軟弱砂泥巖互層公路路基邊坡整治案例分析

摘要：文章通過探討廣西北部泉南高速公路邊坡工程的三個(gè)整治案例，分析軟弱砂泥巖互層邊坡因砂巖與泥巖不同的工程特性、互層狀況與受褶皺等地質(zhì)構(gòu)造影響而經(jīng)常發(fā)生的邊坡穩(wěn)定性問題，并介紹使用于軟弱砂泥巖互層的邊坡穩(wěn)定工法，包括預(yù)應(yīng)力地錨、擋土排樁、擋土墻、平衡荷載式填土與土釘?shù)?，對軟弱砂泥巖互層邊坡工程的調(diào)查設(shè)計(jì)與施工重點(diǎn)提出歸納建議，為類似地形及地質(zhì)條件的邊坡工程提供設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：軟弱砂泥巖互層;邊坡坍滑;邊坡整治

中圖分類號：U418.5+2A150563

0 引言

近年來，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，廣西有限的平原地區(qū)已趨于開發(fā)飽和，因此北部山地地區(qū)的開發(fā)與利用成為必然的趨勢。廣西北部的地層多為砂巖、頁巖、泥巖及其互層所組成的軟弱基巖，在此種地層興建公路或進(jìn)行坡地開發(fā)工程，會(huì)經(jīng)常發(fā)生開挖或填土?xí)r邊坡坍滑的問題，因此了解邊坡崩塌的原因并選擇適當(dāng)?shù)恼未胧┦墙煌I(lǐng)域的重要課題。本文以泉南高速公路中邊坡坍滑整治的實(shí)際案例，說明軟弱砂泥巖互層基巖的邊坡問題與整治對策，并給出調(diào)查、設(shè)計(jì)與施工重點(diǎn)的建議。

1 建設(shè)條件

本文所探討的公路位于廣西北部，沿線所出露的地層主要為更新世晚期的紅土礫石層及全新世的河階堆積、河床沖積、崩塌堆積與扇狀堆積。本文所探討邊坡整治案例的地層主要由砂巖與泥巖互層及其上覆的崩積層所組成。其中，泥巖厚度大多≤1 m;崩積層的組成物則包括表土、受擾動(dòng)的風(fēng)化砂巖、紅土及礫石。與案例相關(guān)的主要地質(zhì)構(gòu)造線包括A背斜與B向斜構(gòu)造。A背斜位置在路線南側(cè)且穿越部分路段（見圖1），大約呈東北—西南走向，向西南傾沒，其西北翼巖層傾角較陡（約>60°），而東南翼傾角較緩（約<30°），為不對稱的背斜構(gòu)造。B向斜構(gòu)造的走向亦大致呈東北—西南方向（見圖2），其西北翼巖層傾角較陡，東南翼較緩，導(dǎo)致本公路位于B向斜軸西北側(cè)的邊坡大部分屬于順向坡，且路線經(jīng)過多處舊崩塌區(qū)，產(chǎn)生許多邊坡失穩(wěn)問題[1]。

一般而言，泥巖的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于砂巖，尤其當(dāng)?shù)叵滤疂B至泥巖后，將破壞其顆粒間的膠結(jié)與鍵結(jié)，發(fā)展成富水層而增加顆粒間的斥力，致使泥巖產(chǎn)生膨脹與強(qiáng)度明顯降低的軟化情形。此外，泥巖的透水性亦遠(yuǎn)低于砂巖，由于泥巖的阻水作用使地下水長存在砂巖中，不易向下入滲至泥巖層，以致泥巖的表面易軟化而成為不穩(wěn)定的弱面，使邊坡沿此弱面發(fā)生坍滑[2]。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，本公路沿線泥巖的粉土含量>50%，在土體分類上屬低塑性黏土。根據(jù)巖石單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，砂巖與泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度平均分別約為23.4 kg/cm2與10.1 kg/cm2。另外，根據(jù)試驗(yàn)室以巖心預(yù)切成兩片巖樣在不浸水情況下進(jìn)行的巖石反復(fù)直接剪切試驗(yàn)結(jié)果顯示：砂巖的有效粘聚力為0，峰值摩擦角大多介于33°～44°，殘余摩擦角則介于25°～36°;泥巖的有效粘聚力為0，峰值摩擦角介于29°～35°，而殘余摩擦角則介于22°～27°。

