廣東省高液限土巖土成因及邊坡病害特點與防治對策

任世璽，魏少偉，張玉芳

(1.中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116;2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 3.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;4.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

廣東省高液限土巖土成因及邊坡病害特點與防治對策

任世璽1，2，魏少偉3，4，張玉芳3，4

(1.中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116;2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 3.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;4.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

廣東省高液限土分布面積廣，成因復雜。因其具有滲透性低、細顆粒含量高、微膨脹性、浸水強度低、水穩(wěn)性差等工程特性，導致高液限土路塹邊坡不論高低均易產(chǎn)生坍塌、滑坡等邊坡病害，及表土溜坍、沖蝕等坡面病害。高液限土邊坡是廣東省高速公路邊坡處治中面臨的難題，而且針對高液限土邊坡的防治措施研究滯后。本文首次通過總結(jié)廣東省高液限土母巖種類，得出不同類型高液限土邊坡的工程特點，并對工程實例的破壞機理進行了剖析。

高液限土 邊坡 巖土成因 病害特點 防治對策

在工程中判別高液限土的3個指標為:小于0.074 mm的顆粒含量 ＞50%;液限＞50%;塑性指數(shù)＞26［1］。高液限土成因復雜，工程性狀差，具有遇水膨脹、失水收縮、吸水強度低的特點。

高液限土邊坡的病害種類多，防治難度大。對于高液限土邊坡病害機理及防治的研究較多。溫泉［2］以重慶地區(qū)高液限土為案例進行了邊坡穩(wěn)定性研究，發(fā)現(xiàn)干濕交替會嚴重影響土體抗剪強度，威脅邊坡穩(wěn)定性;另外，高液限土邊坡病害類型復雜，沖蝕、剝落、泥流、溜塌、坍滑和滑坡等病害均有可能發(fā)生，給邊坡防治帶來很大難度。李林燕［3］研究了廣東省高液限花崗巖殘積土邊坡的工程性狀，認為花崗巖殘積土的粗顆粒比普通高液限土的粗顆粒多，黏聚力小，水敏感性強，故在邊坡施工過程中，應注意邊坡的防水排水。王中文等［4］研究表明，高液限土邊坡不論高低均易產(chǎn)生病害，而且病害種類多樣，坍塌、滑坡、表土溜坍、沖蝕等均可能出現(xiàn)，坍塌和滑坡以淺層中小型為主，影響厚度大多在6 m以內(nèi)，這和風化層厚度有很大關(guān)系;溜坍和沖蝕等坡面病害多數(shù)發(fā)生在雨季，對坡面防護措施和植被造成很大的威脅。

廣東省高速公路高液限土邊坡的病害特點尤為突出，主要體現(xiàn)在高液限土邊坡分布廣、工程特性差、病害類型多等方面。本文在前人工作的基礎上，首次總結(jié)廣東省高液限土邊坡母巖成因種類，得出不同類型高液限土邊坡的工程特點，并對工程實例的破壞機理進行剖析，對今后類似工程有指導和借鑒作用。

1 廣東省高液限土邊坡巖土成因及特點

廣東省高液限土巖土成因主要包括:花崗巖地層、灰?guī)r地層、泥巖地層的風化殘積土及全強風化層。此外，珠江三角洲附近的高液限土多是河流搬運沉積形成的次生高液限土，但是該區(qū)域地勢平緩，滑坡等地質(zhì)災害不明顯，本研究不作考慮。

1.1 花崗巖地層高液限土邊坡

花崗巖的分布面積約占廣東省陸地面積的40%［5］。廣東省地處亞熱帶，在長期的外營力作用下，花崗巖類巖體表面普遍覆蓋著一層較厚的風化殘積土，一般花崗巖風化殼厚度在20～50 m，殘積土厚度在5～20 m。

因為有粗顆粒石英的存在，廣東省花崗巖殘積土多屬含砂礫亞黏土，是一類特殊高液限土，基本可將其歸為類土質(zhì)(saprolite)［6］。此類土具有一般殘積土特征，如結(jié)構(gòu)性較強，天然狀態(tài)時具有較好的力學特性，水穩(wěn)定性較差等;同時又具有高液限土含水率高、孔隙比大等特征，其邊坡工程地質(zhì)模式和失穩(wěn)破壞模式有其特殊性。一方面風化層厚、各向同性明顯的邊坡易發(fā)生圓弧面滑動破壞;另一方面，節(jié)理裂隙發(fā)育的邊坡，裂隙為地表水下滲與土中水分蒸發(fā)提供了通道，加劇了高液限土的干縮濕脹循環(huán)，導致土體結(jié)構(gòu)破壞，同時裂隙面上的次生黏土薄膜或條帶，構(gòu)成了邊坡的“促滑劑”，邊坡破壞受結(jié)構(gòu)面控制。

