广东省高液限土岩土成因及边坡病害特点与防治对策

任世玺，魏少伟，张玉芳

(1.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116;2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116; 3.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;4.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

广东省高液限土岩土成因及边坡病害特点与防治对策

任世玺1，2，魏少伟3，4，张玉芳3，4

(1.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116;2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116; 3.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;4.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

广东省高液限土分布面积广，成因复杂。因其具有渗透性低、细颗粒含量高、微膨胀性、浸水强度低、水稳性差等工程特性，导致高液限土路堑边坡不论高低均易产生坍塌、滑坡等边坡病害，及表土溜坍、冲蚀等坡面病害。高液限土边坡是广东省高速公路边坡处治中面临的难题，而且针对高液限土边坡的防治措施研究滞后。本文首次通过总结广东省高液限土母岩种类，得出不同类型高液限土边坡的工程特点，并对工程实例的破坏机理进行了剖析。

高液限土 边坡 岩土成因 病害特点 防治对策

在工程中判别高液限土的3个指标为:小于0.074 mm的颗粒含量 ＞50%;液限＞50%;塑性指数＞26［1］。高液限土成因复杂，工程性状差，具有遇水膨胀、失水收缩、吸水强度低的特点。

高液限土边坡的病害种类多，防治难度大。对于高液限土边坡病害机理及防治的研究较多。温泉［2］以重庆地区高液限土为案例进行了边坡稳定性研究，发现干湿交替会严重影响土体抗剪强度，威胁边坡稳定性;另外，高液限土边坡病害类型复杂，冲蚀、剥落、泥流、溜塌、坍滑和滑坡等病害均有可能发生，给边坡防治带来很大难度。李林燕［3］研究了广东省高液限花岗岩残积土边坡的工程性状，认为花岗岩残积土的粗颗粒比普通高液限土的粗颗粒多，黏聚力小，水敏感性强，故在边坡施工过程中，应注意边坡的防水排水。王中文等［4］研究表明，高液限土边坡不论高低均易产生病害，而且病害种类多样，坍塌、滑坡、表土溜坍、冲蚀等均可能出现，坍塌和滑坡以浅层中小型为主，影响厚度大多在6 m以内，这和风化层厚度有很大关系;溜坍和冲蚀等坡面病害多数发生在雨季，对坡面防护措施和植被造成很大的威胁。

广东省高速公路高液限土边坡的病害特点尤为突出，主要体现在高液限土边坡分布广、工程特性差、病害类型多等方面。本文在前人工作的基础上，首次总结广东省高液限土边坡母岩成因种类，得出不同类型高液限土边坡的工程特点，并对工程实例的破坏机理进行剖析，对今后类似工程有指导和借鉴作用。

1 广东省高液限土边坡岩土成因及特点

广东省高液限土岩土成因主要包括:花岗岩地层、灰岩地层、泥岩地层的风化残积土及全强风化层。此外，珠江三角洲附近的高液限土多是河流搬运沉积形成的次生高液限土，但是该区域地势平缓，滑坡等地质灾害不明显，本研究不作考虑。

1.1 花岗岩地层高液限土边坡

花岗岩的分布面积约占广东省陆地面积的40%［5］。广东省地处亚热带，在长期的外营力作用下，花岗岩类岩体表面普遍覆盖着一层较厚的风化残积土，一般花岗岩风化壳厚度在20～50 m，残积土厚度在5～20 m。

因为有粗颗粒石英的存在，广东省花岗岩残积土多属含砂砾亚黏土，是一类特殊高液限土，基本可将其归为类土质(saprolite)［6］。此类土具有一般残积土特征，如结构性较强，天然状态时具有较好的力学特性，水稳定性较差等;同时又具有高液限土含水率高、孔隙比大等特征，其边坡工程地质模式和失稳破坏模式有其特殊性。一方面风化层厚、各向同性明显的边坡易发生圆弧面滑动破坏;另一方面，节理裂隙发育的边坡，裂隙为地表水下渗与土中水分蒸发提供了通道，加剧了高液限土的干缩湿胀循环，导致土体结构破坏，同时裂隙面上的次生黏土薄膜或条带，构成了边坡的“促滑剂”，边坡破坏受结构面控制。

1.2 碳酸盐岩地层高液限土边坡

碳酸盐岩系的风化产物也易形成高液限土。在广东省，以灰岩为主的碳酸盐岩广泛分布于粤北、粤西一带，灰岩区主要城市有广州、韶关和肇庆等。灰岩出露部分多风化明显，并经红土化作用，易形成棕红、褐黄等色的高液限塑性黏土，这也是南方红黏土的主要来源之一［7］。

