高速公路红砂岩高路堑边坡加固处治技术研究

公路工程Highway Engineering

Vol．36，No．3Jun ．，2011

［收稿日期］2011—03—26［作者简介］郑

鹏（1972—），男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要从事高等级公路路基等方面的设计、研究。

高速公路红砂岩高路堑边坡加固处治技术研究

郑

鹏，陈

斌，李世慧

（湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙410008）

［摘

要］针对湘西高速公路建设中出现的大量红砂岩高路堑边坡失稳破坏现象，探讨了软硬互层红砂岩高

路堑边坡的破坏机理、稳定性分析方法，提出了防水、防风化、坡体预应力中空锚杆注浆、平式排水管引排坡体裂隙水的边坡防护加固措施，实际应用表明，该处治措施行之有效，尤其对湘西红砂岩地区的高速公路高路堑边坡防护加固具有指导意义。

［关键词］路堑边坡；红砂岩；边坡防护；结构面；预应力中空注浆锚杆

［中图分类号］U 416．1+

4

［文献标识码］A ［文章编号］1674—0610（2011）03—0042—05

Study on Treatment of High-cut Red Sandy Rock Slope

in Expressway

ZHENG Peng ，CHEN Bin ，LI Shihui

（Hunan Province Communications Planning ，Surveying and Designing Institute ，Changsha ，Hunan 410008，China ）

［Abstract ］Aiming at a lot of landslide of the high-cut red sandy rock slope occurred on expressway in west of Hunan Province ，the mechanization of which has been studied ，so as to a stability analysis of sliding．at the same time ，A effective measure with water seal ，efflorescence prevention ，prestressed hol-low-core grouted anchor in slope and weep pipe to drain crevice water has been suggested．The applica-tion indicates the method is very effective．Especially it has directive function to cut slope protection at the high-cut red sandy rock slope in west of Hunan Province．［Key words ］cut slope ；high-cut red sandy rock ；slope prevention ；structural surface ；prestressed hollow-core grouted anchor

1引言

正在修建的吉怀高速，为国家包茂高速的一段，

路线经过的湘西南属于湖南省西南水土流失重点治理区。沿线地势陡峻，坡高沟深，深路堑较多，且多为红砂岩地区。所谓红砂岩，一般指富含铁质氧化物而呈显红色、深红色、紫红色或褐色的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉（细）砂岩、钙质、泥质或粉砂质页岩等沉积岩类的统称。红砂岩及其风化层大范围地分布在我国南方各省，尤其在湖南省的湘南、湘中、湘西地区分布广泛。

红砂岩地区路堑开挖后，层理面明显，裂隙发育，在自然营力和干湿循环作用下，岩块易崩解碎裂，颗粒遇水易泥化，导致坡体强度降低而发生大量

滑坡。常吉、怀新高速公路等已有的工程实践表明，红砂岩路堑边坡的稳定性是红砂岩地区高速公路修

建时存在的主要工程地质问题之一，如常吉高速约40个红砂岩路堑边坡，开挖后滑坍近20个，破坏率近50%。因此，如何在建设的源头，采取合理的加固处治设计方案，是确保边坡稳定的关键。

本文结合吉怀高速公路建设，对湘耒、常吉、怀新高速施工中出现的大量红层软岩滑坡，以及焦柳线、湘黔线在营运中出现的红砂岩边坡滑坍破坏进行了资料搜集、原因调查和分析（见表1），探讨红砂岩地区路堑高边坡的破坏机理和防治措施。

2红砂岩的地质特征和岩体结构

红砂岩主要为白垩系、第三系的陆相、内陆河湖

相碎屑岩构造，后历经燕山、喜马拉雅山等多期地壳构造复合叠加运动，地面抬升，形成山脉。在构造运动中，褶皱与断层发育，水平岩层在弯曲和倾斜过程中发生层间错动。层间软弱夹层在剪切力作用下，夹层原来的结构遭到破坏，岩性发生变化，导致岩体破碎，层理明显，裂隙发育，呈粒状碎屑结构和泥状胶结结构，因胶结物质和风化程度的差异，其强度变化差异性大。

表1红砂岩滑坡统计与原因调查表

Table1the questionnaire of landslide statistics and reasons of sandstone

序号滑坡地点坡体岩性坡高/

m

层面倾

角/（ʎ）

滑坍

部位

滑坍主要原因

1怀新高速k0+760 k0+表层砂岩下部砾岩39上、中岩性交界面顺层，裂隙发育，雨水渗入820左侧边坡层理面软化，坡体沿岩性分界面滑塌2怀新高速k92+500 700弱风化砾岩15上、中部结构面产状不利边坡稳定，开挖后未及右侧边坡时防护，雨水入渗使表层局部垮塌

