炭質(zhì)巖路塹邊坡特性及防護對策分析

牛毛毛

摘要 炭質(zhì)巖作為一種碳含量較高的特殊巖石，在我國西南地區(qū)分布較廣，具有初始強度大、遇水易軟化、對環(huán)境較敏感等特性，與空氣接觸后極易產(chǎn)生崩解、風(fēng)化，嚴重影響路基邊坡穩(wěn)定性，威脅道路運營安全。為有效提升炭質(zhì)巖路塹邊坡的防護效果，保證邊坡安全性、穩(wěn)定性，延長道路運營壽命，文章以某高速公路路塹邊坡防護為背景，針對炭質(zhì)巖路塹邊坡特性及防護對策展開綜合探究，介紹了炭質(zhì)巖的礦物組成、力學(xué)特性，分析了炭質(zhì)巖路塹邊坡的破壞機理，并提出了“噴射有機固化劑+客土噴播綠化”的邊坡防護措施。通過實體工程試驗，取得了顯著成效，驗證了該防護措施的可行性，具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞 高速公路項目；路塹邊坡；炭質(zhì)巖；工程特性；破壞機理；生態(tài)修復(fù)

中圖分類號 U416.14文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0132-03

0 引言

炭質(zhì)巖主要分布于我國華北區(qū)域，通常位于地表土層及植被之下，天然狀態(tài)下強度較高，對光、熱、水較為敏感。高速公路建設(shè)中開挖暴露出的炭質(zhì)巖，與空氣接觸后急劇風(fēng)化，在雨水作用下快速崩解、軟化，強度顯著降低，如果施工處治不當(dāng)，極易產(chǎn)生路塹邊坡失穩(wěn)、坍塌等災(zāi)害，嚴重影響道路使用安全[1]?，F(xiàn)有炭質(zhì)巖路塹邊坡防護措施，如微型樁、框格梁、護面墻等，在工程實際應(yīng)用中取得了顯著效果，使公路路塹邊坡穩(wěn)定性得到大幅度提升，但同時也對周邊生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的破壞，與當(dāng)前我國倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展理念相悖。因此，為有效提高炭質(zhì)巖路塹邊坡的防護效果，滿足生態(tài)修復(fù)的實際需要，該文依托實際工程案例，系統(tǒng)分析了炭質(zhì)巖路塹邊坡的防護對策，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

某高速公路設(shè)計總長度為108 km，采用雙向四車道布置，時速為100 km/h，路基寬為26 m。沿線地形以丘陵、山地為主，K55～K75路段分布大量炭質(zhì)巖，巖層分布以海陸交錯的沉積型頁巖、粉砂巖及煤層為主。道路建設(shè)區(qū)域內(nèi)炭質(zhì)泥巖分布較廣，工程特性較差，嚴重影響路基邊坡的穩(wěn)定性[2]。

該高速公路施工區(qū)域內(nèi)邊坡表層為第四系殘坡積碎石土，深度介于3～8 m范圍，土質(zhì)致密堅硬。沿線植被較為茂盛，巖層以黑色為主，泥質(zhì)構(gòu)造，層理分明；表層巖層風(fēng)化程度較大，成節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙內(nèi)存在較多炭質(zhì)黏土，質(zhì)地松散；局部巖層較為破壞，炭質(zhì)頁巖、粉砂巖交錯分布，中間存在松散夾層；下部為中風(fēng)化巖層，表面平滑，致密堅硬。

施工區(qū)域內(nèi)地下水主要源于大氣降水，地表土層透水性較差，地下水位較深，邊坡受地下水影響較小。天然狀態(tài)下邊坡較穩(wěn)定，未出現(xiàn)失穩(wěn)、坍塌等問題，地質(zhì)勘察環(huán)節(jié)極易忽略對炭質(zhì)巖層的綜合評估。在邊坡開挖過程中，炭質(zhì)巖與空氣接觸后，在較短時間內(nèi)快速風(fēng)化崩解為破碎巖體，強度顯著降低，邊坡穩(wěn)定性大幅度下降；局部存在剝落、輕微滑坡現(xiàn)象，但表層碎石層破壞嚴重，出現(xiàn)較大牽拉裂縫。

