膨脹土滑坡施工過程中的淺表位移監(jiān)測

雷云佩，陳志平，魏麗敏

（1重慶市市政設(shè)計研究院，重慶 400020；2中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075）

0 引言

一般通過監(jiān)測邊坡上局部土體的位移來評估邊坡整體的移動速率和方向，但由于土的工程性質(zhì)的復(fù)雜性、隨機性和不均勻性，局部單個測點的土體位移難以反映出整個邊坡的位移情況，因此通常在邊坡范圍內(nèi)布置多個觀測點形成監(jiān)測網(wǎng)，通過這種方法測出的邊坡整體位移，其可靠性很高。

導(dǎo)致邊坡或滑坡變形的影響因素較多，其中氣候條件是一個關(guān)鍵因素[1]。淺表位移監(jiān)測是邊坡或滑坡監(jiān)測的重要內(nèi)容，特別是膨脹土滑坡，其滑動面一般較淺，淺表層土體活動明顯[2]。通過表層位移監(jiān)測可達到以下目的：可判斷坡體的移動方向和趨勢；監(jiān)測不同氣候條件（特別是降雨條件下）土體位移的變化規(guī)律，研究氣候條件對膨脹土邊坡的影響；通過長期監(jiān)測邊坡位移，對比支擋結(jié)構(gòu)施工前后邊坡位移的發(fā)展規(guī)律，研究支擋結(jié)構(gòu)的抗滑作用。

本文以南寧某鐵路項目中的膨脹土滑坡為工程背景[3]，對膨脹土滑坡施工過程中的地表位移進行了監(jiān)測；利用冪函數(shù)擬合了工點內(nèi)膨脹土滑坡淺表位移與降雨量的關(guān)系，效果較好，精度很高；同時分析了降雨、切坡和臨時支護對邊坡位移的影響，得到了相應(yīng)的位移變化曲線。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件

本段線路以路塹通過，邊坡最大開挖高度約9m，邊坡表層為坡殘積弱膨脹土，土層性狀為：粉質(zhì)黏土，褐黃色，褐灰色，硬塑狀，有砂感，分布于緩坡地段，厚2～8m，為弱至中等膨脹土。以下依次為全風(fēng)化層（呈土狀或砂狀，本層中泥巖為弱膨脹巖）、強風(fēng)化層泥巖夾泥質(zhì)砂巖和弱風(fēng)化泥巖。

值得注意的是，在表層膨脹土層與全風(fēng)化層的分界面或過渡層中，含砂率極高，局部地段為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，該過渡層位于膨脹土的氣候作用層附近，在地下水的沖刷和滲透作用下極易發(fā)展為滑坡的滑動面。

1.2 氣候條件

試驗工點所在的廣西南寧屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年陽光十分充足，夏季長冬季短，氣候溫和，雨量非常充沛，每年總的降雨量達1300mm左右；全年平均氣溫22℃，平均相對濕度79%。廣西南寧地區(qū)4—9月間降雨量占年降雨量的75%左右，雨季正好與熱季重疊。在雨季，大、暴雨過于集中，而該試驗工點的施工期正好經(jīng)歷了這段時間，給施工和監(jiān)測帶來了極大的困難。廣西太陽輻射較強，熱量大，導(dǎo)致膨脹土邊坡土體裂隙高度發(fā)育；雨季與熱季重疊導(dǎo)致膨脹土在頻繁的干濕循環(huán)作用下，強度降低，整體性遭到破壞，新開挖的膨脹土路塹邊坡在大、暴雨作用下極易出現(xiàn)滑坡。

1.3 滑坡特征

工點內(nèi)D1K736+915～D1K737+400區(qū)段，在按坡率1:1.75刷坡開挖至樁頂設(shè)計高程以后，經(jīng)過幾次強降雨過程后出現(xiàn)局部滑坡，由于時值雨季和熱季重疊，多次降雨之后，滑坡逐漸向上發(fā)展形成牽引式滑坡?；麦w主軸與線路前進方向大約為60°夾角 ，在滑坡體后緣已清晰可見灰白色滑動面，滑床為全風(fēng)化弱膨脹性泥巖。其中D1K737+220～D1K737+265區(qū)段范圍內(nèi)為塌陷區(qū)，平均塌陷深度為1.5m，該區(qū)域土體完全失去整體性，含砂率較高，對下方支擋結(jié)構(gòu)和線路威脅性極大。

