碎石土滲透特性對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響

高 翔

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610041)

0 前 言

滑坡是非常嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一,強(qiáng)降雨是造成碎石土滑坡最主要的因素之一。例如2005年臺(tái)風(fēng)泰利造成了浙江省溫州市發(fā)生了百年不遇的特大降雨。其中，泰順縣絕大部分縣鄉(xiāng)道路以及鄉(xiāng)村公路被沖毀,造成嚴(yán)重的交通中斷。通過災(zāi)后的勘察可知,由于臺(tái)風(fēng)“泰利”所造成的泰順縣公路滑坡水毀情況如表1所示。

表1 臺(tái)風(fēng)泰利所造成的泰順縣公滑坡水毀情況

通過對(duì)現(xiàn)場地質(zhì)情況分析可知,具有碎石黏性土邊坡以及碎石土邊坡的地下水一般存在管網(wǎng)狀滲流特性,降雨對(duì)于碎石土滑坡穩(wěn)定性的影響主要是通過地下水的方式實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)階段還缺少關(guān)于通過碎石土一般物理力學(xué)特性以及滲透特性方面的研究,對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)碎石土滑坡或者含碎石土滑坡的結(jié)構(gòu)來說缺少控制方式,所以探究碎石土滲透特性對(duì)于滑坡穩(wěn)定性的影響是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。

1 碎石土滲透特性分析

1)土的滲透能力和土粒大小、形狀以及粗細(xì)程度相關(guān),若是碎石土中細(xì)粒土較多,那么土體的滲透系數(shù)就會(huì)快速下降。隨著土密實(shí)性的增加,滲透系數(shù)會(huì)有效下降。細(xì)粒土具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu),若是受到擾動(dòng)，就會(huì)改變?cè)羞^水條件。對(duì)于低飽和土來說,孔隙中具有比較多的氣泡,容易堵塞細(xì)小孔道,因此土飽和度較低,滲透系數(shù)較小。

2)從相關(guān)文獻(xiàn)可知,顆粒組成和碎石土滲透系數(shù)之間存在著多元線性關(guān)系,可以通過下述回歸方程進(jìn)行表示：

K=-1.84+0.1836d1+0.2189d2+0.1401d3+0.1834d4

式中，K為碎石土滲透系數(shù),10-4cm/s；d1為20 mm以上粒徑粒組含量，%；d2為2～20 mm以上粒徑粒組含量，%；d3為0.1～2 mm以上粒徑粒組含量，%；d4為0.1 mm以下粒徑粒組含量，%。

為了明確每個(gè)變量對(duì)于滲透系數(shù)的影響,采取變量單獨(dú)檢驗(yàn)的方式來進(jìn)行。以此種方式能夠得知d1、d2、d3、d4這4個(gè)參數(shù)對(duì)于參數(shù)K具有非常顯著的影響,碎石土滲透系數(shù)和這4個(gè)變量相關(guān)系數(shù)分別為0.706、0.719、0.568以及0.680。

3)碎石土滲透系數(shù)和碎塊石、礫石以及砂粒以及細(xì)粒土之間具有非常顯著的關(guān)聯(lián),進(jìn)行回歸方程式的建立能夠?qū)ζ湎嗷ブg的關(guān)系起到重要的分析作用。從標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)得知,不同自變量對(duì)于滲透系數(shù)K的影響從大到小的順序依次為d1、d4、d2、d3,就是指碎塊石以及細(xì)粒土對(duì)于碎石土滲透系統(tǒng)影響最大,之后為礫石組含量,砂粒組含量對(duì)于碎石土滲透系數(shù)的影響相對(duì)較小。從偏相關(guān)系數(shù)得知,不同系數(shù)對(duì)于滲透系數(shù)K具有不同的顯著性水平,其中d1、d2具有高度顯著性并且極其緊密相關(guān)；d4具有高度顯著并且緊密相關(guān)；d3顯著性較差且不相關(guān)。

