松散堆積體邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施

田劍龍 曾小剛

摘? 要：隨著城市發(fā)展，中石化重慶公司市區(qū)新建加油站的地塊存在大量的松散堆積體邊坡，加油站的建設(shè)工程中開挖擾動(dòng)和自然降雨此類坡體極易垮塌，給加油站的建設(shè)和使用帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

在廣泛調(diào)研和大量參考同類文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)堆積體邊坡的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行歸納和總結(jié)，對(duì)堆積體的結(jié)構(gòu)特征、滲透變形特性以及失穩(wěn)破壞模式等進(jìn)行了介紹。

通過(guò)室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，對(duì)堆積體的抗剪強(qiáng)度各因素進(jìn)行分析，表明堆積體具有很強(qiáng)的水敏感性，堆積體的抗剪強(qiáng)度在飽水情況下急劇下降。

采用seep/w和slope/w對(duì)模擬松散堆積體邊坡的穩(wěn)定性在降雨強(qiáng)度、延時(shí)以及裂隙情況等因素發(fā)生變化的變化規(guī)律。同樣的降雨條件下，滲透系數(shù)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大，滲透系數(shù)越大，邊坡安全系數(shù)降低越快，滲透系數(shù)越小，邊坡越不易失穩(wěn)。裂隙的存在降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響極大，裂隙開裂深度越深，影響越大，邊坡的安全系數(shù)隨降雨持續(xù)降低得越明顯。

結(jié)合前述情況得出坡體表面封閉，開挖坡體上方加抗滑樁，設(shè)置伸入坡體內(nèi)一定深度泄水孔是松散堆積體邊坡治理的聯(lián)合有效措施。

關(guān)鍵詞：堆積體，滑坡，穩(wěn)定性

隨著城市發(fā)展，中石化重慶公司市區(qū)新建加油站的地塊基本上都是高邊坡地形、不適合建其他建筑的邊角地塊。又因加油站的建設(shè)落后周圍其他建筑的建設(shè)，等到加油站建設(shè)時(shí)，地塊被陸續(xù)的傾倒了大量的棄土、棄渣，順坡面形成厚度深、坡度大、穩(wěn)定性差的松散堆積體邊坡。修建時(shí)不論是挖還是填都會(huì)擾動(dòng)松散堆積體邊坡。擾動(dòng)后的堆積體邊坡在自然降雨的作用下極易發(fā)生滑坍，為了確保加油站的建設(shè)順利進(jìn)行和以后的安全使用，有必要對(duì)松散堆積體邊坡滑坡的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行研究，作出相應(yīng)的治理措施，確保邊坡長(zhǎng)久穩(wěn)定。

一、松散堆積體邊坡的特點(diǎn)

松散堆積體邊坡的堆積體是土和石的混合體，屬各向異性的散體介質(zhì)。在重慶地區(qū)，一種是侏羅系泥巖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的外力風(fēng)化作用形成的殘積層;另一種是位于邊坡及自然坡表層的坡積物、坡麓的沖積物，或者人工坡積物。

松散堆積體，巖土顆粒的直徑變化幅度很大，從小于1mm到超過(guò)1m;松散堆積體屬孔隙型介質(zhì)，孔隙率大且有較大的壓縮性，孔隙率與巖土顆粒的大小、形狀、均勻程度及其排列相關(guān);巖土顆粒越大越均勻其間的孔隙愈大;同樣的材質(zhì)因顆粒排列不同，得到的孔隙率或孔隙比差別大;堆積體的力學(xué)特征與其密實(shí)度密切相關(guān)，密實(shí)度越大，力學(xué)特征越好。

松散堆積體具有滲透性，在一定的條件下，松散堆積體顆粒骨架間的水會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)、滲流，會(huì)引起松散堆積體顆粒的移動(dòng)，從而造成邊坡滲透變形。

堆積體在荷載作用下具有較大的壓縮性。在荷載作用下松散堆積體顆粒破碎后產(chǎn)生的小顆粒充填到孔隙中去，減小空隙體積;顆粒克服顆粒間的摩擦阻力后，產(chǎn)生滑動(dòng)和滾動(dòng)，移動(dòng)到較為密實(shí)的更穩(wěn)定的平衡位置上去，使堆積體的孔隙體積被壓縮減小。

松散堆積體的變形具有應(yīng)變滯后和蠕變性質(zhì)，松散堆積體的變形可分為兩部分，一部分是在荷載作用下松散堆積體的顆粒位移、孔隙體積減小，變形立即發(fā)生;另一部分是因荷載作用下顆粒棱角破碎，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)應(yīng)力持續(xù)轉(zhuǎn)移，逐步產(chǎn)生變形。

