膨脹土滑坡形成及治理的系統(tǒng)分析法

林武翀　查俊

摘要：文章通過對(duì)某膨脹土滑坡過程、滑坡特征的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，總結(jié)出膨脹土滑坡機(jī)制：風(fēng)化、干濕循環(huán)、冷熱交替作用產(chǎn)生脹縮裂縫、溫差裂縫、風(fēng)化裂縫，填土、下滑力等外部荷載形成拉張、壓剪裂縫，兩者在以上間接裂縫的幫助下最終貫通，產(chǎn)生滑動(dòng)破壞，其中水發(fā)揮了重要的催化作用。根據(jù)機(jī)制分析成果，制定了減少直接荷載作用，控制風(fēng)化、干濕循環(huán)、冷熱交替等間接荷載作用，截?cái)?、防止水的催化作用等綜合治理方案。

關(guān)鍵詞：膨脹土;間接荷載作用;直接荷載作用;裂縫;綜合治理

中國分類號(hào)：U418.5+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

膨脹土是一種粒度高分散，成分以親水性黏土礦物為主，對(duì)濕熱變化敏感的高塑性黏土，具有吸水膨脹、失水收縮特性[1]，也是一種常危及人類工程活動(dòng)并造成災(zāi)害的特殊性土質(zhì)[2]。隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，膨脹土地區(qū)滑坡問題屢見不鮮，給社會(huì)造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失。目前的研究方向主要集中于膨脹滑坡的外界影響分析[3-4]、內(nèi)部組成特性及影響分析[5-6]、滑動(dòng)機(jī)制[7-8]及治理方案[9-10]的研究，而將滑坡看成一個(gè)系統(tǒng)，將其細(xì)分為系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)行為、系統(tǒng)治理四個(gè)子系統(tǒng)，按各系統(tǒng)相互作用去研究的則比較少。

本文通過百東高速互通與百色水上樂園間膨脹土滑坡案例，從滑坡系統(tǒng)分析的角度詳細(xì)論述了滑坡系統(tǒng)環(huán)境、滑坡系統(tǒng)組成、滑坡系統(tǒng)行為及滑坡系統(tǒng)治理方案。該分析方法在工程實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用，取得良好效果，希望能為類似滑坡工程治理提供參考。

1 滑坡系統(tǒng)環(huán)境概況

滑坡位于新建的百色市百東新區(qū)與南百高速公路互通收費(fèi)站與新建的百色水上樂園間的山坡上。如圖1所示。2015年底及2016年初，兩地塊相繼施工。

滑坡區(qū)整體位于百色盆地中部，屬壟崗與溝谷相間地貌，自然坡度為20°～30°，山腳溝谷較寬，與右江那吉水庫庫尾相連，汛期時(shí)溝谷部分被淹沒。

2 滑坡系統(tǒng)組成

（1）物質(zhì)組成：滑坡大致由以下三層組成：表層為南百高速2005—2007年間棄土，厚4.7～8.0 m;中間層為更新統(tǒng)三級(jí)階地的混少量圓礫黏土，厚1.2～2.0 m，脹縮參數(shù)如表1所示;底部為古近系那讀組泥巖半成巖，厚度大，三層均具強(qiáng)膨脹性。

（2）空間組成：南百高速公路互通A匝道、收費(fèi)大棚及收費(fèi)站均位于坡頂，收費(fèi)站位于邊坡最外側(cè)，呈長方形布置，占地面積9畝，場(chǎng)坪標(biāo)高136.5 m，坡頂現(xiàn)狀標(biāo)高為132.15～133.08 m，坡頂需填土3.4～4.4 m。山坡中部為水上樂園的一條擬建道路，寬3.5 m。坡面植被在水上樂園施工時(shí)被清除。

3 滑坡系統(tǒng)行為：滑坡過程與滑坡特征

3.1 初次滑動(dòng)

2015年11月，南百高速公路互通項(xiàng)目進(jìn)行A匝道邊坡開挖與收費(fèi)大棚、收費(fèi)站場(chǎng)地平整工作。當(dāng)收費(fèi)站往原地面填土至133.8 m高程時(shí)，外側(cè)坡頂往下出現(xiàn)兩道相距約6～10 m的圈椅狀貫通性裂縫，坡體先后產(chǎn)生滑移、下挫。兩處滑壁均呈陡傾斜面，斜面粗糙，傾角為50°～70°，張開10～40 cm，頂部裂縫寬于下部裂縫5～10 cm，滑體下錯(cuò)30～100 cm，形成多個(gè)寬約4～10 m的平臺(tái)。平面上第一次形成的滑坡頂寬約115 m，底寬約170 m，長約30 m，平均厚5.5 m，體積約5.4×104 m3，本次滑坡屬填土荷載引起的推移式滑動(dòng)。

