葉舞高速公路膨脹土路塹邊坡調(diào)查與防護(hù)

河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 王曉峰

河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉 萍

葉舞高速公路膨脹土路塹邊坡調(diào)查與防護(hù)

河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 王曉峰

河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉 萍

中國(guó)是世界上膨脹土分布最廣，面積最大的國(guó)家之一。由于膨脹土層遇水后強(qiáng)度會(huì)極速降低，極易形成軟弱夾層，造成邊坡滑塌，因此，在膨脹土地區(qū)修建的鐵路、公路邊坡滑坡等病害十分普遍。尤其是因土方開(kāi)挖形成的路塹邊坡，由于膨脹土滑坡破壞性較大，后期處理困難，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，需采取合適的防護(hù)和加固措施，防止滑坡的產(chǎn)生。

一、膨脹土的工程特性及路塹邊坡破壞機(jī)理

1. 膨脹土的工程特性。對(duì)膨脹土的判別，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各行業(yè)也都有不同規(guī)定?！杜蛎浲恋貐^(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》將自由膨脹率大于40%和液限（76克錐）大于40%的黏性土作為判定原則?，F(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》將自由膨脹率大于40%和液限大于40%的黏性土作為判定原則，而最終的判定原則是脹總縮率大于或等于0.7%，并考慮脹縮循環(huán)變形特性，以及與其他指標(biāo)相結(jié)合的綜合判別方法。膨脹土分為強(qiáng)、中等、弱膨脹土3種類(lèi)別，如表1所示。

表1 膨脹土工程特性分類(lèi)

2. 膨脹土的功能特性。

（1）反復(fù)脹縮性。膨脹土中含有較多強(qiáng)親水性黏土礦物質(zhì)（蒙脫石、伊利石等）。當(dāng)土體浸水時(shí)，土顆粒表面的結(jié)合水膜增厚，使顆粒間距拉大，引起土體膨脹；當(dāng)土體失水時(shí)，結(jié)合水膜變薄，顆粒間距縮小，引起土體縮小。隨著土體含水量的增減，膨脹力也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。

（2）超固結(jié)性。膨脹土的超固結(jié)性是土體在地質(zhì)歷史過(guò)程中，曾經(jīng)承受過(guò)比目前上覆壓力更大的荷載作用，并已經(jīng)達(dá)到完全或者部分固結(jié)的特性。

（3）多裂隙性。反復(fù)的干縮濕脹，使土體中的裂隙發(fā)育明顯。裂隙不僅破壞土體的連續(xù)性和完整性，而且也為地表水的浸入形成了通道。而水的浸入又加速了土體的軟化及裂隙生成。此外，由于膨脹土的超固結(jié)性，在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)卸荷作用，使得土體中的應(yīng)力釋放，會(huì)產(chǎn)生大量卸荷裂隙。

（4）崩解性。膨脹土浸水后體積膨脹，在無(wú)側(cè)限條件下吸水濕化，產(chǎn)生崩解。不同類(lèi)型膨脹土的崩解性不同：強(qiáng)膨脹土浸水后幾分鐘就會(huì)完全崩解，弱膨脹土浸水后需要較長(zhǎng)時(shí)間才能逐步崩解，并且不能完全崩解。

（5）風(fēng)化特性。膨脹土受氣候因素影響，極易產(chǎn)生風(fēng)化破壞作用。

（6）強(qiáng)度衰減性。膨脹土的抗剪強(qiáng)度為典型的變動(dòng)強(qiáng)度，具有峰值強(qiáng)度高，殘余強(qiáng)度低的特性。由于膨脹土的超固結(jié)性，其初期強(qiáng)度高，隨著土體受脹縮效應(yīng)和風(fēng)化作用的影響，抗剪強(qiáng)度將大幅度衰減。

