雨水入滲下土體抗剪強度劣化時殘坡積土邊坡的穩(wěn)定性及加固研究

郭 濤 ，魏業(yè)清，王 旭

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.云南交通咨詢有限公司，云南 昆明 650000)

滑坡災(zāi)害作為地質(zhì)災(zāi)害的一種，一直是危害人類生命財產(chǎn)和工程建設(shè)安全的主要災(zāi)害之一，對人類的生活秩序與環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，因此滑坡預(yù)警及其加固成為巖土工程中研究的熱點問題之一。影響滑坡的主要外部因素有：強降雨、人類工程開挖活動和地震影響等。大量資料顯示，降雨入滲和地震已成為影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一。例如中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所最新資料顯示，2008年汶川地震中由于降雨和地震產(chǎn)生滑坡近6萬個，岷江、沱江、涪江三條河流的輸沙量增加了3～7倍[1]。

我國西南地區(qū)屬于東部季風(fēng)區(qū)，氣候濕潤，雨量豐沛，由于其地勢起伏不平，降雨時間及空間不均。而自然界中，大多數(shù)土體為非飽和土體，若遭遇大暴雨或是在持續(xù)的降雨過程中，雨水入滲使土體的飽和度、含水量增大，影響土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角，導(dǎo)致山體巖石松動，容易發(fā)生滑坡災(zāi)害。學(xué)術(shù)界對降雨入滲對滑坡之影響的研究較早，國內(nèi)外學(xué)者在試驗研究、理論推導(dǎo)及數(shù)值仿真等方面進行了大量工作，并取得了一些成熟的結(jié)果。例如，臺灣學(xué)者陳天健[2]通過人工降雨模型試驗研究了降雨入滲對滑坡類型的影響，并認(rèn)為深層滑動主要發(fā)生在降雨強度接近于土壤滲透系數(shù)時。王維早[3]等利用自主研制的離心場降雨模擬設(shè)備，通過大型離心模型試驗，再現(xiàn)了南江縣紅層地區(qū)堆積層在強降雨作用下的滑動失穩(wěn)過程。冷先倫[4]等基于Mein-Larson入滲模型，建立了坡面降雨入滲模型并結(jié)合無限邊坡極限平衡法對邊坡的穩(wěn)定性進行了分析，得出降雨條件下，把水和土的混合物作為研究對象和把土骨架作為研究對象所得的穩(wěn)定性結(jié)果是一致的結(jié)論。崔云[5]等通過構(gòu)建水動力模型，對降雨的激發(fā)控制作用進行了分析，得出水動力控制機理的結(jié)論。李濤[6]等基于厚覆蓋層邊坡失穩(wěn)機理研究了降雨影響下的厚覆蓋層邊坡滲流特征及穩(wěn)定性；石振明[7]等通過改進的Green-Ampt入滲模型，提出了多層非飽和土邊坡降雨入滲的邊坡穩(wěn)定性計算方法。蔣澤鋒[8]在考慮降雨過程中的瞬態(tài)孔隙水壓力場和張裂隙充水時的靜水壓力的基礎(chǔ)上對邊坡的臨界滑動場進行了研究，并得出張裂隙的位置、深度以及張裂隙中的靜水壓力對邊坡穩(wěn)定性和滑動面形狀具有較大影響。在治理方面，工程界主要采用抗滑樁、錨桿(索)、支擋、錨噴支護等措施。其中抗滑樁因其具有較強的抗滑力，支擋效果明顯，而且樁孔位置靈活多樣，工藝簡單以及施工方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于邊坡加固[9-13]。然而，由于土體的破碎性、孔隙性、多相性和滲流流態(tài)的復(fù)雜性等，使理論推導(dǎo)難于具有較好的普適性。試驗直觀性強，是研究降雨入滲下邊坡穩(wěn)定性的最直接、有效的手段，然而成本高、周期長而且試驗條件要求高。因此，條件允許時，宜盡量采用試驗方法，輔于數(shù)值仿真。本文基于土體材料參數(shù)的試驗結(jié)果，采用數(shù)值方法研究了某后緣大裂隙發(fā)育邊坡，在雨水入滲致使土體抗剪強度發(fā)生劣化時，抗滑樁對此類邊坡的加固效果。該實例分析為工程上類似滑坡的預(yù)測、初步分析和加固設(shè)計提供了相應(yīng)的指導(dǎo)意義。