2 炭質(zhì)巖礦物組成

根據(jù)該項目實際情況，選擇6個部位提取炭質(zhì)巖試樣，對其礦物成分實施檢測。檢測結(jié)果顯示，相較于常規(guī)泥質(zhì)巖類，炭質(zhì)巖含有親水性與吸熱性良好的礦物質(zhì)，如方解石、高嶺石等，其中方解石呈不規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)，形狀多樣；高嶺石主要為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，炭質(zhì)呈棉絮狀，在巖體內(nèi)部呈無規(guī)則分布。炭質(zhì)巖與普通碎屑巖存在顯著差異，工程特性較差，對光、熱、水等較為敏感，暴露于空氣中易產(chǎn)生裂解、軟化，嚴重影響邊坡的穩(wěn)定性[3]。其主要成分如表1所示。

3 炭質(zhì)巖物理力學(xué)特性

炭質(zhì)巖構(gòu)造形式及力學(xué)特性直接決定巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，其礦物成分是判定邊坡穩(wěn)定性重要的指標。巖體構(gòu)造可根據(jù)實地測量數(shù)據(jù)，綜合確定巖層厚度及是否存在軟弱巖層面，而力學(xué)強度可通過現(xiàn)場或室內(nèi)試驗得到[4-6]。

該項目施工區(qū)域內(nèi)路塹開挖暴露出的炭質(zhì)巖主要呈薄-厚層狀，走向與邊坡斜交，能有效增強邊坡穩(wěn)定性。結(jié)合室內(nèi)試驗檢測結(jié)果，并依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，得到炭質(zhì)巖邊坡相關(guān)力學(xué)指標如表2所示。

由表2可知：天然狀態(tài)下，炭質(zhì)巖力學(xué)性能較為突出，中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖層抗壓強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角較大，質(zhì)地堅硬，穩(wěn)定性較高；而強風(fēng)化炭質(zhì)泥巖夾煤層抗壓強度、黏聚力及內(nèi)摩擦角較小，低于上覆黏土層，穩(wěn)定性較差。結(jié)合各巖層力學(xué)參數(shù)進行綜合評估，天然狀態(tài)下炭質(zhì)巖路塹邊坡的穩(wěn)定性良好，而當(dāng)內(nèi)部分布強風(fēng)化炭質(zhì)泥巖夾煤層時，邊坡穩(wěn)定性會有所下降，尤其對于走向與邊坡相同的夾層，極易引發(fā)邊坡滑坡，試驗結(jié)果與現(xiàn)場實際情況完全相同。

4 炭質(zhì)巖路塹邊坡破壞機理

4.1 炭質(zhì)巖對邊坡穩(wěn)定致災(zāi)因素

根據(jù)炭質(zhì)巖礦物組成及物理力學(xué)特性分析結(jié)果，并參照邊坡勘察資料，對邊坡失穩(wěn)原因進行綜合分析，主要內(nèi)容如下：

（1）抗風(fēng)化能力差：炭質(zhì)巖工程特性較差，對環(huán)境較為敏感，與空氣接觸后極易產(chǎn)生風(fēng)化。對于質(zhì)地堅硬、強度較高的中風(fēng)化炭質(zhì)巖，在極短時間內(nèi)發(fā)展為破碎狀，強度迅速下降，邊坡穩(wěn)定性顯著降低，并伴有輕微滑坡現(xiàn)象。

（2）膨脹崩解軟化性強：炭質(zhì)巖含有大量的高嶺石，吸水性強，且極易膨脹。路基邊坡開挖過程中，炭質(zhì)巖逐漸暴露于空氣中，在短時間內(nèi)會產(chǎn)生崩解、膨脹，形成高液限泥質(zhì)土，且不可逆轉(zhuǎn)。炭質(zhì)巖遇水崩解軟化，強度急劇降低，巖質(zhì)邊坡逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥临|(zhì)邊坡，從而造成以巖質(zhì)邊坡標準設(shè)計的坡率與土質(zhì)邊坡不適用的情況，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生滑坡?，F(xiàn)場提取試樣進行試驗檢測，得到泥炭土相關(guān)力學(xué)指標如表3所示。

（3）軟弱夾層：路基邊坡巖層中普遍存在炭質(zhì)巖與頁巖互層，在厚度較大的泥巖中夾雜薄層炭質(zhì)巖或煤層，層厚為10.0～50.0 cm，強度低，穩(wěn)定性差。而對于走向與邊坡方向相同的巖層，邊坡開挖使巖層處于臨空狀態(tài)，在互層處易產(chǎn)生順層滑移，并且與軟土地基較為類似，承載能力較低，導(dǎo)致淺層巖層產(chǎn)生沉降，從而帶動上部巖層發(fā)生滑動。而就反傾層狀的巖質(zhì)邊坡，軟弱夾層基本不會對邊坡的整體穩(wěn)定性造成不利影響。

