某膨脹土地區(qū)滑坡原因分析及處治方案研究

王亞奇，黃寧，馬瑞光

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450000）

1 工程概況

該滑坡位于三門峽市陜州區(qū)原店鎮(zhèn)，滑塌范圍ZK93+375~ZK93+560，左幅路線的左側(cè)邊坡中心最大挖深26 m，邊坡最大開挖深度29.8 m；第一級(jí)邊坡高度10 m，坡率1∶0.5，第二級(jí)、第三級(jí)邊坡高度8 m，坡率1∶0.5，第四級(jí)邊坡高度2~3 m，坡率1∶0.75，第一級(jí)邊坡采用2 m漿砌片石護(hù)腳，最上一級(jí)采用植草灌，2017年11月開挖至一級(jí)平臺(tái)處，邊坡發(fā)生滑塌。

2 工程地質(zhì)特征

2.1 地貌特征

滑坡總體南高北低，滑坡后緣最大高程582 m，前緣最低高程為540 m，上部陡中間緩，下部由于路塹開挖地形變陡，滑坡坡度在13°~51°。坡體中上部為附近村民修建的果園，滑坡形狀為扇形，南北長100~130 m，東西寬80~214 m，滑體平均厚度約為15 m，滑體體積約23萬m3，屬中型滑坡。邊坡南側(cè)坡頂發(fā)育有弧形裂縫，距離左幅中心線103 m，裂縫長度約170 m，寬20~30 cm，錯(cuò)臺(tái)高度最大100 cm；沿邊坡走向東西側(cè)位置，接近開挖路基位置各發(fā)現(xiàn)一處小型滑塌；路塹邊坡中部距左幅中線20~60 m位置出現(xiàn)多條剪切裂縫，裂縫寬度10~40 cm，裂縫走向基本與滑坡前緣平行；右幅開挖路基距坡頂貫穿裂縫后緣約130 m位置出現(xiàn)鼓脹裂縫；在路塹開挖底部位置發(fā)現(xiàn)巖土層明顯滑出錯(cuò)動(dòng)，并見明顯擦痕；在后緣裂縫南部分水嶺附近，發(fā)現(xiàn)多處落水洞，直徑2~3 m，最大直徑可達(dá)5 m。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該滑坡平面周界呈典型圈椅狀，周邊存在明顯剪切裂縫和鼓脹裂縫，并在前緣發(fā)現(xiàn)明顯剪出位置，主滑方向約為17°。

2.2 水文特征

場(chǎng)地周圍未分布明顯地表徑流，場(chǎng)地地下水受大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)和深層入滲為主要排泄方式。坡腳位置地下水位埋深較淺，埋深1.0~5.0 m，坡體上部地下水埋深16.2~23.0 m，在開挖路塹底面處，發(fā)現(xiàn)大小11處地表積水處和坡面滲水，經(jīng)歷大氣降水后，滲流量會(huì)增大，積水范圍會(huì)擴(kuò)大。結(jié)合鉆探資料及路塹開挖揭示，場(chǎng)區(qū)地表降水通過落水洞、滑坡體裂隙和陷穴進(jìn)入下部巖層，沿著透水層和土巖界面順坡滲流，匯聚于邊坡體弱膠結(jié)砂巖層，形成穩(wěn)定地下水位，且在下部砂巖和黏土巖層中，形成微承壓水含水層，穩(wěn)定水位一般較初見穩(wěn)定水位高1~3 m。

2.3 地層特征

邊坡巖土層變化復(fù)雜，路塹臨空面出露巖性多變，主要為上更新統(tǒng)黃土層、中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土層及第三系弱膠結(jié)黏土巖和砂巖。上部黃土具濕陷性，濕陷性系數(shù)為0.016~0.032，濕陷等級(jí)Ⅰ級(jí)，屬非自重濕陷；下部第三系黏土巖，具弱膨脹性，其自由膨脹率在40%~58%，遇水易軟化，抗剪指標(biāo)迅速降低，易發(fā)生變形破壞[1]，場(chǎng)地具體地層信息見表1。

