靜力觸探推測(cè)滑裂面技術(shù)在滑坡治理中的應(yīng)用

詹旺林，雷 聲，高 鴻

(1.江西省九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 九江 332000;2.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330000)

當(dāng)滑坡發(fā)生時(shí)，通過(guò)各種方法找出滑裂面的位置，對(duì)分析滑坡產(chǎn)生的原因，及時(shí)制定行之有效的治理方案是十分重要的。有關(guān)滑裂面識(shí)別及推測(cè)的方法不少，但系統(tǒng)的論述不多。2010年中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國(guó)科學(xué)院工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的胡瑞林、王珊珊，在工程地質(zhì)學(xué)報(bào)上發(fā)表《滑坡滑面(帶)的辨識(shí)》。論文從方法的確定性將滑裂面的辨識(shí)方法分為2類:一類為確定性方法，包括野外地質(zhì)判識(shí)法、勘探識(shí)別法和位移觀測(cè)法;另一類為非確定性方法，包括簡(jiǎn)易力學(xué)識(shí)別法、地球物理勘探法和數(shù)值模擬法[1]。

由于位移觀測(cè)法、地球物理勘探法和數(shù)值模擬法對(duì)設(shè)備及人員的要求較高，在小型滑坡現(xiàn)場(chǎng)往往較難實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于不存在明顯結(jié)構(gòu)面的土質(zhì)邊坡，非確定性方法主要是采用邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件尋找滑裂面的力學(xué)識(shí)別法。確定性的方法主要是采用野外地質(zhì)識(shí)別和勘探識(shí)別法，其中挖探坑或鉆孔取芯是最常用的勘探識(shí)別法[2]。但是在軟土地層上修建大壩或堤防時(shí)，往往容易發(fā)生沿最大剪應(yīng)力帶的剪切破壞。此種破壞形式，滑坡發(fā)展迅速、滑動(dòng)帶層厚較薄、滑裂面較深。由于滑裂面深，因此探坑工作量較大；又由于滑動(dòng)帶層厚較薄，地質(zhì)鉆孔往往很難準(zhǔn)確找到滑裂面的位置。本文根據(jù)滑裂面土體產(chǎn)生了剪切破壞、土體發(fā)生重塑的特點(diǎn)，提出了利用靜力觸探尋找滑裂面的勘探識(shí)別法。

1 滑坡險(xiǎn)情概況

1.1 險(xiǎn)情概況

某城區(qū)3級(jí)堤防，堤頂高程21.75m，堤頂寬6.0m，上游設(shè)0.8m高鋼筋砼防浪墻，上、下游邊坡均為1∶3，下游15.0m高程處設(shè)25m寬二坡臺(tái)。

為了緩解城區(qū)交通壓力，需要在下游二坡臺(tái)處修建市政道路。由于路基為淤泥質(zhì)土，需進(jìn)行開挖置換，以滿足承載力要求。在路基開挖過(guò)程中，大堤下游邊坡發(fā)生滑坡險(xiǎn)情，滑坡平面呈圓弧形，縱向長(zhǎng)160m，橫向?qū)挾?5m，分布面積4000m2，估算滑坡體積約2.0萬(wàn)m3。

1.2 地質(zhì)情況

堤身填土：磚紅色，主要由粉質(zhì)黏土組成，見灰白色黏土團(tuán)塊，局部含少量碎石，土質(zhì)較均勻，干燥-稍濕，揭露層厚2.5～8.2m。現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)滲透系數(shù)K=8.33×10-5cm/s。

堤基填土：上層為粉質(zhì)黏土，灰黑色，硬可塑狀，槽壁面光滑，韌性較好，干強(qiáng)度較高，具輕微腐臭味，稍濕，現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)滲透系數(shù)K=4.52×10-5cm/s；下層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰色、灰黑色，含水量高，軟塑-軟可塑狀，承載力低[3]。各土層力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

1.3 原因分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察及查閱相關(guān)設(shè)計(jì)、施工資料，認(rèn)為產(chǎn)生滑坡的原因有以下幾個(gè)方面：

(1)路基開挖及下游堤腳水塘被快速排干導(dǎo)致下游坡腳阻滑力減小。

(2)在堤坡上堆填開挖土料，加大了邊坡荷載，增加了下滑力。

(3)路基基坑邊坡開挖成直立臨空面，造成基坑邊坡局部失穩(wěn)坍塌，邊坡坍塌導(dǎo)致堤坡土體應(yīng)力調(diào)整，土體的力學(xué)指標(biāo)下降。

(4)堤腳開挖路基后，堤坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，施工機(jī)械震動(dòng)造成的擾動(dòng)加速了滑坡的發(fā)展。

2 滑裂面分析與推測(cè)

