膨脹性黏土不穩(wěn)定斜坡變形成因機制及防治措施

王志遠，康景文，顏光輝，馮世清，張軍新，陳 展

(中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，四川成都 610081)

膨脹土因其礦物成分以強親水的蒙脫石和伊利石為主，具有顯著的脹縮性(遇水膨脹、失水收縮)和裂隙性，工程建設中易形成滑坡而造成很大的危害。同時，由于膨脹土的低壓縮性，在天然含水率的情況下一般處于較堅硬的狀態(tài)，容易忽視其是工程建設中的潛在破壞因素，因此，膨脹土邊坡的收縮、膨脹等病害，常造成斜坡產(chǎn)生開裂、位移、崩垮，導致建筑地基出現(xiàn)不均勻的豎向或水平的變形、傾斜甚至破壞。國內(nèi)外學者對膨脹土地區(qū)滑坡的變形特征和穩(wěn)定性已有較多的研究，但針對膨脹土地區(qū)斜坡變形和失穩(wěn)的形成機制研究還處于探索階段［1］～［5］。因此，加強對膨脹不穩(wěn)定斜邊坡變形和滑動的演化過程方面的研究意義重大。某實驗中學南側(cè)不穩(wěn)定性斜坡主要以具有膨脹性的黏土為主，建筑施工過程中，由于在開挖坡腳前沒能采取有效的支護措施，同時在坡頂大面積堆置施工棄土，造成斜坡體上部出現(xiàn)地表開裂及盛水池、輸水管拉裂等，坡前緣正在建造的建筑地基不同的鼓裂和基礎變形等不良現(xiàn)象(圖1、圖2)。一旦遇有持續(xù)降雨使其失穩(wěn)，將嚴重毀壞其上部的正在使用配套用房，威脅斜坡前緣正在施工的建(構(gòu))筑物生產(chǎn)安全以及影響規(guī)劃用地建設的適宜性等。本文以此膨脹土不穩(wěn)定斜坡為對象進行研究，通過坡體地質(zhì)環(huán)境、物質(zhì)特性及穩(wěn)定性驗算，分析其變形成因機制，為后續(xù)斜坡治理和工程建設提供必要的參考依據(jù)及建議。

圖1 斜坡變形產(chǎn)生的裂隙

圖2 斜坡變形引起基礎彎曲

1 工程地質(zhì)條件概況

不穩(wěn)定斜坡位于某市涪城區(qū)蔣家溝南側(cè)。根據(jù)場地勘察報告，該斜坡地處淺丘丘狀斜坡及中部丘間洼地，屬丘間洼地與淺丘丘狀斜坡地貌類型。斜坡體后緣基巖露頭陡坎，東西兩側(cè)以沖溝為界。發(fā)生變形破壞時，前緣已存在人工開挖直立邊坡，高度8.0～10.0 m，形成較陡的臨空面。發(fā)生變形破壞的不穩(wěn)定斜坡縱向長200.0 m，橫向長約600.0 m，總面積約為0.12k m2;斜坡變形體平均厚度為5.0 m，其上部多為梯形疊瓦狀旱地，總體積約60×104m3，屬于中型不穩(wěn)定斜坡。斜坡主滑方向地面坡度為28°。不穩(wěn)定斜坡形狀、范圍、分區(qū)及勘察剖面布置見圖3。

通過鉆探揭露，該斜坡地層從上至下依次由第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、第四系中下更新統(tǒng)冰水沉積層(Q1+2fgl)和下伏侏羅系七曲寺組泥巖(J3q)構(gòu)成。在區(qū)域構(gòu)造上，地處該地區(qū)帚狀構(gòu)造帶上的周家梁子背斜北東翼，距北川－映秀逆沖斷層的直線距離約45 km，“5·12”汶川大地震對斜坡穩(wěn)定性受影響較小。

圖3 不穩(wěn)定斜坡工程地質(zhì)平面

2 斜坡體變形特征和膨脹土特性及影響因素

2.1 變形特征

根據(jù)斜坡的變形形態(tài)和變形特征，為便于進行表述和有針對性地分析，在垂直變形方向上劃分成I1、I2和I3三個大區(qū)域，在沿變形方向上將斜坡大區(qū)劃分成的基礎上由分類成Ⅱi1、Ⅱi2二個亞區(qū)域(圖4)。育6條垂直變形方向的張拉裂隙，最大延伸長度為15 m，最小延伸長度為3 m，裂隙張開度為20～50 mm;局部出現(xiàn)下挫，其最大下挫高度為15 cm(圖1)，由于該區(qū)位移較大，造成上部新修的配套用房基礎發(fā)生彎曲破壞(圖2)。據(jù)該區(qū)在Ⅱ1區(qū)內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，其每天的變形量在20 mm/d 左右，最大可達45 mm/d。

