第三系半成岩高边坡病害分析及对前期设计的指导

卢 欢，李 微

（1.中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710000；2.长安大学）

1 引言

目前，第三系半成岩的理论研究被“风化”、“岩石”等定名束缚，局限于岩石试验或当前有限的试验及检测方法，不能准确地通过试验来反应其实际工程性质[1]。第三系半成岩的力学强度低，因为该类岩体抗风化能力极差[2]，大多地质资料认为是强风化的结果，但这类岩体是无法划分出明显风化带界限的，因为从几米到数十米深度变化微乎其微，力学性质变化不明显。《岩土工程勘察规范》指出[3]，泥岩和半成岩可不进行风化程度的划分，说明第三系泥质岩较软弱的特征是弱胶结原因，而非风化结果。因此，对第三系半成岩不能进行风化程度的划分。Vaughan[4]于1993年提出把土和岩石看作连续变化的工程地质材料，土和岩石之间通过其结构和性状相联系，提出一种新颖的分类观念和研究思路，在克服土力学和岩石力学相分离的同时，以给定相应指标范围的基础上，将半成岩划入到新的岩土工程分级中。

闻垣高速古城联络线项目起于运城市垣曲县华峰乡车家沟村，衔接闻喜东镇至垣曲蒲掌高速公路后，路线由北向南布设，途经王茅镇、古城镇、曹家岭，终于黄河大桥桥头前50m，接垣渑高速河南段，路线全长18.10km。其中K12+000至终点段上部地层岩性主要为第四系新黄土及洪积老黄土，下部为第三系砂岩、泥岩。截止目前，段落内已有3段深挖高边坡出现坡面裂缝、坡体坍塌、滑坡等病害，本文对3段边坡进行问题归类，从地层岩性入手，分析边坡出露、降雨等因素对边坡岩土参数降低的影响及导致边坡病害的产生原因，并以此提出防治设计要点，为同类地区、同类边坡的公路边坡设计提供参考。

2 项目概况

闻垣高速古城联络线项目K12+000 至终点段地处山西省垣曲县境内，区内上部地层岩性主要为第四系新黄土及洪积老黄土，下部为第三系砂岩、泥岩，目前3段坡面裂缝、坡体坍塌、滑坡等病害的深挖方高边坡分别为K14+560～K14+905 段右侧边坡（滑坡）、K16+094～K16+220 段右侧边坡（坡面裂缝）、K17+560～K17+705段右侧边坡（坡体坍塌）。

2.1 K14+560～K14+905段右侧边坡概况

K14+560～K14+905 段右侧边坡为挖方边坡，最高挖方边坡高度位于K14+680 处（中心挖高24.73m，挖方边坡高度42.86m）。该边坡自2018 年2 月开始开挖，开挖至四级边坡中部，极易风化的半成岩泥砂岩层部分揭露，为顺层边坡，之后暴露在外。2018 年3 月12 日，K14+560～K14+740 段边坡部分坡面发生“裂缝和坍塌”，2019 年4 月至5 月中旬，K14+740～K14+760 段右侧开挖至二级边坡中部，K14+760～K14+905 段右侧开挖至路面顶2.2m，半成岩砂泥岩进一步揭示出露。2019 年5 月29 日，现场发现该段边坡上部出现三道延伸3m～5m 的裂缝，且该处边坡坡口外发育有多条贯穿裂缝，缝宽2cm～3cm，裂缝一直延伸至线外耕地处，最远处横向距中线144.3m。6 月5 日项目所在地遭遇降雨，6 月11 日，原位置裂缝已有变宽迹象，最宽处约8cm，且局部有不均匀沉降，两边错台约有20cm 高差，裂缝深度约为24m，6月14日夜即发生了较大规模的滑坡。

2.2 K16+094～K16+220段右侧边坡概况

K16+094～K16+220 段右侧边坡为挖方边坡，最高挖方边坡高度位于K16+230 处（中心填高1.39m，挖方边坡高度35.24m）。该边坡自2019 年9 月开挖，2019 年12 月4 日，路堑开挖至路床顶面，开挖揭露下部地层为第三系泥砂岩，为顺层边坡。12 月6 日下午，发现该段右侧边坡第一级边坡坡面、第一级边坡平台，第二级边坡平台，第三级边坡平台，第三级边坡坡口外均发育有裂缝，缝宽0.5cm～1.6cm，且第一级边坡裂缝上部坡体部分已向外剪出。12 月12 日在距中线右侧205m～326m范围位置附近，发现有近似与路线中线平行裂缝，缝宽1cm～10cm。12月14日，在K16+286西南侧找到新裂缝，宽度2cm～20cm，裂缝长度近100m。

2.3 K17+560～K17+705段右侧边坡概况

K17+560～K17+705 段右侧边坡为挖方边坡，最高挖方边坡高度位于K17+550 处（中心挖高45.65m，挖方边坡高度35.50m）。该边坡自2019 年8 月开挖，2019 年11 月23 日下午，K17+580 处右侧边坡第三级边坡发生部分坍塌，同时发现K17+580 右侧第三级边坡平台（沿路线纵向）上发育有贯通裂缝，滑裂体前缘延伸至第二级边坡中下部位置。滑裂体部分为第三系泥砂岩，敲击较硬，滑裂体内部可见有明显剪出面。