3.2 后續(xù)滑動(dòng)

2016年6月百色地區(qū)連降暴雨加之在坡上開挖基坑，造成第一次滑坡段中下部又出現(xiàn)多次滑動(dòng)，滑體頂部形成貫通性圈椅狀。這次滑動(dòng)使得滑坡長度增加30～50 m，寬度也增加10～30 m，總滑坡體積達(dá)10×104 m3。

后續(xù)滑坡特征：（1）滑體后緣滑壁呈上部平直下部圓弧形光滑斜面，坡度約50°～70°，滑壁明顯呈剪切光面;（2）在兩主滑壁間分布與重力反向呈45°的剪切滑動(dòng)面，滑面平直，張開度上大下小，往坡體內(nèi)延伸時(shí)趨于微張并過渡為弧形;（3）滑坡中前部滑動(dòng)面及剪出口大面積清晰分布，呈平直緩傾狀，與巖土分界面極為吻合。由于后續(xù)滑動(dòng)的牽引，第一次滑動(dòng)范圍（已清除滑體）及服務(wù)區(qū)側(cè)坡頂又出現(xiàn)大量貫通性裂縫，并不斷發(fā)展，部分緩慢滑動(dòng)。后續(xù)滑動(dòng)屬因開挖卸載及降雨的共同作用下產(chǎn)生的牽引式滑坡。

4 膨脹土滑坡形成機(jī)制的系統(tǒng)分析

滑坡的形成受滑坡系統(tǒng)組成控制，在不同的系統(tǒng)環(huán)境下將產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的滑坡系統(tǒng)行為，包括荷載作用、裂縫形成、張開、貫通、滑動(dòng)及停止。外部環(huán)境除風(fēng)化、干濕交替、冷熱交替等間接作用外，還有重力及填土、機(jī)械荷載等與施工工序有關(guān)的人為直接荷載等，而水既是直接荷載也是間接荷載，它對(duì)膨脹土來說是一種極敏感的催化劑。總體來說滑坡的形成是間接荷載、直接荷載及水共同作用的結(jié)果，隨著施工過程變化，滑坡系統(tǒng)行為從間接裂縫到直接裂縫到滑面貫通破壞。

4.1 間接荷載作用

清表是施工的第一道工序，清表后滑坡系統(tǒng)的外部環(huán)境發(fā)生改變，坡體裸露，風(fēng)化、干濕交替、冷熱交替等間接作用發(fā)生于坡面。本滑坡表層為較厚的強(qiáng)膨脹性棄土，其對(duì)這些間接作用敏感，易產(chǎn)生風(fēng)化裂縫、脹縮裂縫及溫差裂縫。間接裂縫有自己的規(guī)律：如裂縫形狀以龜裂狀、漫射狀為主，裂縫會(huì)往內(nèi)部發(fā)展，但受上部土體保護(hù)，發(fā)展深度有限，且發(fā)展變緩。間接裂縫的產(chǎn)生為水和其他作用提供了空間，導(dǎo)致了直接荷載作用下裂縫范圍出現(xiàn)應(yīng)力集中，加劇破壞。

4.2 直接荷載作用

直接荷載作用包括外部直接荷載、重力、堆載及下滑力等。對(duì)第一次滑坡直接荷載為坡頂填土堆載和重力。直接荷載通過土體將荷載傳遞到邊坡上，形成擠壓應(yīng)力，作用力與邊坡斜面夾角約60°～70°。在力的作用下，土體被擠壓，邊坡表層土體受擠拉隆起，部分土體受擠產(chǎn)生剪應(yīng)力。這種荷載隨著深度增加不斷消散，擠壓作用逐漸變?nèi)?。豎向荷載首先使得坡肩部或受擠壓彎矩最大處產(chǎn)生拉張主裂縫，與豎向應(yīng)力約45°土體內(nèi)產(chǎn)生剪切效應(yīng)。當(dāng)拉張裂縫往下和剪切裂縫向空間發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)，荷載作用大于土體內(nèi)部強(qiáng)度（比如抗拉、抗剪強(qiáng)度），土體即產(chǎn)生滑動(dòng)。滑動(dòng)產(chǎn)生的下滑力又繼續(xù)作用在相鄰的土體上，使其產(chǎn)生擠壓破壞，即推動(dòng)式破壞。在直接荷載作用過程中，干濕循環(huán)、風(fēng)化、冷熱交替等間接作用加劇，土體間接裂縫也在不同維度擴(kuò)展，為主裂縫貫通和水的入滲提供通道。

