考慮滑帶土膨脹力作用的某滑坡穩(wěn)定性研究

熊揚(yáng)福， 呂盛華， 肖 霞

(湖北省地質(zhì)局 第六地質(zhì)大隊，湖北 孝感 432000)

滑帶土是在滑坡的發(fā)生和發(fā)展過程中遭受擠壓、剪切、搓揉、研磨，于滑帶處在特定的物理化學(xué)條件下所形成的呈可塑狀、軟塑狀甚至流塑狀的巖土體[1]，通常由碎屑礦物(石英、長石、云母、方解石、石膏等)、粘土礦物(伊利石、高嶺石、蒙脫石和綠石泥等)以及一些非晶物質(zhì)組成[2-4]。發(fā)育在粘土層地區(qū)的滑坡，其滑帶土中粘土礦物含量更高。眾所周知，含有大量粘土礦物的巖土體一般稱為膨脹土，膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮、易風(fēng)化與崩解、多裂隙、超固結(jié)和強(qiáng)度衰減等特性[5]。因此，在季節(jié)性降雨期間，當(dāng)滑坡的變形受到抑制時，其滑帶土?xí)鼗娣较蚍聪虍a(chǎn)生膨脹力，會在水平方向上產(chǎn)生一個水平推力，不利于滑坡的穩(wěn)定。

目前，對于膨脹土邊坡研究較多，但前提是采用一定的手段探討膨脹土的力學(xué)相關(guān)性質(zhì)。膨脹土的膨脹性在實際工程中一直頗受重視，主要是采用自由膨脹率試驗、側(cè)向約束膨脹率試驗及膨脹力試驗等試驗手段來進(jìn)行研究。目前的研究結(jié)論基本一致，認(rèn)為上覆荷載、含水率以及干密度等因素對膨脹特性的影響較大[6-10]。同時，研究人員對于膨脹土邊坡穩(wěn)定性的求解也提出了多種方法，如楊文琦等[11]在傳統(tǒng)的剩余推力法中引入膨脹力項，推導(dǎo)出了適用于膨脹土邊坡的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計算公式；周炳生等[12]以秦淮東河膨脹土邊坡為實例，推導(dǎo)出基于整體剛體的靜力平衡的邊坡安全系數(shù)求解公式；鄭長安通過室內(nèi)試驗，將非飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)及膨脹力表示為土體含水率的函數(shù)，提出考慮多種因素的膨脹土穩(wěn)定性分析方法[13]。

本文以宜昌市猇亭區(qū)某滑坡為例，在不同含水率條件下進(jìn)行滑帶土的膨脹力試驗，基于條分法推導(dǎo)出考慮膨脹力作用的穩(wěn)定系數(shù)表達(dá)式，對滑坡的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計算，并與同種工況下不考慮膨脹力作用時計算出的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)而研究滑帶土對滑坡穩(wěn)定性的影響。

1 滑坡概況

研究區(qū)滑坡位于湖北省宜昌市猇亭區(qū)，該滑坡在平面上呈“舌形”，順坡向長319 m，寬165 m，主滑方向為292°，主要為人工填土形成的推移式土質(zhì)滑坡?；潞缶壐叱虨?48 m，前緣高程為120 m，坡高為28 m，地形坡度約為8°。滑坡厚度為7.5～21.0 m，面積為4.35×104m2，總體積為50.3×104m3。

該滑坡位于宜昌斜坡老第三系、第四系分布區(qū)，地貌上位于長江河谷Ⅳ級階地之上。滑坡處原為沖溝，后規(guī)劃為廠區(qū)用地。自2010年開始對沖溝進(jìn)行了大量土方回填，最大回填厚度達(dá)30 m，滑體主要為卵礫石夾粘土(照片1)，結(jié)構(gòu)松散。