1.2 碳酸鹽巖地層高液限土邊坡

碳酸鹽巖系的風化產(chǎn)物也易形成高液限土。在廣東省，以灰?guī)r為主的碳酸鹽巖廣泛分布于粵北、粵西一帶，灰?guī)r區(qū)主要城市有廣州、韶關(guān)和肇慶等?；?guī)r出露部分多風化明顯，并經(jīng)紅土化作用，易形成棕紅、褐黃等色的高液限塑性黏土，這也是南方紅黏土的主要來源之一［7］。

原生紅黏土液限一般在60%以上，普遍比花崗巖殘積土的液限要高，高液限性質(zhì)更為明顯。次生紅黏土液限一般 ＞45%［8］，由于經(jīng)過紅土化作用，顆粒細而均勻，黏粒含量較高，孔隙比高，飽和度高。因此，碳酸鹽巖系的風化產(chǎn)物大部分屬于典型的高液限土。紅黏土失水收縮特征顯著，由于廣東地區(qū)氣候以亞熱帶季風氣候為主，干濕交替明顯，因此旱季時表層土體干縮，容易形成裂隙面，在雨季到來時，便會發(fā)生邊坡病害。另外，灰?guī)r中一般都含有一些白云石和黏土礦物，而當黏土礦物占到一定比重時，灰?guī)r便顯示出泥質(zhì)巖特征，泥炭質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r層中的碎屑巖夾層與灰?guī)r風化物共同構(gòu)成的坡體結(jié)構(gòu)，影響邊坡穩(wěn)定性。

1.3 泥巖地層高液限土邊坡

廣東地區(qū)高液限土的另一來源是泥巖。泥巖礦物成分復雜，主要由黏土礦物(如水云母、高嶺石、蒙脫石等)組成，其次為碎屑礦物(石英、長石、云母等)，是細粒黏土礦物成分最多的一種高液限土，性質(zhì)與黏土類似。

泥巖種類繁多，廣東地區(qū)煤系地層發(fā)育，大部分屬于炭質(zhì)泥巖，其中有機質(zhì)含量較多，約占10%～30%，抗剪強度在平時就比普通泥巖低，遇水更軟弱;陸相碎屑沉積巖(紅層)也會快速風化成泥巖［9］，紅層泥巖表層處于高溫狀態(tài)時降雨是其風化的主要原因;部分灰?guī)r在碎屑沉積巖—灰?guī)r過渡層會形成泥灰?guī)r;另外還有鐵質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖等。除了沉積作用形成的原生泥巖，在廣東地區(qū)，出露巖石風化程度較高，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙中充填泥質(zhì)夾層也很常見。泥質(zhì)夾層光滑，遇水強度銳減，常常作為滑動控制面出現(xiàn)。

2 典型實例剖析

2.1 京珠高速公路K27+263—K27+290右側(cè)滑坡

京珠高速公路K27+263—K27+290右側(cè)邊坡在運營期間發(fā)生了兩次滑動，2006年雨季期間曾發(fā)生過第一次滑動，2009年7月調(diào)查時出現(xiàn)第二次滑動。

2.1.1 邊坡工程地質(zhì)條件

該邊坡位于廣東省樂昌市梅花鎮(zhèn)。路塹位于坡麓附近坡腳地帶，地面自然坡度平緩，為15°～20°。線路于山坡中部穿過。路塹內(nèi)地層較為單一，表層多被第四系殘坡積黏土覆蓋，局部見擠壓揉皺嚴重的砂頁巖碎片，下覆灰?guī)r。表層黏土厚度大(＞15 m)，天然含水率w=38.5%，天然孔隙比e=1.14，液限WL=61%，天然重度γ=18.3 kN/m3，具弱膨脹性，為高液限土。

