路堑边坡垮塌成因分析及防治措施探讨

郑 勇

(上海建工集团股份有限公司，上海 200080)

0 引 言

正在建设中的环天府新区快速通道起于眉山市西南，途经眉山市彭山区、仁寿县，止于简阳市三岔湖旅游环线。作为眉山市北部地区一条重要的横向快速通道，联通了天府新区青龙、视高两大核心区。该项目线路全长48.5 km，设计速度为80 km/h，双向四车道，路基宽度25.5 m。它的建成将极大地改善眉山市北部缺乏东西向大通道的现状、促进眉山市与天府新区的互联互通。

该路在一年的建设过程中，有多处路堑在开挖后均出现了不同程度的垮塌现象。从几处垮塌的地方分析，垮塌的路堑边坡与开挖坡率和开挖高度关系不大，而与路堑土体的地质特征有很大的关系。尤其对于已经修整成型的高路堑边坡，边坡的垮塌造成的修复经济损失往往更大。如单纯的扩大征地范围，既浪费土地资源，征地手续办理又很麻烦；机械操作难度大；还要占用大量的人力、材料、设备，工期也同时跟着延误。本文重点阐述该项目所在区域的岩土的工程特征，介绍边坡稳定性的影响因素，并概括介绍了相应垮塌的处理方法。

1 公路路堑边地质特征

通过我们对全线垮塌区域的土样采集分析后发现，土样颜色以灰黄色、褐黄色、红黄色、红色、灰白色粘土和强风化泥岩(泥岩是指弱固结的黏土经过中等程度的后生作用形成强固结的岩石，主要成分与粘土类似)为主。该土样遇水膨胀，宜塑宜滑，失水干裂收缩。通过查阅相关文献资料，该土为典型的“成都粘土”，而边坡垮塌的主要原因就是成都粘土，地下水、裂隙水与自然降水等共同作用的结果。

1.1 成都粘土物质组成

成都粘土的矿物成分主要为伊利石，次为蒙脱石；此外，还含有少量高岭土、绿泥石和石英。在不同层次、不同颜色的粘土中，各种粘土矿物的相对含量有一定的差异。其中灰白色粘土中蒙脱石含量较高。

成都粘土的化学成分中SiO2占绝大多数，主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、NaO、MgO、CaO组成。其中主要物质含量SiO2=63.6%～69.2%；Al2O3=13.4%～15.9%；Fe2O3=6.2%～9.2%；三者总量达到了85%以上。

成都粘土的PH值在7.3～7.9，呈弱碱性，有利于生成伊利石、蒙脱石等粘土矿物。

1.2 成都粘土的工程地质特征

(1)成都粘土的物理力学性质。成都粘土的物理力学性质指标见表 1。

表1 成都粘土的物理力学性质指标

(2)成都粘土一般工程特征

从表1可看出，成都粘土塑性指数为18～33，天然密度较大，为18.7～20.7 KN/m3，天然孔隙比较小，为0.61～0.79，密实度较高，力学性能较好；压缩模量为9.00～27.00 MPa，压缩系数为0.10～0.28 MPa-1，属中等压缩性地基土。根据对28组工地现场取样原状试样物理力学指标值分析得知:项目区域土样有随天然含水率的增高，天然密度降低，孔隙比增大的规律。在天然含水率状态下原状试样的抗剪强度指标，远大于饱水状态下土的抗剪强度指标，重塑土样的抗剪强度指标高于原状试样的抗剪强度指标(说明裂隙对粘土强度的影响较大)，而且重塑土样的抗剪强度随含水率的提高而降低。

(3)成都粘土的胀缩性

从表1中的自由膨胀率可以看出，成都粘土具有弱-中等膨胀潜势。而根据该项目来看，全线约有70%区域处于弱-中等膨胀土地区。而由于膨胀土与水结合的能力，吸水膨胀，失水收缩，并具膨胀-收缩-再膨胀的往复胀缩特征，再水岩的相互作用下，极易发生路堑边坡外鼓、剥落、表层滑塌、浅层滑坡等自然灾害。