原生红黏土液限一般在60%以上，普遍比花岗岩残积土的液限要高，高液限性质更为明显。次生红黏土液限一般 ＞45%［8］，由于经过红土化作用，颗粒细而均匀，黏粒含量较高，孔隙比高，饱和度高。因此，碳酸盐岩系的风化产物大部分属于典型的高液限土。红黏土失水收缩特征显著，由于广东地区气候以亚热带季风气候为主，干湿交替明显，因此旱季时表层土体干缩，容易形成裂隙面，在雨季到来时，便会发生边坡病害。另外，灰岩中一般都含有一些白云石和黏土矿物，而当黏土矿物占到一定比重时，灰岩便显示出泥质岩特征，泥炭质灰岩和灰岩层中的碎屑岩夹层与灰岩风化物共同构成的坡体结构，影响边坡稳定性。

1.3 泥岩地层高液限土边坡

广东地区高液限土的另一来源是泥岩。泥岩矿物成分复杂，主要由黏土矿物(如水云母、高岭石、蒙脱石等)组成，其次为碎屑矿物(石英、长石、云母等)，是细粒黏土矿物成分最多的一种高液限土，性质与黏土类似。

泥岩种类繁多，广东地区煤系地层发育，大部分属于炭质泥岩，其中有机质含量较多，约占10%～30%，抗剪强度在平时就比普通泥岩低，遇水更软弱;陆相碎屑沉积岩(红层)也会快速风化成泥岩［9］，红层泥岩表层处于高温状态时降雨是其风化的主要原因;部分灰岩在碎屑沉积岩—灰岩过渡层会形成泥灰岩;另外还有铁质泥岩、硅质泥岩等。除了沉积作用形成的原生泥岩，在广东地区，出露岩石风化程度较高，节理裂隙发育，裂隙中充填泥质夹层也很常见。泥质夹层光滑，遇水强度锐减，常常作为滑动控制面出现。

2 典型实例剖析

2.1 京珠高速公路K27+263—K27+290右侧滑坡

京珠高速公路K27+263—K27+290右侧边坡在运营期间发生了两次滑动，2006年雨季期间曾发生过第一次滑动，2009年7月调查时出现第二次滑动。

2.1.1 边坡工程地质条件

该边坡位于广东省乐昌市梅花镇。路堑位于坡麓附近坡脚地带，地面自然坡度平缓，为15°～20°。线路于山坡中部穿过。路堑内地层较为单一，表层多被第四系残坡积黏土覆盖，局部见挤压揉皱严重的砂页岩碎片，下覆灰岩。表层黏土厚度大(＞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，具弱膨胀性，为高液限土。

2.1.2 边坡病害分析

根据已收集的技术资料，该边坡在施工期间未发生滑动，二级坡在2006年和2009年发生了两次滑动，具体如下:

1)第一次滑动

滑动前设计为二级坡，一级坡坡率1∶0.3，采用浆砌光面片石挡土墙，坡高10.0 m，一级平台宽10.0 m;二级坡坡率1∶1.5，坡高15.0 m，其中K27+260—K27 +290段采用支撑渗沟，渗沟间为拱形骨架，其余地段采用六棱砖植草防护，如图1所示。

该滑坡后缘陡坎高2.0 m，坡顶水沟外倾，前缘位于二级坡脚附近。滑坡后缘和前缘剪出口已形成，滑面已完全贯通，边坡处于不稳定状态。

2)第二次滑动

图1 第一次滑动前K27+280断面原设计方案及岩性示意(单位:m)

边坡滑动前K27+260—K27+290段二级坡下部采用2.2 m高挡土墙，墙顶以上6 m采用支撑渗沟，考虑到高液限土的水敏感性，二级坡采用浆砌片石护坡，如图2所示。

图2 第二次滑动前K27+280断面原设计及岩性示意(单位:m)

坡顶截水沟出现纵向后缘裂缝。二级坡坡面出现侧界裂缝。K27+215—K27+240段一级平台下沉开裂，下沉30 mm。滑坡前缘剪出口位于一级坡挡墙上部，墙顶以下1.0 m，调查时剪出15 mm。该段二级边坡已出现滑动迹象，滑坡前缘剪出口和后缘裂缝已形成，随时有从一级坡上部滑出的可能，边坡处于不稳定状态。

2.1.3 滑动原因分析

两次滑坡规模类似，滑体平均厚约6.0 m，滑动体积约1.0万m3，属浅层小型滑坡。该边坡的岩土结构类型属细颗粒类均质体边坡岩体结构，上部为相对隔水的黏土，下伏灰岩，属于上软下硬结构，地表水不易下渗。地下水主要为松散层孔隙水和基岩裂隙水，在稳定水位线附近及基岩顶面易形成滑面。两次滑动均发生在雨季，边坡滑动主要原因是残积土层为灰岩和泥页岩风化物，厚度大，液限高，具弱膨胀性，降雨量过大导致大量雨水渗入坡残积土层，无法及时排出，引起坡脚软化，抗剪强度不足，从而导致沿基岩顶面的类均质体圆弧形滑动。