1 雨水入滲對土體強度的劣化影響

一般認(rèn)為，土體的抗剪強度是描述其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。而不管是黏土還是粗顆粒土，受到水體浸泡或者干濕循環(huán)作用后，均會引起土體軟化，土顆粒之間咬合力降低，使滑體出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。說明雨水入滲、庫水升降等外部因素的變化，容易導(dǎo)致黏聚力和內(nèi)摩擦角等物性參數(shù)降低、使抗剪強度劣化。以往研究也發(fā)現(xiàn)，考慮抗剪強度劣化時，降雨對岸坡的穩(wěn)定性影響要大于庫水升降等水庫運行工況[14-18]。尤其是滑體后緣大裂隙發(fā)育，裂隙呈張開狀態(tài)且降雨充水時，新滑動面最有可能出現(xiàn)在老滑帶上。

工程中常用的考慮孔隙水壓力的非飽和土抗剪強度公式為：

τ=c+(σ-ua)tgφ+(ua-uw)tgφ′.

(1)

式中：c、φ分別為土體有效黏聚力和內(nèi)摩擦角，φ′為與基質(zhì)吸力相關(guān)的強度提高傾角，一般取0.5φ，ua和uw分別為非飽和土體中的孔隙氣壓力和負(fù)孔隙水壓力。該公式明確反映了土體強度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，公式提出者Frellund認(rèn)為，基質(zhì)吸力在本質(zhì)上是一種應(yīng)力狀態(tài)變量，在一定程度上可以提高土體的抗剪強度。該公式雖然得到了巖土界的廣泛認(rèn)可，但是測量吸力的非飽和土三軸試驗周期長、成本高，而且現(xiàn)階段的非飽和土固結(jié)模型不僅復(fù)雜還不具有普適性，給數(shù)值計算和理論分析帶來了困難。雖然吸力不容易測定，但土體的飽和度(含水量)卻很容易確定。那么，飽和度、含水率是如何影響土體的抗剪強度劣化呢？

眾所周知，非飽和土中的基質(zhì)吸力對其性質(zhì)和強度影響顯著。從土-水特征曲線來看，不管是Van Genuchten[19]建立的冪函數(shù)型VG方程，還是Frellund等[20-22]提出的對數(shù)函數(shù)型方程，甚至是基于分形幾何方法描述的土-水特征曲線[23]，都明確表明了基質(zhì)吸力與土體的含水率之間存在著密切關(guān)系。因為，對持水能力相同(礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)和應(yīng)力歷史相似)的同一種土，當(dāng)雨水入滲使飽和度發(fā)生變化時，含水率決定了土體的收縮膜形狀，進而間接影響了土體的抗剪強度。因此，本文從非飽和土強度隨含水量變化這方面入手，采用通過室內(nèi)三軸儀對不同組含水量的非飽和殘坡積土樣進行了UU試驗，測其抗剪強度。

該土樣為云南紅土，力學(xué)性能一般，遇水易軟化、崩解。土樣干密度為1.3 g/cm3，比重2.76，孔隙比1.12，土壤液限41.3%，塑限7.1 %，自然膨脹率47.0%，沙礫含量3.5%，粉礫含量47.4%，粘礫含量14.6%，膠礫含量34.5%，試樣制備時采用自然風(fēng)干、過篩，再加水配土制樣的方法。先確定最優(yōu)含水率和最大干密度以后得到壓實度，在擊樣器內(nèi)分層擊實(5層)，試樣為高80 mm，直徑39 mm的小試樣，如圖1所示，整理后的試驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖1 非飽和土強度試驗Fig.1 Triaxial shear tests of unsaturated soil

