炭质页岩工程特性及其边坡防护技术应用研究

杜日俊 梁日裕 赵世景 李博

作者简介：杜日俊（1993—），硕士，工程师，主要从事公路路基路面设计工作。

文章以环江县高铁站至金禾南路一级公路为例，通过野外地质调查、取样测试等方法，对环江地区炭质页岩的崩解机理、浸水抗剪强度开展研究。结果表明：（1）炭质页岩经历干湿循环后，水分渗入原生缺陷中，岩体膨胀与收缩产生裂纹，裂纹在水岩相互作用下不断扩张、贯通，岩体由块状最终崩解成小颗粒状；（2）炭质页岩的抗剪强度随着饱水时间、含水率的增加而降低。同时，根据炭质页岩的崩解性与抗剪强度受降雨影响较大这一研究结果，提出了素混凝土临时封面+植被混凝土绿化护坡方案，对环江县高铁站至金禾南路一级公路的炭质页岩路堑边坡进行防护，并取得了良好的防护效果。

炭质页岩；崩解性；浸水抗剪强度；植被混凝土绿化护坡；边坡防护

U416.1+4A040123

0 引言

炭质页岩是指含大量炭化有机质、能污手的黑色或黑灰色黏土岩，是一种易风化、崩解、碎裂、软化且工程性质随环境变化较大的特殊性岩石［1-3］。周翠英等［4］通过饱水试验分析了粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及炭质泥岩的饱水软化规律和参数变化特征。

炭质页岩广泛分布于我国西南地区，随着广西高速公路的快速发展，遇到的炭质岩问题也急剧增加，河百高速公路、融河高速公路、隆百路、三柳路、马梧路等项目均涉及炭质岩，施工过程屡次塌方，边坡防护方案变更不断，给项目建设及运营带来了极大困扰。然而，无论是国家标准、行业标准还是地方标准，都没有单独将炭质页岩列为一种特殊性岩土，也没有专门针对炭质岩的防治措施［5］。因此，对炭质页岩的工程性质及边坡稳定性进行研究，探索适合炭质页岩边坡的综合防治方法，使防治工作更趋合理和经济，具有深远意义。

本文以环江县高铁站至金禾南路一级公路为依托工程，通过野外地质调查、取样测试等研究手段，对环江地区炭质页岩的崩解机理、浸水抗剪强度开展研究，并提出了适合炭质页岩边坡的防护方式。

1 项目背景

环江县高铁站至金禾南路一级公路位于广西壮族自治区环江毛南族自治县境内，路线全长7.18 km，设计速度为60 km/h，路基宽20 m。本项目为环江高铁站与环江县城联系的重要通道，项目的建设对发挥环江县高铁站功能，改善区域交通出行条件，提高沿线交通基础设施水平，促进区域经济的发展具有重要的意义。

环江县地处桂中岩溶平原与桂西北云贵高原过渡的斜坡地带，属高丘石山地区，地势北高南低。拟建路线穿过碳酸盐岩碎屑岩地区的谷地、坡地。根据现场钻探取芯鉴定、原位测试及室内土工试验结果，岩性有冲洪积成因、残坡积成因的黏性土等，局部分布人工形成的耕植土、填筑土。该场地上覆土层为第四系人工填土层（Q4ml）、冲洪积层（Q4al+pl）、残坡积层（Qel+dl）；下伏基岩为石炭系下统岩关阶（C1y）灰岩、炭质页岩，局部夹灰岩及泥盆系上统榴江组（D3l）灰岩、泥质灰岩。

2 崩解机理研究

炭质页岩在降雨环境中受到干湿循环作用，可迅速崩解成土，强度降低，工程性质变差［6-7］。为探究炭质页岩崩解破坏机理，找到影响其遇水崩解的主要因素，本实验从环江县高铁站至金禾南路一级公路边坡工点K1+650处取微风化炭质页岩岩样进行室内遇水崩解试验。试验方法分为室内恒温干湿循环法与模拟日照干湿循环法，试验后将记录炭质页岩在崩解破碎过程中的颗粒级配变化情况。两种试验方法的试件经过6 d的干湿循环后，其颗粒级配基本不再变化，即崩解已经完成。室内恒温干湿循环崩解试件和模拟日照干湿循环崩解试件颗粒级配变化情况如表1～2和图1～2所示。