2.1.2 邊坡病害分析

根據(jù)已收集的技術(shù)資料，該邊坡在施工期間未發(fā)生滑動，二級坡在2006年和2009年發(fā)生了兩次滑動，具體如下:

1)第一次滑動

滑動前設計為二級坡，一級坡坡率1∶0.3，采用漿砌光面片石擋土墻，坡高10.0 m，一級平臺寬10.0 m;二級坡坡率1∶1.5，坡高15.0 m，其中K27+260—K27 +290段采用支撐滲溝，滲溝間為拱形骨架，其余地段采用六棱磚植草防護，如圖1所示。

該滑坡后緣陡坎高2.0 m，坡頂水溝外傾，前緣位于二級坡腳附近?；潞缶壓颓熬壖舫隹谝研纬?，滑面已完全貫通，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2)第二次滑動

圖1 第一次滑動前K27+280斷面原設計方案及巖性示意(單位:m)

邊坡滑動前K27+260—K27+290段二級坡下部采用2.2 m高擋土墻，墻頂以上6 m采用支撐滲溝，考慮到高液限土的水敏感性，二級坡采用漿砌片石護坡，如圖2所示。

圖2 第二次滑動前K27+280斷面原設計及巖性示意(單位:m)

坡頂截水溝出現(xiàn)縱向后緣裂縫。二級坡坡面出現(xiàn)側(cè)界裂縫。K27+215—K27+240段一級平臺下沉開裂，下沉30 mm。滑坡前緣剪出口位于一級坡?lián)鯄ι喜?，墻頂以?.0 m，調(diào)查時剪出15 mm。該段二級邊坡已出現(xiàn)滑動跡象，滑坡前緣剪出口和后緣裂縫已形成，隨時有從一級坡上部滑出的可能，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.3 滑動原因分析

兩次滑坡規(guī)模類似，滑體平均厚約6.0 m，滑動體積約1.0萬m3，屬淺層小型滑坡。該邊坡的巖土結(jié)構(gòu)類型屬細顆粒類均質(zhì)體邊坡巖體結(jié)構(gòu)，上部為相對隔水的黏土，下伏灰?guī)r，屬于上軟下硬結(jié)構(gòu)，地表水不易下滲。地下水主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水，在穩(wěn)定水位線附近及基巖頂面易形成滑面。兩次滑動均發(fā)生在雨季，邊坡滑動主要原因是殘積土層為灰?guī)r和泥頁巖風化物，厚度大，液限高，具弱膨脹性，降雨量過大導致大量雨水滲入坡殘積土層，無法及時排出，引起坡腳軟化，抗剪強度不足，從而導致沿基巖頂面的類均質(zhì)體圓弧形滑動。

第一次滑動前，二級坡坡率為1∶1.5;第二次滑動前，二級坡坡率下段達到1∶2.2，上段1∶1.2，但邊坡仍無法維持穩(wěn)定，說明高液限土邊坡自穩(wěn)性極差。第一次滑動后，邊坡增加的擋墻產(chǎn)生了“坐船效應”，沒有起到支擋作用，因此，此類邊坡需要增強加固土體的工程措施。

2.1.4 最終設計

考慮到第二次滑動前二級坡已刷緩至1∶2.2，繼續(xù)刷方不僅增大征地面積，而且也會增加坡面受雨面積，因此考慮維持原坡率，在此基礎上增強防護措施，提高土體強度，具體措施如下:

1)對二級坡坡腳的矮擋墻及二級坡(沿線路方向27 m范圍)采用錨索框架加固。

2)在二級坡坡腳擋墻外側(cè)設兩排豎向注漿鋼花管，孔深8.0 m，沿線路方向間距2.0 m。

3)一級坡?lián)鯄ι喜恳殉霈F(xiàn)變形地段采用 φ25錨桿加固。

4)對坡面、擋墻和坡頂截水溝出現(xiàn)的裂縫進行修復。

2.2 興畬高速公路K7+780—K7+850右側(cè)滑坡

該工點位于廣東省興寧市，由于受2010年6月下旬超百年一遇強降雨的影響，2010年7月1日18:00興畬高速公路K7+780—K7+850段右側(cè)邊坡出現(xiàn)滑動變形。

2.2.1 邊坡工程地質(zhì)條件

該工點區(qū)域地貌單元屬剝蝕殘丘類型，線路從小山包半山腰穿過，其走向基本與山坡走向一致，山坡由北東向南西傾斜，線路右側(cè)自然邊坡坡度為 15°～25°，場地植被發(fā)育。

