红砂岩地区路基边坡的防护

专注地信

1  引言
    红砂岩及其风化层大范围地分布在我国岭南地区，它主要为白垩系、第三系的内陆河湖相碎屑岩建造，后经喜马拉雅地壳构造运动，地面抬升，形成山脉。在构造运动中，水平岩层在弯曲和倾斜过程中发生层间错运。层间软弱夹层在剪切力作用下，形成层间剪切，夹层原来的结构遭到破坏，岩性发生变化。红砂岩的工程地质特征主要表现为：(1)岩体在分布上具有明显的不均匀性；(2)岩层具有软硬相间，交互成层的多元层状结构；(3)岩层倾角较缓，褶皱舒缓，密度小而贯通长度大，边坡岩体破碎，透水性强。受亚热带气候影响，红砂岩特别容易风化崩解，层间剪切带逐渐被泥化，使其长期强度降低。因此，红砂岩地区路基边坡的病害较多。
    本文结合省道1949线花坪至仁化县城段改建工程实践，介绍红砂岩地区路基及其边坡的破坏机理和防护治理措施。
2  工程概况
    省道1949线花坪至仁化县城段全长18．7km，其中16．4km为二级公路，2．3km为一级公路，全程都在韶关市仁化县城，整个路线都处在红砂岩地区。工程于2001年9月开工，2003年11月第一期工程完工。这条道路是世界地质公园丹霞山通往京珠高速公路的主要道路，对韶关仁化县的旅游开发和经济发展具有深远的影响。在整个线路中，有挖方路基边坡7处，根据工程地质特性可以分为致密砾石土、含高液限粘土、粉层高液限粘土等三种类型。
3  边坡防护措施
3．1  致密砾石土类型
    在桩号K18+500、K20十150处，岩石主要为粒状碎屑结构，含有大颗粒砂砾及少数碎石，其成份可以占到总体积的15％—20％，碎石粒径可以达到2-4cm。其成因是沉积岩在形成过程中水流湍急，破碎的岩石在水中搬运距离不长，砂砾及碎石中可见到未磨损的棱角，颗粒大小不均匀，粘土矿物含量比较小，岩体在分布上相对来讲也比较均匀。在地壳构造运动过程中，岩性变化不大，岩石层状走向与地面平行。其风化层也比较薄，厚度在2—5m之间。岩石整体性较好，工程地质性质也比较稳定。在K18+500右侧的路基边坡高达36m，按设计1：0．75开挖至今，未出现任何地质病害。另外，此处土方作为路基填料，能够形成水稳定性较强的砂砾土，满足路基各项工程指标，是路基填料的理想材料。
3。2  含高液限粘土类型
3。2．1  滑坡概况
    在K26+400、K27+000两处，岩土工程地质性质基本相同，岩石风化程度较大，风化层厚度在8。10m。岩土呈泥状结构，粘土矿物高岭石和伊利石等含量比较高，液限最高达53％，自由膨胀率最高达45％。它的成因是沉积岩在形成过程中水流平稳，沉积颗粒搬运时间较长，粒径较小且比较均匀，遇水后与水相结合，工程地质特性发生变化。此处岩土的水稳定性很差，无论是作为边坡还是作为路基填料，都要经过特殊处理。
    该类岩土按设计1：1的边坡开挖后，开始还比较稳定。但是在雨水天气，岩石中的粘土矿物与水相结合，体积膨胀。后又经高温阳光天气，粘土矿物失水，体积收缩。反复作用后，岩土的强度逐渐衰减，层间粘结力和摩擦力相应降低，内摩擦角降至8°—11°，从而在这两处均出现了不同程度的  图1中滑坡体前缘为挤压破坏，后缘为拉裂破坏，在滑坡体与滑坡床之间为剪切破坏，这种滑坡是蠕滑一拉裂型。由于边坡坡体吸水后自重加大，向临空方向发生剪切蠕滑，坡面下沉，变形体后缘发育自地表向深部发展的拉裂。受最大剪应力面分布状况控制，坡体中发展为破坏面的潜在剪切面，实际为一自地表向下递减的剪切蠕变带。随着坡面的蠕滑，拉裂面向深处扩展，达到潜在剪切面，造成剪切面上剪应力集中。地表水沿拉裂面渗入坡体，从而又促进蠕滑的发展，削弱剪切面的抗剪强度，最后被剪断而导致滑坡。滑坡后缘为拉裂带，滑动面出露部分为滑坡断壁，滑坡前缘受挤压，隆起成丘。
3．2．2  K26+400处边坡处治措施
    该处边坡高度约为15m，坡顶有两处照明线路电杆，拆迁难度小，费用不高，故首选削坡减载方案，土石方开挖量不大，经济上较为合理。
    (1)施工时先清除表面已滑动的松土，并削坡至1：1．5的边坡坡度。
    (2)边坡开挖过程中做好临时排水措施，整平夯实边坡，填筑积水坑，并用粘土封堵图1中滑坡张拉破坏d处的裂缝，以防地表水继续渗入边坡体。同时在边坡坡顶发生裂缝以外不小于5m处设置截水沟，以截断流向滑动面的地表水。
    (3)在图1中坡脚挤压b处增设重力式挡土墙，其基础置于剪切面以下约1／3墙高的硬岩层上(如图2所示)。
    (4)经以上措施处理后，该处边坡稳定且未发生进一步的滑塌。
3．2．3  K27+000处边坡处治措施
