炭質(zhì)頁巖工程特性及其邊坡防護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

杜日俊 梁日裕 趙世景 李博

作者簡介：杜日?。?993—），碩士，工程師，主要從事公路路基路面設(shè)計(jì)工作。

文章以環(huán)江縣高鐵站至金禾南路一級(jí)公路為例，通過野外地質(zhì)調(diào)查、取樣測(cè)試等方法，對(duì)環(huán)江地區(qū)炭質(zhì)頁巖的崩解機(jī)理、浸水抗剪強(qiáng)度開展研究。結(jié)果表明：（1）炭質(zhì)頁巖經(jīng)歷干濕循環(huán)后，水分滲入原生缺陷中，巖體膨脹與收縮產(chǎn)生裂紋，裂紋在水巖相互作用下不斷擴(kuò)張、貫通，巖體由塊狀最終崩解成小顆粒狀；（2）炭質(zhì)頁巖的抗剪強(qiáng)度隨著飽水時(shí)間、含水率的增加而降低。同時(shí)，根據(jù)炭質(zhì)頁巖的崩解性與抗剪強(qiáng)度受降雨影響較大這一研究結(jié)果，提出了素混凝土臨時(shí)封面+植被混凝土綠化護(hù)坡方案，對(duì)環(huán)江縣高鐵站至金禾南路一級(jí)公路的炭質(zhì)頁巖路塹邊坡進(jìn)行防護(hù)，并取得了良好的防護(hù)效果。

炭質(zhì)頁巖；崩解性；浸水抗剪強(qiáng)度；植被混凝土綠化護(hù)坡；邊坡防護(hù)

U416.1+4A040123

0?引言

炭質(zhì)頁巖是指含大量炭化有機(jī)質(zhì)、能污手的黑色或黑灰色黏土巖，是一種易風(fēng)化、崩解、碎裂、軟化且工程性質(zhì)隨環(huán)境變化較大的特殊性巖石［1-3］。周翠英等［4］通過飽水試驗(yàn)分析了粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及炭質(zhì)泥巖的飽水軟化規(guī)律和參數(shù)變化特征。

炭質(zhì)頁巖廣泛分布于我國西南地區(qū)，隨著廣西高速公路的快速發(fā)展，遇到的炭質(zhì)巖問題也急劇增加，河百高速公路、融河高速公路、隆百路、三柳路、馬梧路等項(xiàng)目均涉及炭質(zhì)巖，施工過程屢次塌方，邊坡防護(hù)方案變更不斷，給項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)營帶來了極大困擾。然而，無論是國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還是地方標(biāo)準(zhǔn)，都沒有單獨(dú)將炭質(zhì)頁巖列為一種特殊性巖土，也沒有專門針對(duì)炭質(zhì)巖的防治措施［5］。因此，對(duì)炭質(zhì)頁巖的工程性質(zhì)及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，探索適合炭質(zhì)頁巖邊坡的綜合防治方法，使防治工作更趨合理和經(jīng)濟(jì)，具有深遠(yuǎn)意義。

本文以環(huán)江縣高鐵站至金禾南路一級(jí)公路為依托工程，通過野外地質(zhì)調(diào)查、取樣測(cè)試等研究手段，對(duì)環(huán)江地區(qū)炭質(zhì)頁巖的崩解機(jī)理、浸水抗剪強(qiáng)度開展研究，并提出了適合炭質(zhì)頁巖邊坡的防護(hù)方式。

1?項(xiàng)目背景

環(huán)江縣高鐵站至金禾南路一級(jí)公路位于廣西壯族自治區(qū)環(huán)江毛南族自治縣境內(nèi)，路線全長7.18 km，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，路基寬20 m。本項(xiàng)目為環(huán)江高鐵站與環(huán)江縣城聯(lián)系的重要通道，項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)發(fā)揮環(huán)江縣高鐵站功能，改善區(qū)域交通出行條件，提高沿線交通基礎(chǔ)設(shè)施水平，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。

