摘要
为深入研究高寒区上覆岩石层膨胀土条件下高速公路路堑边坡失稳的治理方法，依托张（北）—尚（义）高速公路失稳边坡工程，提出了不良地质下的边坡失稳综合治理方法，即通过刚性防护系统、排水系统、保温系统、柔性防护系统和隔水系统组成“五位一体”的边坡防护结构。其中，刚性防护系统为抗滑桩，在一级边坡 1/3 高度处设置，其参数基于失稳区域的岩石层削坡减载后剩余土体所需的抗滑力进行计算；排水系统由岩石层与膨胀土层的内置仰式排水管、失稳区域土体开挖后膨胀土层外设置的碎石排水层、碎石层内的排水横管、各个平台的排水沟、截水沟和边沟等结构组成；保温系统由碎石层外设置的回填土层和耕植黏土层组成；柔性防护系统为土工格栅加筋体，兼具保温作用；隔水系统由回填土层平台耕植黏土层下的两布一膜隔水层、碎石层和抗滑桩接触区域的两布一膜隔水层组成。现场治理结果表明：该方法能够有效防止边坡再次发生失稳破坏。
Abstract
To deeply study the treatment method for instability of highway cutting slope under the condition of expansive soil overlying rock layer in an alpine region， the comprehensive treatment method of unstable slope under this bad geology was put forward based on the unstable slope project of Zhangbei‒Shangyi Expressway. The governance protection structure consisted of a rigid protection system， drainage system， thermal insulation system， flexible protection system， and waterproof system. The rigid protection system was an anti-slide pile setting at the height of 1/3 of the first grade slope， of which parameters were calculated by cutting the slope of the rock layer in the unstable area to reduce the required anti-slide force of the remaining soil. The drainage system consisted of built-in tilting drainage pipes between the rock layer and expansive soil layer， gravel drainage layer outside the expansive soil layer after excavation of soil in unstable area， horizontal drainage pipe in the gravel layer， drainage ditch， intercepting ditch and side ditch of each platform. The thermal insulation system was a backfill soil layer and a cultivated clay layer arranged outside the gravel layer. The flexible protection system was a geogrid in the thermal insulation soil layer. The water-proof system was made of two cloth and one membrane water-proof layers planted under the clay layer on the backfill soil platform， and two cloth and one membrane water-proof layers in the contact area between the gravel layer and the anti-slide pile. The field treatment results show that this method can effectively prevent the slope from instability and failure again.