I2區(qū)域位于不穩(wěn)定斜坡中部，長約200 m，寬約230 m，面積約0.05 km2，高程527.0～557.0 m，前部坡度為10°～12°，后部坡度為20°～25°，前緣為人工切坡，高度8.0～10.0 m。

圖4 斜坡破壞特征分區(qū)

根據(jù)不穩(wěn)定斜坡變形形態(tài)區(qū)域劃分(圖4)，Ⅰ1區(qū)域位于不穩(wěn)定斜坡東側(cè)，長約220 m，寬約180 m，面積約0.03 km2，高程523.00～557.00 m，前部坡度為8°～10°，后部坡度為15°～20°，前緣為人工切坡，高度10.0～12.0 m。其上發(fā)該區(qū)域變形相對較小，僅發(fā)育1條裂隙，延伸長度為5.2 m，裂隙張開度為10～20 mm(圖5、圖6)。根據(jù)該區(qū)在Ⅱ1區(qū)內(nèi)的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，每天的變形量在2～5 mm/d 左右，變形相對較小。

圖5 I2 區(qū)變形產(chǎn)生的裂隙

圖6 I2 區(qū)變形產(chǎn)生的裂隙

I3區(qū)域位于不穩(wěn)定斜坡西側(cè)。長約260 m，寬約160 m，面積約0.04 km2，高程533.00～573.00 m，前部坡度為12°～15°，后部坡度為30°～50°，前緣為人工切坡，高度5.0 m～6.0 m。其上發(fā)育3條裂隙，延伸長度為6.0～12.0 m，裂隙張開度為90～100 mm。由于變形較大，上部輸水管道被拉裂(圖7、圖8)。根據(jù)在Ⅱi1區(qū)內(nèi)的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，其每天的變形量在20 mm/d 左右。

在垂直變形方向上，根據(jù)裂隙的發(fā)育位置及延伸狀態(tài)和區(qū)域劃分。Ⅱi1區(qū)位于不穩(wěn)定斜坡北部，長約100.0 m，寬約500.0 m，面積約0.07 km2，高程528.0～546.0 m，相對高差為18.0 m，其內(nèi)裂隙大量發(fā)育，房屋變形、水管拉裂等均出現(xiàn)在該區(qū)域，為不穩(wěn)定斜坡強變形區(qū);Ⅱi2區(qū)位于不穩(wěn)定斜坡南側(cè)，長約80.0 m，寬約600.0 m，面積約0.05 km2，高程546.0～557.0 m，相對高差為11.0 m，內(nèi)裂隙發(fā)育少，斜坡變形位移較小，為不穩(wěn)定斜坡的弱變形區(qū)域。

綜合上述，該斜坡變形特征主要表現(xiàn)為兩側(cè)大中間小;前部大、后部小的特征。總體上呈現(xiàn)兩側(cè)拖曳中部，前部牽引后部的變形趨勢。

2.2 膨脹特性

圖7 I3 區(qū)變形產(chǎn)生的裂隙

圖8 I3 區(qū)變形引起水管拉裂

不穩(wěn)定性斜坡坡體主要為廣泛分布于覆蓋在泥巖上的第四系冰水沉積層的黏土。棕黃～紅褐色，呈軟塑～可塑狀，土質(zhì)較純。組成主要是以黏土礦物為主，含有碎屑礦物，其中含約10% 的鐵錳質(zhì)角礫狀結(jié)核成分的砂卵石;厚度0.90～4.90 m。沿變形方向，前緣及中部較厚，后緣相對較薄;垂直變形方向，東西兩側(cè)較厚，中部相對較薄。

通過對斜坡體的大量取樣進行的常規(guī)及膨脹性試驗(表1、表2)分析黏性土特性。

表1 黏土樣物理力學性質(zhì)分析試驗結(jié)果統(tǒng)計

續(xù)表1

表2 脹縮試驗統(tǒng)計表

試驗統(tǒng)計結(jié)果表明，該黏土層天然含水率較高，液限和塑限及塑限性指數(shù)均較大，且具有典型膨脹性黏土的特征。通過脹縮性分析統(tǒng)計可知，該黏性土膨脹力最大為72.80 kPa，自由膨脹率最大為52%，最小為45%，平均值為48%，具弱膨脹潛勢［6］。

由于變形后斜坡的勘察在處于豐水期期間進行，降雨的頻率和降雨量均較大，對現(xiàn)場取樣和試樣的符合性有一定困難和不同程度的影響，但并不影響對斜坡土體整體性狀的判定。由于本地區(qū)干濕交替頻繁，在強降雨和干旱等不利氣候的影響下，斜坡膨脹土土體內(nèi)部水分強烈急劇變化，膨脹土土體內(nèi)部由于水富集程度的提高，增大坡體的容重的同時也就增加了促使坡體不穩(wěn)定的下滑力，同時降低了坡體和結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，并加大了地表水滲入坡體的速度和數(shù)量，進一步加劇斜坡的變形破壞。