環(huán)江縣地處桂中巖溶平原與桂西北云貴高原過渡的斜坡地帶，屬高丘石山地區(qū)，地勢(shì)北高南低。擬建路線穿過碳酸鹽巖碎屑巖地區(qū)的谷地、坡地。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探取芯鑒定、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，巖性有沖洪積成因、殘坡積成因的黏性土等，局部分布人工形成的耕植土、填筑土。該場(chǎng)地上覆土層為第四系人工填土層（Q4ml）、沖洪積層（Q4al+pl）、殘坡積層（Qel+dl）；下伏基巖為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階（C1y）灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖，局部夾灰?guī)r及泥盆系上統(tǒng)榴江組（D3l）灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r。

2?崩解機(jī)理研究

炭質(zhì)頁巖在降雨環(huán)境中受到干濕循環(huán)作用，可迅速崩解成土，強(qiáng)度降低，工程性質(zhì)變差［6-7］。為探究炭質(zhì)頁巖崩解破壞機(jī)理，找到影響其遇水崩解的主要因素，本實(shí)驗(yàn)從環(huán)江縣高鐵站至金禾南路一級(jí)公路邊坡工點(diǎn)K1+650處取微風(fēng)化炭質(zhì)頁巖巖樣進(jìn)行室內(nèi)遇水崩解試驗(yàn)。試驗(yàn)方法分為室內(nèi)恒溫干濕循環(huán)法與模擬日照干濕循環(huán)法，試驗(yàn)后將記錄炭質(zhì)頁巖在崩解破碎過程中的顆粒級(jí)配變化情況。兩種試驗(yàn)方法的試件經(jīng)過6 d的干濕循環(huán)后，其顆粒級(jí)配基本不再變化，即崩解已經(jīng)完成。室內(nèi)恒溫干濕循環(huán)崩解試件和模擬日照干濕循環(huán)崩解試件顆粒級(jí)配變化情況如表1～2和圖1～2所示。

由表1、圖1可知，恒溫烘干崩解試驗(yàn)在前兩次干濕循環(huán)過程中，粒徑在10～40 mm的顆粒顯著增加，并在之后的干濕循環(huán)中逐漸減少，與此同時(shí)，＜10 mm的顆粒呈逐漸增加的趨勢(shì)。由此分析，炭質(zhì)頁巖前期以大顆粒崩解為主，后期以小顆粒破碎為主。由表2、圖2可知，模擬日照崩解試驗(yàn)的顆粒崩解特征趨勢(shì)大致同恒溫烘干崩解實(shí)驗(yàn)，但其粒徑＜2 mm顆粒組成大于恒溫烘干崩解試驗(yàn)，說明日照溫度變化會(huì)使炭質(zhì)頁巖崩解更徹底。

[=XDL（]炭質(zhì)頁巖工程特性及其邊坡防護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究/杜日俊，梁日裕，趙世景，李?博

以上試驗(yàn)現(xiàn)象可以說明炭質(zhì)頁巖的崩解過程為：存在原生缺陷→水分滲入缺陷中→收縮與膨脹不一產(chǎn)生的應(yīng)力作用于缺陷上→產(chǎn)生裂紋→水巖相互作用隨接觸面積增大而增強(qiáng)→裂紋持續(xù)擴(kuò)張至貫通，巖體崩解成塊狀→裂縫向各處擴(kuò)展→炭質(zhì)頁巖不斷崩解成更小顆?！澜馔瓿桑?］。

3?浸水抗剪強(qiáng)度研究

巖石在一定水動(dòng)力條件下產(chǎn)生的物理、化學(xué)及力學(xué)作用過程是導(dǎo)致工程巖體發(fā)生變形破壞的根本原因［9］，炭質(zhì)頁巖在天然狀態(tài)下較為完整、堅(jiān)硬，但遇水后易崩解、軟化，從而導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)大幅度降低。本研究從環(huán)江縣高鐵站至金禾南路一級(jí)公路邊坡工點(diǎn)K6+800處取弱風(fēng)化炭質(zhì)頁巖巖樣，開展攜帶式直剪試驗(yàn)。分別在天然狀態(tài)、飽水1 h、飽水1 d和5 d條件下進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3和圖3～4所示。