為了制定切實(shí)可行的加固措施，必須要查清本次滑坡險(xiǎn)情的滑裂面位置，以便對(duì)滑裂面采取有針對(duì)性的加固措施。在滑坡現(xiàn)場(chǎng)一般可通過(guò)滑坡體前、后緣的地形地貌特征來(lái)推測(cè)滑裂面大致位置，但此種推測(cè)方法受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)限制，特別是當(dāng)坡腳前緣(剪出口)不明顯時(shí)，誤差較大。

另外也可以進(jìn)行坑探來(lái)尋找滑裂面，但當(dāng)發(fā)生深層滑動(dòng)時(shí)，勘探工作量較大，且在滑坡體上進(jìn)行坑探作業(yè)，對(duì)滑坡體擾動(dòng)較大，極易造成滑坡險(xiǎn)情的加劇。

鉆孔取芯也是尋找滑裂面經(jīng)常采用的方法。但當(dāng)滑動(dòng)帶層厚較薄時(shí)，地質(zhì)鉆孔往往很難準(zhǔn)確找到滑裂面的位置。

1932年荷蘭工程師P.Barentsen首先將內(nèi)徑19mm、外徑36mm的空心探桿與直徑15mm、錐角為60°的圓錐相連接，并進(jìn)行手動(dòng)灌入試驗(yàn)。我國(guó)于1954年陳宗基教授自荷蘭引進(jìn)靜力觸探技術(shù)。1964年王鐘琦教授等成功研制我國(guó)第一臺(tái)電測(cè)式觸探儀。1965年原建設(shè)工業(yè)部綜合勘察研究所自行設(shè)計(jì)、制造了電阻應(yīng)變式靜力觸探儀，并通過(guò)近百組對(duì)比試驗(yàn)建立了灌入阻力與天然地基承載力的統(tǒng)計(jì)公式，為我國(guó)推廣靜力觸探打下基礎(chǔ)[4]。

靜力觸探的基本原理是將一個(gè)內(nèi)部裝有傳感器的觸探頭勻速壓入土中，由于地層中各種土的軟硬不同，因此探頭所受的阻力也不一樣，傳感器將這種大小不同的貫入阻力通過(guò)電信號(hào)傳輸?shù)接涗泝x表中記錄下來(lái)，再通過(guò)貫入阻力與土的工程地質(zhì)特征之間的定性關(guān)系和統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)取得各土層的厚度及其分界線、土層的承載力等地質(zhì)參數(shù)的目的。

在土體滑動(dòng)過(guò)程中，滑坡帶受剪切破壞，土體重塑，重塑土的物理力學(xué)性質(zhì)降低。根據(jù)這一特性，利用靜力觸探的方法沿著滑床找出同一土層內(nèi)土體的物理力學(xué)性質(zhì)顯著下降位置，將此位置進(jìn)行連線即可推測(cè)出滑裂面的位置。

2.1 理論計(jì)算成果

采用理正邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件，根據(jù)各層的滲透系數(shù)、上下游水位、堤身斷面形式，計(jì)算得出流網(wǎng)。再根據(jù)滲流的流網(wǎng)計(jì)算成果、各土層的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合滑坡體上、下緣的位置，計(jì)算得出符合本次滑裂面特征的最不利滑裂面[5- 6]。

通過(guò)計(jì)算可得，道路開挖施工期間，最不利的滑裂面半徑83.2m，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.02。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)為，堤坡處于臨界狀態(tài)，在外界不利因素的作用下，堤坡極易產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。

2.2 靜力觸探成果

2.2.1試驗(yàn)成果

根據(jù)滑坡體的形態(tài)，在滑坡體上布置JT1、JT2、JT3、JT4號(hào)4個(gè)靜力觸探孔。

在試驗(yàn)深度范圍內(nèi)涉及的地層主要有堤身填土層、粉質(zhì)黏土層以及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。各層靜力觸探錐尖阻力qc見表2。

表2 各土層錐尖阻力成果表

2.2.2滑裂面推測(cè)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，堤身填土層物理力學(xué)性質(zhì)最好，qc平均值為1.40MPa；其下粉質(zhì)黏土層為硬可塑狀，土體的物理力學(xué)性質(zhì)較好，qc平均值為1.13MPa；淤泥質(zhì)土層物理力學(xué)性質(zhì)較差，qc平均值僅為0.67MPa。

由于滑坡發(fā)生時(shí)，滑裂面土體產(chǎn)生了剪切破壞，因此土體必然發(fā)生重塑。淤泥質(zhì)土為高靈敏土，重塑土抗剪強(qiáng)度比原狀土顯著降低，因此淤泥質(zhì)土層qc最小值所在點(diǎn)的位置即可認(rèn)為是滑裂面的位置。在JT1、JT2、JT3、JT4號(hào)試驗(yàn)孔中分別在深度6.7、8.3、7.4、7.2m處出現(xiàn)最小值，故將這些點(diǎn)組成的面作為滑裂面。

2.2.3滑裂面抗剪強(qiáng)度

如果使三向應(yīng)力狀態(tài)下的軟黏土不固結(jié)不排水，即土樣在剪切過(guò)程中保持天然含水率不變，由此所得的抗剪強(qiáng)度Cu，被定義為不排水剪強(qiáng)度，不排水抗剪強(qiáng)度能客觀反映滑裂面土體的性狀[7]。