該處地層由第四系坡殘積層、加里東期混合花崗巖組成。坡殘積土層由粉黏粒為主，含有15%中粗粒石英，褐紅色，平均厚度1 m?；旌匣◢弾r層從上到下依次為全、強、中風化層，全、強風化層厚28 m，基本風化成土狀，遇水軟弱、崩解，結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)充填。鉆孔資料表明，全風化層自由膨脹率44%，液限54%，為含砂高液限黏土。

2.2.2 邊坡病害分析

該邊坡原設計為三級坡，高約32 m。每級邊坡坡率均為1∶1.25，分級平臺寬2 m，分級坡高10 m;坡面均采用拱形骨架植草防護。邊坡線路走向335°，坡向245°。

由于受2010年6月下旬超過百年一遇強降雨的影響，2010年7月1日該邊坡出現(xiàn)滑動變形，后緣最大下錯約6.0 m(見圖3)，前緣反翹，邊溝蓋板反翹約10°。

圖3 塹頂后緣截水溝附近下錯6 m

滑坡后緣位于坡頂截水溝附近。后緣陡坎多處見擦痕，擦痕指向為253°(見圖4)。坡面有臨空結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀為262°∠74°，260°∠23～31°。

2.2.3 滑動原因分析

邊坡的巖土體主要為全～強風化混合花崗巖，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，泥質(zhì)充填。坡殘積物、全風化巖體具有典型高液限土特征:遇水膨脹、干燥收縮，導致結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，泥質(zhì)充填，風化深度較大;同時巖體具有泡水易軟化、崩解的特點，雨季時由于地表排水不暢，地下水的長期下滲軟化了巖土體的強度并使土體飽水。坡體內(nèi)存在順坡向的結(jié)構(gòu)面，導致邊坡產(chǎn)生沿順坡向結(jié)構(gòu)面的滑動破壞，其破壞模式為沿順坡向結(jié)構(gòu)面的滑動。

圖4 滑坡后緣擦痕明顯(指向253°)

2.2.4 最終設計(見圖5)

圖5 K7+826斷面邊坡病害防治措施示意(單位:m)

1)對于滑坡地段，主要采用刷緩邊坡 +預應力錨索框架+錨桿框架方式加固，一、二級邊坡刷緩坡率至1∶1.75，每級坡坡面設 3排錨桿，三、四級邊坡坡率1∶0.75，并在每級坡設置3排預應力錨索;對于滑坡兩側(cè)邊坡的欠穩(wěn)定區(qū)，保持原坡形坡率，采用預應力錨索框架+錨桿框架加固。

2)在滑坡區(qū)(K7+780—K7+850段)一、二級坡框架內(nèi)采用M7.5漿砌片石護面，三、四級坡采用掛網(wǎng)植草防護。

3)在坡腳碎落臺上方3.0 m設一排φ110仰斜排水孔，每孔深20.0 m，間距為2.5 m或3.0 m，在坡面滲水嚴重地段動態(tài)增加，排水孔數(shù)量及長度根據(jù)現(xiàn)場鉆孔滲水情況作適當調(diào)整。

3 不同成因高液限土邊坡病害特點總結(jié)

3.1 花崗巖高液限土邊坡病害特點

花崗巖高液限土粗顆粒較多，結(jié)構(gòu)面保留明顯，屬于類土質(zhì)邊坡，邊坡病害具有以下特點:

1)花崗巖高液限土邊坡自穩(wěn)性較強，當坡腳掏挖或坡面受外營力影響容易發(fā)生失穩(wěn)，且多半與斜坡土體含水狀態(tài)的急劇變化密切相關(guān)，邊坡病害大多發(fā)生在雨季。

2)滑坡在很多情況下沿其中隱藏的結(jié)構(gòu)面發(fā)生，在無控制性結(jié)構(gòu)面的情況下，坡度一定時，滑移面深度隨坡長的增大而減小，說明了雨水的滲透和地下水位的抬升是滑坡發(fā)生的主要誘導因素。

3)少數(shù)情況下，當邊坡中的結(jié)構(gòu)面反傾，不對邊坡的破壞起控制作用，或邊坡結(jié)構(gòu)面不明顯，整體呈類均質(zhì)體時，邊坡易發(fā)生圓弧形滑動。