松散堆積體具有相似性，雖然不同條件下形成的松散堆積體，其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度與應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)各異;但級(jí)配決定著松散堆積體的力學(xué)性質(zhì)。母巖相同且顆粒形狀相似的兩組級(jí)配料，只要其級(jí)配曲線相似（即級(jí)配曲線平移獲得的兩組松散堆積體），透水性相似，該料的抗剪強(qiáng)度、變形參數(shù)和應(yīng)力—應(yīng)變參數(shù)是相似的。

松散堆積體屬散體顆粒介質(zhì)，內(nèi)聚力幾乎為零，基本上不具有抗拉的能力，在外力作用下產(chǎn)生剪切破壞。因此，要維持松散堆積體邊坡的穩(wěn)定，實(shí)際工程中應(yīng)盡量使邊坡的土體處于受壓狀態(tài)，避免承受拉應(yīng)力。工程實(shí)際中在開挖的松散堆積體邊坡的上方作抗滑樁或者在填方區(qū)下方作擋土墻是一個(gè)很有效的措施。

二、松散堆積體邊坡的失穩(wěn)模式

邊坡失穩(wěn)滑坍是指一部分坡體相對(duì)于另一部分坡體沿某一分界面產(chǎn)生滑移。對(duì)厚度不大的堆積層邊坡，常常是沿堆積體邊坡與下覆基巖接觸面進(jìn)行滑移，因?yàn)榇嗣鏋槎逊e體的第一不連續(xù)面，力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)通常較低;對(duì)于此類坡體的治理可以直接卸載或者注漿加強(qiáng)該薄弱面的粘結(jié)強(qiáng)度提高邊坡的穩(wěn)定性。

較大型堆積層邊坡的失穩(wěn)，常產(chǎn)生多級(jí)滑移或解體現(xiàn)象，有的還產(chǎn)生雙層平行滑移和多層滑移。土的蠕滑在邊坡失穩(wěn)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，決定了大型堆積層邊坡失穩(wěn)模式、失穩(wěn)規(guī)模、失穩(wěn)頻率近似土質(zhì)邊坡的破壞特點(diǎn)。但就非均質(zhì)各向異性介質(zhì)的堆積體而言，其邊坡穩(wěn)定性除受堆積體基覆界面、邊界條件影響外，還與其物理結(jié)構(gòu)等有關(guān)，如堆積體內(nèi)的孤石、漂石一般能夠增加滑體的強(qiáng)度和密度，故其失穩(wěn)又不同于土質(zhì)邊坡。

由于松散堆積體屬散體顆粒介質(zhì)，內(nèi)聚力幾乎為零，基本上不具有抗拉的能力，松散堆積體邊坡失穩(wěn)滑坍是因剪切力超過(guò)了松散堆積體本身的抗剪能力而引起的一部分坡體相對(duì)于另一部分坡體沿某一分界面產(chǎn)生滑移，是一個(gè)剪切破壞。故松散堆積體的抗剪強(qiáng)度對(duì)堆積體邊坡的穩(wěn)定、安全有著重要的意義，是決定其穩(wěn)定性的一個(gè)重要的力學(xué)指標(biāo)。

三、松散堆積體抗剪強(qiáng)度特點(diǎn)

由于松散堆積體屬散體顆粒介質(zhì)，為非連續(xù)材料，其抗剪切強(qiáng)度與傳統(tǒng)材料有所不同，主要表現(xiàn)在：

1、當(dāng)松散堆積體達(dá)到剪切破壞以后，其抗剪強(qiáng)度并不消失，依其密實(shí)程度的不同，仍維持原值或略有降低，如圖1所示。也就是說(shuō)，對(duì)于松散堆積體，即使發(fā)生剪切破壞，它仍具有一定的抵抗外荷載能力。

2、松散堆積體抗剪強(qiáng)度不僅與反映堆石材料自身的特性有關(guān)，而且也與外荷載在剪切滑移面上引起的正應(yīng)力有關(guān)。

如圖2所示，松散堆積體受剪切時(shí)，剪切面A-A上的松散堆積體顆粒起阻擋作用。理想剪切面只有松散堆積體A-A線上顆粒剪切破壞面的摩擦力，如圖2（a）;實(shí)際上剪切面并非平面，需繞過(guò)松散堆積體顆粒形成新的剪切面如圖2（b），否則需把A-A面上的松散堆積體顆粒剪斷，才能發(fā)生剪切破壞。