3. 路塹邊坡破壞機(jī)理。膨脹土路塹開(kāi)挖過(guò)程中由于開(kāi)挖卸荷引起土體結(jié)構(gòu)松弛和應(yīng)力狀態(tài)改變，使得邊坡土體普遍產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致各種裂隙發(fā)育和發(fā)展，從而使地表水入滲，或使土體中的水分遷移變得容易。隨著氣候、地質(zhì)環(huán)境和工程建設(shè)活動(dòng)等條件的改變，水分遷移會(huì)更加迅速，從而引起土體中內(nèi)應(yīng)力的改變，最終造成邊坡失穩(wěn)。概括說(shuō)，膨脹土路塹邊坡滑塌是土體強(qiáng)度衰減的結(jié)果，而強(qiáng)度變化主要由土體結(jié)構(gòu)與含水量?jī)蓚€(gè)因素控制。

二、葉舞高速公路膨脹土路塹邊坡調(diào)查

葉舞高速公路是焦作至桐柏高速公路的重要組成部分，北起平頂山市葉縣接南洛高速公路，向南經(jīng)舞鋼，止于平頂山與駐馬店市界，全長(zhǎng)49.96km。該項(xiàng)目區(qū)膨脹土多分布在壟崗和斜地，屬第四系中更新統(tǒng)地層，其巖性為棕紅色夾灰綠色斑塊和條紋，下部棕褐色減少。該膨脹土多含姜石，局部富集。經(jīng)過(guò)對(duì)已開(kāi)挖路塹邊坡的調(diào)查，沿線膨脹土分布情況及其各項(xiàng)物理指標(biāo)如表2所示（表中數(shù)據(jù)根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007試驗(yàn)得到）。

表2 葉舞高速公路膨脹土路塹邊坡調(diào)查

三、膨脹土路塹邊坡防護(hù)方式

在進(jìn)行路塹邊坡加固防護(hù)時(shí)，不僅需要滿足坡面綠化和工程防護(hù)穩(wěn)固的要求，而且要將工程防護(hù)與植被防護(hù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成穩(wěn)固而又生態(tài)美觀的防護(hù)體系，恢復(fù)由于工程建設(shè)而受到破壞的生態(tài)環(huán)境。葉舞高速公路由于地質(zhì)情況復(fù)雜，各路段膨脹土的物理性質(zhì)和地形地貌各不相同，因而路塹邊坡很難采用單一的防護(hù)方式。根據(jù)各路段膨脹土的工程特性，結(jié)合附近的地理環(huán)境，同時(shí)考慮環(huán)保要求，葉舞高速公路膨脹土路塹邊坡主要采用了拱形骨架、漿砌片石護(hù)面墻、土工格柵柔性擋墻和土工格室植被護(hù)坡等防護(hù)形式。

1. 拱形骨架護(hù)坡。拱形骨架護(hù)坡主要用于邊坡具有一定的穩(wěn)定性，但在雨水侵蝕或外力作用下會(huì)出現(xiàn)局部解體坍塌的路段，它可以對(duì)土體起支撐穩(wěn)固作用。葉舞高速公路K24+160～K24+495、K24+540～K24+680、K26+450～K26+680、K38+740～K39+150和K49+100～K49+840等段路塹邊坡采用此種防護(hù)形式。拱形骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)輕盈、外形美觀、造價(jià)適中，是目前高速公路首選的防護(hù)形式。通過(guò)在拱形骨架窗格間鑲砌預(yù)制小型六棱塊，使邊坡無(wú)法與外界直接接觸，可以有效防止雨水對(duì)坡體的侵蝕，保證邊坡的穩(wěn)定性；也可以在拱形骨架窗格間種植適宜當(dāng)?shù)貧夂颉⒏蛋l(fā)達(dá)的植物，既起到工程護(hù)坡的作用，又改善了原有的自然景觀。