4)當邊坡中的結(jié)構(gòu)面傾向坡體臨空面且傾角很大近于直立時，邊坡開挖容易引起坡體崩塌破壞［10-11］。

3.2 泥巖與灰?guī)r高液限土邊坡病害特點

泥巖與灰?guī)r高液限土邊坡母巖均為沉積巖，邊坡層面明顯，其邊坡病害具有以下特點:

1)液限相對花崗巖殘積土更高，邊坡自穩(wěn)性更差，邊坡病害相對嚴重。

2)灰?guī)r風化形成的紅土地層細顆粒多，滲透性差，為相對隔水層，降雨一旦滲入該層便不易排出，持續(xù)降雨后土體強度降低明顯。

3)泥巖地層細顆粒更多，滲透性相比灰?guī)r更差，常呈淤泥質(zhì)，若層面為順坡向，邊坡易沿該層滑動。

4 防治對策總結(jié)

以上工點都是在雨季發(fā)生滑動，這也說明了高液限土的水穩(wěn)定性差，干濕循環(huán)下土體抗剪強度降低，所以針對高液限土邊坡的防治，首要任務就是防水排水，其次在坡度選擇、開挖方式等工藝上也有一定的要求。

4.1 排水措施

排水是高液限土病害的根治措施。工程中高液限土邊坡地表排水措施一般采用截排水溝及生態(tài)防護，但在煤系及灰?guī)r風化物形成的邊坡應盡量采用漿砌全封閉措施。地下排水對保持邊坡穩(wěn)定尤為重要，其中，高液限土地區(qū)采用支撐盲溝被認為是一種可行、有效的排水措施;仰斜排水孔要特別注意運營過程的堵塞問題。

4.2 邊坡坡形、坡率選擇

建議泥巖、灰?guī)r地層緩至1∶1.75～1∶2.00，每級坡高控制在6 m;花崗巖地層緩至1∶1.50～1∶1.75，每級坡高控制在8 m。并應結(jié)合當?shù)仡愃乒こ?，采用工程地質(zhì)比擬法綜合確定高液限土邊坡坡形、坡率。

4.3 邊坡防護與加固

高液限土路塹邊坡一般均應在坡腳設置擋土墻，擋墻基礎應深入路槽以下，且≥1.5 m，并且保證墻基干燥穩(wěn)定。

對于受結(jié)構(gòu)面控制、滑動深度及范圍較大的高液限土邊坡，應采用支擋措施，如抗滑擋墻及抗滑樁等，同時輔助錨桿框架等措施進行加固;在邊坡坡面巖土體強度較高且具備較好錨固條件的情況下，才建議采用錨索。

對不受結(jié)構(gòu)面控制、滑動深度不大的高液限土邊坡，在坡腳設置擋土墻是行之有效的防治措施;同時可在坡面適當增加錨桿框架以改善巖土體受力性狀。

5 結(jié)論

1)花崗巖地層高液限土邊坡基本屬類土質(zhì)邊坡，其自穩(wěn)性能稍好，多數(shù)沿隱藏結(jié)構(gòu)面破壞，少數(shù)產(chǎn)生圓弧形滑動。其坡面易沖蝕剝落，應對坡面進行植物防護。

2)灰?guī)r和泥巖地層高液限土均為沉積巖風化產(chǎn)物，具有類似特征，如層面保存明顯，土體細顆粒多，滲透性差等。針對此類地層，宜采用防排水相結(jié)合，注漿加固封堵裂隙，并對邊坡增設錨桿錨索進行加固處理。

3)花崗巖地層高液限土邊坡自穩(wěn)能力稍好于泥巖及灰?guī)r地層，放緩坡率至1∶1.50～1∶1.75并增強加固措施被證明是有效的防護手段?；?guī)r和泥巖地層僅放緩坡率不足以保證邊坡穩(wěn)定，需與排水措施和防護加固措施相結(jié)合。為避免“坐船效應”，擋墻基礎應深入潛在滑面以下。

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(責任審編 周彥彥)

U416.1+4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.25

2015-04-05;

:2015-07-13

廣東省交通運輸廳科技項目(2011-02-008)

任世璽(1991— )，男，工程師，碩士。

1003-1995(2015)11-0084-05