深層裂隙發(fā)育型膨脹土邊坡變形演化特征研究

吳 庚,宋 書 學,陳 雪 兵,熊 勇

(1.中國南水北調(diào)集團中線有限公司 渠首分公司,河南 南陽 473000; 2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室,湖北 武漢 430010)

0 引 言

膨脹土在世界范圍分布廣泛,許多國家在工程建設中均面臨膨脹土的復雜問題[1-2]。膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的具有脹縮性、裂隙性和超固結性的特殊黏土。

自20世紀30年代膨脹土問題被發(fā)現(xiàn)和認識以來,國內(nèi)外學者圍繞膨脹土問題開展了大量的研究工作,取得了較好的研究成果。在膨脹土邊坡穩(wěn)定性方面,普遍認為膨脹土邊坡失穩(wěn)具有淺層性(一般不大于3 m)、逐級牽引性和緩坡滑動等特征。干濕循環(huán)易引起淺層膨脹土脹縮開裂,裂隙加速水分入滲,破壞土體結構,進而導致土體強度降低,該類裂隙的發(fā)育深度受環(huán)境影響制約,一般不大于3 m,稱為淺層脹縮裂隙。最新研究[3]表明,除了環(huán)境影響造成的淺層脹縮裂隙,膨脹土地層3 m以下深度還分布著具有明顯定向特征的原生裂隙,該類裂隙較為發(fā)育,受大氣影響較小,稱為深層原生裂隙。深層緩傾裂隙性滑動是膨脹土邊坡的重要破壞模式。

有關緩傾裂隙性滑坡的機制與變形特征,國內(nèi)外已有較多研究。張倬元等[4]指出近水平層狀斜坡地層上邊坡多發(fā)生滑移-拉裂的平推式滑坡;范宣梅等[5]和唐然等[6]開展了物理模型試驗,模擬了緩傾裂隙性滑坡變形破壞全過程,并對滑坡啟動機制進行了探討;Hart[7]針對含近水平發(fā)育的剪切變形帶的邊坡穩(wěn)定性影響因素進行了研究;郭曉光等[8]通過室內(nèi)模型試驗模擬緩傾滑面滑坡,將滑動過程分為初期緩慢蠕滑、平推快滑和制動減速三個階段;程強等[9]針對緩傾軟弱層邊坡開挖進行了研究,將邊坡變形破壞劃分為開挖卸荷、陡傾拉裂隙擴大、邊坡破壞三個階段;Hutchinson[10]對緩傾黏土夾層滑坡進行了研究,指出該滑坡為沿緩傾軟弱層面發(fā)生的整體移動。殷坤龍等[11]研究指出富含蒙脫石的膨脹性軟弱夾層是萬州水平地層古滑坡形成的重要原因。

有關膨脹土深層原生裂隙面也有較多研究。包承綱等[12]研究指出膨脹土應區(qū)分土塊強度、沿裂隙面強度、沿活動面強度和土體強度;劉特洪[13]提出膨脹土中存在土塊強度、裂隙面強度和土體強度等不同的概念,其中,裂隙面強度最低;孔德坊[14]認為深層原生裂隙是由于卸荷作用產(chǎn)生的,并驗證了充填物是由地下水的長期淋濾作用形成;Fookes[15]和馮玉勇[16]等認為膨脹土深層原生裂隙是由于地層構造運動產(chǎn)生,而Labute和Gretener[17]則認為深層原生裂隙是由于差異壓密作用形成。龔壁衛(wèi)等[18]統(tǒng)計了南陽地區(qū)膨脹土深層裂隙空間分布特征與產(chǎn)狀,指出該類裂隙具有3°～5°的緩傾特征。蔡耀軍等[19]通過現(xiàn)場試驗,研究了原生裂隙導致膨脹土邊坡滑坡的變形與破壞特征,提出了原生裂隙控制的深層失穩(wěn)模式;胡波等[20]利用CT三軸原狀樣試驗,獲得了該種裂隙的面強度參數(shù)。