第一次滑动前，二级坡坡率为1∶1.5;第二次滑动前，二级坡坡率下段达到1∶2.2，上段1∶1.2，但边坡仍无法维持稳定，说明高液限土边坡自稳性极差。第一次滑动后，边坡增加的挡墙产生了“坐船效应”，没有起到支挡作用，因此，此类边坡需要增强加固土体的工程措施。

2.1.4 最终设计

考虑到第二次滑动前二级坡已刷缓至1∶2.2，继续刷方不仅增大征地面积，而且也会增加坡面受雨面积，因此考虑维持原坡率，在此基础上增强防护措施，提高土体强度，具体措施如下:

1)对二级坡坡脚的矮挡墙及二级坡(沿线路方向27 m范围)采用锚索框架加固。

2)在二级坡坡脚挡墙外侧设两排竖向注浆钢花管，孔深8.0 m，沿线路方向间距2.0 m。

3)一级坡挡墙上部已出现变形地段采用 φ25锚杆加固。

4)对坡面、挡墙和坡顶截水沟出现的裂缝进行修复。

2.2 兴畲高速公路K7+780—K7+850右侧滑坡

该工点位于广东省兴宁市，由于受2010年6月下旬超百年一遇强降雨的影响，2010年7月1日18:00兴畲高速公路K7+780—K7+850段右侧边坡出现滑动变形。

2.2.1 边坡工程地质条件

该工点区域地貌单元属剥蚀残丘类型，线路从小山包半山腰穿过，其走向基本与山坡走向一致，山坡由北东向南西倾斜，线路右侧自然边坡坡度为 15°～25°，场地植被发育。

该处地层由第四系坡残积层、加里东期混合花岗岩组成。坡残积土层由粉黏粒为主，含有15%中粗粒石英，褐红色，平均厚度1 m。混合花岗岩层从上到下依次为全、强、中风化层，全、强风化层厚28 m，基本风化成土状，遇水软弱、崩解，结构面泥质充填。钻孔资料表明，全风化层自由膨胀率44%，液限54%，为含砂高液限黏土。

2.2.2 边坡病害分析

该边坡原设计为三级坡，高约32 m。每级边坡坡率均为1∶1.25，分级平台宽2 m，分级坡高10 m;坡面均采用拱形骨架植草防护。边坡线路走向335°，坡向245°。

由于受2010年6月下旬超过百年一遇强降雨的影响，2010年7月1日该边坡出现滑动变形，后缘最大下错约6.0 m(见图3)，前缘反翘，边沟盖板反翘约10°。

图3 堑顶后缘截水沟附近下错6 m

滑坡后缘位于坡顶截水沟附近。后缘陡坎多处见擦痕，擦痕指向为253°(见图4)。坡面有临空结构面，其产状为262°∠74°，260°∠23～31°。

2.2.3 滑动原因分析

边坡的岩土体主要为全～强风化混合花岗岩，岩体破碎，结构面极为发育，泥质充填。坡残积物、全风化岩体具有典型高液限土特征:遇水膨胀、干燥收缩，导致结构面极为发育，泥质充填，风化深度较大;同时岩体具有泡水易软化、崩解的特点，雨季时由于地表排水不畅，地下水的长期下渗软化了岩土体的强度并使土体饱水。坡体内存在顺坡向的结构面，导致边坡产生沿顺坡向结构面的滑动破坏，其破坏模式为沿顺坡向结构面的滑动。

图4 滑坡后缘擦痕明显(指向253°)

2.2.4 最终设计(见图5)

图5 K7+826断面边坡病害防治措施示意(单位:m)

1)对于滑坡地段，主要采用刷缓边坡 +预应力锚索框架+锚杆框架方式加固，一、二级边坡刷缓坡率至1∶1.75，每级坡坡面设 3排锚杆，三、四级边坡坡率1∶0.75，并在每级坡设置3排预应力锚索;对于滑坡两侧边坡的欠稳定区，保持原坡形坡率，采用预应力锚索框架+锚杆框架加固。

2)在滑坡区(K7+780—K7+850段)一、二级坡框架内采用M7.5浆砌片石护面，三、四级坡采用挂网植草防护。

3)在坡脚碎落台上方3.0 m设一排φ110仰斜排水孔，每孔深20.0 m，间距为2.5 m或3.0 m，在坡面渗水严重地段动态增加，排水孔数量及长度根据现场钻孔渗水情况作适当调整。