照片1 滑體物質(zhì)成分Photo 1 Material composition of sliding body

該滑坡整體沿人工填土底界面滑動，滑移面剖面形態(tài)總體呈弧型，滑面傾角約6°～12°，向前緣呈平緩局部反翹，沿下部粘土層剪出。滑帶土為黃褐色、灰白色粘土，夾少量礫石，一般呈軟塑狀(照片2)。粘土主要物質(zhì)來源為老第三系上部的具有膨脹性的粘土巖風(fēng)化而成，含有高嶺土、蒙脫石、伊利石等礦物，在滑坡前緣可清晰看到剪出的灰白色粘土層(照片3)。人工填土下伏巖層為老第三系粘土巖層和砂泥巖互層，局部為第四系粉質(zhì)粘土夾卵石層。

照片2 鉆孔中滑帶土Photo 2 Sliding zone soil in borehole

照片3 滑坡前緣剪出口物質(zhì)Photo 3 Material at shear exit of landslide front

目前該滑坡的變形主要表現(xiàn)為人工填土下座變形，并形成多級下座，目前僅在后緣附近保留有局部下座平臺(照片4)。滑坡變形導(dǎo)致滑體不斷向西推移，沿途房屋、擋墻、公路路面等基礎(chǔ)設(shè)施均遭到破壞，殘留物隨滑體一并西移。自2010年以來，隨著后緣不斷填土加載，滑體已逐漸向西推移300 m，并造成20余戶民房倒塌和大量農(nóng)田、公路被毀。

照片4 魏家灣滑坡局部土體下座變形Photo 4 Deformation of local soil mass in Weijiawan landslide

2 滑帶土膨脹力試驗

2.1 滑帶土基本物理指標(biāo)

土體基本物理指標(biāo)一般包含比重、天然含水率、飽和含水率、塑限、液限、塑性指數(shù)等，取不同鉆孔中3組滑帶土試樣，通過室內(nèi)常規(guī)試驗，得到其基本物理指標(biāo)(表1)。

表1 滑帶土基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of sliding zone soil

另取部分樣品進(jìn)行X射線粉晶衍射實驗，分析其礦物組成成分，分析結(jié)果表明，滑帶土礦物組成為：蒙脫石(70%)、長石(15%)、伊利石(10%)、石英(2%)、綠泥石(2%)及其它(1%)。

2.2 試驗方案及方法

根據(jù)基本物理試驗，滑帶土的天然含水率為17.1%～32.3%，飽和含水率為36.0%～40.7%。為了研究初始含水率對膨脹性的影響，在制樣時控制其干密度為1.6 g/cm3，制備含水率分別為15%、20%、25%、30%、35%的環(huán)刀樣，試樣直徑為76 mm，高20 mm。

根據(jù)規(guī)范[14]，采用平衡加壓法測量膨脹力的大小，試驗裝置如圖1所示，具體操作步驟詳述如下：

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

(1) 將試樣放入內(nèi)壁涂有凡士林的膨脹室內(nèi)，在試驗裝置底部放置透水石，上部加蓋圓形透水板。

(2) 在透水板上安裝力傳感器，連接數(shù)顯儀和電腦，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集；在力傳感器頂部加蓋荷載板，當(dāng)荷載板與重量傳感器頂部完全接觸時，旋轉(zhuǎn)下方限位螺絲使兩者固定在同一平面上；然后旋轉(zhuǎn)上方限位螺絲，固定荷載板的位置來達(dá)到試驗恒體積的目的。

(3) 由于上方初始荷載使力傳感器受到力的作用，需通過數(shù)顯儀實現(xiàn)歸零。

(4) 打開電腦數(shù)據(jù)采集軟件，調(diào)整量程。

(5) 緩慢地向圓形積水槽中注入水，直至淹沒上部透水板。

(6) 點擊數(shù)據(jù)采集軟件開始按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3 試驗結(jié)果