目前,針對存在軟弱夾層的滑坡研究較多[21-23],且多為軟硬巖互層的巖質(zhì)邊坡滑動,膨脹土邊坡原生裂隙相關研究也集中在裂隙面的成因與強度方面,對于原生裂隙控制的深層滑動研究較少,相應的滑坡力學機制以及變形破壞演化規(guī)律相關研究更少。因此,需針對賦存深層原生裂隙的膨脹土邊坡在開挖過程中的變形演化特征與機制進行研究。

為此,本文基于鄂北調(diào)水工程袁沖暗涵段開展裂隙發(fā)育型膨脹土高邊坡的大型現(xiàn)場原型試驗,結合邊坡開挖、變形及滑坡的現(xiàn)場特征,研究緩傾原生裂隙導致滑坡的力學機制;研究開挖及降雨過程中邊坡的變形發(fā)展及破壞規(guī)律,采用冪函數(shù)描述深層位移速率發(fā)展規(guī)律,分析不同階段邊坡的變形演化特征及開挖、降雨對其影響;按邊坡變形發(fā)展特征,將邊坡變形劃分為長期穩(wěn)定、短期穩(wěn)定和快速破壞三種狀態(tài),并提出相應的判別閾值,以期提出適用于裂隙發(fā)育型膨脹土邊坡變形狀態(tài)的評價及失穩(wěn)預警方法。

1 深層原生裂隙特征

裂隙性是膨脹土的重要特征。本文現(xiàn)場試驗開始前,對研究范圍內(nèi)地層裂隙進行了較大范圍的開挖揭露,發(fā)現(xiàn)大量光滑蠟狀裂隙,如圖1所示。該種裂隙與龔壁衛(wèi)等[18]在南陽膨脹土地層中發(fā)現(xiàn)的原生裂隙較為一致,裂隙充填物呈灰綠色,含水率高,物質(zhì)強度遠低于裂隙面兩側(cè)膨脹土,一旦邊坡開挖深度接近原生裂隙賦存深度,就會發(fā)生明顯的滑動,如圖2所示。

圖1 光滑蠟狀裂隙Fig.1 Smooth waxy fissure

圖2 深層裂隙性滑動Fig.2 Deep fractured sliding

為了探明膨脹土地層中該種原生裂隙的傾斜角度,在開挖滑坡各級馬道處進行了深層變形監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

由圖3可知,各級馬道下位移突變深度分別為6.0,11.7 m和16.8 m,得到深層裂隙如圖4所示。

圖4 深層裂隙傾向特征(尺寸單位:m)Fig.4 Characteristics of deep fracture tendency

由上文可知,該地區(qū)深部賦存較為發(fā)育的原生裂隙,裂隙間填充物強度較低,且呈緩傾特征。

2 深層滑動力學機制

膨脹土具有裂隙性、超固結性和脹縮性三大特征,其中,裂隙性除了干濕循環(huán)產(chǎn)生的脹縮裂隙,還存在深層原生裂隙l1,如圖5所示。當邊坡開挖至深層緩傾原生裂隙面以上h時,由于潛在滑體側(cè)向約束明顯減小,滑體開始沿l1蠕滑,進而出現(xiàn)豎向張拉裂縫l2。

圖5 裂隙性滑動力學機制Fig.5 Mechanics mechanism of fissured sliding

當開挖至邊坡處于臨界狀態(tài)時,裂隙面以上土層臨界厚度為h0,滑體重力為W,裂隙面垂向壓力為f1,土層側(cè)向約束應力為q,滑體抗拉應力為σ2。其中,裂隙面強度參數(shù)為tanφ0和c0?；w所受下滑力為Ft,抗滑力為Fr,則有:

f1=Wcosβ+σ2l2cosα+qh0sinβ

(1)

Fr=f1tanφ0+c0l1+σ2l2sinα+qh0cosβ

(2)