由表3和圖3～4可知，含水狀態(tài)是影響炭質(zhì)頁巖抗剪斷強(qiáng)度的重要因素，炭質(zhì)頁巖的抗剪強(qiáng)度隨飽水時(shí)間的延長而迅速降低。飽水1 h內(nèi)，c、φ值的變化速率最快；飽水1 d時(shí)，c、φ值發(fā)生了較大幅度的下降，c值下降了27.8%，φ值下降了40.1%；飽水5 d時(shí)，抗剪強(qiáng)度發(fā)生了大幅下降，c值下降了68.8%，φ值下降了80.9%。因此，炭質(zhì)頁巖在遇水后短時(shí)間內(nèi)將發(fā)生力學(xué)性質(zhì)軟化，強(qiáng)度大幅度降低，對(duì)公路邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，遇到類似巖性的邊坡時(shí)，可以通過測(cè)定巖體的含水率來粗略預(yù)測(cè)該巖體的抗剪強(qiáng)度，為路塹邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供依據(jù)和參考。

4?植被混凝土綠化護(hù)坡技術(shù)

炭質(zhì)頁巖邊坡防護(hù)首先要分析影響邊坡穩(wěn)定性的因素，根據(jù)邊坡巖性特點(diǎn)及其破壞模式采取合理的支護(hù)方案。

4.1?炭質(zhì)頁巖邊坡的破壞模式

根據(jù)邊坡變形滑塌的機(jī)理和特征，炭質(zhì)頁巖邊坡的破壞模式主要分為沿巖土界面順層滑動(dòng)和淺層巖體崩解剝落兩種［10］。

（1）順層滑動(dòng)是由于巖土交界面透水性差和炭質(zhì)頁巖遇水軟化、崩解的特點(diǎn)，在巖土交界面處形成軟弱夾層，在巖土體自重荷載和附加荷載作用下沿巖土交界面向下滑動(dòng)［11］。此類破壞往往形成較大范圍的滑坡，甚至可達(dá)數(shù)百米。

（2）淺層巖體崩解滑塌是由于邊坡開挖后，坡面表層巖體遇水崩解、軟化而產(chǎn)生的剝落和塌方［12］。

4.2?炭質(zhì)頁巖邊坡防護(hù)

炭質(zhì)頁巖礦物組成中，含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等大量的親水性黏土礦物，結(jié)合本文崩解機(jī)理及浸水抗剪強(qiáng)度研究結(jié)果，若路塹邊坡開挖后坡面未及時(shí)封閉防水，在降水及干濕循環(huán)的作用下，將迅速造成炭質(zhì)巖體開裂崩解，力學(xué)性質(zhì)軟化，抗剪強(qiáng)度大幅降低，最終引發(fā)邊坡失穩(wěn)垮塌。由此可見，影響炭質(zhì)頁巖物理性質(zhì)的最主要因素是水，而且不管是沿巖土界面順向滑動(dòng)還是巖體表層崩解引起的塌方，降水都是邊坡破壞的主要控制因素。因此，對(duì)開挖的炭質(zhì)頁巖邊坡及時(shí)進(jìn)行封水、阻水、排水是邊坡防護(hù)的關(guān)鍵。

環(huán)江縣高鐵站至金禾南路一級(jí)公路對(duì)路塹邊坡的防護(hù)方式采用素混凝土臨時(shí)封面+植被混凝土護(hù)坡綠化，并根據(jù)地形地勢(shì)情況對(duì)邊坡高度＞10 m的挖方邊坡設(shè)置截水溝。在炭質(zhì)頁巖邊坡開挖后，及時(shí)噴射5 cm C20混凝土進(jìn)行臨時(shí)封面，第一時(shí)間保護(hù)開挖坡面，并盡快噴射植被混凝土進(jìn)行綠化防護(hù)，最大限度地保護(hù)原始坡面不受降水影響。

植被混凝土綠化護(hù)坡技術(shù)是采用特定混凝土配方和混合植物種子配方對(duì)巖石邊坡進(jìn)行綠化和防護(hù)的新技術(shù)，其具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體性，又是植物生長的基材，起到坡面防護(hù)、營造植被生長環(huán)境、促進(jìn)植被快速生長的作用［13］。特定的混凝土是由幾種功能性材料組成的植物生長基質(zhì)，能夠?yàn)橹参锷L發(fā)育提供肥料和水分。將植生基材、膠結(jié)材料、添加劑和植物種子均勻混合后噴射到邊坡坡面，形成植物生長的基層，該基層具有一定強(qiáng)度、抗沖刷、不龜裂、能穩(wěn)定附著在坡面上，為植物生長提供附著點(diǎn)，且不阻礙植被生長，同時(shí)對(duì)邊坡起到一定的支護(hù)作用［14］。