4.3 水的作用

水是膨脹土邊坡破壞的催化劑，它具有以下3種催化效應(yīng)：

（1）膨脹土中含有大量親水礦物，故土體極易吸水，吸水后礦物晶體體積增加，產(chǎn)生膨脹壓力，在膨脹力和表面張力共同作用下，使得土體中的缺陷處產(chǎn)生擠壓裂縫;土體失水晶體體積收縮，產(chǎn)生負(fù)壓，形成基質(zhì)吸力，在基質(zhì)吸力和表面張力共同作用下，在土體缺陷處產(chǎn)生拉張裂縫。這些裂縫不斷切割土體，使土體強(qiáng)度降低。

（2）水的潤滑作用使得土體粘聚力降低。

（3）地表水流、降雨對(duì)土體產(chǎn)生水壓和滲流壓力，加劇土體的破壞。

5 滑坡系統(tǒng)處治技術(shù)研究

本文通過對(duì)膨脹土滑坡的系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)組成及系統(tǒng)行為的分析，找出了造成破壞的關(guān)鍵子系統(tǒng)，即特殊的巖土性質(zhì)、降雨、外部荷載、裂縫、滑動(dòng)面，這些系統(tǒng)的相互作用最終導(dǎo)致了邊坡破壞?；诨孪到y(tǒng)的處治技術(shù)應(yīng)有針對(duì)性地控制主滑因子，并防止滑坡繼續(xù)破壞，使得處治方案經(jīng)濟(jì)有效。

5.1 調(diào)整建筑布置、減少坡頂側(cè)直接荷載

變更坡頂服務(wù)區(qū)的布置形式：將100 m×60 m長方形調(diào)整為135 m×44.4 m，壓縮短邊寬度，服務(wù)區(qū)往遠(yuǎn)離坡面的方向平移。調(diào)整收費(fèi)站內(nèi)建筑布置，將荷載較大的建筑移至收費(fèi)大棚側(cè)，遠(yuǎn)離坡面。此措施主要針對(duì)坡頂直接荷載，讓直接荷載遠(yuǎn)離坡頂，讓靠近坡頂?shù)闹苯雍奢d減小，能有效提高邊坡穩(wěn)定性。

5.2 清除滑體+柔性防護(hù)體反壓

對(duì)滑體進(jìn)行清除，由于滑體已破壞，滑床以下土體對(duì)它的作用迅速降低，滑體的重力及下滑力直接作用到下部土體上，這是造成下部土體變形破壞的主要原因，因此滑體能有效減少對(duì)下部土體的直接荷載。滑體應(yīng)清除至滑動(dòng)面以下約0.5 m，底部換填好土，交界面開挖反向臺(tái)階，臺(tái)階寬度>2 m。為節(jié)省成本，在坡腳設(shè)置擋墻段直接采用粗粒土分層回填（如圖1所示），樁板墻段滑體深厚，增加土格格柵，形成柔性防護(hù)體，同時(shí)對(duì)上部坡體進(jìn)行反壓。

5.3 擋土墻+樁板墻聯(lián)合支擋

百東服務(wù)區(qū)西側(cè)、北側(cè)有百色水上樂園的園內(nèi)道路和水上大型游樂設(shè)施，道路直接位于滑坡內(nèi)，且大型設(shè)施使得服務(wù)區(qū)填土邊坡放坡空間受限，因此填土邊坡較高，坡度較陡，加上清除滑體后分層回填合格土層，這些措施都使得填土邊坡土壓力增大，穩(wěn)定性變差。為保護(hù)坡底水上樂園的安全，需設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)來承載上部土壓。根據(jù)場(chǎng)地地形條件，在滑坡范圍內(nèi)縱橫向布置三道路肩擋土墻（1號(hào)、2號(hào)擋墻及過渡段擋墻），墻高以5～8 m居多。正北側(cè)2號(hào)擋墻中間段為滑坡主滑方向，填土較高，造成擋墻高度過大，采用樁板式擋墻與擋墻順接，樁板墻中抗滑樁樁徑為1.8 m，樁長為14 m，樁間距為4 m，樁間采用擋土板相連，樁頂用冠梁使之連成一體，分布樁號(hào)QK0+030～QK0+090。以上措施都是用來減少或者抵抗坡體的直接荷載作用。