圖2 非飽和土抗剪強度指標(biāo)隨含水量的變化Fig.2 Relationship between shear strength with different water contents

2 計算模型

本文研究對象為云南境內(nèi)某高速公路某標(biāo)段邊坡。該邊坡位于剝蝕丘陵地貌山坡坡腳處，滑體前緣呈舌狀延伸至路基上，后緣處于殘坡積物形成的陡坎處，后緣大裂隙發(fā)育，垂直錯動現(xiàn)象明顯，而且基本處于張開狀態(tài)。治理初期，提出了兩套治理方案：一是從滑體后緣裂隙處灌水，人為造成滑坡，使其徹底滑動消除隱患后，再進行后續(xù)治理。但該方案太過激進，甲方怕引入過多不可控問題，因此放棄。該邊坡屬于滑移-拉裂的深層滑動破壞，滑床主要以老黏土為主，夾雜大塊孤石，物性參數(shù)較好。經(jīng)討論后采取截排地表地下水、削坡減重后，再支擋加抗滑的治理方案。依此建立的計算模型如圖3所示，分別為原始邊坡、放坡開挖后和設(shè)置樁承式支擋結(jié)構(gòu)后的邊坡。邊坡兩側(cè)施加法向約束，頂部為自由邊界，基巖底部固定。

圖3 有限元模型Fig.3 The FEM model

抗滑樁采用C30混凝土灌注樁，樁徑1 m，樁間凈距0.8 m，樁端打入基巖面以下3.5 m，屬端承樁。原始樁—土接觸面的摩擦系數(shù)為0.36。該邊坡土樣滲透系數(shù)K=1.0～8.0×10-6cm/s，彈性模量200 MPa，容重22 kN/m3，泊松比0.25。基巖彈性模量20 GPa，容重27 kN/m3，泊松比0.22。

計算假設(shè)：雨水從邊坡后緣上部裂隙處入滲并沿順坡方向滲流時，使老滑動帶復(fù)活。同時忽略浸潤鋒的發(fā)展過程，假設(shè)滑動帶土體的飽和狀態(tài)是同步的，屬于深層滑動。當(dāng)滑動帶逐漸飽和后，微小的位移將產(chǎn)生很高的超孔隙水壓力，瞬時間滑動帶土體內(nèi)(尤其是砂土)的有效應(yīng)力接近零，發(fā)生“靜態(tài)液化”，即流滑現(xiàn)象。在忽略滲流力作用的基礎(chǔ)上探討了抗滑樁對此類邊坡的加固效果。

3 結(jié)果分析

圖4為原始狀態(tài)、 放坡開挖和抗滑樁加固后的滑體位移云圖。從圖中可以看出： (1)不作任何處理時，滑體的最大位移為33.4 mm，邊坡下滑趨勢明顯；開挖卸載后，位移最大值為31.5 mm，降低不明顯；由于該滑體坡度陡，上部重量大，滑體后緣出現(xiàn)大量裂隙，滑體自身的穩(wěn)定性低，老滑動帶復(fù)活的概率大，極有可能出現(xiàn)新的崩塌和滑坡。因此，采用削坡減載的方法已不適用于工程實際情況，除非將滑體上部土層大范圍的挖走，但由于該滑體規(guī)模大，土方量多，工程耗資加大，所以綜合考慮應(yīng)采用抗滑樁加擋土墻支護的方案。加擋土墻及抗滑樁之后，位移減小到25.4 mm；(2)從圖4(e)～(g)可知，當(dāng)滑體飽和度達(dá)到一定程度以后，位移不再是以沉降為主，而是呈現(xiàn)出水平方向的梯狀分布，說明土體有一定的下滑，水平方向的位移占主導(dǎo)地位。而抗滑樁前面的滑體前緣仍舊以沉降為主。