0 引言
膨胀土主要由蒙脱石和伊利石等黏土矿物组成，具有吸水膨胀、失水收缩的变形特性，当其作为路堑边坡土层时，极易引发边坡失稳问题[1-3]。膨胀土边坡上覆岩石层时，岩石层会增加膨胀土层荷载进而降低边坡安全系数，并且岩石层具有储水能力，在开挖‒卸荷作用下岩石层含水渗出进入膨胀土层，会引起膨胀土层力学参数初次劣化[4-6]。尤其处于高寒区气候时，膨胀土层力学参数会因季节更替冻融水进入土层产生干湿‒冻融作用再次劣化[7-8]。因此，针对高寒区含膨胀土层边坡失稳问题的支护加固和排水方法至关重要。
膨胀土边坡防护措施按照功能分为隔、挡、固 3 类。“隔”是将膨胀土边坡与外界环境隔离，主要有非膨胀土换填、石灰水泥化学固化膨胀土、加筋反包膨胀土或土工编织袋柔性处治膨胀土，Liu 等[9] 提出一种利用土袋修复膨胀土河道边坡方法，通过模型验证了土袋组合体能减少干湿循环过程中的渗透和蒸发作用；徐永福等[10-12] 提出土工编织袋能限制加筋膨胀土变形、隔离封闭外界环境、限制边坡表面水分变化，总结了土工格栅加筋反包结构的 3 种作用：加筋作用、压重作用、分隔作用；肖杰等[13]针对北京西六环膨胀岩土路堑边坡滑塌问题，提出了土工格栅加筋柔性支护处治方案；Zhang 等[14] 考虑了加筋膨胀土边坡中侧向膨胀的影响；李时亮等[15]通过室内边坡降雨试验，验证了三维土工网的防止边坡侵蚀能力。 “挡”是用支挡措施抵抗膨胀土边坡的失稳滑动趋势，大多采用重力式挡墙、板式挡墙等刚性支护方式。吴镇清等[16]通过室内侧向膨胀力模型试验，证明了柔性板桩墙能使膨胀土发生一定量变形从而释放膨胀力，提高了支挡结构的承载能力；张锐等[17] 利用二维膨胀仪开展了侧向膨胀力室内试验，揭示了竖向膨胀和侧向膨胀作用下侧向膨胀力的变化规律。“固”是加固膨胀土边坡，可采用深层注浆固化技术和施加抗滑桩、锚杆等刚性支护加固技术，适于滑动力较大的边坡。夏炎等[18] 针对某大桥膨胀土边坡破坏问题，提出了抗滑桩结合复合土工膜隔离保湿的解决方案，取得了良好的治理效果；任佳丽等[19] 依托南水北调膨胀土高渠坡加固工程，提出了伞形锚技术，验证了该技术在膨胀土高边坡加固中的技术优势；李涛等[20]在对切岭段膨胀土边坡滑塌治理措施中提出：以水泥改性土表面换填覆盖结合坡面及坡内排水措施，治理浅层裂隙发育以膨胀作用为主的渠坡浅层滑动；以抗滑桩加固边坡，治理出露高度大于 15 m 和有长大贯穿裂隙膨胀土边坡；刘斯宏等[21] 开展土工袋摩擦试验，分析了袋内材料、排列方式、含水条件对治理膨胀土边坡稳定性的效果，并通过南水北调中线工程土工袋膨胀土边坡修复案例试验得以论证；王协群等[22] 通过三轴排水剪切试验，论证了加筋膨胀土的改善效果；向远华[23]基于膨胀土路堑边坡工程中抗滑桩支护结构的监测数据，发现最优边坡安全系数的桩排距为 8 倍抗滑桩截面宽度。
在工程实际运用中，往往多种隔、挡、固防护措施相互结合。宁昕杨等[24] 针对引江济淮工程菜巢线分水岭段边坡所涉及的岩质边坡、弱膨胀土边坡、中膨胀土边坡分别提出解决措施；徐永福等[25]总结了膨胀土边坡治理的隔、挡、固 3 类的标准化技术；叶为民等[26] 在常规边坡加固方法基础上提出了膨胀土边坡生态防治技术：生态防护单元，由粗粒层、细粒层和生态层构成。
综上所述，现有的支护加固和排水治理方法大多针对常规膨胀土层边坡工程，对于膨胀土路堑边坡上覆岩石层支护加固技术研究较少，且较少关注高寒区条件下的膨胀土边坡排水方法。基于上述问题，本文依托张北至尚义高速公路路堑失稳边坡问题，针对高寒区下上覆岩石层下膨胀土边坡，提出柔性支护防护边坡小变形、刚性支护防护墙变形、保温土层与隔排水层防护膨胀土层力学参数劣化的上覆岩石层膨胀土失稳边坡综合防护措施，现场实测结果证明，该综合治理方案能够有效地防护边坡再次发生失稳破坏。其研究结果可为相同条件下路堑边坡加固技术方案提供借鉴。
