护措施以各种类型的抗滑桩、抗滑档土墙和锚杆挡墙为主。抗滑桩和抗滑挡土墙适用于大部分膨胀岩边坡的治理。桩板墙防护适用于极为破碎的膨胀岩岩体滑坡。值得注意的是，新型的玻璃纤维锚杆为边坡治理提供了新的方法，此类型的锚杆具有更高的强度指标，并且与岩体连接性较好，具有更高的粘结强度，因此具有很好的发展前景。另外，在进行防护措施设计时，需要进行岩心地质勘探由此选取合适的计算设计指标。

3 膨胀岩边坡的治理原则

3.1 严格控制含水率

膨胀岩边坡的防护要严格控制边坡的含水率，目的是避免裂隙水或地下水侵蚀岩体。因此，坡顶、坡脚及坡体的含水率控制措施显得十分重要，保水防渗的好坏在一定情况下可以决定防护措施的有效与否。

3.2 因地制宜

边坡防护措施不是一成不变的，不同地区膨胀岩物理、力学特性会有很大差别，其防护措施应结合具体膨胀岩的岩性，岩层组合特征及边坡的高度、坡率等因素综合考虑，做到“一坡一方案，一坡一治理”。

4 工程案例概况

某高速典型膨胀岩边坡，如图1所示。

此边坡为人工岩质永久性边坡，共六级台阶，其中一级坡面为浆砌片石防护，局部裸露，一级以上坡面完全裸露。节理裂隙非常发育，主要节理两条，相互垂直分布。三级坡面及以上部分岩性主要为膨胀岩，现状表现为典型的坡面病害，剥落现象严重，在常年风化作用下，膨胀岩的组织结构发生严重破坏呈破碎状，强度指标大大降低。

4.1 技术路线

通过现场踏勘分析，此项研究关键为边坡裸露膨胀岩在长期自然条件作用下结构破坏引发滑塌问题，研究内容需要充分考虑降雨、长期风化、地震等不良工况，通过动态监测数据，对膨胀岩边坡长期稳定性做出预测，并提出针对性的防护方案。因此，研究的整体思路如图2所示。

4.2 防护措施与稳定性评价研究的实施细则

1)地质资料测绘及监测。

各级台阶上共布置15个监测点，形成三个监测断面，监测频率，正常情况7 d～15 d监测一次，降雨、雪期间，每周监测一次，监测周期为1年，见图3，图4。

2)室内实验。膨胀岩岩样取5组15块，规格大小满足实验要求，进行岩芯实验，常规岩层试样进行常规物理、力学实验，膨胀岩实验内容包括：

a.膨胀岩的基本物理指标：密度、干密度、重度、孔隙率、含水量、塑限、液限、最大干密度、最优含水量、平均粒径、不均匀系数、渗透系数；

b.膨胀岩的力学指标：自由膨胀率、膨胀含水率、凝聚力和内摩擦角值、单轴抗压强度。

3)模型计算。三维地质模型计算采用现场测绘数据，最大程度的反映原始地形地貌，地层力学性质采用实验室实验数据，运用膨胀岩本构模型，分别计算饱水工况、地震工况，计算分析边坡的长期稳定性，计算如表1所示，特殊工况指地震工况。

表1 模型计算数据表

5 结语

本文介绍了膨胀岩的特性和其对边坡的破坏类型的影响，以及膨胀岩边坡的坡面、坡体破坏形式及其防护措施，得出膨胀性岩体是在多种外应力条件共同作用下产生的变形，其诱发因素不是独立存在而是相互影响的结论。

坡面风化作用继续向岩体深部发展会导致坡体破坏，因此，膨胀岩边坡的防护，应遵循严格控制含水率、坡面与坡体防护、因地制宜相结合的原则。膨胀岩由于其复杂特性，使得岩体的实际力学指标比室内试验低得多。因此，进行防护措施设计时还需通过现场地质勘察来确定岩体的设计计算参数值。最后，通过具体工程实例为膨胀岩边坡的防治提供了思路。