圖4 位移云圖(單位：m)Fig.4 Displacement of unsaturated soil slope

由圖5、圖6可看出：(1)不考慮降雨的情況下，抗滑樁有效的阻止了滑體的下滑，剪應(yīng)力也很小，邊坡基本不會發(fā)生大的變形和垮塌現(xiàn)象，加固效果明顯；(2)但是在降雨入滲情況下，土體的內(nèi)摩擦力、黏聚力等隨著飽和度的增加而降低，從而使邊坡的穩(wěn)定性也降低。即便采取了抗滑樁支護，當(dāng)含水量達(dá)到20.13%以上時，滑體上半部的下滑位移也明顯增加。不過，在抗滑樁部位，位移降低至1 mm以內(nèi)，說明抗滑樁起到了明顯的阻止滑坡作用；(3)當(dāng)含水量超過30%時，下滑位移和剪應(yīng)力都非常大，最大剪應(yīng)力達(dá)到0.556 MPa，雖然抗滑樁阻止了上半部滑體的滑坡，但是抗滑樁前面的滑體前緣仍然產(chǎn)生了滑坡；(4)而含水量為18.16%時，位移及剪應(yīng)力卻非常小，這與土壤在不同含水量情況下的黏聚力以及基質(zhì)吸力有關(guān)。土壤接近最佳含水量時，會形成一種黏聚力，有效地阻止了土體的下滑。

圖5 滑體表面下滑位移Fig.5 Displacement of slope surface

圖6 滑動帶上的剪應(yīng)力Fig.6 Displacement of dangerous slip surface

如圖7所示，隨抗滑樁深度的發(fā)展，樁背土壓力沿樁身往下增大，主要是主動土壓力。在滑動帶上，樁端嵌入基巖附近，出現(xiàn)負(fù)的被動土壓力，說明該位置是樁的“剪切點”。從圖8也可以看出，該位置樁的主拉應(yīng)力也出現(xiàn)了突增現(xiàn)象。而且隨著滑體飽和度增加，滑動推力增強，在該位置樁身的應(yīng)力也明顯增大，存在樁身折斷的風(fēng)險，應(yīng)該引起重視。當(dāng)樁處于成層土中且土層剛度相差較大，且存在突增水平力(地震、滑坡推力)作用時，軟硬土層界面處的剪力和彎矩均會出現(xiàn)突增，這是基樁震害的主要原因之一，應(yīng)該采用動力分析方法進一步復(fù)核。

圖7 樁背土壓力Fig.7 Soil pressure behind pile body

圖8 樁身應(yīng)力分布Fig.8 Stress of pile body

4 結(jié)論

本文忽略浸潤鋒的發(fā)展，在假設(shè)滑動帶上土體的飽和狀態(tài)是整體同步發(fā)展的基礎(chǔ)上，分析了某滑體后緣裂隙發(fā)育邊坡的穩(wěn)定性及其支擋效果。得到以下結(jié)論：抗滑樁擋土墻等支護結(jié)構(gòu)能有效阻止滑體的下滑。在土體含水量達(dá)到18.16%時，土壤內(nèi)黏聚力增強，邊坡穩(wěn)定性也較好。但隨著含水量及飽和度持續(xù)增加，滑體下滑位移增大，樁側(cè)出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，存在斷樁風(fēng)險，因此建議時刻監(jiān)測滑體速度，必要時可緊急打金屬樁(群)應(yīng)急，但須避免震動和坡體過度超載，并且制定相關(guān)應(yīng)急處置和疏散方案。特別是含水量大于30%時，即使樁身安全得到保證，但抗滑樁前面的滑體前緣也會出現(xiàn)局部滑坡?？梢?，對于后緣裂隙發(fā)育的邊坡，較好的排水系統(tǒng)是邊坡穩(wěn)定性的保障前提。