黃土路塹邊坡的失穩(wěn)破壞因素與變形模式分析

陳 波

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710075)

黃土路塹邊坡的失穩(wěn)破壞因素與變形模式分析

陳 波

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710075)

針對黃土路塹高邊坡的失穩(wěn)滑塌現(xiàn)象，文章深入研究了黃土路塹高邊坡的各種誘發(fā)因素，主要通過對黃土本身的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、黃土濕陷性和水的影響進(jìn)行分析，得出黃土路塹邊坡失穩(wěn)滑塌的四種破壞機理與變形模式，即開挖后緣拉裂模式，地表水或雨水入滲沿裂隙灌入形成薄弱面的模式，坡腳掏空致使坡體失去支撐而使黃土裂隙張開的模式，坡面沖刷、濕陷、剝落的模式等。

黃土;路塹邊坡;失穩(wěn)滑塌;變形模式

我國是世界上黃土分布最廣的國家，約占國土面積的6.6%。黃土主要分布在北方干旱區(qū)和半干旱區(qū)。在西北及晉西地區(qū)，黃土地層最厚，發(fā)育最好，地層較為全面，且分布連續(xù)，其中濕陷性黃土分布面積為黃土總面積的3/4左右，其中黃河中下游的陜西北部，甘肅中部和東部、寧夏南部和山西西部，是我國黃土分布最集中的地區(qū)，不僅分布面積廣，而且厚度大。

近年來，我國黃土地區(qū)高速公路建設(shè)迅猛發(fā)展，在這些工程建設(shè)中，出現(xiàn)了大量的高邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，由于黃土地區(qū)的地形、地貌、地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡工程設(shè)計不當(dāng)以及投資規(guī)?？刂频榷喾N原因，造成工程中時有垮塌事故和浪費現(xiàn)象，這對公路交通的正常運營及國計民生構(gòu)成潛在的危害和威脅。在工程實踐過程中，主要存在對黃土地區(qū)高邊坡工程病害特征和性質(zhì)認(rèn)識不清，治理工程措施不力等諸多因素，常常造成高邊坡工程變形和破壞，且其危害嚴(yán)重，損失極大，或因治理方案過于保守，造成不必要的浪費。為了滿足安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理雙重目標(biāo)，對黃土地區(qū)高邊坡病害特征的深入分析和對其工程治理方案的慎重選擇顯得十分重要。

1 黃土高邊坡失穩(wěn)滑塌的影響因素

通過調(diào)研山西省某黃土區(qū)域，做大量的收集調(diào)查，從該區(qū)域黃土路塹邊坡失穩(wěn)滑塌的形態(tài)，分析研究其影響因素。主要影響因素為:由于受黃土特性、坡面土體中含水量的變化以及外荷載的作用，當(dāng)這些影響條件達(dá)到一定值時，黃土路塹高邊坡將發(fā)生失穩(wěn)滑塌。

1.1 區(qū)域黃土特性

在調(diào)查沿線區(qū)域，黃土由于其形成時代及所處的環(huán)境不同，常處于三種狀態(tài):欠壓密狀態(tài)、正常固結(jié)狀態(tài)和超固結(jié)狀態(tài)。各時期黃土層的固結(jié)狀態(tài)明顯不同，馬蘭黃土通常處于欠固結(jié)狀態(tài)，路塹坡體內(nèi)最大主應(yīng)力方向基本與重力方向一致，靠近邊坡邊緣受近垂直的最大主應(yīng)力影響，其位移出現(xiàn)在壓縮及臨空兩個方向，形成最小主應(yīng)力變小，一旦該位移足夠大，近水平向的最小主應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，坡頂將出現(xiàn)拉張裂縫。在隨著坡面開挖加深時，由于裂縫的存在，坡體內(nèi)的應(yīng)力在進(jìn)行調(diào)整，坡體的連續(xù)性沿著裂縫遭到破壞，且不斷地向坡體深部發(fā)展。坡體黃土成分對黃土的特性及變形性質(zhì)有著很重要的影響，調(diào)查區(qū)域的路塹黃土高邊坡所處區(qū)域黃土為粉質(zhì)黃土，其產(chǎn)生的破壞為脆性破壞，而粘性黃土產(chǎn)生的破壞為塑性破壞。