5.4 坡面防護(hù)

坡頂至服務(wù)區(qū)圍墻處先采用黏土封閉，再采用20 cm厚的C15素混凝土抹面。服務(wù)區(qū)與水上樂園的坡面先采用兩布一膜進(jìn)行坡面封閉，再采用M7.5漿砌片石拱形骨架進(jìn)行坡面防護(hù)，骨架間噴播植草。坡面防護(hù)主要是阻止坡頂及坡面的風(fēng)化作用、干濕循環(huán)、熱冷交替及地表水流下滲。

5.5 盲溝、截水溝與泄水孔聯(lián)合截排水

（1）在坡頂距坡口約5 m處設(shè)置坡頂截水溝。使得來自A匝道及服務(wù)區(qū)的地表水流直接通過坡頂截水溝排走。在擬建道路坡腳平臺(tái)設(shè)截水溝排走坡面匯水，使地表水流不流入墻后土體。

（2）為迅速排出地表入滲水流，在樁板墻段設(shè)置兩處排水盲溝。盲溝斷面采用60 cm×60 cm，填料選用5～8 cm碎石，過濾層采用土工布反包，防止堵塞，溝頂采用15 cm加勁軟式透水管。

（3）擋墻及樁板墻墻壁均設(shè)置反濾層，墻體及擋土板上均梅花形布置泄水孔，以排除坡體中的地下水。若坡體某處地下水較發(fā)育，可根據(jù)情況設(shè)置支撐滲溝來兼顧排水和坡面加固。

6 結(jié)語

（1）滑坡是一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng)，它包括滑坡系統(tǒng)環(huán)境、滑坡系統(tǒng)組成、滑坡系統(tǒng)行為及滑坡系統(tǒng)治理四個(gè)子系統(tǒng)?；孪到y(tǒng)組成是主控因素，滑坡系統(tǒng)行為及滑坡系統(tǒng)治理隨滑坡系統(tǒng)環(huán)境變化而變化。

（2）滑坡系統(tǒng)受間接作用產(chǎn)生間接裂縫，直接作用產(chǎn)生拉張及剪切裂縫，是主要裂縫，水對(duì)滑坡起催化作用。在其共同作用下，滑坡系統(tǒng)行為從裂縫開展到貫通、到破壞、到最終停止。

（3）根據(jù)減少和支擋直接荷載的思路，制定出調(diào)整建筑布置、清除滑體+柔性防護(hù)體反壓、擋土墻+樁板墻聯(lián)合支擋等處治措施。根據(jù)減少間接裂縫的思路，制定坡頂封閉，坡面拱形骨架防護(hù)的處治措施。根據(jù)減少水的作用思路，設(shè)置坡頂與平臺(tái)內(nèi)側(cè)截水溝、坡體盲溝、擋墻與樁板墻墻后反濾、墻面泄水及地下水發(fā)育區(qū)，還可增設(shè)支撐滲溝。

參考文獻(xiàn)：

[1]王保田，張福海.膨脹土的改良技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]李生林，施 斌，杜延軍.中國膨脹土工程地質(zhì)研究[J].自然雜志，1997（19）：82-86.

[3]許平先.膨脹土路塹邊坡穩(wěn)定性與降雨相關(guān)性的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[4]陳建斌，孔令偉，郭愛國，等.降雨蒸發(fā)條件下膨脹土邊坡的變形特征研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40（11）：70-77.

[5]陸定杰，陳善雄，羅紅明，等.南陽膨脹土渠道滑坡破壞特征與演化機(jī)制研究[J].巖土力學(xué)，2014（1）：189-196.

[6]劉龍武，鄭建龍，繆 偉，等.廣西寧明膨脹土脹縮活動(dòng)帶特征及滑坡破壞模式研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（1）：28-33.

[7]殷宗澤，袁俊平，韋 杰，等.論裂縫對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（12）：2 155-2 161.

[8]黃潤秋，吳禮舟，胡瑞林.膨脹土路塹邊坡的滑坡機(jī)理分析[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，81（11）：1 578-1 583.

[9]袁從華，周 健，楊明亮.高速公路膨脹土邊坡整治[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（Z1）：3 073-3 078.

[10]范秋雁，徐炳連，朱 真.廣西膨脹巖土滑坡治理工程實(shí)錄[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013（Z2）：3 812-3 820.