3怀新高速k91+850 92+弱风化砾岩17上部施工爆破致节理张开，雨水入渗，坡体000右侧边坡局部沿节理失稳

4怀新高速k4+390 k4+粉砂岩6031局部边坡整体稳定，但岩体破碎，局部楔形510左侧边坡体滑坍，有整体失稳迹象，须及时防护5常吉高速148+090 300全强风化泥质砂岩2123整体水渗入导致强风化底交界面泥化，抗剪左侧边坡强度降低而顺层破坏（坡脚剪出）

6常吉高速k149+720 150强风化泥质砂岩1723中部后缘拉张裂隙致水渗入沿紫色泥岩夹+200左侧边坡层，导致顺层滑动

7常吉高速k162+590 660弱风化泥质砂岩30上、中部节理、裂隙发育，致使岩体沿节理和层右侧边坡面的组合产生滑塌掉块

8常吉高速k163+670 730弱风化泥质砂岩1913中部节理、裂隙发育，致使岩体沿节理和层右侧边坡面的组合产生滑塌

9常吉高速k1+695 930弱风化泥质砂岩1824中部裂隙发育，陡倾角节理和缓倾结构层面左侧边坡组合产生滑塌

10常吉高速k165+130 210弱风化泥质砂岩27＞24整体裂隙、层理组合切割岩体，沿软弱层面210右侧边坡（30m）顺层滑坍（坡脚剪出）

11常吉高速k169+630 710砂岩与泥岩互层＜10整体后缘拉张裂隙致水渗入，使结构面软左侧边坡化，产生顺层滑坡

12常吉高速170+596 700弱风化泥质砂岩＜1020整体裂隙发育，岩体沿软弱夹层蠕滑累计变左侧边坡形破坏

13常吉高速k174+620 720全风化泥质砂岩2016整体裂隙发育，层面吸水软化，岩体沿软弱左侧边坡夹层顺层蠕滑累计变形破坏

14常吉高速k175+000 120全风化泥质砂岩2620中部裂隙发育，层面吸水软化，岩体沿软弱左侧边坡夹层顺层蠕滑累计变形破坏

15湘耒高速+782 960泥质粉（细）砂岩互层32中部节理裂隙极度发育，岩体破碎，泥化软左侧堑坡弱夹层在雨后抗剪强度急剧降低

16湘耒高速耒阳段紫红色泥岩23中部泥岩应力释放，裂隙发育，强弱风化层

界面泥化，顺层滑坡

17焦柳线k45+600 800泥质砂岩泥岩3520下部顺层上部土层透水极强，特大暴雨导致雨水右侧堑坡下渗在下部基岩结构面形成软弱层

18焦柳线k847+093 245泥质砂岩、泥岩互层2212下部顺层距堑顶8m处拉张裂隙沿岩层垂直节右侧堑坡理下切深8m，雨水下渗导致结构面软化19焦柳线k1132+579 615泥质砂岩1324下部顺层雨季坡顶水渠溢水下渗导致风化结构右侧堑坡面软化形成软弱夹层

20湘黔线k454+740 790泥质砂岩3616中部裂隙发育，渗水致使结构面软化产生顺右侧堑坡层滑坡

红砂岩的岩体结构对边坡的稳定性影响显著，按其成因可以分为3类：①沉积结构面，是红砂岩在沉积、成岩过程中形成的层理、层面、沉积间断面、不整合面、原生软弱夹层等，其产状一般于岩层一致。倾角多在0ʎ 30ʎ之间。②构造结构面，是岩体受构造应力作用所产生的破裂面或破碎带，如构造裂隙、断层及层间错动面等。该类结构面延展性强、规模较大，分布有一定规律，对岩体稳定性影响很大，③次生结构面，即堑坡岩体开挖后，受卸荷、风化、地下水等此生作用所形成的结构面，如卸荷裂隙、风化裂隙、风化夹层、泥化夹层、次生夹泥层等。

其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

34

公路工程36卷

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，红砂岩地区路堑边坡的病害较多，滑坍大多发生在久旱的雨后。

3红砂岩堑坡滑坍的机理分析（见图1）

红砂岩地区由于经历过多次地壳构造运动，故

断裂构造发育，在工程地质上主要表现为裂隙和断层，破碎的岩体和发育的裂隙（即节理）破坏了岩体的整体性，促进了岩体的风化速度，增强了岩体的透水性，使得岩体的强度和稳定性降低。裂隙的产状及分布受地形影响较大，当裂隙的走向大致与路线的走向平行，即与堑坡的倾向一致时，不论岩体的产状如何，路堑边坡都极易发生滑塌等不稳定现象

