土體強(qiáng)度恢復(fù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

曹 越，許寶田，周 洋，雷泉龍，張 騰

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

在項(xiàng)目施工中，工期短、質(zhì)量?jī)?yōu)、造價(jià)低無疑是所有建設(shè)單位追求的最大目標(biāo)。尤其在后疫情時(shí)代，基建成為國(guó)家工作的重要抓手。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的大環(huán)境下，保障施工質(zhì)量的前提下，如何最大程度地節(jié)約施工成本縮短施工工期，成為所有建設(shè)單位追尋的目標(biāo)。

近年來，南京市高淳區(qū)胥河段汛期出現(xiàn)了多次滑坡，給地區(qū)水利工程的實(shí)施造成了極大的影響。工程中對(duì)滑動(dòng)后的土體進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)取土的殘余強(qiáng)度參數(shù)(一般遠(yuǎn)低于天然強(qiáng)度)作為穩(wěn)定性分析和加固設(shè)計(jì)的依據(jù)，這使得工程建設(shè)成本大為增加。已有研究成果表明，滑坡后，邊坡的滑動(dòng)面強(qiáng)度會(huì)在穩(wěn)定時(shí)期內(nèi)不斷恢復(fù)[1]。因此，對(duì)于眾多建設(shè)單位而言，在滑坡后找出質(zhì)量安全以及施工成本的關(guān)系及最佳結(jié)合點(diǎn)是至關(guān)重要的。

Stark[2]等專家通過環(huán)剪試驗(yàn)揭示了土體剪切面的自愈合現(xiàn)象，具體體現(xiàn)為土體抗剪強(qiáng)度的增加。Ramiah[3]等專家也在1973年通過對(duì)膨脹土進(jìn)行了4天時(shí)間的強(qiáng)度恢復(fù)研究發(fā)現(xiàn)，高塑性土在短期內(nèi)也可以產(chǎn)生較大的強(qiáng)度恢復(fù)。因此，從長(zhǎng)期視角可以看出，充足的恢復(fù)時(shí)間足以對(duì)滑坡后土體的施工建設(shè)產(chǎn)生巨大的影響。

本文基于高淳區(qū)某膨脹土邊坡工程，從土體強(qiáng)度恢復(fù)角度入手，對(duì)滑動(dòng)后的膨脹土邊坡穩(wěn)定性情況以及需要采取的相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，最后考慮各方案的安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素得出土體滑坡后施工的最佳經(jīng)驗(yàn)方案，對(duì)于同類型工程的實(shí)施具有一定程度的參考意義。

1 工程概況

高淳區(qū)屬北亞熱帶南部季風(fēng)氣候類型，降水量充沛，全年中約60%的降水量集中在5—9月。該地區(qū)膨脹土分布廣泛，由于富含蒙脫石、伊利石等親水性礦物，對(duì)氣候變化和人類工程活動(dòng)等外部因素極為敏感[4]。

某新建泵站基坑工程位于胥河南岸坡底，河岸坡頂標(biāo)高23.0m，坡度約為15°，勘察期間水位高程約7.80m，基坑長(zhǎng)25m，寬約20m，坑底標(biāo)高5.0m，基坑深度約4.6m，擬采用懸壁樁支護(hù)。

場(chǎng)區(qū)勘探深度內(nèi)地層為第四系松散堆積物及白堊系沉積巖，根據(jù)鉆探資料，按其成因類型及土的性狀自上而下如圖1所示：

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

③全風(fēng)化(砂質(zhì))泥巖(K2p)：廣泛揭露，灰黃色，局部為灰褐色，微透水，風(fēng)化成粘土狀，錘擊易碎，局部夾泥質(zhì)粉砂巖。該層未揭穿，最大揭露厚度27.40m，頂板埋深3.50～25.20m，強(qiáng)度高，工程性質(zhì)較好。

土體基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合鄰近胥河沿岸滑坡歷史和水利工程施工中的問題，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)引渠、泵站等建筑結(jié)構(gòu)由于邊坡滑坡出現(xiàn)過多次的破壞問題(如圖2所示)。對(duì)該工程而言，滑坡問題必須引起足夠的重視。保守起見，一般在滑坡區(qū)進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取相對(duì)于土體天然強(qiáng)度較低的殘余值做基坑變形和穩(wěn)定性分析的依據(jù)，計(jì)算得支護(hù)樁長(zhǎng)、直徑必然大為增加，間距必然減小(甚至要考慮必要的支撐)，導(dǎo)致支護(hù)成本急劇加大。