Ft=Wsinβ

(3)

繼續(xù)開挖至h

對于滑動后通過壓腳回填至穩(wěn)定的滑坡,抗滑力增加量為ΔFr=Δhq。若出現(xiàn)降雨,雨水進入裂縫l2,形成一定的儲水深度,使滑體下滑力增加。當裂縫儲水深度hw超過臨界值hw0時,滑坡將重新啟動,隨著滑體沿裂隙面滑動,儲水深度hw逐漸降低。當儲水量一定,滑動距離為s時,張拉裂縫寬度由初始寬度b0發(fā)展至b0+s,下滑力與抗滑力做功相等,有:

b0hw=(b0+s)h

(4)

(5)

由上可得邊坡重復滑動的制動距離s及臨界儲水深度hw0。

在拉裂縫未形成之前,雨水影響深度有限,開挖卸荷是決定膨脹土邊坡深層穩(wěn)定性的主要因素;深層滑動形成拉裂縫后,降雨則是引起邊坡反復滑動的核心因素。

3 膨脹土邊坡變形特征分析

為了分析開挖過程中膨脹土邊坡變形演化特征,以及開挖、降雨對變形演化規(guī)律的影響,選取出現(xiàn)裂隙性滑坡的臨近區(qū)域開展膨脹土邊坡大型現(xiàn)場原型試驗。試驗段長90 m,中間斷面邊坡設計高度為22.5 m,分4級開挖,從下至上依次為6.5,6.0,6.0 m和4.0 m,各級馬道設置測斜管,用以測試深層裂隙面處水平位移。邊坡斷面如圖6所示,圖7為邊坡開挖過程階段圖片。

圖6 邊坡斷面(尺寸單位:m)Fig.6 Slope section

圖7 邊坡開挖過程Fig.7 Slope excavation process diagram

3.1 膨脹土邊坡深層變形規(guī)律分析

試驗段整個開挖過程中最大深層位移累計曲線如圖8所示。其中,Z1和Z3為一級馬道和三級馬道下原生裂隙面處的水平位移。

圖8 試驗段開挖期間深層裂隙面處水平位移Fig.8 Horizontal displacement of deep fracture surface during excavation of test section

整個過程可分為4個時間段:第1個時間段(0～26 d),期間邊坡開挖深度為19.5 m;第2個時間段(27～39 d),期間邊坡開挖深度為22.5 m;第3個時間段(43～52 d),發(fā)生第一次強降雨;第4個時間段(65～77 d),發(fā)生第二次強降雨,邊坡失穩(wěn)。

由圖9可知,第1時間段開挖結束時,累計位移較小,增長趨勢也不明顯。期間發(fā)生過數(shù)次降雨,但對邊坡位移未產(chǎn)生明顯影響,主要原因為滑體未形成,降雨影響范圍主要集中在淺表層,深層位移主要為開挖卸荷產(chǎn)生的松動位移。

圖9 第1時間段深層裂隙面水平位移Fig.9 Horizontal displacement of deep fracture surface in the first duration

第2時間段土層開挖分3次進行,開挖厚度依次為1.5,0.5 m和1.0 m,期間邊坡裂隙面位移如圖10所示。每次開挖均呈收斂型發(fā)展趨勢,整個階段位移曲線呈現(xiàn)臺階式增長,與分層開挖過程一致,且坡腳滑動更為明顯。

圖10 第2時間段深層裂隙面水平位移Fig.10 Horizontal displacement of deep fracture surface in the second duration

第3時間段為第一次強降雨,降雨期間邊坡位移增長趨勢比開挖更為明顯,期間滑動位移也更大,但仍呈收斂趨勢。此時邊坡開挖已至滑動面深度,滑動位移超過80 mm,如圖11所示。結合前述降雨對邊坡滑動的影響分析,可推測此時滑體后端張拉裂隙初步形成。此時,降雨對邊坡影響較開挖過程更為明顯。