。

图1滑坡机理分析图

Figure 1

the analysis chart of landslide mechanism

红砂岩堑坡多为砂、页、泥岩软硬互层状边坡，其破坏的形式主要是由其岩体结构面控制，主要表现为平面破坏和楔形破坏，其中顺层滑坡和楔体滑坡是边坡滑坍的主要形式，其发生与发展多与坡体岩土体的结构密切相关，其特点表现为岩层结构面缓倾，与路线走向交角较小，倾向线路，岩层倾角α一般小于边坡坡角β，介于8ʎ 25ʎ之间；其次是坡体含有原生、此生软弱结构面，岩间裂隙发育，节理面不同程度张开，有些结构面充填有亲水性粘土，遇水易泥化成为软弱夹层，岩体透水性不强，雨水入渗主要通过裂隙。红砂岩滑坡破坏主要经历3个阶段。

①卸荷拉裂阶段。

沉积岩岩层一般都存在超固结压力，边坡开挖成形过程中，由于坡体整体的卸荷回弹变形，从而驱动边坡沿坡脚的缓倾结构面发生回弹错动性质的表

生改造，并在坡顶形成拉张应力区，出现后缘拉裂。

当坡体含有层间软弱夹层时，后缘拉裂更为明显。

②蠕变滑移阶段。

表生改造完成后，由于一般都没有及时防护，在大气营力和降雨作用下，坡体表面出现次生裂隙，由于底部泥岩、页岩等透水性差，后缘张拉裂隙会临时充水产生静水压力，雨水开始沿结构面下渗；同时，坡体在自重应力的长期持续作用和驱动下，沿缓倾角结构面发生持续的蠕滑变形，并导致坡体后缘拉裂的向下扩展，从而形成前缘的蠕滑段和后缘的拉裂段。显然，随着蠕滑段和拉裂段的发展，它们之间

的完整岩体就构成了边坡变形的“锁固段”，坡体的稳定性将主要由锁固段和蠕滑结构面的摩擦力来维

系，

锁固段的应力也将随着蠕滑段和拉裂段的发展而逐渐的积累。

③剪切破坏阶段。

随着风化裂隙的扩大和风化程度的加深，坡体透水性增强，当降雨量大时，雨水会进一步沿裂隙下渗，一方面使得坡体自重增加，另一方面，蠕滑结构

面由于吸水产生软化，

导致抗剪强度降低。当后缘拉裂加深到某一深度时

，“锁固段”的应力积累将使这部分岩体进入累进性破坏阶段，并最终剪断锁固段岩体，发生突发的脆性破坏。由于这种突发的脆性破坏伴有很大的峰、残强度差，因此，边坡岩体的位能将得以突发的释放，从而形成高速滑坡当边坡还存在两组以上走向垂直路线方向的结构面，且交线倾向坡面，交线倾角小于坡角时，则会产生楔形破坏。

当滑坡发生后，上部山体由于滑坡体的牵引和卸荷，会产生后缘张拉裂隙。滑坡后裸露的岩土体在自然营力的作用下，岩体风化会进一步加剧，并逐渐向坡体深部发展，当裂隙逐渐贯通，泥浆和雨水入渗到下部缓倾结构面，而泥岩、页岩等岩层透水性差，渗水滞留在结构面上使其软化导致抗剪强度降低，坡体沿结构面发生蠕滑变形，当变形累计到一定程度，锁固段被拉剪破坏，形成新的滑坡。故红砂岩地区滑坡发生后，要及时处治，防止滑坡进一步发展为牵引式滑坡，造成更大破坏。

4红砂岩边坡稳定性分析方法

对于层理明显，裂隙发育的红砂岩路堑边坡，尤

其是砂岩、泥、页岩等软硬互层的边坡，其滑动面一般为一段曲线和直线组成的复合滑动面，其破坏模式如图2所示。

44

第3期郑鹏，等：

高速公路红砂岩高路堑边坡加固处治技术研究图2复合滑动面受力分析

Figure 2

the surface stress analysis of compound sliding

对如图模式作如下假设：

①裂隙水能够入渗到滑移结构面或软弱夹层，地下水能引起水压力V 和U 。

②考虑到裂隙发育，忽略滑体两侧边界的相互作用，也即两侧边界没有阻力。③假定滑体所受各力均通过滑体重心，滑体不旋转，仅是平面滑动破坏。④将滑体锁固段的曲线剪切断裂面视为竖直线（视滑面为铅垂面），且只考虑其抗拉强度起锁固作用，方向平行于软弱蠕滑面，忽略摩擦力。则由极限平衡条件可求得稳定系数k 值为：