由表1、图1可知，恒温烘干崩解试验在前两次干湿循环过程中，粒径在10～40 mm的颗粒显著增加，并在之后的干湿循环中逐渐减少，与此同时，＜10 mm的颗粒呈逐渐增加的趋势。由此分析，炭质页岩前期以大颗粒崩解为主，后期以小颗粒破碎为主。由表2、图2可知，模拟日照崩解试验的颗粒崩解特征趋势大致同恒温烘干崩解实验，但其粒径＜2 mm颗粒组成大于恒温烘干崩解试验，说明日照温度变化会使炭质页岩崩解更彻底。

[=XDL（]炭质页岩工程特性及其边坡防护技术应用研究/杜日俊，梁日裕，赵世景，李 博

以上试验现象可以说明炭质页岩的崩解过程为：存在原生缺陷→水分渗入缺陷中→收缩与膨胀不一产生的应力作用于缺陷上→产生裂纹→水岩相互作用随接触面积增大而增强→裂纹持续扩张至贯通，岩体崩解成块状→裂缝向各处扩展→炭质页岩不断崩解成更小颗粒→崩解完成［8］。

3 浸水抗剪强度研究

岩石在一定水动力条件下产生的物理、化学及力学作用过程是导致工程岩体发生变形破坏的根本原因［9］，炭质页岩在天然状态下较为完整、坚硬，但遇水后易崩解、软化，从而导致力学性质大幅度降低。本研究从环江县高铁站至金禾南路一级公路边坡工点K6+800处取弱风化炭质页岩岩样，开展携带式直剪试验。分别在天然状态、饱水1 h、饱水1 d和5 d条件下进行剪切实验，结果如表3和图3～4所示。

由表3和图3～4可知，含水状态是影响炭质页岩抗剪断强度的重要因素，炭质页岩的抗剪强度随饱水时间的延长而迅速降低。饱水1 h内，c、φ值的变化速率最快；饱水1 d时，c、φ值发生了较大幅度的下降，c值下降了27.8%，φ值下降了40.1%；饱水5 d时，抗剪强度发生了大幅下降，c值下降了68.8%，φ值下降了80.9%。因此，炭质页岩在遇水后短时间内将发生力学性质软化，强度大幅度降低，对公路边坡的稳定性产生极大影响。根据以上实验结果，遇到类似岩性的边坡时，可以通过测定岩体的含水率来粗略预测该岩体的抗剪强度，为路堑边坡的稳定性评价提供依据和参考。

4 植被混凝土绿化护坡技术

炭质页岩边坡防护首先要分析影响边坡稳定性的因素，根据边坡岩性特点及其破坏模式采取合理的支护方案。

4.1 炭质页岩边坡的破坏模式

根据边坡变形滑塌的机理和特征，炭质页岩边坡的破坏模式主要分为沿岩土界面顺层滑动和浅层岩体崩解剥落两种［10］。

（1）顺层滑动是由于岩土交界面透水性差和炭质页岩遇水软化、崩解的特点，在岩土交界面处形成软弱夹层，在岩土体自重荷载和附加荷载作用下沿岩土交界面向下滑动［11］。此类破坏往往形成较大范围的滑坡，甚至可达数百米。

（2）浅层岩体崩解滑塌是由于边坡开挖后，坡面表层岩体遇水崩解、软化而产生的剥落和塌方［12］。

4.2 炭质页岩边坡防护

炭质页岩矿物组成中，含有蒙脱石、伊利石、高岭石等大量的亲水性黏土矿物，结合本文崩解机理及浸水抗剪强度研究结果，若路堑边坡开挖后坡面未及时封闭防水，在降水及干湿循环的作用下，将迅速造成炭质岩体开裂崩解，力学性质软化，抗剪强度大幅降低，最终引发边坡失稳垮塌。由此可见，影响炭质页岩物理性质的最主要因素是水，而且不管是沿岩土界面顺向滑动还是岩体表层崩解引起的塌方，降水都是边坡破坏的主要控制因素。因此，对开挖的炭质页岩边坡及时进行封水、阻水、排水是边坡防护的关键。

