典型膨脹土滑坡變形機(jī)制分析與綜合治理設(shè)計(jì)

黃澤斌，孟繁賀，陳云生，查 俊

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

廣西南寧市是膨脹土發(fā)育的典型地區(qū)之一，分布有大量的古近系及新近系黏土巖及其風(fēng)化殘積土，這些巖土多具有中等-強(qiáng)脹縮性。近年來(lái)隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，帶來(lái)了許多與膨脹土相關(guān)的工程問(wèn)題。作為一種特殊性巖土，膨脹土含有大量親水礦物，特有的礦物組成決定了其具有吸水顯著膨脹、軟化，失水急劇收縮、開(kāi)裂、強(qiáng)度大幅衰減的特性[1]。這些特性使得由膨脹土組成的邊坡經(jīng)常遭受破壞，由人工開(kāi)挖邊坡引起的膨脹土滑坡屢見(jiàn)不鮮，給工程建設(shè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅著國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民的生命安全。而城市建設(shè)中一旦出現(xiàn)滑坡，受限于復(fù)雜的場(chǎng)地環(huán)境，加之膨脹土本身極不“友好”的工程特性，如何有效地治理，成為擺在工程技術(shù)人員面前的一道難題。本文結(jié)合南寧市一個(gè)典型的工程案例來(lái)介紹膨脹土滑坡的成因機(jī)制、發(fā)展過(guò)程及綜合治理措施。

1 滑坡工程地質(zhì)條件

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面圖

根據(jù)滑坡區(qū)勘察成果[2]，滑坡區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，未分布大型斷裂構(gòu)造，地質(zhì)鉆孔亦未揭示斷層破碎帶。場(chǎng)地分布的地層主要為：

(1)第四系全新統(tǒng)人工堆積層素填土，呈松散狀，成分為軟-可塑狀黏性土，局部夾少量建筑垃圾、卵石及混凝土碎塊，為新近填土，尚未完成自重固結(jié)。該層廣泛分布于滑坡表層。

(2)第四系上更新統(tǒng)殘坡積層粉質(zhì)黏土，局部為黏土、粉土，褐黃、灰黃、紅黃色，以可塑為主，局部硬塑狀，土質(zhì)不均勻，韌性及干強(qiáng)度中等。該層廣泛分布于滑坡區(qū)范圍內(nèi)，勘察鉆孔揭示厚度為1.00～2.80 m。

(3)古近系漸新統(tǒng)強(qiáng)-中風(fēng)化泥巖夾粉砂巖，泥巖為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，粉砂巖為粉砂狀結(jié)構(gòu)，中厚-厚層狀構(gòu)造，巖石成巖作用差，屬半成巖，巖石具遇水易軟化、崩解特點(diǎn)，泥巖還具風(fēng)干易開(kāi)裂特點(diǎn)。巖層產(chǎn)狀74°∠3°，近水平分布。

滑坡區(qū)為廣西典型的膨脹土地層，即古近系和新近系泥質(zhì)巖及其風(fēng)化物。根據(jù)勘察脹縮試驗(yàn)成果，場(chǎng)地素填土具有中等膨脹性，粉質(zhì)黏土具有弱膨脹性，風(fēng)化泥巖具有強(qiáng)膨脹性。

2 滑坡形態(tài)分布特征

該滑坡在平面上呈半橢圓形，空間上呈明顯的臺(tái)階狀，滑坡軸方向?yàn)?2°，與邊坡坡向基本相同，垂直于在建的快環(huán)道路，軸長(zhǎng)約40 m?；潞缶壚瓘埩芽p及錯(cuò)臺(tái)明顯，后緣斷壁陡峭，壁高最大約3 m，滑坡兩側(cè)邊界出現(xiàn)不連續(xù)縱向剪切裂縫，與主滑方向基本相同，坡腳剪出口清晰可見(jiàn)呈近水平狀。滑坡體前緣寬度約150 m，后緣寬度約120 m，滑體厚度變化較大，前緣較薄，最小厚度約1.5 m，中后部滑體較厚，最大厚度約8 m，平均厚度約5.5 m，整個(gè)滑體體積約2.4萬(wàn)m3。

3 滑坡變形發(fā)展過(guò)程分析

從滑坡的形成發(fā)展過(guò)程來(lái)看，邊坡在施工開(kāi)挖后首先于坡面及坡頂出現(xiàn)少量拉張裂縫，后由于降雨入滲造成邊坡土體強(qiáng)度下降，裂縫不斷延伸擴(kuò)大，并逐漸向坡體后緣發(fā)展，當(dāng)后緣裂縫與坡體內(nèi)部形成的軟弱結(jié)構(gòu)面貫通后，最終產(chǎn)生整體滑動(dòng)形成滑坡。