2 成都粘土边坡垮塌产生机理

2.1 大气降雨(物理效应)

由于大气降雨，降水下渗在边坡岩土体上产生润滑作用，使岩土体面上的摩阻力减小，作用在岩土体面上的剪应力效应增强，结果沿滑动面诱发岩土体的剪切运动。这个过程在滑坡体受降水入渗使得地下水位升到滑动面以上时尤其显著。同时降水下渗还使边坡岩土体产生软化和泥化效应，主要表现在对岩土体中充填物的物理性状的改变，岩土体内充填物随含水量的变化，发生由固态向塑态直至液态的弱化效应，特别是在岩土体中存在较多吸水易胀的矿物成分(如蒙脱石、伊利石等)时。因此降水对边坡岩土体产生的润滑作用及弱化效应，反映在力学上就是使岩土体的内聚力和摩擦角减小。

另外雨水下渗还通过孔隙静水压力和孔隙动水压力作用对该边坡岩土体的力学性质施加影响。前者减小滑坡体的有效正应力，从而降低滑坡体的抗剪强度，同时在裂隙中的孔隙静水压力可使原有裂隙产生扩容变形；后者对滑坡体产生切向的推力，从而降低滑坡体的抗剪强度。地下水在松散土体、松散破碎岩体及软弱夹层中运动时，对土颗粒施加横向推力，在孔隙动水压力的作用下可使岩土介质中的细颗粒物质产生移动，甚至被携出岩土介质之外，产生潜蚀而使岩土体破坏。

边坡垮塌在强降雨期间尤其容易发生。结合环天府快速通道项目在2018年夏季出现了50年一遇的强降雨，项目出现数十处大小不等的边坡垮塌及滑坡现场也说明这一点。总之，降雨对边坡岩土体的力学性质的影响主要有三个方面。

(1)雨水通过物理、化学的作用改变了边坡岩土体力学结构；

(2)雨水通过孔隙静水压力作用，影响滑坡体中的有效正应力而降低边坡岩土体的强度；

(3)雨水通过孔隙动水压力的作用，对边坡岩土体施加一个推力，即在边坡岩土体中产生一个剪应力，从而降低滑坡体的抗剪强度。

2.2 地质特征(水岩化学效应)

还有岩体中的亲水性矿物与水作用后引起体积膨胀，使岩土具有较大胀缩性。特别蒙脱石、伊利石和高岭土等膨胀土在吸水失水往复胀缩下，由于体积膨胀使不均匀的，因此岩土介质产生不均匀内应力，从而导致岩土介质的离解、碎裂、崩解以及裂隙的产生，在降雨等的综合作用下，最终造成边坡的垮塌。

2.3 人类活动

人类活动对边坡变形垮塌的影响主要表现在路堑的开挖、石方爆破作业、坡面及堑顶及后缘带的不断加载等。路堑的开挖打破原岩体的应力场的平衡，超出了该地区岩体自平衡能力；爆破作业对周围岩体的破坏主要表现在使岩体产生松动或是裂隙；坡面和坡顶的加载对岩体的危害则由于增加了坡面及坡顶的自重使岩体出现变形和开裂。总而言之，人类的活动打破了原有岩体应力场，使岩体出现变形、裂隙，在其作用下，最终由于岩体自撑能力无法抵抗岩体剪切应力而出现边坡垮塌。

3 边坡垮塌病害及防治措施

路堑边坡施工及后期运行过程中，常伴有各类边坡病害的发生，如路堑边坡剥落、冲蚀、溜塌、滑坡等地质病害。通过对该项目的路堑边坡地质病害的处理，再结合眉山地区既往公路项目的建设经验，路堑边坡施工前宜采取“要治坡，先排水”的原则，同时做到“开挖一级防护一级”以保证边坡岩体的稳定。综合治理措施主要以截排堵水、支挡防护(坡面防护、支挡防护)、刷坡减重、综合监测等处理措施。