环江县高铁站至金禾南路一级公路对路堑边坡的防护方式采用素混凝土临时封面+植被混凝土护坡绿化，并根据地形地势情况对边坡高度＞10 m的挖方边坡设置截水沟。在炭质页岩边坡开挖后，及时喷射5 cm C20混凝土进行临时封面，第一时间保护开挖坡面，并尽快喷射植被混凝土进行绿化防护，最大限度地保护原始坡面不受降水影响。

植被混凝土绿化护坡技术是采用特定混凝土配方和混合植物种子配方对岩石边坡进行绿化和防护的新技术，其具有一定的结构强度和整体性，又是植物生长的基材，起到坡面防护、营造植被生长环境、促进植被快速生长的作用［13］。特定的混凝土是由几种功能性材料组成的植物生长基质，能够为植物生长发育提供肥料和水分。将植生基材、胶结材料、添加剂和植物种子均匀混合后喷射到边坡坡面，形成植物生长的基层，该基层具有一定强度、抗冲刷、不龟裂、能稳定附着在坡面上，为植物生长提供附着点，且不阻碍植被生长，同时对边坡起到一定的支护作用［14］。

4.3 工程应用效果

环江县高铁站至金禾南路一级公路经过一年半的施工，全线路基已经贯通，边坡防护已经基本完成，早期喷射植被混凝土的边坡已经长出了绿植。由此可见，炭质页岩边坡采用植被混凝土绿化护坡技术取得了很好的效果，有效保护了开挖坡面，同时也达到了良好的景观效果。但是施工过程中也出现了如下问题：

（1）部分炭质页岩路段边坡开挖后防护不及时，暴露时间过长，导致边坡产生滑塌。

（2）由于受到用地红线范围限制，部分炭质页岩路段边坡坡率较陡，达到1∶1～1∶0.75，导致植被混凝土附着性较差及局部炭质页岩边坡滑塌等问题。

经过工程实践，总结出炭质页岩边坡设计、施工中需要注意的事项如下：

（1）遇到类似炭质页岩的特殊性岩土边坡，从路线选线方面优化，避免出现深路堑，才是减少炭质页岩边坡塌方最根本的方法。

（2）炭质页岩挖方边坡坡率在条件允许的情况下，尽量放缓。放缓坡率是目前最有效、最安全、造价较低的边坡处理方式。

（3）影响炭质页岩挖方边坡稳定性的最主要因素是水，及时有效的封水、阻水、排水措施是确保边坡稳定的前提。施工单位进行边坡施工组织时，在保证施工效率和施工成本的同时，要兼顾边坡防护的时效性。

5 结语

本文通过野外地质调查、取样测试等研究手段，对环江地区炭质页岩的崩解机理、浸水抗剪强度开展研究，得出以下结论与建议：

（1）炭质页岩经历干湿循环后，水分渗入原生缺陷中，岩体膨胀与收缩产生裂纹，裂纹在水岩相互作用下不断扩张、贯通，岩体由块状最终崩解成小颗粒状。

（2）炭质页岩的抗剪强度随着饱水时间、含水率的增加而降低，可以通过测定岩体的含水率来粗略预测该岩体的抗剪强度，为路堑边坡的稳定性评价提供依据和参考。

（3）根据本文崩解机理及浸水抗剪强度研究结果，炭质页岩岩土性质主要受水的影响，对炭质页岩边坡及时封水、阻水、排水是边坡防护的关键。因此，提出了素混凝土临时封面+植被混凝土绿化护坡方案对环江县高铁站至金禾南路一级公路的炭质页岩路堑边坡进行防护，并取得了良好的防护效果。

（4）结合本项目的设计、施工经验，优化选线，放缓坡率，及时封水防护是处理炭质页岩边坡最简单有效的方式。

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