(1)初始穩(wěn)定階段：施工開(kāi)挖刷坡后，邊坡內(nèi)部初始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，為達(dá)到新的平衡，應(yīng)力進(jìn)行重新分布，并于局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，此時(shí)邊坡尚處于自然穩(wěn)定狀態(tài)(見(jiàn)圖2)。

圖2 施工刷坡后的邊坡結(jié)構(gòu)圖

(2)緩慢變形階段：人工邊坡形成后，坡體膨脹土直接暴露于大氣中，受蒸發(fā)作用影響，淺表層土體含水量開(kāi)始降低，由于膨脹土的脹縮特性，土體首先發(fā)生收縮變形，在邊坡坡面出現(xiàn)裂隙，接著出現(xiàn)的降雨導(dǎo)致地表水通過(guò)坡面裂隙滲入坡體內(nèi)部，膨脹巖土體吸水后發(fā)生膨脹變形，使坡面裂隙進(jìn)一步變大，局部出現(xiàn)開(kāi)裂形成裂縫(見(jiàn)圖3)。

圖3 邊坡坡面局部裂縫分布圖

(3)加劇變形階段：持續(xù)的降雨造成雨水不斷下滲使坡體處于飽和狀態(tài)，坡體內(nèi)部形成滲流，地下水滲流產(chǎn)生的滲透力及裂隙充水后的靜水壓力加大了邊坡的下滑力，邊坡膨脹巖土在飽水情況下變形進(jìn)一步發(fā)展，坡面裂縫開(kāi)始增多并逐漸擴(kuò)大，坡面的變形開(kāi)裂使坡頂土體受到牽引，導(dǎo)致坡頂出現(xiàn)較多縱向拉張裂縫(見(jiàn)圖4)，為滑動(dòng)面自上而下的貫通提供了條件。

圖4 裂縫擴(kuò)大增多、變形加劇示意圖

(4)整體失穩(wěn)階段：由于土體飽水和脹縮變形造成巖土體的重度增加及抗剪強(qiáng)度大幅降低，邊坡的下滑力增加而抗滑力減小。隨著降雨的持續(xù)，變形裂縫不斷擴(kuò)大并向坡體內(nèi)部發(fā)展延伸，與風(fēng)化泥巖的軟弱結(jié)構(gòu)面貫通連接，最終在邊坡中后部坡體強(qiáng)大的推力下發(fā)生整體滑動(dòng)而形成滑坡(見(jiàn)圖5)。

圖5 裂隙面與軟弱結(jié)構(gòu)面貫通出現(xiàn)整體下滑示意圖

4 滑坡成因機(jī)制分析

(1)滑坡區(qū)為廣西典型的古近系膨脹土地層，構(gòu)成該邊坡的主要巖土層具有弱-強(qiáng)脹縮性，由于含有大量親水礦物成分，其工程特征表現(xiàn)為失水收縮、吸水膨脹。在長(zhǎng)時(shí)間的干濕循環(huán)條件下，脹縮變形使巖土體結(jié)構(gòu)遭受破壞，抗剪強(qiáng)度也隨之大幅度下降。膨脹土為滑坡的形成提供了基本的物質(zhì)條件，也是滑坡產(chǎn)生的內(nèi)在因素。

(2)滑坡所在區(qū)域?yàn)樵诮ǜ咚俟犯臄U(kuò)建城市快速路工程段，由于道路拓寬，需要對(duì)原有的邊坡進(jìn)行開(kāi)挖，邊坡施工將原有的坡面植被破壞清除，并形成了大面積的臨空面，使邊坡應(yīng)力失衡。因此，人類(lèi)工程活動(dòng)為本滑坡的產(chǎn)生提供了外在條件。

(3)施工期間正值雨季，邊坡開(kāi)挖后，由于臺(tái)風(fēng)影響，持續(xù)了近一個(gè)月的陰雨天氣，使尚未來(lái)得及防護(hù)的邊坡遭受了大量雨水沖刷，而雨水通過(guò)坡面豎向裂縫很快進(jìn)入土體內(nèi)部，不僅使非飽和的土體變成飽和土，增加了土體重度，飽水后的膨脹土產(chǎn)生膨脹變形，降低了土體抗剪強(qiáng)度，更重要的是在裂隙之間形成大致順著邊坡的滲流，這種滲透力所產(chǎn)生的滑動(dòng)力，也大大增加了滑動(dòng)破壞的可能性。因此，降雨在引起邊坡抗滑力大幅減小的同時(shí)也增加了下滑力，導(dǎo)致最終形成滑坡。因此，連續(xù)的降雨是本滑坡最關(guān)鍵的誘發(fā)因素。