2 案例1——背斜構(gòu)造對高路塹邊坡的影響

本案例路段的路塹為6階，邊坡總高度約為60 m，坡比采用1[KG-*4]∶[KG-*8]1.5。根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)的地質(zhì)調(diào)查，推測A背斜軸以極小的角度與路線相交，故原先分析此路段的西北側(cè)開挖邊坡均為逆向坡，設(shè)計(jì)時(shí)全部采用格構(gòu)式護(hù)坡與植生作為邊坡保護(hù)措施。但在邊坡開挖至第二、三階時(shí)，因連日降雨導(dǎo)致大規(guī)模的坍滑。根據(jù)施工階段的地質(zhì)復(fù)核結(jié)果，背斜軸的實(shí)際位置應(yīng)向西偏約20°，即由右側(cè)開挖邊坡的第三、四階坡附近穿過，因此位于背斜軸東南翼的邊坡應(yīng)為順向坡（傾角約為20°～30°），而位于西北翼的邊坡屬逆向坡。

經(jīng)分析，本路段的基巖因受褶皺所產(chǎn)生的張力裂隙及節(jié)理的影響而特別破碎，且褶皺所引起砂巖及泥巖的層間滑動(dòng)使泥巖的剪力強(qiáng)度降低，因此在連續(xù)降雨后發(fā)生邊坡坍滑。經(jīng)詳細(xì)研究本路段的地質(zhì)狀況及坍滑原因后，采用預(yù)應(yīng)力地錨、擋土排樁、橫向地下排水管、噴凝土及土釘作為穩(wěn)定設(shè)施，其中地錨的預(yù)應(yīng)力為80 t，排樁的直徑為1.5 m，長度為12 m，排水管的長度為20 m。

3 案例2——擋土墻在順向坡的應(yīng)用

本路段邊坡高約15 m，根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，此路段屬舊崩坍區(qū)，開挖施工前亦有邊坡坍塌的記錄。此邊坡位于B向斜構(gòu)造的西北翼，屬順向坡，但考慮巖層平緩（傾角約為5°），且基于經(jīng)濟(jì)性的考慮，原設(shè)計(jì)僅采用格構(gòu)式卵石護(hù)坡。施工期間，當(dāng)完成第二階約5 m高的坡面開挖，并已設(shè)置格構(gòu)護(hù)坡，正向下進(jìn)行第一階開挖時(shí)，在暴雨過后產(chǎn)生坡面坍滑，坡頂下陷約1 m。根據(jù)施工階段的地質(zhì)復(fù)核結(jié)果，本路段為老舊崩坍區(qū)，崩積層土質(zhì)松軟易透水，暴雨期間因雨水入滲，使泥巖軟化，且實(shí)際的巖層傾角約為6°～10°，因此在泥巖開挖出露后發(fā)生順向坡的坍滑?？紤]本路段當(dāng)時(shí)正進(jìn)行全面的土方工程，施工空間足夠且施工機(jī)具可靈活調(diào)度，其邊坡處治方案為將軟弱的泥巖置換成強(qiáng)度較高的夯實(shí)土體，形成一類似重力式擋土墻的土體，以抵抗邊坡的滑動(dòng)力。其施工的重點(diǎn)依序?yàn)椋海?）以跳槽方式分段進(jìn)行開挖;（2）完全清除坡面出露的泥巖層;（3）在背面及底部設(shè)置完善的排水層;（4）嚴(yán)格要求填土的滾壓夯實(shí);（5）坡面進(jìn)行植生護(hù)坡并設(shè)置排水系統(tǒng)。擋土墻的主要特色系利用現(xiàn)有崩塌材料進(jìn)行回填，避免棄土問題，其表面在植生綠化后的外觀與自然邊坡無異，較一般預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)更能符合景觀的要求，且費(fèi)用較為經(jīng)濟(jì)，工期一般亦較短。配合現(xiàn)場狀況、紅線限制及工期要求，擋土墻的材料亦可采用石籠或加勁邊坡方式構(gòu)筑[3]。

4 案例3——高填方順向邊坡的整治

本路段屬填方路段，填土高度最大約為35 m，修成四階，每階最大高度為10 m，坡度采用1[KG-*4]∶[KG-*8]2。原地表多洼地、灌溉用蓄水池及舊河道，地層主要由厚層砂巖與泥巖所構(gòu)成，并夾有砂頁巖與薄泥巖互層的構(gòu)造。根據(jù)航拍判斷及地表地質(zhì)調(diào)查等結(jié)果，本區(qū)系屬古老崩塌區(qū)，主要的地質(zhì)構(gòu)造為在路線東南側(cè)