圖2 胥河沿岸滑坡現(xiàn)象

土體滑坡導(dǎo)致土體性質(zhì)弱化[3-4]，對(duì)基坑工程的實(shí)施帶來了一定的難度?；潞笸馏w強(qiáng)度如何變化、何時(shí)復(fù)工、支護(hù)結(jié)構(gòu)如何調(diào)整等，在確保施工進(jìn)展順利的同時(shí)盡可能降低施工成本是一個(gè)值得探討的問題。

滑坡后滑塊與滑床發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生剪切面，而宏觀層面上滑坡土體恢復(fù)的本質(zhì)就是剪切面的愈合，剪切面的愈合相較于土體本身承受豎向荷載的大小更依賴于恢復(fù)狀態(tài)的保持時(shí)間[5]。對(duì)于以上現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外專家研究得出了不同的觀點(diǎn)：Mc Laskey等[6]探究斷層愈合恢復(fù)機(jī)制時(shí)提出斷層自身的蠕變機(jī)制造就了愈合現(xiàn)象的產(chǎn)生(剪切面發(fā)生蠕變同時(shí)剪切面的愈合現(xiàn)象隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增強(qiáng))，Pluymakers等[7]認(rèn)為愈合取決于剪切面塑性顆粒的變形與顆粒相對(duì)位置的重新排列。

相對(duì)于取殘余強(qiáng)度，在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)如考慮強(qiáng)度恢復(fù)效果，則可以大大節(jié)約支護(hù)成本。本文基于前人對(duì)土體強(qiáng)度恢復(fù)研究成果，針對(duì)胥河河岸土體發(fā)生滑坡后的強(qiáng)度恢復(fù)問題展開相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作。

2 土體抗剪強(qiáng)度恢復(fù)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中一般通過反復(fù)剪切試驗(yàn)來探究邊坡滑動(dòng)后的土體本身的自愈機(jī)制[4-7]。

2.1 試驗(yàn)方法

對(duì)研究土體進(jìn)行制樣-剪切-恢復(fù)-二次剪切一系列操作，可以最直觀地模擬滑坡后的土體強(qiáng)度隨著時(shí)間表現(xiàn)出來的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而探尋出在恢復(fù)過程中不同時(shí)刻土體的強(qiáng)度變化規(guī)律。

本試驗(yàn)采用四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀進(jìn)行，為得到不同恢復(fù)時(shí)間的強(qiáng)度參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)取原狀樣進(jìn)行15組(1組4個(gè))試驗(yàn)，以得到土體剪切破壞后強(qiáng)度恢復(fù)1～15d后的強(qiáng)度參數(shù)，試驗(yàn)的基本步驟如下：

(1)制樣：實(shí)驗(yàn)前根據(jù)需要制作原狀環(huán)刀樣，并在50、100、200、400kPa的法向壓力下固結(jié)。

(2)剪切：每組試樣均在不排水條件下以等速率(0.8mm/min)推進(jìn)剪切盒，總剪切位移達(dá)到4mm后停止推進(jìn)(初次剪切)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束得到土體的粘聚力和摩擦角。

(3)復(fù)位剪切盒：在初次剪切完成后復(fù)位剪切盒至未發(fā)生剪切變形前位置，確?；謴?fù)過程切實(shí)有效[8]。

(4)二次剪切：在與步驟(2)相同的條件下進(jìn)行二次剪切，得到相當(dāng)于土體滑動(dòng)破壞后的強(qiáng)度。

(5)強(qiáng)度恢復(fù)：對(duì)15組土體重復(fù)步驟(2)、(3)后，對(duì)破壞后的土體進(jìn)行不同時(shí)間(1～15d)的強(qiáng)度恢復(fù)后，根據(jù)步驟(2)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得到不同恢復(fù)時(shí)間的強(qiáng)度指標(biāo)。部分恢復(fù)時(shí)間后的剪切位移-應(yīng)力關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 土樣剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