3、松散堆積體的抗剪強(qiáng)度主要受其結(jié)構(gòu)特征所控制。松散堆積體的內(nèi)摩擦角可用漢森和朗德包恩提出的公式來(lái)確定。

式中：φ1……φ4——內(nèi)摩擦角修正值，與松散堆積體顆粒的渾圓度、顆粒大小、結(jié)構(gòu)的均勻程度和顆粒的堆集密度等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。故抗剪強(qiáng)度與堆積體的密實(shí)度和顆粒的排列有關(guān)，抗剪強(qiáng)度取決于最弱面的抗剪強(qiáng)度。松散堆積體的抗剪強(qiáng)度符合摩爾—庫(kù)侖定律，抗剪強(qiáng)度由松散堆積體顆粒間的內(nèi)摩擦力和嵌合阻力（咬合力）組成，內(nèi)聚力c≈0。在實(shí)際工程中可以通過(guò)調(diào)整回填料的級(jí)配來(lái)增加密實(shí)度，通過(guò)填料的混合改變顆粒的排列順序得到較高的抗剪強(qiáng)度。

四、堆積體抗剪強(qiáng)度的影響因素

雖然不同條件下形成的松散堆積體，其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度與應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)各異;但級(jí)配決定著松散堆積體的力學(xué)性質(zhì)。母巖相同且顆粒形狀相似的兩組級(jí)配料，只要其級(jí)配曲線相似，透水性相似，該料的抗剪強(qiáng)度、變形參數(shù)和應(yīng)力—應(yīng)變參數(shù)是相似的特征。通過(guò)室內(nèi)大型直剪實(shí)驗(yàn)得到松散堆積體抗剪破壞的影響因素就可以用于實(shí)際工程。通過(guò)松散堆積體的相似級(jí)配曲線制作實(shí)驗(yàn)試件，進(jìn)行大型直剪實(shí)驗(yàn)得出：

堆積體的內(nèi)摩擦角開始隨含水量增大緩慢的增大，在最佳含水量10%附近達(dá)到最大值;含水量超過(guò)10%后，隨著含水量的增加，內(nèi)摩擦角急劇降低。而粘聚力的變化呈拋物線走向，在最佳含水量10%達(dá)到最大，天然含水量和高含水量下的粘聚力均小于最佳含水量狀態(tài)，變化曲線基本對(duì)稱的。說(shuō)明水對(duì)松散堆積體強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力影響很大。在實(shí)際工程中為保持松散堆積體坡體的穩(wěn)定，應(yīng)保持坡體土體的含水率不超10%，相應(yīng)的措施一是在坡體頂部作截水溝，防止地表的流水滲入坡體;對(duì)坡體表面進(jìn)行覆蓋，防止雨水滲入坡體;另外作好坡體內(nèi)部的排水，增加泄水孔，及時(shí)排除坡體內(nèi)部的積水。

松散堆積體在相同含水量（6.85%接近自然含水量），隨含石量逐漸增大其內(nèi)聚力基本上是逐漸減小，內(nèi)摩擦角逐漸增大。增加邊坡的穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)奶岣吆?，但也不能過(guò)于的提高。對(duì)既有的坡體可以通過(guò)注漿的方式增加含石量和內(nèi)聚力，對(duì)填方的松散堆積體邊坡在回填時(shí)可以適當(dāng)?shù)脑黾雍俊?/p>

松散堆積體的密度愈高，其顆粒間的嵌合阻力也就愈大，摩擦角φ值越大?？辜魪?qiáng)度越大，同樣與密實(shí)度相關(guān)的不均勻系數(shù)和顆粒的排列均影響堆積體的強(qiáng)度。受堆積體不均勻系數(shù)、顆粒排列、壓實(shí)度影響較大，強(qiáng)度受含水量的影響甚至?xí)霈F(xiàn)相反的變化規(guī)律。因此在實(shí)際工程中對(duì)松散堆積體邊坡進(jìn)行注漿增加密實(shí)度，同樣通過(guò)注漿固結(jié)松散顆粒改變顆粒的排列順序，是保證松散堆積體邊坡的穩(wěn)定的一個(gè)有效措施。

五、降雨對(duì)堆積體邊坡穩(wěn)定的影響

誘發(fā)堆積體邊坡失穩(wěn)的因素很多，有自然原因，如地震、地質(zhì)構(gòu)造、降雨等;也有人為因素對(duì)邊坡的干擾，如不合理開挖等因素;降雨是誘發(fā)滑坡的主要因素，人們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)，在雨季或緊跟著大的降雨或融雪之后，常發(fā)生邊坡破壞。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，寶成鐵路沿線滑坡80%發(fā)生在降雨季（6-9月），且和雨量及連續(xù)降雨時(shí)間呈正相關(guān)。此外，由降雨誘發(fā)的滑坡和崩塌占很大部分。研究降雨因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響是邊坡治理的基礎(chǔ)。