1.4 治理設(shè)計方案

工點所在區(qū)段長485m，該段邊坡滑坡前的設(shè)計方案為單排抗滑樁+錨桿框架梁+膨脹土擋墻支護；出現(xiàn)滑坡后進行了設(shè)計方案變更，總體方案為雙排抗滑樁，坡腳設(shè)置擋土墻，坡面采用無預(yù)應(yīng)力全長黏結(jié)型錨桿和框架梁結(jié)構(gòu)，變更后的方案斷面如圖1。

圖1 試驗工點膨脹土邊坡支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2 監(jiān)測方案

對于膨脹土邊坡而言，膨脹土的干縮濕脹特性往往導(dǎo)致淺表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定誤差。這是因為位移數(shù)據(jù)中很可能包含了測點附近土體的膨脹變形或收縮變形，而測點附近膨脹土的變形量及變形方向是無法預(yù)先確定的。為盡量減少膨脹土的干縮濕脹對位移監(jiān)測的干擾，采用如下措施埋設(shè)淺表位移監(jiān)測樁：

（1）先在事先準(zhǔn)備好的木樁上釘入用于測量定位的小鐵釘；

（2）在預(yù)備埋設(shè)監(jiān)測樁的位置挖出一個25cm深的小坑，然后將35cm長的木樁打入坑底；

（3）將小坑用水泥砂漿填滿，水泥砂漿不得包裹木樁樁頂；

（4）待水泥砂漿凝固以后，再進行初次測量確定監(jiān)測點的初始坐標(biāo)。

根據(jù)研究目的和現(xiàn)場地形情況，在滑坡體上布置了淺表位移監(jiān)測網(wǎng)，共計13個監(jiān)測樁，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測平面布置圖

3 監(jiān)測成果分析

淺表位移原是一項長期監(jiān)測項目，由于現(xiàn)場的多種原因，導(dǎo)致真正的長期監(jiān)測點很少。選取三個長期監(jiān)測點，分別位于滑坡體后緣的12#點、滑坡中部的11#點和7#點。

本次位移監(jiān)測通過實測各點的坐標(biāo)變化來確定該點在垂直于線路方向和平行于線路方向的位移變化，通過分析三個點的水平合位移方向發(fā)現(xiàn)，三點水平合位移方向基本與滑坡主軸平行，因此本文才利用各點的最大位移進行數(shù)據(jù)分析。利用已測數(shù)據(jù)繪制了時間-位移-降雨量及施工過程的相關(guān)關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 時間-位移-降雨量及施工過程的關(guān)系圖

3.1 地表位移與降雨量的關(guān)系

降雨是導(dǎo)致滑坡的主要原因之一，對膨脹土邊坡而言，降雨的影響更大。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，9月初二級邊坡刷坡以后，9月20日—9月30日期間的降雨量達99.4mm，該次強降雨過程導(dǎo)致整個滑坡體劇烈滑動，滑坡中部的最大位移接近5m，這次強降雨過程給施工帶來極大的困難，使滑坡區(qū)域內(nèi)的抗滑樁樁孔被毀壞，護壁完全破壞。此次降雨過程對坡體的影響持續(xù)了近半個月，直至10月6日前，滑坡體才逐漸趨于穩(wěn)定，此時坡頂和滑坡中部的最大位移已接近6m。

圖4中的位移監(jiān)測點即為7#監(jiān)測點，降雨導(dǎo)致該點出現(xiàn)巨大水平位移，二級邊坡坡頂?shù)呐潘胧┍黄茐摹?/p>

圖4 測點7#現(xiàn)場變形情況

7#和11#監(jiān)測點都位于滑坡中部，它們的位移趨勢極其相似，代表了整個滑坡體的位移發(fā)展?fàn)顩r。從表1可以清晰地看出，滑坡位移及其速率與降雨量有直接的關(guān)系。該試驗工點的滑坡土體由于經(jīng)過多次滑動和反復(fù)的干濕循環(huán)，已經(jīng)失去整體性，土質(zhì)松散，裂隙高度發(fā)育。