2.2 強(qiáng)度恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比圖3中不同恢復(fù)時(shí)間后的剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出初次剪切后土體強(qiáng)度急劇下降(抗剪強(qiáng)度隨恢復(fù)時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖4所示)，10d內(nèi)隨著恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，土體強(qiáng)度逐漸上升較快，對(duì)比圖3(c)(d)可以看出恢復(fù)10d后再次剪切得到的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線變化不大，土體強(qiáng)度增長(zhǎng)速率變緩。

圖4 土樣強(qiáng)度-恢復(fù)時(shí)間關(guān)系曲線(-1d對(duì)應(yīng)原狀土的強(qiáng)度)

根據(jù)反復(fù)剪試驗(yàn)結(jié)果，得到所研究土體的剪切特征如下：

(1)初次剪切后的試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角Φ值均顯著降低，這與前人研究結(jié)論一致[9]。剪切使得土樣剪切面上粘結(jié)的較大團(tuán)粒剪破，剪切面孔隙比減小，內(nèi)部水分被擠出，進(jìn)而導(dǎo)致在初次剪切后粘聚力以及內(nèi)摩擦角急速下降。

(2)在對(duì)恢復(fù)后的土體進(jìn)行再次剪切后，隨著時(shí)間推移，土體的粘聚力及摩擦角不斷恢復(fù)，增長(zhǎng)速度先快后慢，于恢復(fù)后第7天達(dá)到極大值，這一現(xiàn)象與前人[10]通過研究三峽庫(kù)區(qū)土體得出的土體恢復(fù)速率隨著靜止修復(fù)時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減弱的結(jié)論一致。

試驗(yàn)中的種種現(xiàn)象表明，隨著試樣剪切復(fù)位后的時(shí)間不斷推移，對(duì)于土體粘聚力c值而言，初次剪切之后，土體剪切面微觀結(jié)構(gòu)破碎，孔隙體積增加，微小裂隙不斷連接，逐漸形成新的裂隙，裂隙使得土顆粒之間的相互作用力逐漸減小，土體強(qiáng)度急劇減小，同時(shí)易溶鹽隨著水分運(yùn)移到剪切面上，而隨著時(shí)間的推移，游離于剪切面上的水分再次擴(kuò)散至土體中，導(dǎo)致恢復(fù)之后剪切面上土顆粒的水化膜由厚變薄，陽(yáng)離子也因此逐漸失去滲透斥力，電場(chǎng)力增強(qiáng)，同時(shí)由于水分子的擴(kuò)散作用導(dǎo)致剪切面上的易溶鹽發(fā)生結(jié)晶，進(jìn)一步增加上下土體之間的結(jié)構(gòu)連接力，從而表現(xiàn)出二次剪切后土體粘聚力隨恢復(fù)時(shí)間的增加而增加的趨勢(shì)；而對(duì)于內(nèi)摩擦角而言，剪切盒復(fù)位后在上覆荷載的作用下，剪切面上的團(tuán)粒不斷壓密，土顆粒重新排列，顆粒之間膠結(jié)程度不斷增大，進(jìn)而使得內(nèi)摩擦角隨著恢復(fù)時(shí)間不斷增長(zhǎng)而表現(xiàn)出不斷增加的現(xiàn)象。

一般來說，土體粘聚力受控于顆粒形狀和大小、孔隙水和氣體、表面吸附劑等因素，而內(nèi)摩擦角主要受控于土體本身的成分、含水率、密實(shí)度以及顆粒大小分布，土體粘聚力的恢復(fù)速率大于內(nèi)摩擦角。

3 強(qiáng)度恢復(fù)對(duì)邊坡影響分析

3.1 邊坡穩(wěn)定性

從高淳區(qū)胥河沿線屢次滑坡與治理情況分析，所研究基坑地處胥河南岸，該處土體具有一定的漲縮性、裂隙性和超固結(jié)性，對(duì)氣候變化和人類工程活動(dòng)等極為敏感，汛期坡腳雍水，坡面雨水入滲等外部因素極大程度上加大了滑坡的可能；基坑開挖對(duì)于土體的二次擾動(dòng)、邊坡后緣的堆載也會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成影響。綜合判斷該處邊坡存在較多不利因素，易發(fā)生淺層滑坡[11]。

本文基于Phase有限元軟件，模型計(jì)算時(shí)基于摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)模型，采用強(qiáng)度折減法[2]對(duì)基坑開挖前邊坡天然以及滑坡后強(qiáng)度恢復(fù)條件下的基坑邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