k =（W cos α－U －V sin α）tan φ1+c 1l 1+X W sin α－V cos α

（1）

式中：l 1=（H －Z ）csc α；H 为坡顶到软弱结构面的

竖直高度，

也即滑坡体高度。U =

12γw Z w （H －Z ）csc α；V =12

γw Z 2w ；γw 为水容重。W =

12

γH {[2

(1－

Z

)H

]2

ctg α－ctg }β；

γ为岩体容重。

c 1、φ1分别为直线型蠕变滑移段结构面的粘聚力和内摩擦角。

X =τf l 2；τf 为锁固段岩体抗拉强度，l 2可视为锁固段岩层铅垂厚度。

常见软硬互层红砂岩岩体抗拉强度见表2。

表2岩体抗拉强度统计

Table 2the statistics of rock tensile strength

MPa

岩石类别抗压强度抗剪强度抗拉强度砂岩20 1708 404 25页岩5 100

3 30

2 10泥岩2 8石灰岩30 25010 505 25板岩

100 200

15 30

7 20

由式（1）可知：影响边坡稳定性的主要因素有

如下几个方面。

①后缘张拉裂隙的深度和充水深度，深度越

大，边坡越易失稳。②蠕滑结构面上裂隙水的入渗程度，渗水越丰富，蠕滑变形越大。③滑动面的c 、φ值的大小，结构面软化后，c 、φ值衰减得越快，滑坡越易发生。④软硬互层中软弱夹层的层数，层数越多，越易发生多次滑坡。

5红砂岩高边坡加固处治措施及工程实例

从以上分析可知：红砂岩高边坡一般软硬互层，且夹有多层软弱结构面，要保持高堑坡的长期稳定，

就需要通过合理的加固防护手段，消除或减少引起边坡不稳定的各种影响因素，强化有利边坡稳定的要素。因此，科学合理组织施工，及时采用防水、防风化，坡体锚杆注浆、引排坡体裂隙水的边坡防护加固措施，应该是行之有效的。

下面以湘西南某高速一个坡高41m ，软硬互层

红砂岩路堑高边坡为例，探讨其加固处治措施。5．1

边坡工程地质概述

该边坡位于湘西剥蚀低山丘陵地貌，地质环境

脆弱，由于地处温湿亚热带，故气候湿润，雨量充沛。边坡于2005年秋开挖成形，到2006年春，该地区虽未进入雨季，但降雨量逐渐增多，线路上也发生了大量堑坡滑坍，几乎所有板岩、红砂岩边坡，包括部分已经防护的边坡，都出现不同程度的滑坍。该边坡虽未整体滑坍，但表层已出现局部碎块剥落，坡顶、坡面裂隙逐渐显现，坡顶残、坡积土层已经沿土岩界面滑坍，并有逐渐向坡顶山体牵引之势，坡顶拉张裂隙距离开挖线3．8m ，深1．5m ，宽约10cm ；坡面、坡脚裂隙可见渗水，有整体失稳迹象，需要及时防护。钻探揭露地层岩性主要为第四系全新统（Qh ）和白垩系上统。坡体岩层由上往下。

表层为亚粘土夹碎石层。红褐色，一般可塑 硬塑状，局部软塑状或半坚硬状，结构松散，坡积成因，厚度0 1m ，具有弱膨胀性。覆盖植被主要为灌木。

其下为泥质粉砂岩层与粉（细）砂岩互层。紫红色，后者钙质含量较高，中厚层状，单层岩性厚十至数十米，夹薄层泥岩，层厚小于0．2m ；强风化层厚度不大，钻探揭露为3 5．0m ，节理裂隙一般较发育；其下为弱风化岩层，厚度大，其中泥质粉砂岩

为较软岩，

偶见小溶孔，粉（细）砂岩为较硬岩，弱风5

4

化层岩石一般较完整。岩层产状大致为335ʎ∠30ʎ，顺坡向；节理裂隙较发育，其产状为走向118ʎ 120ʎ，近直立；坡体地下水主要由大气降水补给，迳流均在节理、裂隙中进行，径流模数约0．5 1L /s ·km 2，地下水水量小，钻孔单位涌水量0．1L /s ·m 。岩土层为弱透水层，但在节理密集带，由于

岩体较破碎，可形成富水地段。5．2力学稳定性分析

坡体岩土层分别有强弱风化层界面、土岩界面、泥岩砂岩界面。显然薄层泥岩夹层对边坡的近期稳定性影响显著，可视为潜在的滑移面。各级岩土层主要物理力学指标，见表3。

表3各级岩土层主要物理力学指标表

Table 3

the index table of main geotechnical layer at various levels of physical and mechanical