表1 場(chǎng)地地層空間分布及工程特性

2.4 滑坡要素特征

該滑坡周界以后緣裂縫、沿邊坡走向東西側(cè)滑塌和開挖路塹右側(cè)路基地表鼓脹裂縫為邊界；根據(jù)物探及開挖面揭露情況，滑床為第三系黏土巖層；滑體分為土體和巖體兩部分，土體為第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、粉土層，具濕陷性，遇水力學(xué)性能降低，下部黏土巖具弱膨脹性，遇水易發(fā)生變形破壞，沿土巖接觸面處軟弱帶發(fā)生淺層滑坡；下部基巖為弱膠結(jié)黏土巖、全風(fēng)化砂巖，其中全風(fēng)化砂巖在地下水滲流作用下，易形成飽和砂土層，且黏土巖為相對(duì)隔水層，受上部土體滑坡的牽引影響，在飽和砂土層中形成深層滑動(dòng)帶；根據(jù)坡體前緣地形地貌、地層巖性以及地面變形特征，確定黏土巖區(qū)剪出口位置在路塹開挖面下部塌落處，已被滑塌的土體覆蓋，滑坡路塹中間核心土出現(xiàn)剪切裂縫，前緣有鼓脹裂縫，為中部粉質(zhì)黏土區(qū)的前緣剪出口。

3 滑坡成因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)野外調(diào)繪，并結(jié)合滑坡勘察查明的場(chǎng)地內(nèi)巖土體分布特征，認(rèn)為該滑坡的形成原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）該滑坡體地層下部為弱膠結(jié)黏土巖，較上部第四系土層為相對(duì)隔水層，易在土巖界面形成富水區(qū)域。且黏土巖具有弱膨脹性遇水軟化后發(fā)生脹縮破壞，強(qiáng)度降低，進(jìn)一步形成過水通道，形成軟弱帶。

2）雨季集中降水對(duì)坡體進(jìn)行沖刷、侵蝕，破壞了土體的完整性。另外，雨水下滲后進(jìn)一步降低了土體強(qiáng)度指標(biāo)。

3）公路施工過程中路塹開挖形成了高陡臨空面，坡體中的主應(yīng)力方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，超出巖土體抗剪強(qiáng)度后，在重力作用下失穩(wěn)破壞。

4）兩層黏土層中的全風(fēng)化砂巖層在相對(duì)隔水層的作用下，易形成松散巖類孔隙水飽水帶，工程開挖施工擾動(dòng)后存在深層滑動(dòng)的趨勢(shì)。

4 滑坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)目前邊坡破壞形態(tài)及勘察資料分析，該邊坡存在2層滑動(dòng)面：（1）淺層滑動(dòng)面為目前已破壞的邊坡滑動(dòng)面；（2）深層潛在滑動(dòng)面，目前邊坡仍未開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，根據(jù)邊坡下部巖土體結(jié)構(gòu)及含水狀態(tài)，在邊坡繼續(xù)開挖時(shí)將產(chǎn)生深層滑動(dòng)的可能性。分別對(duì)淺層和深層進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算[2]，通過選取典型模型斷面，采用極限平衡法，設(shè)定與其對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)值，反算滑面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ值，計(jì)算滑坡剩余下滑力[3]。

選取主滑方向（樁號(hào)ZK93+450）斷面，主滑方向斷面左側(cè)50 m（樁號(hào)ZK93+500）斷面，主滑方向斷面右側(cè)50 m（樁號(hào)ZK93+400）斷面，反算滑體力學(xué)參數(shù)，3個(gè)斷面的安全系數(shù)分別為0.934、0.987、0.901時(shí)反算得到滑動(dòng)面力學(xué)參數(shù)為c=14.0 kPa、φ=9.0°，與地勘報(bào)告中提供的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)殘余強(qiáng)度平均值c=17.7 kPa、φ=9.3°相接近。以反算的c值、φ值作為滑坡體淺層滑動(dòng)下滑力計(jì)算依據(jù)，3個(gè)計(jì)算斷面安全系數(shù)Fs=1.25時(shí)，淺層滑動(dòng)面剩余下滑力分別為1 820 kN/m、1 120 kN/m、870 kN/m。深層潛在滑動(dòng)面位于地下水位以下，結(jié)合勘察資料粉質(zhì)黏土飽和剪切試驗(yàn)取值c=15.7 kPa，φ=10.8°，不同地下深度的黏土巖飽和剪切試驗(yàn)分別為c=19.5 kPa，φ=11.7°以及c=24.1 kPa，φ=10.7°，砂巖飽和剪切試驗(yàn)c=10.2 kPa，φ=12.5°。按照開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后的坡面線建模，參數(shù)選取飽和剪切試驗(yàn)c、φ值，安全系數(shù)Fs=1.25時(shí)，深層潛在滑動(dòng)面的剩余下滑力分別為1 950 kN/m、2 437 kN/m、1 080 kN/m。