建立的邊坡模型如圖5所示，長(zhǎng)度為73.0m，高度為23.0m。最終得出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖6所示。由穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，天然條件下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.198，接近于SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的安全系數(shù)下限值1.20，而根據(jù)滑坡后土體殘余強(qiáng)度計(jì)算得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降至0.23，邊坡極不穩(wěn)定。

圖5 邊坡幾何模型

圖6 穩(wěn)定性系數(shù)-時(shí)間關(guān)系曲線

隨著時(shí)間變化，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著土體強(qiáng)度的恢復(fù)呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，最終在恢復(fù)15d后提升至至1.01，同時(shí)土體直接進(jìn)行二次剪切后的穩(wěn)定性系數(shù)略高于恢復(fù)1d時(shí)。這一現(xiàn)象的發(fā)生可能是由于膨脹土本身黏粒(高嶺石、蒙脫石、伊利石)含量相對(duì)較高，土顆粒本身強(qiáng)度較高，在反復(fù)剪切過程中不易剪破，在剪切面上保持一定的咬合作用(由于團(tuán)粒咬合作用，剪切后各組土樣往往會(huì)出現(xiàn)一定程度的剪脹現(xiàn)象)，同時(shí)初次剪切使得土樣剪切面上的團(tuán)粒發(fā)生剪破，剪切面孔隙比減小，內(nèi)部水分被擠出，而由于未保留一定的恢復(fù)時(shí)間導(dǎo)致被擠出的部分自由水徘徊于剪切面之上，在二次剪切時(shí)增強(qiáng)了剪切面顆粒之間的粘性，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生的變形增大。

3.2 基坑變形分析

首先，模擬初始狀態(tài)下的邊坡開挖工況，得到滑坡前天然狀態(tài)下土體邊坡的最大剪切位移云圖(如圖7所示)，考慮到基坑開挖的安全性，在施工時(shí)應(yīng)對(duì)其采取相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，最終將邊坡最大位移控制在30mm之內(nèi)。

圖7 初始狀態(tài)下基坑開挖的剪切位移云圖

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，針對(duì)該基坑工程，擬采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)?？紤]采用抗滑樁進(jìn)行加固，樁徑800mm、樁長(zhǎng)10m、樁間距3m；錨桿長(zhǎng)10m，沿水平方向15°打入，錨桿水平間距3m，研究不同恢復(fù)時(shí)間內(nèi)采用該支護(hù)結(jié)構(gòu)的不同效果，具體結(jié)果如圖8所示。

圖8 支護(hù)效果-土體恢復(fù)時(shí)間關(guān)系曲線

由圖8可以看出，土體在強(qiáng)度恢復(fù)至第12天時(shí)，粘聚力恢復(fù)至14.81kPa，內(nèi)摩擦角恢復(fù)至8.9°，此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定性要求及變形要求，綜合質(zhì)量安全(邊坡穩(wěn)定性及變形)以及施工成本兩者因素達(dá)到最佳結(jié)合點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了南京市高淳區(qū)胥河土體邊坡滑坡后的強(qiáng)度恢復(fù)規(guī)律，同時(shí)進(jìn)一步探索了在土體強(qiáng)度恢復(fù)過程中的邊坡穩(wěn)定性和開挖基坑施工的最佳方案，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)所取土樣進(jìn)行初次剪切后，強(qiáng)度急劇降低，而隨著恢復(fù)時(shí)間推移，土體的粘聚力、內(nèi)摩擦角逐漸增加，增長(zhǎng)速度先快后慢，恢復(fù)速率在第7天達(dá)到極大值。

(2)對(duì)于所研究邊坡工程而言，在無降雨條件下，土體在滑動(dòng)后第12天，粘聚力恢復(fù)至14.81kPa，內(nèi)摩擦角恢復(fù)至8.9°，此時(shí)綜合質(zhì)量安全與支護(hù)成本兩者達(dá)到最佳結(jié)合點(diǎn)。

(3)分析結(jié)果表明，考慮土體的強(qiáng)度恢復(fù)效應(yīng)可為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供依據(jù)，大大節(jié)約施工成本，為該地區(qū)水利工程實(shí)施起到參考作用。