西南某高速膨脹土邊坡失穩(wěn)機(jī)制分析

薛 偉 周 密

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 概述

2 邊坡物質(zhì)組成

①素填土：灰、灰黃色，為路基填筑料，物質(zhì)構(gòu)成主要為碎石，粒徑2 cm～5 cm，母巖為灰?guī)r、玄武巖等，中密～密實(shí)。分布于在建高速公路路基上，厚度約0.5 m。

指滑坡范圍內(nèi)巖土體，褐紅色、灰黃色為主，夾灰～灰黑色，主要由含礫粉質(zhì)粘土、半膠結(jié)的粘土巖及礫巖組成，擋墻背后分布少量素填土。一般厚3 m～8 m，最厚11.05 m。

含礫粉質(zhì)粘土：褐黃色、褐紅色，硬塑～堅(jiān)硬，礫石含量約15%～40%，母巖成分為砂巖及玄武巖。廣泛分布于自然斜坡表層，厚度變化較大，鉆孔揭露最大厚度3.25 m。

粘土巖：灰黃夾灰～灰黑色，顏色及物質(zhì)構(gòu)成較雜，屬半成巖，呈硬塑～堅(jiān)硬粘土、粉質(zhì)粘土、粉土狀，偶含礫石。具膨脹性，脹縮強(qiáng)烈。分布廣泛，厚度較大。

礫巖：灰～灰褐色為主，呈層性較好，屬半成巖，呈中密～密實(shí)圓礫狀、局部礫砂狀。礫石母巖為玄武巖、砂巖，圓形～亞圓形，膠結(jié)一般。夾于③粘土巖中，局部呈透鏡體，鉆孔揭露厚度0.20 m～3.95 m。

根據(jù)膨脹土地區(qū)建筑場(chǎng)地的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，勘察區(qū)場(chǎng)地地形坡度大于5°，屬坡地場(chǎng)地。根據(jù)《云南省膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)定(試行)》結(jié)合GB 50112—2013膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范規(guī)定，勘察區(qū)大氣影響深度為4.5 m，急劇層深度為2.0 m。

3 邊坡變形特征

從收集的資料中反映，滑坡于2016年12月24日發(fā)生整體滑動(dòng)，至今變化不大，目前滑坡主要的變形特征：

1)整個(gè)滑坡體破碎零亂，極為松散，裂縫密集，裂縫與邊坡延伸方向大致相同，與地形線(xiàn)大致相近。后部下錯(cuò)明顯，前部地面略有抬升。

2)滑坡左～中部后緣為連續(xù)高大錯(cuò)坎?？脖诙嘁?jiàn)圓礫夾層被錯(cuò)斷?？材_以下5 m～20 m形成滑坡平臺(tái)，局部為負(fù)地形，反向滑坎高達(dá)2 m～3 m不等。錯(cuò)坎外圍坡面近平行裂縫發(fā)育，特別以左側(cè)邊界最為明顯，發(fā)育L4～L7,L10等裂縫，此類(lèi)裂縫發(fā)育的時(shí)間與錯(cuò)坎相比應(yīng)稍滯后。

3)滑坡后緣展布與地形的一致性。后緣裂縫(L4)接近山頂分水嶺，展布方向與山脊線(xiàn)基本一致。

4)滑坡右側(cè)雖然尚未連通，但上、下變形具連通趨勢(shì)，附近裂縫羽狀密集展布。

5)開(kāi)挖越深，滑動(dòng)范圍越大，變形越強(qiáng)。在CK0+120～CK0+250段開(kāi)挖深，6 m～13 m，平面破壞長(zhǎng)度80 m～106 m，在CK0+170～CK0+250段開(kāi)挖最深，變形最強(qiáng)烈。左右邊緣附近開(kāi)挖少，則變形范圍小。

6)擋墻基槽開(kāi)挖到擋墻因滑坡破壞僅10 d時(shí)間，表明發(fā)生迅速。

7)滑坡前緣剪出口不明顯，但CK0+200～+270段擋墻從基底整體抬升3.0 m，并向外推移，破壞時(shí)可見(jiàn)墻前地面隆起強(qiáng)烈，反映出前緣剪出破壞應(yīng)在擋墻基底附近。

8)在擋墻附近原邊坡地帶，表層坍滑明顯，CK0+120～CK0+200段墻頂土體擠出明顯，局部墻體外移明顯，基底隆起明顯。

9)表層土體極易發(fā)生淺層滑坡，如CK0+050附近，開(kāi)挖深度僅4.0 m左右，坡體就發(fā)生強(qiáng)烈滑動(dòng)，滑動(dòng)區(qū)長(zhǎng)達(dá)18 m，達(dá)4.5倍開(kāi)挖深度。