5 滑坡治理方案

根據(jù)滑坡勘察及穩(wěn)定性計(jì)算，目前邊坡不僅存在淺層滑動(dòng)面，且在路基進(jìn)一步開挖后還存在潛在深層滑動(dòng)面，因此，加固措施應(yīng)考慮淺層滑動(dòng)面及深層滑動(dòng)面。根據(jù)淺層、深層滑動(dòng)面下滑力，最終確定采用樁板式擋土墻進(jìn)行支護(hù)。同時(shí)，根據(jù)滑坡體后緣巖土體特性，在不破壞后緣邊坡穩(wěn)定性的前提下，在后緣裂縫處進(jìn)行部分卸載，以起到削頭固腳的作用[4-5]。

5.1 坡體支擋加固

在碎落臺(tái)設(shè)一排抗滑樁，樁間距為5.0 m，共設(shè)40根抗滑樁；滑坡周界范圍內(nèi)抗滑樁樁徑為2.25 m×4.0 m，樁長25~34 m，懸臂段為10~13 m，錨固段18~20 m，保證樁體進(jìn)入深層滑面以下；周界范圍外抗滑樁樁徑為2.0 m×3.0 m，樁長25~33 m，懸臂段為10~13 m，錨固段為15~20 m。

5.2 完善截、排、封水設(shè)置

邊坡表面產(chǎn)生的裂縫，深度在2 m以上時(shí)采用擴(kuò)孔素土填塞、夯實(shí)，深度小于2 m時(shí)采用素土直接填筑，壓實(shí)度不小于80%；落水洞采用擴(kuò)孔素土回填處理，直徑＜1 m的落水洞采用沿落水洞周圍向外水平開挖0.5 m回填處理；直徑＞1 m的落水洞采用沿落水洞周圍向外水平開挖1.0 m回填處理；采用小型機(jī)械夯實(shí)，壓實(shí)度不小于85%。坡體表面采用平臺(tái)截水溝和坡頂截水溝相結(jié)合的排水形式，每級(jí)平臺(tái)設(shè)置40 cm×40 cm平臺(tái)截水溝，坡頂外5 m處設(shè)置60 cm×60 cm截水溝，形成完善的排水系統(tǒng)；二級(jí)邊坡淺層滑面以下1 m，間隔10 m設(shè)置一道1.5 m寬的支撐滲溝，滲溝底設(shè)置排水管，位于深層的地下水采用預(yù)制DN1 500 mm鋼筋混凝土管組成的水平導(dǎo)洞滲出，進(jìn)巖體端頭部1.5 m范圍內(nèi)設(shè)置反濾層，并采用干砌片石封填，防止土體中細(xì)小顆粒流失，水平導(dǎo)洞長度10~20 m、間距10 m。

5.3 坡體防護(hù)

坡體變形穩(wěn)定后，二級(jí)及以上邊坡采用M7.5漿砌片石拱形骨架+植草灌防護(hù)形式，進(jìn)行坡體防護(hù)。

5.4 加強(qiáng)邊坡位移監(jiān)測(cè)

坡體表面布設(shè)11處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行2年的邊坡監(jiān)測(cè)，主要對(duì)抗滑樁位移、滑坡深層位移、邊坡表面位移、地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

6 結(jié)語

該段高速已于2020年年底通車運(yùn)營，結(jié)合運(yùn)營期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，治理方案達(dá)到了預(yù)期的效果。通過該滑坡原因分析、穩(wěn)定計(jì)算和方案實(shí)施效果，得出以下結(jié)論：

1）滑坡勘察必須采取綜合勘察手段，結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)調(diào)繪、地球物理勘探和鉆探室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，相互印證，從而發(fā)現(xiàn)滑坡的各個(gè)要素特征，并預(yù)計(jì)、提示相關(guān)工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

2）滑坡穩(wěn)定分析抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值，應(yīng)考慮場(chǎng)地的實(shí)際情況，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)反算求得，不宜直接采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，參數(shù)取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。

3）對(duì)于特殊膨脹性巖土地區(qū)，公路路塹邊坡特別要注意地下水作用引起的邊坡失穩(wěn)問題，在類似地區(qū)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，需加強(qiáng)截排水措施設(shè)計(jì)，并按照“緩邊坡、寬平臺(tái)、固坡腳”的原則，加強(qiáng)邊坡設(shè)計(jì)。

4）地下水豐富、膨脹巖土等復(fù)雜地質(zhì)條件下的公路路塹滑坡，應(yīng)采用抗滑樁進(jìn)行坡體加固、完善截排水措施、加強(qiáng)坡體防護(hù)和邊坡位移監(jiān)測(cè)等治理措施。