1.2 區(qū)域中黃土濕陷性

通過室內(nèi)試驗，分析研究得知，顆粒對濕陷性的影響與其在黃土中所起的作用有關(guān).根據(jù)顆粒在土中所承擔(dān)的作用可劃分為三個層次的粒徑界限:＞0.01 mm，0.002～0.01 mm，＜0.002 mm。黃土中粒徑＞0.01 mm的顆粒在黃土中起骨架作用，粒徑在0.002～0.01 mm范圍的粉粒只能充填在大顆粒之間。高粉粒含量是決定黃土濕陷性的主要標(biāo)志之一。

研究區(qū)域取樣篩分試驗得到，黃土基本上由0.25 mm以下的顆粒組成，且以粉土顆粒(0.05～0.005 mm)為主，其含量均值多大于50%。

圖1 顆粒組成

由于研究區(qū)黃土高邊坡的大孔隙分布較多，主要是黃土中的次生根洞、節(jié)理、裂隙等，這些大孔隙的孔壁上的顆?；旧弦褳樘妓徕}膠結(jié)成筒狀，黃土濕陷后仍然存在，使土中的水得以迅速的滲透，破壞土體中所存在的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，造成黃土的濕陷在極短的時間內(nèi)發(fā)生。

表1 沿線黃土濕陷性

圖2 濕陷性與土層深度關(guān)系

1.3 區(qū)域中黃土路塹邊坡受水影響

該區(qū)域黃土在干燥狀態(tài)下強度甚高，當(dāng)含水量達(dá)到一定程度時，強度就會顯著降低。水在濕陷過程中所起的作用相當(dāng)復(fù)雜，是一個物理化學(xué)作用過程。而原始狀態(tài)下的黃土含水量較小，孔隙基本被土體三相體系中的空氣填充，骨架結(jié)構(gòu)中土粒表面吸附的水膜很薄，該水膜具有固體的某些特征，吸力＞10Mpa(即100個大氣壓)，吸附水膜在土體骨架中起強化結(jié)構(gòu)作用。土顆粒接觸點處起膠結(jié)作用的結(jié)晶鹽在吸附大量水分后，溶解分離，失去連結(jié)作用，發(fā)生濕陷。大量的水使土體骨架中的固體顆粒間連結(jié)力減弱，起到潤滑作用。

通過現(xiàn)場試驗得知，當(dāng)黃土由于地表徑流條件被破壞而在局部范圍內(nèi)積水時，積水的入滲使土體含水量逐漸增加而達(dá)到飽和，導(dǎo)致土的抗剪強度降低。如果表層土的濕陷起始壓力大于土的飽和自重應(yīng)力，則土層不會產(chǎn)生濕陷。當(dāng)水滲入地表下某一處時，該處黃土層的濕陷起始壓力小于上覆土的飽和自重應(yīng)力時，則土層將下沉，但由于周圍未浸濕土體仍具有較高的抗剪強度，它對中間浸水飽和土體的下沉有約束作用。因此，只有當(dāng)浸水范圍較大時，飽和土體的自重足以克服周圍未浸濕土體的摩擦力，才能產(chǎn)生濕陷。土層下沉后，上下土層間形成空隙，上部土層將失去支托，產(chǎn)生自重濕陷。

表2 沿線典型黃土的滲透試驗結(jié)果

2 黃土路塹高邊坡變形破壞模式

2.1 黃土路塹高邊坡形式

黃土高邊坡的斷面形式，即設(shè)計及施工完成后的實際形狀，總的可按以下兩種來分:

(1)單級邊坡:單級邊坡主要為高度小于20 m的邊坡類型，其坡率一般為 1∶0.5 ～1∶0.75。一坡到頂。

(2)多級邊坡:多級坡面是指由多級平臺和斜坡組成的邊坡，該種坡型的邊坡是設(shè)計部門根據(jù)坡高和坡面地層結(jié)構(gòu)不同而設(shè)計的，在調(diào)查區(qū)可見到邊坡類型一般為每8m～10 m高設(shè)平臺寬1～2 m，邊坡形式按下陡上緩設(shè)計，單級邊坡坡率為 1∶0.5 ～1∶1.5。

2.2 黃土路塹高邊坡變形破壞模式

通過對調(diào)查區(qū)黃土路塹邊坡的調(diào)查分析，其變形破壞主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)黃土路塹高邊坡開挖過程中的后緣拉裂

黃土路塹高邊坡黃土中的天然應(yīng)力場主要為垂直方向的自重應(yīng)力，由于人工迅速開挖，形成高陡臨空面，其應(yīng)力要進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的結(jié)果是應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)，原來垂直方向的自重應(yīng)力分解成平行于坡面的最大主應(yīng)力和與之垂直相交的最小主應(yīng)力。坡高越高越陡，剪應(yīng)力在坡腳越集中，同時在坡腳形成較高的壓應(yīng)力集中，當(dāng)開挖邊坡時，隨著下挖深度加大，坡率逐漸變陡，最下部坡腳處或開挖外露坡底的黃土?xí)r有明顯的壓裂痕跡，使得土體成鱗片狀，平行于坡面開裂，局部已沿開裂面產(chǎn)生剝落，而在各級設(shè)計和施工中每8 m～10 m設(shè)有平臺的坡面能夠明顯消除了這種影響。大平臺設(shè)計是保持黃土高邊坡穩(wěn)定的最保守方案。

(2)地表水、雨水入滲或沿裂隙灌入產(chǎn)生滑塌

通常坡腳處的地層多為一些相對隔水的砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖或風(fēng)化剝蝕面等，其相對于黃土為相對隔水層，這些地層的滲透系數(shù)很小，如果層位較低，同時又有適當(dāng)?shù)乃囱a給，則有可能在這些相對隔水層之上形成黃土飽和層。由于黃土的滲透系數(shù)較小，一般為10－4～10－5cm/s之間，當(dāng)黃土的覆蓋較厚時，在有坡面水或降雨過程中，不可能入滲到下部相對隔水層，但是由于裂隙及一些大的孔洞存在，水將會沿這些裂隙、孔洞直接灌入到達(dá)一定深度，加之地下水的側(cè)向補給就會在該處形成地下潛水或上層滯水，使黃土呈現(xiàn)流塑或軟塑狀態(tài)。這樣在坡體重力作用下就會沿著薄弱面產(chǎn)生滑動，使邊坡破壞。

圖3 坡體位移沿坡高分布圖

圖4 坡面水平位移與虛擬力關(guān)系圖

表3 單級坡高計算表

(3)坡腳掏空，坡體失去支撐產(chǎn)生裂隙張開滑塌

造成研究區(qū)域坡角掏空現(xiàn)象的主要原因有很三點，一是邊坡坡腳附近為古土壤層。由于古土壤粘粒含量較高，與相同條件下的黃土相比.其含水量偏大，在開挖暴露地表后，由于失水干縮古土壤形成塊徑0.5～3 cm的塊狀或片狀，產(chǎn)生剝落，如在坡腳或毛細(xì)水上升高度內(nèi)，這種飽水、失水過程反復(fù)進(jìn)行，則不斷剝落變陡，最終多形成凹進(jìn)坡里的掏空區(qū)，其深度可達(dá) 0.5 ～1.5 m。