4 邊坡變形因素

邊坡發(fā)生失穩(wěn)的基礎(chǔ)條件主要有地形條件、巖土條件及水文條件，誘發(fā)因素為地表水入滲及人類(lèi)工程活動(dòng)。根據(jù)野外地質(zhì)測(cè)繪，該邊坡位于金沙江干熱河谷地帶，雨量偏少，加之施工期位于旱季，雨水作用不大，該邊坡整體地形較緩，地形坡度整體上小于10°，所以地形及地表水不是形成該邊坡的主要致災(zāi)因素。主要的致災(zāi)因素為巖土條件及人類(lèi)工程活動(dòng)。

4.1 巖土體條件

通過(guò)野外地質(zhì)勘察，該邊坡整體上為膨脹土，灰黃夾灰～灰黑色，顏色及物質(zhì)構(gòu)成較雜，屬半成巖，呈硬塑～堅(jiān)硬粘土、粉質(zhì)粘土、粉土狀，偶含礫石。根據(jù)野外判別，結(jié)合取樣測(cè)試結(jié)果判定，勘察區(qū)不良土體主要為膨脹土，該層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積含礫粉質(zhì)粘土及第四系更新統(tǒng)蛇山組粘土巖含礫粉質(zhì)粘土，主要分布勘察區(qū)地表，厚度約1 m～3 m；粘土巖在整個(gè)勘察區(qū)范圍內(nèi)均有分布，分布面積廣，厚度大，鉆孔均未揭穿。勘察區(qū)地形較為平緩，原始地形無(wú)大的自然陡坎。地表含礫粉質(zhì)粘土結(jié)構(gòu)松散，裂隙大多被耕作破壞或?yàn)榈[石填塞，邊坡上粘土巖裂隙發(fā)育，面多光滑，偶見(jiàn)灰白～灰綠色粘土，脹縮明顯。

1)膨脹性分析。

根據(jù)土層取樣試驗(yàn)結(jié)果，地表含礫粉質(zhì)粘土自由膨脹率50.0%，膨脹力55.12 kPa，具弱膨脹潛勢(shì)，厚度一般小于3 m?？辈靺^(qū)膨脹土主要為粘土巖，分布范圍廣，厚度大。滑坡堆積體③1粘土巖自由膨脹率42.5%～120.0%，平均值81.33，膨脹力76.40 kPa～168.16 kPa，平均值131.14 kPa；滑床③粘土巖自由膨脹率40.0%～115.0%，平均值73.67%，膨脹力102.00 kPa～331.20 kPa，平均值208.02 kPa，勘察區(qū)粘土巖具弱～強(qiáng)膨脹潛勢(shì)。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，該土體膨脹率較高，該土體主要是因含水率變化而發(fā)生體積變形和膨脹力發(fā)生變化的土體，在表觀(guān)上脹縮特性主要受土體自身的粘土礦物成分及含水量控制，土體濕度的變化也是重要的因素。在特定條件下，土體的膨脹與收縮是由于膨脹土與水介質(zhì)的相互作用而引起土中內(nèi)應(yīng)力改變的結(jié)果。換言之，土體中含水量變化是膨脹土產(chǎn)生膨脹與收縮、強(qiáng)度變化等重要特性的基礎(chǔ)，也是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素之一。膨脹土吸水后體積膨脹，使其上面的建筑物或地面隆起；失水后體積收縮，造成土體開(kāi)裂，并使其上面的建筑物下沉。

粘土巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及膨脹指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 粘土巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及膨脹指標(biāo)

勘察區(qū)粘土巖的自由膨脹率與深度及含水率的關(guān)系見(jiàn)圖1,圖2。

根據(jù)圖1，勘察區(qū)粘土巖自由膨脹率隨著深度的增加，呈不斷減小的趨勢(shì)，在6 m深度范圍內(nèi)，自由膨脹率較大，在10 m深度范圍以上具中～強(qiáng)膨脹性，10 m以下具弱膨脹性；根據(jù)圖2，勘察區(qū)粘土巖自由膨脹率隨著含水率的增大，呈不斷增大的趨勢(shì)，含水率達(dá)30%以上具中～強(qiáng)膨脹性，含水率30%以下時(shí)主要為弱膨脹性。

勘察區(qū)粘土巖的膨脹力與含水率及深度的關(guān)系見(jiàn)圖3,圖4。

根據(jù)圖3，圖4，勘察區(qū)粘土巖膨脹力隨著深度和含水率的增加，未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，離散性大。