圖11 第3時間段深層裂隙面水平位移Fig.11 Horizontal displacement of deep fracture surface in the third duration

第4時間段為第二次強降雨,期間裂隙面滑動位移呈明顯發(fā)散趨勢,且坡頂伴隨可見的張拉裂縫出現(xiàn),深部滑動位移超過80 mm。該階段張拉裂縫已經(jīng)貫通,降雨形成明顯的靜水壓荷載,由公式(4)和(5)可知,滑體將沿滑動面滑動一定的位移s。因坡腳采取了壓腳措施,故邊坡深層滑動距離s較小,約為80 mm,見圖12、圖13。

圖12 第4時間段深層裂隙面水平位移Fig.12 Horizontal displacement of deep fracture surface in the fouth duration

圖13 滑坡體坡頂裂縫Fig.13 Crack at slope top

3.2 膨脹土邊坡深層變形演化特征

膨脹土邊坡與普通黏土邊坡差異較大,且不同膨脹土地段地質(zhì)差異較大。實踐表明,規(guī)范提出的邊坡穩(wěn)定判別方法適用性不高[21],難以通過變形或者速率的大小對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性進行判別。

研究表明,通過變形速率發(fā)展趨勢對長期變形演化特征進行判別是一條有效途徑[22-23]。采用負冪函數(shù)v(t)=at-p對變形速率進行描述,則其冪指數(shù)p可定量反映速率衰減或是發(fā)散的快慢,且p與外荷載呈非線性負相關關系,從而通過p的大小對長期變形演化狀態(tài)進行判別,判別方法推導詳見相關文獻所述[24-27],該判別法如表1所列。

表1 變形演化狀態(tài)“冪次判別準則”Tab.1 “Power indexcriterion” for deformation evolution state

由前述裂隙性滑動力學機制可知,本文試驗段邊坡滑動本質(zhì)為下滑力與抗滑力共同作用下的裂隙面蠕滑,屬于蠕變的范疇,可采用冪次判別法對邊坡變形進行分析。

為此,利用裂隙面滑動位移數(shù)據(jù),獲得各個階段不同時刻的變形速率,采用負冪函數(shù)v(t)=at-p進行擬合,獲得判別參數(shù)p。由于第1個時間段變形過小,現(xiàn)對第2個時間段內(nèi)3次開挖以及兩次降雨過程中變形數(shù)據(jù)進行處理。具體擬合結果如圖14～17所示。

圖14 第1時間段內(nèi)3次開挖位移速率變化趨勢Fig.14 Variation trends of displacement ratio of the 1st～3rd excavations in the first duration

圖15 第一次降雨期間位移速率變化趨勢Fig.15 Variation trend of displacement rate during the first rainfall

圖16 第一次雨后位移速率變化趨勢Fig.16 Trend of displacement rate after the first rain

圖17 第二次降雨期間位移速率變化趨勢Fig.17 Variation trend of displacement rate during the second rainfall

按同樣的數(shù)據(jù)處理方法對三級馬道水平位移曲線進行分析與處理,可得到第2個時間段內(nèi)3次開挖及兩次降雨期間變形速率隨時間的衰減或增長的冪指數(shù),如表2所列,整個過程p變化如圖18所示。

表2 各時間點邊坡位移速率變化的冪指數(shù)pTab.2 Power exponent of slope displacement rate at different stages

圖18 冪指數(shù)p變化曲線Fig.18 Power exponent p variation curve

根據(jù)表1中的 “冪次判別法”,結合表2和圖18,可知:第二階段的三次開挖過程中,冪次值p在0～1之間,邊坡處于緩慢失穩(wěn)狀態(tài),即邊坡按當前趨勢發(fā)展,經(jīng)過較長時間后將會失穩(wěn),并且p由0.424逐步降低至0.244,接近0,表明邊坡變形狀態(tài)逐漸向快速失穩(wěn)轉(zhuǎn)變。