4)本文在分析了碎塊礫石粒組含量和碎石土滲透系數(shù)關(guān)系之后,建立起了碎塊礫石粒組含量d5(>2 mm)、d6(<2 mm)和碎石土滲透系數(shù)K的非線性回歸方程,如下所示：

K=0.162e0.23946d5K=0.5902e-0.25399d6

能夠得到lnK和d5、d6以及d4(<0.1 mm)的關(guān)系如圖1～3所示。

圖1 2 mm以上粒徑粒組含量和碎石土滲透系數(shù)關(guān)系

圖2 2 mm以下粒徑粒組含量和碎石土滲透系數(shù)關(guān)系

圖3 0.1 mm以下粒徑粒組含量和碎石土滲透系數(shù)關(guān)系

總的來說,隨著碎塊礫石粒組含量的增加，碎石土的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出自然指數(shù)增加的趨勢(shì),隨著土中<2 mm粒徑或者<0.1 mm細(xì)粒土粒組含量的增加呈現(xiàn)出自然指數(shù)下降的趨勢(shì)。另外,從上述公式可知,不同粒組含量對(duì)于碎石土滲透系數(shù)影響情況不同,碎塊石粒組含量以及細(xì)粒土(黏粒以及粉粒為主)粒組含量對(duì)于碎石土滲透系數(shù)具有非常顯著的影響,礫石組含量對(duì)于碎石土滲透系數(shù)影響相對(duì)有限,而0.1～2 mm的砂粒組含量對(duì)于碎石土滲透系數(shù)影響最小。

2 碎石土滲透特性對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響

1)受到長時(shí)間降雨的影響,碎石土邊坡常常會(huì)形成管網(wǎng)狀排泄系統(tǒng)。從相關(guān)滑坡災(zāi)情勘察資料可知,正是由于碎石土邊坡存在著管網(wǎng)狀排泄系統(tǒng),所以在缺少降雨時(shí)，天然碎石土邊坡的地下水也可以利用這些管網(wǎng)狀排泄系統(tǒng)排向坡外。從上述公式可知,一般情況下天然狀態(tài)下碎石土邊坡穩(wěn)定性較好,具有比較高的安全儲(chǔ)備。但是受到暴風(fēng)雨的影響,在碎石土邊坡淺表地層土體中存在著大量以粉粒以及黏粒為主體的細(xì)粒土,因此，即便碎石土邊坡淺表地層土體中具有管網(wǎng)狀排泄系統(tǒng),也會(huì)造成滲透系數(shù)比較低；對(duì)于碎石土邊坡土體來說,滑體淺表層存在著以粉粒以及黏粒為主的細(xì)粒土(厚度約0.8～5 m)含量較高的土體,這些土體受到厚度以及性質(zhì)的影響造成其滲透系數(shù)相對(duì)較低。另外,淺表部下存在著厚度約6～38 m的碎塊礫石含量較高的碎石土,這些碎石土的粒徑在2～4 cm范圍,因此，具有比較高的滲透系數(shù)。

2)一般情況下，雨水較為充裕的地區(qū)大都植被豐富,因此，碎石土滑坡滑動(dòng)帶巖土體具有比較高的飽和度。從相應(yīng)取樣分析可知,天然狀態(tài)下深層碎石土滑坡滑動(dòng)帶巖土體飽和度能夠達(dá)到80%以上,表明此種土體處在飽水狀態(tài)。天然狀態(tài)下淺層碎石土滑坡滑動(dòng)帶巖土體飽和度能夠達(dá)到95%以上,總的來說，降水對(duì)于中深層以及淺層碎石土滑坡滑動(dòng)帶巖土體關(guān)鍵指標(biāo)(例如黏聚力、內(nèi)摩擦角等)不會(huì)產(chǎn)生較為明顯的影響。對(duì)于碎石土來說,其抗剪強(qiáng)度會(huì)受到黏聚力、內(nèi)摩擦角等影響,同時(shí)抗剪強(qiáng)度也會(huì)隨著滑動(dòng)面法向應(yīng)力的增加而上升。所以降雨對(duì)于碎石土滑坡的影響主要體現(xiàn)在孔隙水壓力方面,隨著孔隙水壓力的上升滑體下滑力有所增加,同時(shí)作用在滑面上的法向應(yīng)力下降,造成滑面帶巖土體抗剪強(qiáng)度的下降,從而造成碎石土邊坡出現(xiàn)滑坡的問題。