2)強(qiáng)度特性。

膨脹土的強(qiáng)度是指膨脹土的抗剪強(qiáng)度，它與普通粘土相比要復(fù)雜得多。膨脹土的抗剪強(qiáng)度為典型的變動(dòng)強(qiáng)度，通常情況下膨脹土的峰值抗剪強(qiáng)度較高，由于膨脹土的脹縮性和裂隙性影響，土體在長(zhǎng)期脹縮、張閉反復(fù)循環(huán)作用下，土體強(qiáng)度大幅降低。已有研究表明，膨脹土的土體強(qiáng)度只有土塊強(qiáng)度的幾分之一甚至十幾分之一，強(qiáng)度衰減的幅度、速度和土體的物質(zhì)組成、土的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)、風(fēng)化作用以及脹縮性的大小有關(guān)。一般而言，某一區(qū)域的膨脹土體，急劇層深度范圍的土體強(qiáng)度衰減最強(qiáng)烈，急劇層深度至大氣影響深度之間衰減次之，而大氣影響深度之下的土體衰減相對(duì)較弱。

勘察區(qū)粘土巖塊抗剪強(qiáng)度與深度關(guān)系見(jiàn)圖5，圖6。

根據(jù)圖5，圖6，勘察區(qū)粘土巖塊粘結(jié)力與內(nèi)摩擦角隨著深度的增加，總體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，但線(xiàn)性關(guān)系不明顯。

勘察區(qū)粘土巖塊抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系見(jiàn)圖7，圖8。

根據(jù)圖7，圖8，勘察區(qū)粘土巖塊粘結(jié)力與內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加，總體呈不斷減小的趨勢(shì)，但線(xiàn)性關(guān)系不明顯。

4.2 人為因素

該邊坡屬開(kāi)挖邊坡，邊坡下部因開(kāi)挖形成臨空面，使邊坡上及坡腳膨脹土暴露于地表，應(yīng)力集中于坡腳，從而促使邊坡失穩(wěn)。

5 邊坡破壞模式及變形機(jī)制

1)破壞模式。

勘察區(qū)巖土體較單一，以半膠結(jié)粘土巖為主，夾少量礫巖，地表分布少量含礫粉質(zhì)粘土，總體屬膨脹土，土體中無(wú)傾向坡外的貫通性軟弱夾層。但膨脹土具有自上而下力學(xué)強(qiáng)度遞增的特點(diǎn)，土體強(qiáng)度在豎向上具有相對(duì)成層性，并且土體抗剪強(qiáng)度總體很低。一般而言，膨脹土坡體的破壞具有漸進(jìn)性，破壞多表現(xiàn)為疊瓦狀多次滑動(dòng)。但勘察區(qū)自然坡體未見(jiàn)明顯滑坡，而是坡腳開(kāi)挖后發(fā)生一次性整體滑動(dòng)，后部地表錯(cuò)落強(qiáng)烈且多形成滑坡平臺(tái)，局部為負(fù)地形，錯(cuò)坎外圍近平行裂縫發(fā)育，前緣大致從擋墻開(kāi)挖基底剪出破壞。根據(jù)滑坡變形特征和勘察工程揭示，滑動(dòng)面呈折線(xiàn)形，縱向近于緩傾直線(xiàn)，后部呈陡傾弧形。

綜合分析，滑坡破壞模式為膨脹土坡體在前緣臨空面條件下發(fā)生的一次性整體滑動(dòng)破壞，滑面呈折線(xiàn)形。

2)變形機(jī)制。

勘察區(qū)膨脹土反復(fù)脹縮強(qiáng)烈，土體抗剪強(qiáng)度極大衰減，總體處于較低水平。原始斜坡平緩，處于極限平衡狀態(tài)。

坡腳開(kāi)挖造成坡腳較高陡臨空面，使邊坡上及坡腳膨脹土暴露于地表，在大氣作用及降雨作用下，土體抗剪強(qiáng)度迅速降低。開(kāi)挖形成臨空面及坡腳土體強(qiáng)度降低，都造成坡腳抗剪強(qiáng)度減弱，后部坡體上軟弱膨脹土在前緣支撐減弱的條件下，發(fā)生整體滑動(dòng)破壞?；缕茐牧W(xué)性質(zhì)為牽引式。后部形成滑坡平臺(tái)及高陡弧形滑坡壁，緊隨其后滑坡壁之外發(fā)生系列近平行裂縫，不斷向外牽引擴(kuò)張。

6 結(jié)論及建議

滑坡現(xiàn)狀中部不穩(wěn)定，處于初滑階段，局部處于擠密階段；左、右兩側(cè)欠穩(wěn)定，處于蠕變階段，右下角處于擠密階段。坡體變形強(qiáng)烈，加速膨脹土強(qiáng)度降低，滑坡穩(wěn)定性逐漸降低，在降雨或地震等不利因素影響下更是如此，再者坡腳臨空無(wú)支擋，局部擋墻基本喪失抗滑能力，所以滑坡會(huì)進(jìn)一步加劇，最終向劇滑發(fā)展?；聞』蜻M(jìn)一步擠密，均會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)及后緣向外擴(kuò)張，擴(kuò)大滑坡范圍，增加危害性及治理難度，應(yīng)及早治理。