4.2 炭質(zhì)巖路塹邊坡破壞模式

坡面破壞：邊坡坡面破壞形式主要包括破碎剝離、塌方或局部崩塌等，具體出現(xiàn)在中風(fēng)化巖質(zhì)邊坡坡面，主要是邊坡表面的炭質(zhì)巖由于受光、熱、水等因素聯(lián)合作用，產(chǎn)生了表面裂縫，隨著裂縫的不斷發(fā)展，逐漸形成破碎狀，并與母體結(jié)構(gòu)分離；受自身重力作用影響，產(chǎn)生表層滑移，其深度通常介于1.0～3.0 m范圍，呈現(xiàn)逐步發(fā)展趨勢，尤其對于濕熱條件下的破壞更加嚴重[7]。

圓弧滑塌：圓弧滑塌常出現(xiàn)在全-強風(fēng)化炭質(zhì)巖的邊坡，在雨水及風(fēng)化聯(lián)合作用下，炭質(zhì)巖產(chǎn)生裂縫、泥化，強度顯著降低，產(chǎn)生圓弧形滑坡，滑塌深度通常為3.0～5.0 m，嚴重時會引發(fā)牽拉式滑移，以雨季最為顯著。

沿軟弱結(jié)構(gòu)面的坍塌、滑坡：此類破壞形式常出現(xiàn)在炭質(zhì)頁巖與砂巖互層的邊坡，邊坡開挖過程中，炭質(zhì)巖層與空氣接觸，在光、熱、雨等各種環(huán)境因素的聯(lián)合作用下，發(fā)生了裂解、軟化，強度顯著降低，產(chǎn)生連通型裂縫，造成邊坡沿斷層滑移；裂縫帶與軟弱結(jié)構(gòu)面大致相同，表面相對平整，邊坡滑移范圍與結(jié)構(gòu)面深度密切相關(guān)，通常由局部位置逐漸延伸至整個邊坡，由下而上逐漸發(fā)展，最后造成邊坡整體滑移。

5 炭質(zhì)巖路塹邊坡防護

5.1 處治原則

在山區(qū)道路施工過程中，由于地形復(fù)雜，必然要進行高填、深挖等施工，從而產(chǎn)生高邊坡、高路堤。高邊坡往往高達幾十米，給邊坡的安全性帶來了很大挑戰(zhàn)。為確保開挖高邊坡的穩(wěn)定性，除了常用措施及單純利用擋土墻墻體自身的重量平衡邊坡的土壓力和滑下力之外，還有許多輕型支擋新技術(shù)，已被采用并開發(fā)出來。在路塹邊坡施工過程中出現(xiàn)炭質(zhì)巖后，應(yīng)立即采取防護措施，隔絕空氣、水、光、熱等介質(zhì)，避免巖層產(chǎn)生風(fēng)化、崩解，防止出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，主要防護措施包括噴射混凝土、固化劑、植被防護等，同時可采用土工布進行覆蓋。具體處治原則如下：

（1）邊坡開挖前，針對頂部容易產(chǎn)生積水的部位，應(yīng)合理設(shè)置排水溝、截水溝，防止周邊雨水沖刷邊坡造成破壞；邊坡開挖完成后，應(yīng)盡快完成急流槽修建，同時對于地下水發(fā)達的部位應(yīng)加強降排水工作，避免地下水對炭質(zhì)巖層造成滲透、侵蝕等破壞。

（2）結(jié)構(gòu)完成的中風(fēng)化炭質(zhì)巖邊坡，穩(wěn)定性較高，應(yīng)加強邊坡的坡面防護，具體措施包括錨噴、噴射混凝土、客土噴播、混凝土框格等。

（3）全-強風(fēng)化巖邊坡極易產(chǎn)生圓弧滑坡，應(yīng)合理優(yōu)化邊坡坡率，保證邊坡的整體穩(wěn)定性，邊坡防護時應(yīng)先設(shè)置必要的支擋設(shè)施，如微型樁、擋土墻等，然后實施坡面防護。

（4）針對含有順層軟弱炭質(zhì)巖夾層的邊坡，應(yīng)對邊坡實施削坡處理，使其達到自然穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)無法進行削坡時，應(yīng)對其穩(wěn)定性實施驗算，采取支擋措施后再對坡面實施防護。

5.2 防護試驗

現(xiàn)階段，采取噴錨混凝土對路基邊坡實施防護，技術(shù)已相當(dāng)成熟，但由于混凝土厚度較大，后期植被恢復(fù)困難，與生態(tài)環(huán)保理念相悖，該技術(shù)并不適用。因此，該試驗采用“噴射有機固化劑+客土噴播綠化”方案。