2. 漿砌片石護(hù)面墻。漿砌片石護(hù)面墻主要用于邊坡穩(wěn)定性差、土體松散，存在滑坡、坍塌等潛在危險(xiǎn)的路段，漿砌片石護(hù)面墻類(lèi)似于擋土墻，從下向上逐漸變?。ㄏ虏亢?0cm，頂部厚30cm）。葉舞高速公路k24+495～k24+540和k26+350～k26+450段采用漿砌片石護(hù)面墻防護(hù)。這種防護(hù)形式可以平衡土體由于卸載而產(chǎn)生的向外張力，有效防止邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的滑坡、坍塌。但是，漿砌片石護(hù)面墻施工工作量大，特別是開(kāi)挖較深的路塹邊坡，材料運(yùn)輸困難，費(fèi)用明顯提高。施工中還應(yīng)在護(hù)面墻上呈菱形布置泄水孔，護(hù)面墻基礎(chǔ)下部也應(yīng)設(shè)置碎石盲溝，以利于邊坡土體滲水的排出，保證邊坡和護(hù)面墻的穩(wěn)定性。

3. 土工格柵柔性擋墻。土工格柵柔性擋墻主要指以土工織物加筋邊坡土體為主，輔以其他必要綜合處理措施的處理方案。其特點(diǎn)是支護(hù)體不但能承受土體壓力而且允許土體產(chǎn)生一定變形，可吸收邊坡土體因超固結(jié)引起的應(yīng)力釋放和含水量變化產(chǎn)生的膨脹力。另外，土工格柵柔性擋墻可有效利用原邊坡膨脹土，減少借棄土方，而且施工工藝簡(jiǎn)單，通過(guò)在柔性擋墻上部鋪設(shè)種植土，種草綠化，還可有效改善行車(chē)環(huán)境。葉舞高速公路k25+310～k25+800段右側(cè)邊坡采用了土工格柵柔性擋墻防護(hù)方案。此段邊坡上方由山體會(huì)流自然形成兩個(gè)水潭，造成此段邊坡土體含水量較大，個(gè)別位置滲流嚴(yán)重，多處路床也常處于濕潤(rùn)狀態(tài)。因此，在土工格柵柔性擋墻下部開(kāi)挖寬1.8m，深2m的滲溝，在滲溝底部和側(cè)面鋪設(shè)“兩布一膜”，作好防滲工作；在底部布置縱向帶孔PVC排水管作為縱向排水通道，然后回填碎石形成滲溝。從工程效果來(lái)看，滲溝排水通暢，路床再未受邊坡滲水影響。

4. 土工格室植被護(hù)坡。土工格室同格室內(nèi)部填土和植被一起形成一個(gè)復(fù)合加筋層，該復(fù)合加筋層具有協(xié)調(diào)變形、消減坡面徑流、固土防沖刷、快速恢復(fù)公路沿線生態(tài)、綠化邊坡、美化公路沿線景觀等功能。葉舞高速公路在K22+175～K22+725和K32+100～K32+550段邊坡采用此項(xiàng)防護(hù)形式，但K32+100～K32+550段為做好坡體排水而導(dǎo)致多處邊坡積水鼓包，甚至滑塌。通過(guò)本工程應(yīng)用來(lái)看，土工格室植被防護(hù)邊坡坡度應(yīng)根據(jù)膨脹土的物理指標(biāo)和含水量放緩邊坡，但這增加了土方開(kāi)挖的工程量。

四、結(jié)論與建議

膨脹土特殊的物理力學(xué)性質(zhì)是滑坡形成的內(nèi)因，而勘察、設(shè)計(jì)、施工中的失誤是膨脹土路塹滑坡發(fā)生、發(fā)展的外在原因。在進(jìn)行膨脹土邊坡設(shè)計(jì)、施工時(shí)，需注意膨脹土的類(lèi)別、裂隙發(fā)育情況和地下水等因素的影響，適時(shí)調(diào)整施工方案，選擇合適的膨脹土路塹邊坡防護(hù)形式。