1 工程背景与治理方案
1.1 工程背景
张北至尚义高速公路采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度 100 km/h，整体式路基宽 26 m。路段 K5+270~K5+500 路堑边坡施工完毕后发生坍塌，对其开展放缓边坡及超挖回填加筋柔性支护处治措施后，K5+300~K5+350 段再次发生坍塌，边坡坍塌现场如图1所示。
图1 K5+300~K5+350 坍塌现场图
Figure1 K5+300-K5+350 collapse site map
经实地勘测发现，项目涉及区域为高寒地区，气温低且温差大，区内多年平均气温 3.2 °C，该路段极端最低气温-38.4 °C，极端最高气温 35.7 °C；冬季冻土层一般厚 1.00 m，最大冻土深度 2.07 m，土体融冻期最长持续约 42 d，结冻期持续约 110 d，冻结速率小于融冻速率；坡面冻融水和大气降水，在冻融‒干湿耦合循环条件与开挖卸荷作用下，地下水渗入膨胀土层，导致膨胀土遇水性能劣化从而造成边坡稳定性降低；边坡高度 35 m，一级边坡为强膨胀土，二级边坡为中膨胀土，三级边坡为弱膨胀土。上覆岩石层为玄武岩层，使得膨胀土层具有隐蔽性，当地质勘查精度不足时，容易造成设计出现误差，同时上覆岩石层会增加膨胀土层的荷载，导致坡体的安全系数降低；玄武岩层为含水层，在卸荷作用下玄武岩层含水渗出进入膨胀土层，引起膨胀土层力学参数劣化，岩土体参数见表1。
表1 岩土体计算参数
Table1 Calculation parameters of rock and soil mass
1.2 治理方案
结合现场勘测情况，针对高寒区膨胀岩土条件下张北至尚义高速公路路堑边坡滑塌的治理方法展开综合研究，探索这一不良地质条件下边坡治理要点，提出治理方案如下：边坡上部为岩石层，下部为膨胀土层；防护结构由刚性防护系统、排水系统、保温系统、柔性防护系统、隔水系统组成；刚性防护系统为抗滑桩，在一级边坡 1/3 高度设置，其参数通过失稳区域的岩石层削坡减载剩余土体所需抗滑力进行计算；排水系统为岩石层与膨胀土层的内置仰式排水管、失稳区域土体进行开挖后膨胀土层外设置的碎石排水层、碎石层内的排水横管、各个平台的排水沟、截水沟、边沟；保温系统为碎石层外设置的回填土层和耕植黏土层；柔性防护系统为土工格栅加筋体，兼具保温作用；隔水系统为回填土层平台耕植黏土层下的两布一膜隔水层、碎石层与抗滑桩接触区域的两布一膜隔水层。综合治理措施形成了柔性支护防护边坡小变形、刚性支护防护墙变形、保温土层与隔排水层防护膨胀土层力学参数劣化的上覆岩石层膨胀土失稳边坡防护结构，能够有效地防护边坡再次发生失稳破坏。
2 高寒区膨胀土边坡治理方法设计
2.1 支护与加固方法
边坡开挖与支护措施有放缓边坡、削方减载和加抗滑桩。一级边坡坡率 1∶2，二级边坡坡率 1∶1.75，三、四、五级边坡坡率 1∶1.25。K5+240~K5+500 路段距离一级边坡坡角 8 m 处施加抗滑桩，间距 5 m，地面以下采用直径为 1.8 m 的圆形桩基础，桩长 8 m。地面以上设置承台将桩基础进行串联，承台以上设置 1.6 m×1.8 m 的矩形柱与承台共同抵抗膨胀土边坡的下滑力。桩间土采用 C40 预制钢筋混凝土板进行挡土，预制挡土板尺寸为 3.98 m×0.50 m。具体设计参数基于文献数据，按照工程经验取值[10-16]。
2.1.1 边坡开挖与支护
边坡开挖与支护方案如下：超挖边坡形成工作面；施工钻孔桩及安装挡土板，铺设防渗土工布（两布一膜）封层，埋设直径 10 cm 透水 PVC 排水管。加筋体下部填 2 层碎石土，以上层用普通土填筑。在加筋体尾部与开挖面间设 50 cm 碎石排水层；加筋体宽 3.5 m，每层填筑 50 cm 厚普通土水平加铺土工格栅，并在其上部回填土压实；将其张紧并用 U 形钉在填土上固定，将预留的 1.5 m 格栅反包并用连接棒与上层格栅连接形成坡面。加筋体后碎石自下而上贯通，可将坡体内裂隙水排出。在完成普通土回填后，覆盖耕植黏土，如图2所示。
图2 五级边坡开挖与支护示意图
Figure2 Excavation and support of five‐stage slope