用靜力觸探求飽和黏土的不排水綜合抗剪強(qiáng)度(Cu)，目前是用靜力觸探成果與十字板剪切試驗(yàn)成果對(duì)比，建立qc和Cu的相關(guān)關(guān)系，以求得Cu值[8]。

在4個(gè)試驗(yàn)孔中，qc的最小值分別為0.28、0.32、0.29、0.27MPa，平均值為0.29MPa。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第五版)經(jīng)驗(yàn)公式Cu=71qc，計(jì)算得出滑裂面不排水綜合抗剪強(qiáng)度Cu=20.59KPa。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的靈敏度St為：

(1)

2.3 兩種成果的比較

兩種方法得出的滑裂面如圖1所示。根據(jù)圖1可知，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的滑裂面和理論計(jì)算得出的滑裂面基本吻合，說(shuō)明理論計(jì)算所采用的土體的物理力學(xué)指標(biāo)基本合理，得出的結(jié)論可信。從偏于工程安全考慮，滑坡治理深度參考2種計(jì)算成果的下包線。

圖1 理論計(jì)算滑裂面及靜力觸探推測(cè)滑裂面

3 滑坡治理

3.1 治理措施

3.1.1削坡減載

為了避免道路施工過(guò)程中，滑坡的進(jìn)一步發(fā)展，必須對(duì)滑坡體頂部削坡減載，17.5m高程處開挖2.5m寬減載平臺(tái)，平臺(tái)以上1∶2.0削坡至堤頂。

3.1.2滑裂面加固

滑坡體在下滑過(guò)程中，土體產(chǎn)生重塑，特別是滑裂面周邊土粒及水、氣所組成的平衡體系受到破壞，強(qiáng)度降低，壓縮性加大。因此必須對(duì)滑裂面進(jìn)行加固處理。由于滑裂面深入堤基淤泥質(zhì)黏土層，而深層攪拌對(duì)處理淤泥質(zhì)土效果較好[9]。深層攪拌法是一種用攪拌機(jī)翼片旋轉(zhuǎn)，將石灰或水泥等固化劑與軟土攪拌混合，使水泥漿與土體產(chǎn)生一定的物理和化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間凝結(jié)成圓柱狀加固土體，提高土體的抗剪性能[10]。

在擬建道路人行道位置布置3排深層攪拌抗滑樁，梅花形布置，間距和排距均為1m。攪拌樁深入滑裂面下包線深度不小于3.0m，深層攪拌樁布置如圖2所示。

圖2 深層攪拌樁加固

3.1.3增加下游壓重

原設(shè)計(jì)下游堤腳路面高程為14.6m。為了增加堤坡的抗滑力，提高堤防的抗滑安全系數(shù)，在道路縱坡的允許下，建議路面高程提高到15.5m。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算分析

3.2.1道路施工期

按照施工期外湖水位18.5m，堤腳道路基礎(chǔ)開挖深度2.0m，堤身17.5m高程以上1∶2.0削坡減載，計(jì)算得抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.02，不滿足規(guī)范要求。

當(dāng)增加深層攪拌措施對(duì)滑裂面進(jìn)行加固處理時(shí)，深攪樁的水泥土抗剪強(qiáng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.5MPa，樁徑選用0.6m，計(jì)算得單位堤段長(zhǎng)度內(nèi)深攪樁可提供的抗滑力為423.9kN。計(jì)算可得堤坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.21，滿足規(guī)范要求。

3.2.2堤防正常運(yùn)行期

下游堤腳道路施工完成，路面高程15.5m，堤身恢復(fù)至原始斷面，堤頂寬6m，上、下游邊坡1∶2.5。按照上游設(shè)計(jì)水位21.06m工況，計(jì)算得出堤坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.30，滿足規(guī)范要求。

4 實(shí)施效果

滑坡治理完成后，經(jīng)過(guò)幾個(gè)汛期，特別是2020年特大洪水的考驗(yàn)，堤身穩(wěn)定，未出現(xiàn)裂縫、沉陷、滲透、滑坡等險(xiǎn)情，說(shuō)明根據(jù)所采用的滑裂面位置和其力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行滑坡治理的方案是安全可靠的。

5 結(jié)語(yǔ)

靜力觸探是一種原位測(cè)試手段，具有快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。在制定滑坡治理方案時(shí)，治理深度參考靜力觸探和理論計(jì)算2種方法所得滑裂面的下包線，并利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果得出滑裂面的不排水剪強(qiáng)度，顯著提高了滑坡治理的時(shí)效性和安全性。因此利用靜力觸探技術(shù)在小型滑坡現(xiàn)場(chǎng)快速尋找滑裂面，具有一定的技術(shù)適用性和經(jīng)濟(jì)可行性，可為類似的小型滑坡治理工程提供一定的參考和借鑒。