    该处滑坡发生在边坡开挖初期，未达到路基设计标高时，坡顶滑动拉裂处以外约8m有一高压电杆，产生较大的安全隐患。
    迁移该高压电杆的费用较高，约50万元以上，并且在迁移过程中，会引起短时停电，给用电用户带来损失，社会影响比较大。同时采取削坡减载方案，将增加土石方约7500m3，造价约10万元，并且大量的弃方将增大耕地的占用面积。通过经济分析与论证，结合施工组织与工期等因素，设计采用抗滑桩加护面墙及人字形网格植草护坡的综合治理方案。该方案的优点是施工时可以在坡脚边坡未开挖的情况下先实施预加固，待桩体达到一定强度后再开挖坡脚土体，这样就不至于引起坡脚开挖时对边坡土体的扰动，对整个边坡的开挖较有利。该方案经计算增加造价约35万元，在经济上也比较可行。
    (1)该综合治理方案主要包括：
    ①在滑坡坡脚处增设20根抗滑桩，桩径为200cm，桩距为2．75m，桩芯浇筑C15片石砼。抗滑桩外侧设一厚30cm的混凝土挡土墙。
    ②抗滑桩上部设宽度20m、厚30cm、外边坡坡度为1：1．5、内边坡为1：1．45的护面墙。内布置梅花型泄水孔，间距为2m。护面墙两侧设人字形护坡，其间植草。
    ③护坡顶距滑动裂缝处以外设环状截水沟(如图3)。
    ④护坡上设支撑渗沟。
    (2)施工顺序及要点：   
    ①首先立即停止对边坡的进一步开挖，把未运走的土方运回压在图1中b处滑坡前缘隆起挤压处，形成反压，对坡脚起到一个稳定的作用。
    ②撤出原来堆放在边坡坡体与坡顶处的部分材料与设备，减轻边坡荷载，并对坡顶的高压电杆采取必要的临时加固措施，以消除安全隐患。
    ③设置施工临时排水设施，并用粘土将坡顶裂缝封堵，防止地表水继续渗入坡体，冲刷边坡。
    ④边坡土体稳定后进行抗滑桩的施工。抗滑桩为人工挖孔，开挖浇筑采用间隔性，以防再次扰动滑动坡体，顺序按沿纵向由两侧向中间依次开挖。挖孔桩在施工期间加强对边坡变形的监测，确保施工安全。由于及时在坡脚采取增加土体反压、加强临时排水、清除坡体上的荷载等措施，抗滑桩在施工过程中边坡稳定，坡体未继续下滑。
    ⑤抗滑桩在浇筑混凝土之后，须待其强度达到设计强度的80％以上后，才能清除抗滑桩之下滑坡体前反压的土方。同时进行护面墙、人字形网格护坡及支撑渗沟等坡面防护工程施工，以及完成坡顶截水沟的施工。
    ⑥抗滑桩完成后开挖桩前土体至设计路基标高，浇筑桩前挡土墙，并及时完善排水边沟。
    (3)处治效果：
    经过上述对K27+000处边坡滑坡的一系列综合整治措施，从整治工程竣工完毕至今，已经历了三个强降雨季节，边坡非常稳定。说明采取的各种措施是成功的，而且从经济上看也是比较合理的。经整治后的边坡如图4所示。
3．3  粉质高液限粘土类型
    K35+620处设计为一级公路，边坡高度8m。岩土主要呈粒状碎屑结构，其中碎屑主要为细砂，颗粒粒径小，粘结力较低，因而其整体性结构差。粘土矿物含量相对比较高，液限达46％。这种岩土在适当的含水量下可以发生液化，该边坡在开挖过程中就发生了局部溜坍。．因此，对于这种边坡，施工时采用间隔性开挖方法，开挖一段，支护一段。除了用机械清除溜坍土方，用人工对坡面整平夯实，填筑积水坑，以防坡面积水。对于坡面上已出现的裂缝，用粘土堵塞。开挖坡度降至1：1．5，并采用重力式挡土墙支护。
4  结语
    由于红砂岩的工程地质特性复杂多变，所以在红砂岩地区进行路基边坡的施工，应具体问题具体分析，真正做到经济可行，技术合理。对于路基边坡地质病害，应及早预防，及早采取措施。
    (1)对红砂岩土进行工程地质分析，确定其结构构造，分析其结构组成，风化程度等。尤其是对于颗粒细小，粘土矿物含量高，在地壳构造运动中岩性变化较大的岩土，路基边坡设计不能按常规方法处理，坡度适当放缓并加以支护。
    (2)应研究岩石的构造，观察岩层中是否有软弱夹层，对于有软夹层的岩石应予高度重视。另外，观察岩层走向同边坡是否一致，若一致或有相对较小的夹角，就要防止红砂岩边坡的深、浅层滑坡。风化层较厚的边坡粘土含量大，遇水后也可能发生滑坡。
    (3)边坡在开挖过程中应做好临时排水措施，尽量减少雨水渗入边坡土体或冲刷边坡，从而引起塌方、滑坡等病害。  
    (4)边坡开挖后应及时做好坡面防护并完善排水工程，减小开挖后的坡面在干湿循环及雨水作用下的不利影响。
    (5)由于红砂岩工程地质复杂，路堑边坡设计时有必要采取比类似工程趋于保守的坡度。
    (6)红砂岩路堑边坡应综合采取支挡防护与坡面防护相结合的方式，并尽量采用全封闭的坡面防护。设置一些支撑土体的浆砌片石骨架，对抵御暴雨冲刷的效果会更好。