铺设土工格栅时，采用搭接法，顺路线方向搭接，搭接宽度不小于 30 cm。对格栅采用锚固件进行有效锚固，锚固间距为 1 m×1 m。土工格栅选用单向土工格栅，纵向极限抗压强度不小于 35 kN/m，极限伸长率不大于 10%，应变率 5% 时的抗压强度不小于 20 kN/m，如图3所示。
坡面用 30 cm 耕植黏土覆盖，碎落台采用 40 cm 耕植黏土覆盖，并植草绿化防止雨水冲刷。边坡回填部分压实度不小于 90%。
三级以上边坡采用喷混凝土支护。抗滑桩以上坡面设置仰角不小于 6°的仰斜式排水孔方案进行排水，排水孔孔径 90~110 mm，内置直径 100 mm 的透水管，透水管采用渗水土工布进行外包。水平间距3 m，竖向间距 2 m，管长 10 m，坡面施工时，应注意不得堵塞排水管。纵向沟埋设直径 10 cm 透水 PVC 排水管，横向沟埋设直径 10 cm 不透水 PVC 排水管。膨胀土层开挖后应及时防护，辅助临时防排水措施，如图4所示。
图3 一二级边坡支护示意图（单位：mm）
Figure3 Primary and secondary slope support （unit:mm）
图4 三级以上边坡开挖示意图
Figure4 Slope excavation above level 3
2.1.2 抗滑桩计算参数选取
K5+270~K5+500 路堑边坡原设计采用 SNS 挂网防护，一级边坡坡率为 1∶1.5，二级及以上边坡坡率均为 1∶1。按设计开挖后，K5+270~K5+320、 K5+320~K5+420、K5+420~K5+500 先后发生 3 次坍塌，累计坍塌长度约 230 m。
对该路堑边坡采用放缓边坡及超挖回填加筋柔性支护处治设计方案。一级边坡坡率由 1∶1.5 放缓至 1∶2，二级边坡坡率由 1∶1 放缓至 1∶0.75，三级边坡仍采用 1∶1，四、五级边坡坡率由 1∶1 放缓至 1∶1.25。施工后 K5+300~K5+350 段再次发生坍塌。经对两次滑动的边界以及与放缓边坡后的坡面切割位置对比分析，认为两次滑动为同一滑面。选取滑塌深度最大的 K5+380 断面，利用 SLIDE 软件进行稳定性分析，计算参数按表1选取。结果表明，当 K5+ 380 断面安全系数 FS取 1.3 时，需在 1 级坡面中间位置（距路面高 4 m 处）施加水平抗力 564 kN/m。
2.1.3 抗滑桩支护结构与配筋
抗滑桩支护结构包括圆形桩基础、串联桩基础的承台、承台挡块和矩形柱。抗滑桩 3 根为一组。各部分具体尺寸详见图5。
图5 抗滑桩结构图（单位：cm）
Figure5 Structure of anti‐slide pile (unit:cm)
圆形桩基础配筋如图6所示（钢筋直径单位：mm，其他尺寸单位：cm）。钢筋接头采用双面焊接，焊缝长度为钢筋直径 5 倍。加强钢筋 N3 隔 2 m 设置，桩基伸入承台 10 cm。
一根桩基的配筋明细如表2所示。桩间土挡土采用 C40 预制钢筋混凝土板，共 20.36 m3。
2.2 边坡防排水工艺
高寒区含膨胀土层边坡下，坡面流水、大气降水、冻融水等在冻融‒干湿耦合与开挖卸荷作用下渗入膨胀土层，降低边坡稳定性。对于上覆岩石层的膨胀土边坡，需要对岩石层和膨胀土层含水、大气降水、冻融作用系统考虑，减小水对坡体潜在滑面的物理力学参数影响。
图6 圆形桩基础配筋图（单位：cm）
Figure6 Reinforcement of circular pile foundation (unit:cm)
表2 桩基配筋明细
Table2 List of pile foundation reinforcement
结合膨胀土 5 级边坡典型剖面（图2），基于“截、引、隔、疏、排”进行了边坡防排水设计。主要包括位于边坡外围的截水沟，分布于各个平台的排水沟，岩石层、膨胀土层、回填土层布置仰斜排水管，边坡坡脚的排水边坡，回填土层与耕植黏土层间布设隔水土工布（图7）。膨胀土层与回填土层仰斜排水管通过碎石层排水管连通（图8），各平台排水沟通过急流槽连通，碎石层排水管与导水盲洞连通（图9），导水盲洞与一级平台排水沟和边沟连通（图10）。