3)一旦飽和土中不同點(diǎn)之間具有能量差,就會(huì)造成水從能量高點(diǎn)向能量低點(diǎn)流動(dòng),即土體兩點(diǎn)之間總水頭差>0的情況下才可能造成水在不同點(diǎn)之間的流動(dòng)。對(duì)于碎石土來說,其邊坡淺表土層的孔隙中存在著較多的氣泡,同時(shí)在淺表地層中存在著較多以黏粒土和粉粒土為主的細(xì)粒土,具有比較大的粘滯阻力,所以只有在水力梯度超出了孔隙氣泡阻力以及粘滯阻力才可能發(fā)生滲透問題。碎石土邊坡要在長時(shí)間強(qiáng)降雨影響下才可能造成淺表土層處于水飽和狀態(tài)而引發(fā)滲透,從而造成雨水的下滲。所以,正常情況下需要在長時(shí)間以及較大強(qiáng)度降雨的情況下才可能引發(fā)碎石土邊坡的滑坡問題。

4)受到長時(shí)間以及高強(qiáng)度連續(xù)降雨影響,雨水先要克服淺表層土體孔隙氣泡阻力以及土體粘滯阻力,從而造成淺表土層實(shí)現(xiàn)水飽和,之后發(fā)生下滲直到較厚碎塊礫石含量較大的碎石土當(dāng)中。因?yàn)樗槭粱聹\表地層下伏碎石土層具有較大滲透系數(shù),受到長時(shí)間降雨影響此土層中具有較為發(fā)達(dá)的管網(wǎng)狀排泄系統(tǒng)。因此受到降雨作用影響,雨水從淺表層下滲到碎石土層之后非?？焱ㄟ^管網(wǎng)狀排泄系統(tǒng)向坡外排泄。但是一般情況下，碎石土滑坡后坡積水面積較大,受到長時(shí)間連續(xù)降雨的影響,淺表土層很快達(dá)到飽和,之后快速下滲而造成滑坡體中水位的快速上升。同時(shí)淺表土層中的細(xì)粒土受到水力梯度作用會(huì)在碎塊礫石之間流動(dòng),所形成的地下水滲流會(huì)造成土體坍塌,從而造成排泄管道的破壞,地下水無法有效利用管網(wǎng)狀排泄系統(tǒng)向坡外進(jìn)行排泄,進(jìn)而造成地下水位的上升以及滑體飽和度的增加,使得滑體巖土體抗剪強(qiáng)度的降低,滑體不均勻塑性變形增大。

5)一旦碎石土發(fā)生滑坡失穩(wěn)就會(huì)造成管網(wǎng)狀排泄系統(tǒng)的破壞,地下水無法順利排泄,造成了地下水位的上升,引發(fā)孔隙水壓力的增加,造成滑面巖土體抗剪強(qiáng)度的下降,從而引發(fā)滑坡穩(wěn)定性的降低。一旦滑體飽和水面積達(dá)到相應(yīng)數(shù)值就會(huì)造成碎石土滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。破壞之后的邊坡地下水管網(wǎng)排泄系統(tǒng)受到了破壞而引發(fā)地下水位的上升,造成滑坡體孔隙水壓力增加,從而使得滑坡抗剪強(qiáng)度下降,進(jìn)一步加劇了邊坡的破壞。

3 結(jié)束語

本文首先分析了碎石土滲透特性的相應(yīng)內(nèi)容,從回歸方程的角度分析了不同粒徑對(duì)于滲透特性的影響,在此基礎(chǔ)上分析了碎石土滲透特性對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響。本文的介紹對(duì)穩(wěn)定碎石土邊坡具有一定參考和幫助。

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