重度γ/

（kN ·m －3）

弹性抗力系数K /（MPa ·m －1）弹性模量E /GPa 泊松比μ内摩擦角 /（ʎ）粘聚力C /MPa 容许承载力σ/kPa

摩擦系数f （圬工与岩体）

亚粘土17 20100 2001 20．35 0．4520ʎ 27ʎ0．05 0．2300 5000．4泥质粉砂岩20 23200 5001．3 60．30 0．3527ʎ 39ʎ0．2 0．71200 18000．45粉（细）砂岩23 25

500 1200

6 20

0．25 0．30

39ʎ 50ʎ0．7 1．52000 30000．5薄层泥岩

3．3ʎ

13ʎ

5．9

14．7

利用式（1）分别计算边坡在旱季和雨季的稳定系数k ，其稳定系数k 值在旱季为1．32＞1．2，在雨季为0．96＜1．1。显然，在旱季，该边坡处于稳定状态，但只要一下暴雨，稳定性会很快下降，因此，虽然目前边坡还未破坏，但在今年雨季，边坡很可能失稳

破坏，必须及时加固防护。5．3

加固处治措施

该边坡原设计防护方案为1 4级边坡采用全

长粘结型砂浆锚杆人字骨架护坡，

5级边坡草皮护坡。该方案为被动支护，

造价颇高，且防护措施单一；其次，锚杆（索）虽然是目前边坡加固的主要手段，但湖南已有多次砂浆锚杆防护失效导致边坡失稳的事故，许多专家都建议在湖南选用锚杆加固时要慎重。因此，根据坡体的工程地质条件，经过分析

采取坡顶封闭防渗水、

坡脚封闭防风化、坡体中空注浆锚杆加固、平式排水管引排软弱层间的裂隙水等

处治措施，具体设计见图3

。

图3边坡处治设计示意图

Figure 3slope design schenes

①1 2级边坡采用大窗式护面墙+点式锚杆防护，护面墙不受力，仅封闭坡面，防止边坡下部岩体进一步风化深入。窗内岩体喷素混凝土后再回填粘土夯实，并覆盖种植土植草绿化。锚杆采用预应力中空注浆锚杆。注浆材料采用纯水泥浆，水灰比W /C =（0．35 0．45）ʒ1。考虑到岩体裂隙发育，通过压浆，

水泥砂浆扩散，达到固结岩体，增强边坡岩体的强度和整体稳定性。1级边坡布置两排点式锚

杆，锚杆长3 5m ，锚杆穿过粉（细）砂岩（弱风化）与泥质粉（细）砂岩（微风化）的交结面。2级边坡置一排锚杆穿过薄层泥岩软弱夹层，锚杆长3m 。②3级边坡采用预应力中空注浆锚杆+方格骨架护坡，辅以平式排水孔排出坡体深部裂隙水于

（下转第50页）

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櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧

36－37．

（上接第46页）

岩体以外。锚杆长5 9m，平式排水管长度不小于31．5m。

③4级边坡采用方格骨架护坡+点式锚杆防护，锚杆采用预应力中空注浆锚杆。锚杆长5m。

④5级边坡采用三维植被网护坡。

⑤坡顶清表后，在土岩界面喷水泥浆封闭坡顶裂隙，再摊铺土工膜封闭，土工膜上回填不小于30cm厚粘土，压实后铺草皮。同时设置矩形截水沟。

⑥1级平台采用凸起式平台截水沟，2、3、4级平台采用下挖式平台截水沟。所截雨水引入坡体两侧截水沟。

如今，经过两个雨季的检验，监测表明，该边坡稳定，且圬工已经逐渐被植被覆盖、隐藏，融入了当地自然环境，达到了安全、环保的和谐统一。

6结语

以上分析表明，红砂岩岩体结构面的工程特性、水的影响是控制边坡稳定性的关键因素。对于软硬互层的红砂岩高路堑边坡，科学合理组织施工，及时采用防水、防风化，坡体锚杆注浆、引排坡体裂隙水的边坡防护加固措施，是行之有效的。该处治方案可以作为湘西南高速公路建设中软硬互层红砂岩高路堑边坡加固防护的指导性方案，对于其他含有软弱夹层的岩质边坡的加固防护，如板岩等，该方案同样具有指导意义。当然，对于一个具体的边坡而言，其设计必须要在充分明了场地工程地质条件的基础上，动态设计，才能有的放矢，确保设计安全、经济合理。

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