4.3?工程應(yīng)用效果

環(huán)江縣高鐵站至金禾南路一級(jí)公路經(jīng)過一年半的施工，全線路基已經(jīng)貫通，邊坡防護(hù)已經(jīng)基本完成，早期噴射植被混凝土的邊坡已經(jīng)長出了綠植。由此可見，炭質(zhì)頁巖邊坡采用植被混凝土綠化護(hù)坡技術(shù)取得了很好的效果，有效保護(hù)了開挖坡面，同時(shí)也達(dá)到了良好的景觀效果。但是施工過程中也出現(xiàn)了如下問題：

（1）部分炭質(zhì)頁巖路段邊坡開挖后防護(hù)不及時(shí)，暴露時(shí)間過長，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生滑塌。

（2）由于受到用地紅線范圍限制，部分炭質(zhì)頁巖路段邊坡坡率較陡，達(dá)到1∶1～1∶0.75，導(dǎo)致植被混凝土附著性較差及局部炭質(zhì)頁巖邊坡滑塌等問題。

經(jīng)過工程實(shí)踐，總結(jié)出炭質(zhì)頁巖邊坡設(shè)計(jì)、施工中需要注意的事項(xiàng)如下：

（1）遇到類似炭質(zhì)頁巖的特殊性巖土邊坡，從路線選線方面優(yōu)化，避免出現(xiàn)深路塹，才是減少炭質(zhì)頁巖邊坡塌方最根本的方法。

（2）炭質(zhì)頁巖挖方邊坡坡率在條件允許的情況下，盡量放緩。放緩坡率是目前最有效、最安全、造價(jià)較低的邊坡處理方式。

（3）影響炭質(zhì)頁巖挖方邊坡穩(wěn)定性的最主要因素是水，及時(shí)有效的封水、阻水、排水措施是確保邊坡穩(wěn)定的前提。施工單位進(jìn)行邊坡施工組織時(shí)，在保證施工效率和施工成本的同時(shí)，要兼顧邊坡防護(hù)的時(shí)效性。

5?結(jié)語

本文通過野外地質(zhì)調(diào)查、取樣測(cè)試等研究手段，對(duì)環(huán)江地區(qū)炭質(zhì)頁巖的崩解機(jī)理、浸水抗剪強(qiáng)度開展研究，得出以下結(jié)論與建議：

（1）炭質(zhì)頁巖經(jīng)歷干濕循環(huán)后，水分滲入原生缺陷中，巖體膨脹與收縮產(chǎn)生裂紋，裂紋在水巖相互作用下不斷擴(kuò)張、貫通，巖體由塊狀最終崩解成小顆粒狀。

（2）炭質(zhì)頁巖的抗剪強(qiáng)度隨著飽水時(shí)間、含水率的增加而降低，可以通過測(cè)定巖體的含水率來粗略預(yù)測(cè)該巖體的抗剪強(qiáng)度，為路塹邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供依據(jù)和參考。

（3）根據(jù)本文崩解機(jī)理及浸水抗剪強(qiáng)度研究結(jié)果，炭質(zhì)頁巖巖土性質(zhì)主要受水的影響，對(duì)炭質(zhì)頁巖邊坡及時(shí)封水、阻水、排水是邊坡防護(hù)的關(guān)鍵。因此，提出了素混凝土臨時(shí)封面+植被混凝土綠化護(hù)坡方案對(duì)環(huán)江縣高鐵站至金禾南路一級(jí)公路的炭質(zhì)頁巖路塹邊坡進(jìn)行防護(hù)，并取得了良好的防護(hù)效果。

（4）結(jié)合本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化選線，放緩坡率，及時(shí)封水防護(hù)是處理炭質(zhì)頁巖邊坡最簡單有效的方式。

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