排水管为内置仰式排水管，岩石层与膨胀土层 6°~7°，回填土层 5°~6°，水平间距 3 m，竖向间距 2 m，菱形布置，碎石层横向水管 3°~4°。岩石层、膨胀土层、碎石层排水管为 PVC 透水管，排水管直径 90~100 mm，采用渗水土工布进行外包，岩石层、膨胀土层透水管管后双层土工布包管反滤、碎石层透水管两端双层土工布包管反滤，回填土层为 PVC 排水管、排水管直径 90~100 mm。
图7 玄武岩层防排水管布置
Figure7 Layout of waterproof and drainage pipes in basalt layer
图8 膨胀土层防排水结构
Figure8 Waterproof and drainage structure of expansive soil layer
图9 不同区域排水管连接图
Figure9 Connections of drainage pipes in different areas
图10 坡面排水结构布置图
Figure10 Layout of slope drainage structure
排水系统能截留坡体外水分，阻隔坡面水分，快速地将岩土层含水引排，最大程度地降低坡体内含水量，同时增加了回填保温土层，可以有效地预防大气降水与温度变化诱发膨胀土层力学参数劣化，提高边坡的稳定性。
3 实施与治理效果
3.1 开挖与回填施工注意要点
膨胀土路堑开挖不宜一次挖到设计线，宜沿坡面预留厚度为 0.3~0.5 m 的土层，并采取临时防水封闭措施保持边坡土体原状含水率，待开挖完成后，再削去边坡预留部分并立即采用设计的柔性支护方案进行防护。施工必须在旱季，边坡清理后应立即填筑柔性支护结构，工序间要衔接紧凑。将碎石填筑于柔性支护结构背部与边坡面之间，形成墙背碎石层，碎石层厚度不小于 50 cm。将预留的土工格栅反包坡面，并及时用耕植土层覆盖坡面，保证土工格栅暴露时间不超过 24 h。边坡回填部分压实度应不小于 90%。
3.2 抗滑桩施工注意要点
施工前，应采取卸载、反压、排水等措施使滑坡体保持基本稳定，严禁在滑坡急剧变形阶段进行抗滑桩施工。施工期间应根据实际地质情况考虑开挖时的预加固措施。整平孔口地面，并设置地表截、排水及防渗设施。设置滑坡变形、移动监测点，并进行连续观测。雨季施工时，孔口搭设雨棚，孔口地面上应加筑适当高度的围埂。桩基施工中均不得搅动桩底、桩侧的土层，相邻两孔不得同时钻孔或浇注混凝土，以免搅动孔壁造成串孔或断桩；钻孔灌注桩完成后 24 h 内，其相邻的任何桩位不得进行开挖或钻孔作业，以免影响桩基混凝土的凝固。
3.3 治理效果
根据提出的边坡支护加固方法与防排水工艺，按照开挖回填与抗滑桩施工要求，对边坡进行治理。该路段边坡治理工程于 2020 年 4 月开工，2022 年 7 月完工，运营至今。通车期间，经历了春秋小到中雨，夏冬中到大雨及降雪，边坡都未出现较大变形，地下水排水情况良好，地表监测点竖直位移变形趋向稳定，验证了提出的失稳边坡治理方法效果良好，能有效提升边坡稳定性。典型测点位移沉降曲线如图11所示。
图11 地表位移典型测点沉降曲线图
Figure11 Settlement profile of a typical point of measurement of surface displacement
4 结论
依托张北至尚义高速公路路堑失稳边坡问题，对高寒区上覆岩石层膨胀土边坡工程的治理方法进行设计，提出优化的支护加固方法和边坡防排水工艺。现场治理效果表明：该不良地质的边坡治理方法设计合理，能有效提升边坡稳定性。主要结论如下：
（1）提出了柔性支护防护边坡小变形、刚性支护防护墙变形、保温土层与隔排水层防护膨胀土层力学参数劣化的上覆岩石层膨胀土失稳边坡防护结构，能够有效地防止边坡再次发生失稳破坏。
（2）提出了“截、隔、引、排”的排水系统策略，截留坡体外水分，阻隔坡面水分，快速将岩土层含水引排，最大程度地降低坡体内含水量。同时，增加了回填保温土层，可以有效预防大气降水与温度变化诱发膨胀土层力学参数劣化，提高边坡的稳定性。
（3）形成了具有刚性防护系统、排水系统、保温系统、柔性防护系统和隔水系统“五位一体”的边坡失稳综合防护结构。将本文所提治理方法通过具体工程实施后，对边坡失稳问题治理效果良好，丰富了膨胀土失稳边坡工程治理方法，对类似地质工程或对边坡支护、加固和防排水要求高的其他工程治理具有指导价值。但对于支护排水要求较低的工程，该治理方法可能存在设计复杂、效用较低的问题。