表1 11#監(jiān)測點最大水平位移與降雨量的關(guān)系

表1中數(shù)據(jù)表明，膨脹土邊坡位移與降雨量也是大致呈冪函數(shù)分布規(guī)律，采用冪函數(shù)對表1中的數(shù)據(jù)進行非線性擬合：

u=mxn

式中，u表示位移，x表示降雨量，m和n表示與滑坡物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。擬合結(jié)果為：常數(shù)m=2.38×10-6，n=4.65。即試驗工點內(nèi)膨脹土滑坡淺表位移與降雨量的關(guān)系為：

u=2.38×10-6x4.65

擬合曲線見圖5：

圖5 膨脹土滑坡淺表位移與降雨量關(guān)系的擬合曲線

利用冪函數(shù)擬合工點內(nèi)膨脹土滑坡11#點淺表位移與降雨量關(guān)系，通過圖3可知，滑坡同一部位的7#和11#位移發(fā)展趨勢基本一致，利用冪函數(shù)擬合關(guān)系可以較好預(yù)測該部位的滑坡位移，精度較高。但圖3同時也表明，膨脹土滑坡中部和后緣的位移發(fā)展規(guī)律具有較大的差別，其中中部位移大，速率大；后緣位移較小，速率小。利用冪函數(shù)擬合用于滑坡位移預(yù)測時，建議在滑坡前緣、中部和后緣分別建立監(jiān)測點，分別形成相應(yīng)的擬合公式用于相應(yīng)部位的位移預(yù)測。

膨脹土滑坡的位移與降雨量有直接的關(guān)系，如果不及時進行治理，將會產(chǎn)生嚴重的后果。另外，南寧的雨季集中在5—9月，因此可以將監(jiān)測期分為雨季和非雨季兩個階段。從表1、圖3分析發(fā)現(xiàn)，在雨季，滑坡體一直處于滑動狀態(tài)，降雨量越大位移越大；在非雨季期間，坡體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，位移速率很小甚至接近于0。

3.2 二級邊坡開挖的影響

二級邊坡開挖時，坡腳進行了填土反壓，填土反壓的目的本來是為了增大滑坡下滑阻力，便于上級邊坡的施工，但這次填土反壓并沒有取得應(yīng)有的效果。因為膨脹土滑坡的滑動面較淺，刷坡后，明顯可見滑動面正好穿過二級邊坡的坡腳，刷坡反而使二級邊坡以上的坡體的下滑阻力變小。這也是9月20日—10月6日期間滑坡劇烈滑動導(dǎo)致破壞的原因之一。

3.3 木樁臨時加固后的位移監(jiān)測

在10月6日再次對二級邊坡進行了刷坡減載，同時在坡面上打入木樁，木樁深入滑動面以下。此次施工之后，我們在坡面上布置了若干淺表位移監(jiān)測點。監(jiān)測表明，木樁加固彌補了前期二級邊坡刷坡所引起的滑坡坡腳下滑阻力減小的問題，在10—12月期間，坡面位移監(jiān)測點位移量很小，平均位移量為32.7mm，平均位移速率0.5mm/天，而這些位移量還包含期間其他干擾因素造成的位移量 （如測點土體濕脹干縮等）；而圖1中，木樁加固后滑坡中部和后緣的位移曲線幾乎為直線，表明木樁臨時加固邊坡取得預(yù)期效果。

4 結(jié)論

（1）膨脹土滑坡中部和后緣的位移發(fā)展規(guī)律具有較大的差別，中部位移大，速率大；后緣位移較小，速率小。

（2）膨脹土滑坡的位移與降雨量的關(guān)系密切，利用冪函數(shù)關(guān)系擬合位移和降雨量的關(guān)系，通過滑坡相同部位監(jiān)測點的驗證，具有較高的精度；實際應(yīng)用時，建議在滑坡前緣、中部和后緣分別建立監(jiān)測點，分別形成相應(yīng)的擬合公式用于相應(yīng)部位的位移預(yù)測。

（3）從兩次對二級邊坡進行的開挖過程可知，開挖的最初目的主要是為了減載，但由于膨脹土滑坡的滑動面較淺，開挖后，反而在二級邊坡的坡腳揭露了滑動面，加劇了滑坡的變形和破壞。因此，對于膨脹土滑坡，進行減載時宜在滑坡后緣進行，滑坡中部應(yīng)謹慎開挖。

（4）木樁加固后滑坡中部和后緣的位移曲線幾乎為直線，表明木樁臨時加固邊坡取得預(yù)期效果，且具有很好的經(jīng)濟性。