3.1 截、排、堵水

地下水活动是诱发边坡滑坡和垮塌的主要诱因，无论是采用何种边坡处治方式，都必须先做好对地表水和地下水的处理，排除地表水和地下水的主要方式有：

(1)开挖截水沟：路堑施工前，应提前开挖截水沟，每开挖一级后根据设计要求马上施作平台截水沟，防止边坡顶面地表水下渗进入岩土体内及下流冲刷坡面。

(2)支撑渗沟：在成型坡面上开挖排水沟，沟宽0.5 m，沟高0.8 m，间距根据坡面的岩土体结构确定。沟内垫渗水土工布，同时回填粒径1～3 cm的碎石或卵石，其上再铺设渗水土工布，最后在表面覆盖素土并压实。

(3)地表注浆：部分边坡地方岩土结构松散，降水容易下渗，在坡面在施作支撑渗沟的同时，可以考虑对边坡坡顶一定区域内进行地表预注浆(水泥浆)。既可以起到固结岩土体结构，增大岩土体的抗剪强度，又能封闭岩土体裂隙，使地下水无法下渗。如果能在浆液中添加石灰，还能改善边坡土体结构化学性能，从而起到稳定边坡的目的。

3.2 支挡防护

(1)坡面防护

路基边坡坡面由于受到人为或降雨下渗、风蚀等自然条件的影响，慢慢会出现不同程度的坡面病害，如不进行坡面的有效防护，最终会导致更大的边坡病害。坡面病害主要表现为坡面剥落、落石、表面滑塌等病害。

因此对于常规的石质边坡(泥岩、粉砂岩等)，有坡面有一定的自撑能力，只需要对坡面进行防护，免收雨水冲刷，减缓温差及稳定变化的影响，防止和延缓软弱岩土表面的风化、碎裂、剥蚀的演化进程，从而起到保护路堑边坡的整体稳定。

常规坡面防护方法有：植物防护(雨水充足地区)、骨架植物防护(混凝土骨架植草、水凝混凝土空心块植草等)、圬工防护(护面墙、锚喷混凝土护坡、封面等)、土工织物防护(三维植被网)、主被动网等。

(2)支挡防护

对于土质边坡、膨胀土边坡高边坡、宜滑坡边坡等，由于岩土体应力较大且内部应力不均匀，简单的坡面防护不能保证边坡的整体稳定。因此这一类边坡除了要对坡面进行防护以外还需要保证表破坡脚的稳定。通过对坡脚修筑支挡以抵抗边坡侧向压力。

常规支挡防护方法有：矮挡墙、路堑墙、锚杆挡土墙、锚杆框架梁等。

3.3 刷坡减重

对于部分岩土体自由膨胀率不大的边坡，如有滑坡风险或已垮塌地段可以采用对路堑顶部进行刷坡减载。主要方法是将顶部边坡减缓，同时增大平台宽度，使边坡岩土体剪切应力减小，从而起到上部减重的目的。

3.4 综合监测

根据以往的经验，成都粘土地区路堑边坡均存在地质病害，只是地质病害发生的程度和大小不一样。因此作为施工管理者和项目运行单位都不能忽视边坡病害发生的可能。应定期对可能出现垮塌风险的地段进行重点监控已。特别是对膨胀土地段路堑地段、30 m以上石质边坡、20 m以上土质边坡及已发生过少量垮塌地段进行重点监控。对于雨季应加强监测频率，从源头上杜绝边坡重大边坡事故的发生。

4 结 语

本文通过对环天府新区快速通道边坡滑坡原因分析，主要受到边坡的地质、工程特征及边坡垮塌力学效应、水岩化学效应及人类活动等几个方面影响，总结出了边坡垮塌病害的变形机理。

在此基础上，依托环天府快速通道项目路堑边坡治理的经验并结合本地区相似项目的处理方法。提出了路堑边坡防治的技术措施。为以后类似项目的建设提供参考和借鉴。