從上述分析可以得出，本次滑坡是由人類(lèi)工程活動(dòng)及降雨因素引發(fā)的膨脹土滑坡，從滑坡整個(gè)發(fā)展過(guò)程及滑動(dòng)的力學(xué)性質(zhì)來(lái)看，本次滑坡是在牽引和推移聯(lián)合作用下產(chǎn)生的。

5 滑坡綜合治理設(shè)計(jì)

由于滑坡坡腳位于在建高速公路改擴(kuò)建為城市快速道路工程區(qū)域，滑坡頂部為一處足球訓(xùn)練場(chǎng)，球場(chǎng)附近尚有一座高壓電塔，因此，滑坡的治理設(shè)計(jì)需綜合考慮各方面因素。根據(jù)該滑坡體形態(tài)特征、形成機(jī)制、變形發(fā)展規(guī)律及目前穩(wěn)定狀況，考慮恢復(fù)滑坡頂部的足球訓(xùn)練場(chǎng)的需要，對(duì)比分析各項(xiàng)工程的適宜性、經(jīng)濟(jì)性、可操作性以及工期等方面因素，針對(duì)膨脹土的特性，最終采用在滑坡中后部設(shè)置加筋土柔性擋墻，并于坡腳采用抗滑樁支擋的治理方案?；轮卫碓O(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖6。

圖6 滑坡治理設(shè)計(jì)斷面圖

5.1 滑坡推力計(jì)算

選取主滑坡剖面，按設(shè)置抗滑樁及恢復(fù)足球場(chǎng)之后進(jìn)行建模，采用傳遞系數(shù)法對(duì)滑坡的剩余推力進(jìn)行計(jì)算，滑坡體各巖土層重度根據(jù)巖土試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比綜合取值(見(jiàn)表1)，滑帶力學(xué)參數(shù)采用反算法獲得(見(jiàn)表2)。

表1 滑坡體巖土層重度取值表

表2 滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值表

根據(jù)規(guī)范要求[3]，正常工況下穩(wěn)定安全系數(shù)Fst應(yīng)≥1.20；非正常工況Ⅰ暴雨或連續(xù)降雨條件下穩(wěn)定安全系數(shù)Fst應(yīng)≥1.10；南寧市抗震設(shè)防烈度為7度，尚需滿足地震工況下的穩(wěn)定性要求，非正常工況Ⅱ地震荷載作用下穩(wěn)定安全系數(shù)Fst應(yīng)≥1.05?？紤]到本滑坡由膨脹土組成，滑坡土體工程性質(zhì)較差，且坡頂坡腳均有重要設(shè)施及構(gòu)筑物，出于安全考慮，各工況計(jì)算滑坡推力采用的穩(wěn)定安全系數(shù)均取最大值。抗滑樁位置處推力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 抗滑樁位置滑坡推力計(jì)算結(jié)果表

由于3號(hào)剖面相比2號(hào)剖面滑動(dòng)面稍長(zhǎng)稍深一些，因此3號(hào)剖面剩余推力要大于2號(hào)剖面。受下滑牽引力影響，2號(hào)剖面在滑坡后壁錯(cuò)臺(tái)以外仍有縱向拉張裂縫，存在潛在不穩(wěn)定體，一旦裂縫貫通將再次滑動(dòng)并加大滑動(dòng)面，按最不利原則考慮，在進(jìn)行抗滑樁內(nèi)力驗(yàn)算時(shí)采用滑坡推力最大值。

5.2 抗滑樁內(nèi)力計(jì)算及配筋

根據(jù)滑坡區(qū)地形地貌、周邊設(shè)施及推力大小情況，選取樁徑為1.8 m的懸臂式圓形抗滑樁，樁中心距為4.5 m，樁間設(shè)置0.4 m厚鋼筋混凝土擋土板?？够瑯稑堕L(zhǎng)16 m，其中懸臂段為7 m、嵌固端段為9 m，樁底邊界條件按自由端設(shè)計(jì)。根據(jù)前述滑坡剩余推力計(jì)算結(jié)果，取2號(hào)剖面和3號(hào)剖面三種工況計(jì)算的抗滑樁位置剩余推力最大值進(jìn)行抗滑樁內(nèi)力計(jì)算，即為415.207 kN/m，推力水平分力為414.7 kN/m，按矩形分布形式，背側(cè)最大彎矩為11 736.885 kN/m，最大剪力為2 896.426 kN。彎矩、剪力計(jì)算結(jié)果分布如圖7、圖8所示。