形成反坡的第二種作用是凍融。在坡腳附近，由于其處于飽水帶或潮濕帶，在冬季凍結(jié)，春季消融，反復(fù)進(jìn)行，并最終致使坡腳被掏空。

另外，地表水的沖刷、坡腳的風(fēng)化等都有可能造成坡角被掏空，使坡體失去支撐，但這種情況較少，主要是設(shè)置于坡腳的路塹邊溝或護(hù)面墻的保護(hù)緣故。

(4)坡面沖刷、濕陷、剝落

坡面沖刷、濕陷、剝落破壞對路塹邊坡的穩(wěn)定性有著重要的影響，在連續(xù)降雨和暴雨出現(xiàn)時，組成坡體的黃土疏松、具大孔隙、欠壓密、具中等濕陷性，因此在連陰雨和強降雨時，由于濺擊作用，會使土粒與坡面失去聯(lián)系，形成的面流就會沿著節(jié)理、裂隙沖蝕或潛蝕，形成小型沖溝。由于其具有濕陷性，在水的作用下，坡面上形成了陷穴和整體下沉，破壞了坡面的整體性最終失穩(wěn)。

坡面破壞的另一影響因素是坡率。坡率直接控制著匯水面積和地表面流的流速，坡面土體的移動與水的厚度、流速及土粒的抗剪強度等。因此，坡率似乎與坡面沖刷和穩(wěn)定相互矛盾，也就是說設(shè)計合理的坡率是決定坡面沖刷的關(guān)鍵。

除坡腳附近由于壓應(yīng)力作用產(chǎn)生鱗片狀和層狀剝落外，古土壤反復(fù)飽水，干裂剝落也是主要原因。另外，坡面上的水分變化開裂也可產(chǎn)生剝落。

3 結(jié)論

本研究主要闡明了黃土路塹高邊坡的失穩(wěn)滑塌機理。(1)坡體黃土成分對黃土的特性及變形性質(zhì)有著很重要的影響。(2)黃土高邊坡的大孔隙分布較多，使土中的水得以迅速的滲透，破壞土體中所存在的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，造成黃土的濕陷在極短的時間內(nèi)發(fā)生。(3)黃土在干燥狀態(tài)下強度甚高，當(dāng)含水量達(dá)到一定程度時，大量的水不僅使土體骨架中的固體顆粒間連結(jié)力減弱，破壞土體原始結(jié)構(gòu)，而且在土粒相對位移時起潤滑作用。

處于天然狀態(tài)下的黃土經(jīng)過開挖后形成高陡邊坡，由于其應(yīng)力的調(diào)整，導(dǎo)致發(fā)生一系列的變形。如果邊坡設(shè)計和施工合理，則變形趨于穩(wěn)定，即減速變形;如果其設(shè)計值不能滿足黃土自身穩(wěn)定的要求，或邊坡中存在諸如不利結(jié)構(gòu)面，地下水、其它外在因素等，變形將進(jìn)一步發(fā)展，其結(jié)果會使邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至直接失穩(wěn)。

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The Instability dam age factors and Deformation modes Analysis of the Cutting slope

CHEN Bo

(CCCC First Highway Consultants Co.，LTD Xi’an Shannxi710075)

Aiming at the appraise of high slope instability slump phenomenon，this article made a deep research on the appraise of the high slope of inducing factors，mainly through analysing the structure of the loess itself，properties，collapsibility and water influence.From that，it get four kinds ofmodes of loess slumping failuremechanism and deformation:Excavation edgemodel，surface water or rainy water ripping infiltration into the weak form along the fracture mode，tunneling the slope toe，so that slope body losing supportand making the loess fissure openmode，slope surface erosion ollapsible lake mode，etc.

Loess;Cutting slope;Instability slump Deformation mode

P642.13+1

B

1004－1184(2011)04－0102－03

2011－06－10

陳波(1973－)，男，河南新鄉(xiāng)人，高級工程師，主要從事公路工程勘察、設(shè)計等工作。