通過的B向斜（見圖3）。因此，本路段的高路堤系填筑在向斜構(gòu)造的西北翼順向坡上。本路段的路堤填筑至約15 m高（高程約98 m）時(shí)，在施工路面及其附近發(fā)現(xiàn)多處裂隙，根據(jù)傾斜管與水壓計(jì)的監(jiān)測與調(diào)查結(jié)果顯示，滑動(dòng)面主要為泥巖弱面。由采用自滑動(dòng)面上的巖樣（包含泥巖滑動(dòng)面）所進(jìn)行的巖石反復(fù)直接剪力試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)位移量約為50 mm時(shí)，其相對應(yīng)的有效摩擦角約為10°。此外，由本路段邊坡滑動(dòng)面的剪力強(qiáng)度反推算分析結(jié)果顯示，泥巖的有效殘余摩擦角僅為9.6°左右。因此，本路段邊坡滑動(dòng)的主要原因包括：泥巖的強(qiáng)度低、順向巖層、向斜軸的高地下水壓等[4]。

由于滑動(dòng)面相當(dāng)深，且滑動(dòng)力極大，本路段采用在坡腳及溪谷設(shè)置平衡荷載式填土作為整治措施，填土最大高度約達(dá)18 m，填方總計(jì)約為28萬m3。在設(shè)計(jì)及施工時(shí)考慮的重點(diǎn)依序?yàn)椋捍_認(rèn)向斜構(gòu)造的正確位置、清除填土前的原有地表植生與軟弱土體、設(shè)置完善的地下與地表排水系統(tǒng)、適當(dāng)?shù)貪L壓夯實(shí)回填土等。根據(jù)傾斜管與水壓計(jì)的監(jiān)測結(jié)果顯示，本路段在填土整治后邊坡即趨穩(wěn)定[5]。

5 結(jié)語

根據(jù)泉南高速公路三個(gè)邊坡坍滑整治案例的調(diào)查、設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，本文可歸納結(jié)論與建議如下：

（1）泥巖因水分入滲軟化與開挖后出露坡面而發(fā)生的順向坡滑動(dòng)，為砂泥巖互層邊坡中最常發(fā)生的破壞形式。

（2）泥巖易因浸水而膨脹，并明顯降低強(qiáng)度，形成破壞弱面。因此設(shè)計(jì)與施工時(shí)首先應(yīng)為盡量避免水分入滲至泥巖層表面，設(shè)計(jì)時(shí)亦應(yīng)考慮采用泥巖浸水軟化狀況下的強(qiáng)度而進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。若泥巖位于向斜或背斜構(gòu)造附近，或?yàn)楸捞幕瑒?dòng)弱面，則設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用其殘余強(qiáng)度。

（3）地質(zhì)構(gòu)造的位置對砂泥巖互層邊坡的穩(wěn)定影響極大，路堤及路塹應(yīng)盡量遠(yuǎn)離向斜或背斜等構(gòu)造，或使其盡可能與這些構(gòu)造垂直相交。設(shè)計(jì)前的地質(zhì)調(diào)查須有足夠的精確度，尤其是當(dāng)邊坡與褶皺等構(gòu)造距離近、交角小或甚至位置重合時(shí)。在調(diào)查階段若因地表植生或崩積層覆蓋以致巖層露頭不足，建議可采用挖掘槽溝、探查坑或在鉆孔中進(jìn)行巖心定位等方法以提高調(diào)查精度。施工期間應(yīng)根據(jù)邊坡開挖所顯露的巖性、位態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造與滲水等資料，驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)的調(diào)查結(jié)果，并研究原設(shè)計(jì)的邊坡穩(wěn)定措施是否安全經(jīng)濟(jì)。

（4）除了排水工法之外，在砂泥巖互層基巖中可采用預(yù)應(yīng)力巖錨、擋土排樁、擋土墻、平衡荷載式填土或土釘?shù)裙しㄗ鳛檫吰路€(wěn)定措施，此五種工法均各有其特性及優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)依實(shí)際工程性質(zhì)，并考慮費(fèi)用與工期等條件，選擇最適宜的工法。

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作者簡介：李天寶（1984—），工程師，研究方向：交通土建。