3 不同成因高液限土边坡病害特点总结

3.1 花岗岩高液限土边坡病害特点

花岗岩高液限土粗颗粒较多，结构面保留明显，属于类土质边坡，边坡病害具有以下特点:

1)花岗岩高液限土边坡自稳性较强，当坡脚掏挖或坡面受外营力影响容易发生失稳，且多半与斜坡土体含水状态的急剧变化密切相关，边坡病害大多发生在雨季。

2)滑坡在很多情况下沿其中隐藏的结构面发生，在无控制性结构面的情况下，坡度一定时，滑移面深度随坡长的增大而减小，说明了雨水的渗透和地下水位的抬升是滑坡发生的主要诱导因素。

3)少数情况下，当边坡中的结构面反倾，不对边坡的破坏起控制作用，或边坡结构面不明显，整体呈类均质体时，边坡易发生圆弧形滑动。

4)当边坡中的结构面倾向坡体临空面且倾角很大近于直立时，边坡开挖容易引起坡体崩塌破坏［10-11］。

3.2 泥岩与灰岩高液限土边坡病害特点

泥岩与灰岩高液限土边坡母岩均为沉积岩，边坡层面明显，其边坡病害具有以下特点:

1)液限相对花岗岩残积土更高，边坡自稳性更差，边坡病害相对严重。

2)灰岩风化形成的红土地层细颗粒多，渗透性差，为相对隔水层，降雨一旦渗入该层便不易排出，持续降雨后土体强度降低明显。

3)泥岩地层细颗粒更多，渗透性相比灰岩更差，常呈淤泥质，若层面为顺坡向，边坡易沿该层滑动。

4 防治对策总结

以上工点都是在雨季发生滑动，这也说明了高液限土的水稳定性差，干湿循环下土体抗剪强度降低，所以针对高液限土边坡的防治，首要任务就是防水排水，其次在坡度选择、开挖方式等工艺上也有一定的要求。

4.1 排水措施

排水是高液限土病害的根治措施。工程中高液限土边坡地表排水措施一般采用截排水沟及生态防护，但在煤系及灰岩风化物形成的边坡应尽量采用浆砌全封闭措施。地下排水对保持边坡稳定尤为重要，其中，高液限土地区采用支撑盲沟被认为是一种可行、有效的排水措施;仰斜排水孔要特别注意运营过程的堵塞问题。

4.2 边坡坡形、坡率选择

建议泥岩、灰岩地层缓至1∶1.75～1∶2.00，每级坡高控制在6 m;花岗岩地层缓至1∶1.50～1∶1.75，每级坡高控制在8 m。并应结合当地类似工程，采用工程地质比拟法综合确定高液限土边坡坡形、坡率。

4.3 边坡防护与加固

高液限土路堑边坡一般均应在坡脚设置挡土墙，挡墙基础应深入路槽以下，且≥1.5 m，并且保证墙基干燥稳定。

对于受结构面控制、滑动深度及范围较大的高液限土边坡，应采用支挡措施，如抗滑挡墙及抗滑桩等，同时辅助锚杆框架等措施进行加固;在边坡坡面岩土体强度较高且具备较好锚固条件的情况下，才建议采用锚索。

对不受结构面控制、滑动深度不大的高液限土边坡，在坡脚设置挡土墙是行之有效的防治措施;同时可在坡面适当增加锚杆框架以改善岩土体受力性状。

5 结论

1)花岗岩地层高液限土边坡基本属类土质边坡，其自稳性能稍好，多数沿隐藏结构面破坏，少数产生圆弧形滑动。其坡面易冲蚀剥落，应对坡面进行植物防护。

2)灰岩和泥岩地层高液限土均为沉积岩风化产物，具有类似特征，如层面保存明显，土体细颗粒多，渗透性差等。针对此类地层，宜采用防排水相结合，注浆加固封堵裂隙，并对边坡增设锚杆锚索进行加固处理。

3)花岗岩地层高液限土边坡自稳能力稍好于泥岩及灰岩地层，放缓坡率至1∶1.50～1∶1.75并增强加固措施被证明是有效的防护手段。灰岩和泥岩地层仅放缓坡率不足以保证边坡稳定，需与排水措施和防护加固措施相结合。为避免“坐船效应”，挡墙基础应深入潜在滑面以下。

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(责任审编 周彦彦)

U416.1+4

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

2015-04-05;

:2015-07-13

广东省交通运输厅科技项目(2011-02-008)

任世玺(1991— )，男，工程师，硕士。

1003-1995(2015)11-0084-05