對試驗結(jié)果進(jìn)行整理，繪制了不同初始含水率試樣的膨脹力時程曲線(圖2)。試樣的膨脹力隨著時間的增長而變大，最終達(dá)到一個穩(wěn)定值。膨脹變形曲線可以分為三個階段：①等速膨脹階段，該階段膨脹力迅速增大，持續(xù)時間較短；②減速膨脹階段，此階段試樣膨脹力的增大趨緩；③穩(wěn)定階段，此階段膨脹力時程曲線接近水平，膨脹力基本不發(fā)生變化。以上三個階段分別對應(yīng)圖2中的0—2 h、2—10 h、10—24 h。隨著初始含水率的增大，膨脹力逐漸減小，當(dāng)含水率為15%、20%、25%、30%、35%時，在24 h膨脹力已基本達(dá)到穩(wěn)定，分別為115.3 kPa、82.5 kPa、63.2 kPa、41.2 kPa、17.6 kPa。

膨脹力是土體吸水時導(dǎo)致土體內(nèi)部粘土礦物體積增大所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，影響其大小的因素很多，主要有土體的礦物成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、初始含水量、干密度等?；谠囼灁?shù)據(jù)，對膨脹土的最大膨脹力與初始含水率的關(guān)系進(jìn)行了研究(圖3)，發(fā)現(xiàn)膨脹力隨著初始含水率的增加呈線性減小，當(dāng)含水率由15%增至35%時，膨脹力由115.8 kPa減小至17.6 kPa，降幅為84.80%。

圖3 膨脹力與初始含水率關(guān)系圖Fig.3 Relationship between expansion force and initial moisture content

3 滑坡穩(wěn)定性研究

基于上述試驗可知，滑帶土最大膨脹力隨初始含水率的增加而逐漸降低，在客觀條件下會對滑坡的穩(wěn)定性有所影響，但影響到底多大是一個值得研究的問題。本文采用極限平衡法，研究滑坡滑帶土在不同初始含水率條件下，膨脹力對其穩(wěn)定系數(shù)的影響。

3.1 基于條分法推導(dǎo)穩(wěn)定系數(shù)公式

對于某一邊坡，假設(shè)滑動面為圓弧狀或近似圓弧狀，將滑體劃分為土條，任取某一土條i進(jìn)行受力分析，如圖4所示。土條的寬度為bi，左右兩側(cè)高度分別為Hi和Hi+1，土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為φ和c。

圖4 土條受力及膨脹力分析圖Fig.4 Analysis chart of soil strip stress and expansion force

由圖4可知，作用在土條上的有土條的自重Wi、土條底部的切向力Ti和法向力Ni、條件作用的豎直切向力Yi和Yi+1、水平法向力Ei和Ei+1。考慮滑帶為膨脹土，則在滑體底部會產(chǎn)生切向力PTi和法向力PNi。在底部滑動面上取任一土單元體(如圖5所示)，將均勻分布在土條底邊上的膨脹力按應(yīng)力分解得到切向分量pTi和pNi，其大小和方向由水平膨脹力集度pxi和豎向膨脹力集度pyi和滑面傾角αi來確定。即：

圖5 土條底部膨脹力分解應(yīng)力圓Fig.5 Stress circle of expansion stress decompositionat the bottom of soil strip

針對膨脹土邊坡，諸多學(xué)者也考慮了膨脹力的邊坡穩(wěn)定性計算方法。司光武[15]等研究了含水率與土體重度、強(qiáng)度和膨脹力間的關(guān)系，基于條分法建立了計算模型，推導(dǎo)了穩(wěn)定系數(shù)計算公式。

基于瑞典條分法的穩(wěn)定系數(shù)計算公式為：

(1)

基于畢肖普條分法的穩(wěn)定系數(shù)計算公式為：

(2)

基于簡布條分法的穩(wěn)定系數(shù)計算公式為：

(3)

式中：Fs為穩(wěn)定系數(shù)；Wi為條塊自重；φ為內(nèi)摩擦角；c為粘聚力；bi為土條寬度；αi為土條底角度；Yi為土條兩側(cè)豎向切應(yīng)力之差；PTi為土條底邊膨脹力的切向分量；mαi=cosαi+tanφsinαi/Fs