開挖完成后,第一次降雨期間,冪次值p降低至-1～0之間,邊坡處于緩慢破壞狀態(tài),若不采取措施,邊坡在較短時間內(nèi)將失穩(wěn)。降雨停止后,采取了一定的壓腳措施,邊坡抗滑力增大,變形冪次值增大至0～1之間,變形處于快速破壞狀態(tài)。

第二次降雨期間,降雨量較第一次有所增大,降雨時間也較長,變形速率冪指數(shù)p迅速減小至-5～-2之間,位移速率迅速增大至較高水平,邊坡快速失穩(wěn),坡頂出現(xiàn)數(shù)十cm寬的張拉裂縫,坡腳隆起。

綜上,在冪次判別法基礎上,針對膨脹土邊坡穩(wěn)定性,將破壞狀態(tài)進一步細分為緩慢失穩(wěn)、短時失穩(wěn)、快速失穩(wěn)三種失穩(wěn)狀態(tài)類別,且以冪次值p作為判別參數(shù),建立相應的判別準則,如表3所列。

表3 邊坡失穩(wěn)狀態(tài)劃分及判別準則Tab.3 Division and criterion of slope instability

具體如下:

當冪次值p∈(0,1]時,邊坡處于緩慢失穩(wěn)狀態(tài),邊坡變形隨時間累積、發(fā)散,較長時間后,邊坡將會失穩(wěn),該種類別對應裂隙面上覆土層厚度小于臨界厚度;

當冪次值p∈[-1,0]時,邊坡處于短時失穩(wěn)狀態(tài),邊坡變形隨時間累積、發(fā)散,邊坡將會在較短時間后失穩(wěn);

當冪次值p∈(-∞,-1)時,邊坡處于快速失穩(wěn)狀態(tài),邊坡即將失穩(wěn)。

4 膨脹土臨時邊坡穩(wěn)定性預警方法

永久邊坡要求邊坡長期穩(wěn)定,且對邊坡變形有較嚴格的要求,而臨時邊坡對變形控制要求較低,邊坡在短期內(nèi)不會失穩(wěn)即滿足工程需求。根據(jù)表3,可針對膨脹土臨時邊坡提出定量的監(jiān)測預警方法:即,-1≤p≤0時,應提出預警,需對邊坡采取一定的加固措施;p<-1時,邊坡即將失穩(wěn),應以保障人員安全為首要目標,待邊坡滑動一定的距離穩(wěn)定后,再對滑動后的邊坡采取相應的工程措施。其中,數(shù)據(jù)冪次值宜通過最近5次監(jiān)測獲取。

5 結 論

本文針對賦存原生裂隙的膨脹土邊坡開展了大型現(xiàn)場原型試驗,研究裂隙性滑動模式的力學機制,以及邊坡開挖、降雨對深層裂隙性滑動變形演化狀態(tài)的影響,有以下結論:

(1) 膨脹土深層原生裂隙具有3°～5°的緩傾特征。本文推導了邊坡開挖至臨界上覆土層厚度h0(實測為3.5 m)附近時,潛在滑體頂部寬度b與裂隙面強度參數(shù)(c0,φ0)及傾角參數(shù)β之間的關系式,以及張拉裂隙產(chǎn)生以后,邊坡重復滑動的制動距離s及臨界儲水深度hw0的計算方法。

(2) 裂隙性膨脹土邊坡按變形演化特征可分為緩慢穩(wěn)定、緩慢失穩(wěn)、短時失穩(wěn)和快速失穩(wěn),冪指數(shù)判別條件分別為1

(3) 膨脹土裂隙性失穩(wěn)狀態(tài)與開挖及降雨關系密切:滑體形成前,開挖卸荷為主要影響因素,隨著裂隙面上覆土層厚度減小,邊坡由緩慢穩(wěn)定變?yōu)榫徛Х€(wěn),再進入短時失穩(wěn);滑體形成后,降雨將導致邊坡由短時失穩(wěn)變?yōu)榭焖偈Х€(wěn)。