采用seep/w和slope/w對(duì)模擬松散堆積體邊坡的穩(wěn)定性在降雨強(qiáng)度、延時(shí)以及裂隙情況等因素發(fā)生變化的變化規(guī)律分析得出：

滲透系數(shù)大小決定降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的大小。邊坡滲透系數(shù)較低時(shí)，降雨對(duì)邊坡影響較小。滲透系數(shù)較大時(shí)，隨著持續(xù)降雨，邊坡的穩(wěn)定性急劇下降，但降雨對(duì)松散堆積體邊坡的穩(wěn)定的影響存在一個(gè)極限，隨著降雨延時(shí)增加，雨水持續(xù)入滲，當(dāng)邊坡土體吸水完全飽和時(shí)，基質(zhì)吸力完全喪失，邊坡的穩(wěn)定的安全系數(shù)降至最低，坡體不再吸水，后面的雨水都會(huì)隨坡體表面流走，降雨不再影響邊坡的穩(wěn)定性。

對(duì)于存在裂隙的情況，降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低相對(duì)較快，在相同的降雨強(qiáng)度下裂隙深度越大，其穩(wěn)定性系數(shù)降低越快，邊坡越不安全。堆積體邊坡的坡頂裂隙也是引起邊坡在降雨情況下失穩(wěn)的重要因素，實(shí)際工程中對(duì)松散堆積體邊坡表面裂隙的封堵和壓實(shí)是提高邊坡穩(wěn)定的措施之一。

降雨入滲導(dǎo)致邊坡破壞分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是雨水入滲使土體含水量增加，使其達(dá)到飽和狀態(tài)，造成基質(zhì)吸力消失，進(jìn)而使抗剪強(qiáng)度喪失;第二階段是再持續(xù)的降雨，使得飽和土體之孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力減小，進(jìn)而發(fā)生破壞。在實(shí)際工程中及時(shí)的排除坡體內(nèi)部的孔隙水，防止孔隙水壓力上升是維持松散堆積體邊坡失穩(wěn)破壞的重要措施。

降雨對(duì)邊坡的破壞大都為淺層的破壞，雨水入滲后先在邊坡表面形成一浸潤(rùn)層，降雨強(qiáng)度大于堆積體邊坡的入滲率時(shí)，邊坡的表面將形成水膜，只有少量的雨水滲入坡體，大部分的雨水會(huì)隨坡面流走，降雨強(qiáng)度的增加對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不再變大;因此降雨對(duì)松散堆積體邊坡坡體穩(wěn)定的影響，主要取決于松散堆積體坡體表面的滲透系數(shù)。在實(shí)際工程中可以用低滲透系數(shù)的混凝土進(jìn)行覆蓋，或者對(duì)坡體表面的夯實(shí)降低表面的滲透系數(shù)減低降雨對(duì)松散堆積體邊坡穩(wěn)定的影響。

六、松散堆積體邊坡治理的處置措施

通過(guò)松散堆積體邊坡的結(jié)構(gòu)特征、抗剪強(qiáng)度特征、抗剪強(qiáng)度的影響因素和邊坡破壞的驗(yàn)收分析得出松散堆積體邊坡的處置措施如下：

松散堆積體邊坡屬松散的土石體，基本沒有內(nèi)聚力，無(wú)抗拉能力。在松散堆積體邊坡的挖方區(qū)的上部位置設(shè)置抗滑樁或者在填方區(qū)的下部位置設(shè)置擋墻使松散堆積體邊坡坡體處于受壓狀態(tài)是松散堆積體邊坡治理的根治措施。

松散堆積體邊坡抗剪強(qiáng)度高水敏感性以及雨水入滲對(duì)松散堆積體邊坡穩(wěn)定強(qiáng)影響性決定了防止雨水的入滲是確保松散堆積體邊坡的穩(wěn)定的重點(diǎn)。在松散堆積體邊坡的坡頂設(shè)置排水溝和對(duì)坡體表面進(jìn)行覆蓋、封堵是松散堆積體邊坡治理的重要措施。

松散堆積體達(dá)到剪切破壞以后，其抗剪強(qiáng)度并不消失，仍維持原值或略有降低;坡體飽和土體的孔隙水壓力上升，是導(dǎo)致松散堆積體坡體破壞最直接的因素。及時(shí)排除坡體內(nèi)的孔隙積水是維持松散堆積體邊坡穩(wěn)定的直接措施，在對(duì)坡體表面覆蓋、封堵時(shí)作好有一定深度、排水流暢的泄水孔是邊坡治理的必要措施。

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