3 原因分析

上述3段挖方边坡基本情况见表1。

表1 3段深挖方边坡基本情况

3.1 K14+560～K14+905段右侧边坡滑坡原因分析

K14+560～K14+905 段挖方路基边坡地质条件极为复杂。边坡上层为新、老黄土，下层为卵石，透水性相对较好。滑带主要为第三系砂岩，含水量高，遇水易软化且持水性能强，使其抗剪强度降低，易于形成潜在滑动面，且滑坡岩层顺坡，容易产生顺层滑坡；滑床主要为第三系泥岩，透水性差，形成一个相对阻水面，即中下部饱水后先沿砂泥岩结构面向临空方向滑动，引起斜坡上部土体承受拉应力，进而产生拉张裂缝，反复灌水，抗剪强度降低，最终顺着最大剪应力面产生变形滑动，形成统一的滑动面[5]。加之随后恰逢降雨，更使滑坡发育加剧，造成了本次滑坡的产生。

3.2 K16+094～K16+220段右侧边坡裂缝原因分析

K16+094～K16+220 段右侧边坡上部覆盖厚度不等的第四系黄土（粉质黏土），大孔隙和垂直节理发育为地表水的下渗提供了有利条件。滑带土主要为第三系砂岩底部夹薄层泥岩，砂岩抗风化能力极差，遇水饱和后其物理力学性质指标显著降低，泥岩层黏性较大，湿——很湿，遇水软化且透水性能差、持水性能强，易形成一个隔水层使上部岩体强度急剧下降。在持续降雨条件下，雨水通过上部黄土的大孔隙结构及砂岩裂隙渗入至泥岩层，因其隔水性，逐渐使大量水汇聚到该层，使其含水量陡增，渐呈饱和状态，抗剪强度降低[6]，当下滑力超过抗滑力时，先是坡体中下部岩土体沿该薄层泥岩层面向临空方向滑移蠕动，形成开挖边坡上的裂缝及剪出现象，其进一步发展有可能引起斜坡上部土体承受拉应力，产生拉张裂缝并最终形成滑坡。

3.3 K17+560～K17+705段右侧边坡坍塌原因分析

K17+560～K17+705 段右侧边坡岩质为第三系灰绿色砂泥岩，为顺层岩层，砂泥岩抗风化能力极差[7]且具有膨胀性，这是该边坡坍塌形成的先决物质条件。第三系砂泥岩，呈半成岩状态，新鲜状态下，物理力学指标较好，但暴露在外时，会吸水并风化成散体状，物理力学指标迅速下降，当遇降水时，产生边坡失稳，形成崩塌。本挖方段落因未能做到开挖一级、防护一级，致使坡面形成张拉裂缝，边坡前缘形成了崩塌，进而形成更陡峭的凌空面，加速边坡失稳，导致边坡原有力学平衡破坏，产生蠕动，进而形成较大规模的坡面坍塌。

4 设计要点

针对于上述3段边坡病害原因分析，其前期设计阶段可采取以下措施进行规避：

①公路选线时，结合地质勘查结果，尽量避免开挖第三系砂岩、泥岩顺层边坡[8]，当不可避免时，尽量抬高路基，减小坡面开挖高度。

②在进行边坡稳定性计算时，岩体参数的确定除考虑新鲜岩样试验结果，还应考虑岩体裸露一定时间风化后的力学指标下降值，同时针对第三系砂、泥岩遇水易吸水并风化成散体状的特性[9]，在边坡稳定性计算时应着重进行饱水工况的参数选取及计算。

③边坡坡率设计时，缓边坡造成坡面投影面积较大，雨水更易渗入，对坡面稳定不利，相比于放缓边坡坡率，适当增加平台宽度并做好平台排水设施能更好地的提高边坡整体稳定性系数。

④重视截、排水设计，导致第三系砂、泥岩参数降低最直接的影响因素为雨水渗入[10]，公路设计时，通过边坡平台设置平台截水沟、坡顶设置坡顶截水沟、坡脚设置边沟、每级边坡做好封闭设施等措施，将对边坡范围有影响的降水迅速排出，降低雨水危害。

⑤施工过程中要求开挖坡面及时进行防护、封闭处理，务必开挖一级、防护一级，防护类型可选择坡面封闭较好的护面墙、框架梁+生态袋、骨架植草等。

5 结语

现阶段，我国公路建设发展十分迅速，但是由于地形和地质等多种因素的影响，高边坡设计及施工过程中仍存在着较多的问题，这对路基高边坡的防护设计水平提出了更高的要求。本文针对于半成岩地质特点，结合闻垣高速古城联络线项目，对于该地区第三系半成岩砂岩、泥岩顺层高边坡易产生的坡面裂缝、坡体坍塌、滑坡等病害问题进行分析，提出设计注意要点，为广大基建人员提供设计参考。