圖7 抗滑樁彎矩分布曲線圖

圖8 抗滑樁剪力分布曲線圖

抗滑樁按受彎構(gòu)件考慮，鋼筋保護(hù)層厚度按100 mm計(jì)，主筋采用HRB400螺紋鋼筋，箍筋采用HPB300光圓鋼筋。經(jīng)計(jì)算，縱向受拉鋼筋最大截面積As為49 362 mm2，斜截面受剪鋼筋截面積為201 mm2。根據(jù)上述樁身受彎強(qiáng)度及斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果，結(jié)合滑動(dòng)面埋深情況，距樁頂3～14 m段范圍主筋配63φ32 mmHRB400鋼筋，其余段范圍主筋配36φ32 mmHRB400鋼筋，箍筋配φ12 mm@100HPB300鋼筋。

5.3 加筋土柔性擋墻設(shè)計(jì)

為恢復(fù)滑坡后緣頂部足球訓(xùn)練場(chǎng)，針對(duì)滑坡體為膨脹性巖土的特點(diǎn)，于滑坡中后部采用加筋土柔性擋墻支護(hù)，即將中后部滑體開(kāi)挖至滑動(dòng)面后，利用開(kāi)挖滑體土方作為填料再分層碾壓回填，填筑壓實(shí)度≥90%，回填時(shí)每隔0.5 m厚度加鋪一層土工格柵并向上反包連接，形成加筋土柔性擋墻，墻面坡率為1:2，并采用噴播植草進(jìn)行綠化防護(hù)。這樣既充分利用了滑坡體的膨脹土料，大大減少圬工支護(hù)數(shù)量，又極大地縮短了施工工期，且景觀綠化效果好。

5.4 防排水工程

滑坡治理要取得成效，治水很關(guān)鍵，且由于本滑坡巖土體具有膨脹性，水對(duì)其穩(wěn)定性影響極大，如何有效地防排水顯得尤為重要。為此，在該滑坡治理措施中采取了針對(duì)性的設(shè)計(jì)：(1)對(duì)抗滑樁后空隙采用透水性較好的粗粒土回填壓實(shí)，并在樁間擋土板設(shè)置泄水孔引排坡體地下水；(2)于加筋土柔性擋墻頂部鋪設(shè)復(fù)合土工膜，然后再回填1 m厚黏土并分層壓實(shí)，對(duì)足球場(chǎng)范圍內(nèi)地表進(jìn)行10 cm厚度C15素混凝土硬化處理，以基本阻斷降雨及地表水在坡頂?shù)乇淼南聺B；(3)在樁頂平臺(tái)及坡頂均設(shè)置M7.5漿砌片石截水溝，與路基排水系統(tǒng)順接，將地表水引排至滑坡體以外。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)南寧市人才公寓球場(chǎng)滑坡發(fā)育于膨脹性巖土中，連續(xù)的降水下滲引起膨脹土的脹縮變形，降低了巖土體的抗剪強(qiáng)度，加之施工開(kāi)挖破壞了原有邊坡的應(yīng)力分布，在內(nèi)因和外因共同作用下最終形成了大規(guī)模的滑坡。

(2)從滑坡整個(gè)發(fā)展形成過(guò)程及滑動(dòng)的力學(xué)性質(zhì)來(lái)看，先是經(jīng)過(guò)牽引式的變形，最終在中后部滑體巨大的推力作用下發(fā)生推移式滑動(dòng)，因此本滑坡是在牽引和推移聯(lián)合作用下產(chǎn)生的。

(3)針對(duì)該滑坡的膨脹土特性，綜合考慮周邊道路及構(gòu)筑物設(shè)施分布情況，于坡腳設(shè)置抗滑樁支擋，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算得出滑坡剩余推力，以此對(duì)抗滑樁進(jìn)行內(nèi)力及配筋計(jì)算。

(4)在滑坡中后部采用加筋土柔性擋墻對(duì)已被滑坡破壞的足球場(chǎng)進(jìn)行恢復(fù)，充分利用了滑坡體膨脹土料，在節(jié)約工程造價(jià)及縮短工期的同時(shí)也滿足了市政道路的景觀需求。施工完成后，經(jīng)過(guò)近兩年的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，未再發(fā)現(xiàn)該滑坡變形，綜合治理取得了良好的效果。