防護原理：以有機硅為固化材料，有機硅與水反應(yīng)生成致密薄層覆蓋于炭質(zhì)巖表面，起到封閉阻水的效果。

實體工程試驗效果：現(xiàn)場任意選取一個部位實施試驗，坡高為15.0 m，巖層為大厚度中風(fēng)化炭質(zhì)巖、灰?guī)r交互，強度較高，穩(wěn)定性良好。采用“噴射有機固化劑+客土噴播綠化”方案進行防護處理后，邊坡穩(wěn)定性得到顯著提升，植被恢復(fù)效果良好[8]。

6 結(jié)論

綜上所述，該文結(jié)合實際工程案例，系統(tǒng)分析了炭質(zhì)巖路塹邊坡的破壞機理，并提出了科學(xué)有效的防護對策，具體結(jié)論如下：

（1）炭質(zhì)巖通常位于第四系殘坡積土層下部，天然狀態(tài)下強度較高，穩(wěn)定性好。

（2）炭質(zhì)巖內(nèi)部含有親水性與吸熱性良好的礦物質(zhì)，對光、熱、水等較為敏感，與空氣接觸后，極易產(chǎn)生風(fēng)化，遇水易崩解軟化，強度急劇下降，從而引發(fā)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。

（3）炭質(zhì)巖邊坡破壞形式主要包括坡面破壞、圓弧滑塌及沿軟弱結(jié)構(gòu)面坍塌、滑坡等，邊坡整體穩(wěn)定性良好，淺層存在局部破壞現(xiàn)象。

（4）工程實踐中，應(yīng)根據(jù)炭質(zhì)巖工程特性、結(jié)構(gòu)組成及邊坡破壞機理等，科學(xué)選擇邊坡穩(wěn)定性的評估方法，并采取科學(xué)有效的支擋及坡面防護措施，以有效提升邊坡穩(wěn)定性。

（5）針對整體性、穩(wěn)定性較好的炭質(zhì)巖邊坡，采取“噴射有機固化劑+客土噴播綠化”防護措施，能有效增強邊坡穩(wěn)定性，并利于生態(tài)恢復(fù)。相較于噴射混凝土防護技術(shù)，該方法不僅工藝簡單，成本低，還能有效改善路域環(huán)境，提高生態(tài)效益。

該文通過對炭質(zhì)巖邊坡工程特性及破壞機理的探究，提出了“噴射有機固化劑+客土噴播綠化”生態(tài)防護措施，并取得了良好的效果，但仍存在諸多不足之處，有待進一步研究。

參考文獻

[1]方愛華. 復(fù)合型噴混植生結(jié)構(gòu)在炭質(zhì)巖邊坡防護中的應(yīng)用[J]. 西部交通科技， 2020（10）： 16-19.

[2]郭新新， 朱安龍， 王萬平， 等. 高應(yīng)力炭質(zhì)板巖隧道大變形特征及其機理分析[J]. 隧道與地下工程災(zāi)害防治， 2021（4）： 29-39.

[3]查俊， 龔文宗， 李耀華. 強降雨下炭質(zhì)巖滑坡群形成機制及治理研究[J]. 西部交通科技， 2022（5）： 36-39.

[4]柳旻， 夏玉云， 喬建偉， 等. 炭質(zhì)板巖工程特性的鉆孔彈模試驗研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報， 2022（S1）： 114-120.

[5]高小虎， 李帥， 宋桂龍， 等. 高速公路巖石路塹邊坡不同恢復(fù)年限植被固碳量變化特征[J]. 草原與草坪， 2023（4）： 105-112.

[6]劉卓華， 黃小桂， 駱俊暉. Singh-Mitchell蠕變模型在炭質(zhì)巖隧道圍巖變形分析中的應(yīng)用[J]. 中外公路， 2020（3）： 210-213.

[7]鄧勝強， 駱俊暉， 米德才， 等. 基于改進Weertman模型的炭質(zhì)巖隧道圍巖蠕變特性研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2020（3）： 128-134.

[8]陳冠軍. 炭質(zhì)頁巖順層滑坡的動態(tài)設(shè)計與治理[A]. 2019水利水電地基與基礎(chǔ)工程新技術(shù)——中國水利學(xué)會地基與基礎(chǔ)工程專業(yè)委員會第15次全國學(xué)術(shù)會議論文集[C]. 昆明：中國水利水電出版社， 2019： 615-618.