3.2 滑坡穩(wěn)定性計算過程

3.2.1計算模型

選用所研究的滑坡縱向剖面圖，通過合并物理力學(xué)性質(zhì)相近的巖層來簡化剖面，以便于計算。基于Geo-Studio軟件對滑體進(jìn)行條分，一共劃分為24個土條，土條最大寬度為18.755 m，最小寬度為3.46 m(圖6)。

圖6 滑體條分計算圖Fig.6 Slice calculation diagram of sliding mass

3.2.2計算工況

結(jié)合上文的膨脹力試驗方案，共開展了5種不同含水率的膨脹力試驗。對該滑坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計算時，其膨脹力的大小直接取膨脹力試驗中最大膨脹力。因此，相對應(yīng)的也設(shè)計了5種工況，不同工況下的膨脹力數(shù)值如表2所示。

表2 不同工況下膨脹力數(shù)值Table 2 Numerical simulation of expansion force underdifferent working conditions

3.2.3計算參數(shù)

根據(jù)勘察報告及地區(qū)經(jīng)驗，該滑坡的滑床及滑體材料參數(shù)如表3所示。而滑帶的材料參數(shù)則根據(jù)室內(nèi)的殘余剪切試驗得到，結(jié)果見表4。

表3 滑床及滑體材料參數(shù)Table 3 Material parameters of sliding bed and sliding body

表4 滑帶土參數(shù)Table 4 Parameters of sliding zone soil

3.3 滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

根據(jù)基于瑞典條分法、畢肖普條分法、簡布條分法推導(dǎo)出的穩(wěn)定系數(shù)計算公式(1)-(3)，對滑坡的各條帶進(jìn)行求和計算。由于目前在Geo-Studio無法直接考慮滑帶土的膨脹力來計算滑坡的穩(wěn)定性，導(dǎo)出滑坡劃分的25個土條的參數(shù)，在EXCEL表中進(jìn)行統(tǒng)計計算，穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果如表5所示。

表5 穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)計表Table 5 Statistical table of stability coefficient

將基于上述三種方法計算得到的穩(wěn)定系數(shù)，繪制成穩(wěn)定系數(shù)與滑帶土初始含水率的關(guān)系圖(圖7)。由圖7可知，在考慮膨脹力的作用下，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著滑帶土初始含水率的增大而減小，且含水率<25%時，穩(wěn)定系數(shù)減小明顯；當(dāng)初始含水率由15%增加到25%過程中，三種計算方法的穩(wěn)定系數(shù)分別降低了1.187、1.340、0.787，降低幅度分別為48.21%、48.46%、31.08%；而初始含水率>25%后，穩(wěn)定系數(shù)減小幅度變小，三種計算方法計算出的穩(wěn)定系數(shù)的差距逐漸減??；在初始含水率為35%時，三種計算方法計算出的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.022、1.082、1.089，相差較小。

圖7 滑帶土初始含水率與穩(wěn)定系數(shù)變化圖Fig.7 Variation diagram of initial water content andstability coefficient of sliding zone soil

4 結(jié)論

(1) 滑帶土的膨脹力變化經(jīng)歷三個階段，即等速膨脹—減速膨脹—膨脹穩(wěn)定，隨著初始含水率增大，膨脹力呈線性減小。

(2) 基于瑞典條分法、畢肖普條分法、簡布條分法推導(dǎo)的穩(wěn)定系數(shù)計算公式，在考慮膨脹力的作用下，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著滑帶土初始含水率的增大而減小，且含水率<25%時，三種計算方法的穩(wěn)定系數(shù)減小幅度較大；而初始含水率>25%后，穩(wěn)定系數(shù)減小幅度則較小。

(3) 對比分析滑帶處于不同含水率條件下，在分別考慮和不考慮滑帶土膨脹力作用時的滑坡穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)初始含水率較低時，考慮滑帶土膨脹力作用的穩(wěn)定系數(shù)相比不考慮時降低顯著；而當(dāng)滑帶土接近飽和狀態(tài)時，兩者基本相等。