鑒于該不穩(wěn)定斜坡坡體在Ⅱi1區(qū)、Ⅱi2區(qū)變形破壞特征存在明顯差異，勘察時對變形破壞區(qū)內(nèi)的黏土(滑帶土)進行了分區(qū)取樣和試驗，強度指標綜合取值如下表3 和表4。

表3 Ⅱ1 區(qū)粘土剪切試驗結(jié)果統(tǒng)計表

續(xù)表3

表4 Ⅱ2 區(qū)粘土剪切試驗結(jié)果統(tǒng)計表

通過表1～表4 的對比不難發(fā)現(xiàn)，該斜坡膨脹土在Ⅱ1區(qū)內(nèi)的各項c、φ 值指標均低于Ⅱ2區(qū)。通過現(xiàn)場的調(diào)查分析，主要原因在于Ⅱ1區(qū)坡度較緩，Ⅱ2區(qū)較陡，在大氣降雨到地面時，Ⅱ1區(qū)地面徑流較慢，加上該區(qū)裂隙發(fā)育，使其地表水大量下滲，很大的影響了其巖土性狀。由此可見水對膨脹土的影響主要表現(xiàn)在三個方面:一是稠度狀態(tài)的改變，在膨脹土中，隨著含水量的增加，土體的稠度狀態(tài)發(fā)生變化，一定程度上影響土體的結(jié)構(gòu)性;二是容重的變化，隨著含水量的增加，膨脹土有效容重變小;三是孔隙度的改變，由于膨脹土富含有強親水性的蒙脫石、伊利石黏土礦物，當水分進入土體時，這些顆粒就吸咐著大量的水分在自身周圍形成水膜，使顆粒周圍的結(jié)合水膜增厚，顆粒間的距離增大，土體中的原始孔隙度增大，使顆粒間的連結(jié)力減小，導致土體的抗剪強度降低。由于Ⅱ1、Ⅱ2區(qū)膨脹土受干濕交替、裂隙發(fā)育、開挖及水體滲入影響因素等不同，導致兩個區(qū)內(nèi)土體的物理力學參數(shù)差異明顯。總之，該斜坡體以弱膨脹土體為主，對水敏感性且影響顯著。

2.3 斜坡變形影響因素

不穩(wěn)定斜坡坡體為膨脹土，促使其變形為內(nèi)因和外因聯(lián)合作用的結(jié)果。變形內(nèi)因主要為土體的脹縮性、地表水下滲改變土體形狀(軟化)等;變形外因主要為坡前無治理措施和不合理的人工切坡形成臨空面和坡頂大量堆土附加荷載。其中水的作用因素又是影響外因素的關(guān)鍵，對膨脹土斜坡穩(wěn)定性起到主要控制作用。

3 不穩(wěn)定斜坡變形成因機制分析及狀態(tài)判定

3.1 坡腳臨空應力松弛及坡頂超載成因機制

由于斜坡坡體主要為覆蓋與頂板一定坡度泥巖上的具有膨脹性的黏性土，在坡體前緣開挖造成臨空面時，由于坡體下部卸荷、土體縱向松弛、崩裂等原因，在土體發(fā)育較多裂隙的淺層形成應力釋放區(qū)，坡體土體崩垮松散，坡頂超載更加劇了土體側(cè)脹和土體內(nèi)裂隙發(fā)展;而深部土體則側(cè)脹不明顯，因此，在深淺交界處裂隙卸荷帶產(chǎn)生較大水平剪應力而形成潛在滑帶，并逐漸隨著裂縫的發(fā)展深入至泥巖層，斜坡體形成沿基覆界面發(fā)生滑移變形。下部土體滑動后，上部土體所受的側(cè)向阻力消失，形成了與下部土體相同的應力狀態(tài)和空間條件，便再次產(chǎn)生向后緣延伸的拖曳中部及牽引后部滑移。在平緩寬闊的邊坡上，上部土體有可能和下部土體的再滑移同時產(chǎn)生，形成多級滑移。

3.2 坡體巖性成因機制

由于斜坡坡體主要為膨脹性土，坡體下部卸荷、土體縱向松弛、崩裂、干濕交替等原因，在應力釋放和崩垮時，使土體原已淺部存在較多的裂隙更加發(fā)育，并逐漸發(fā)展深入至泥巖層，透水性隨深度由強變?nèi)?。大氣降雨后，由于坡體坡度較緩，地表徑流較慢，增加了雨水的下滲量。淺部土體在遇水后迅速膨脹，形成更明顯的應力釋放區(qū)，坡體土體崩解、松散，而深部土體則膨脹不明顯，因此，在卸荷裂隙不顯著的深淺交界處帶形成潛在滑移面。由于泥巖的弱透水性(隔水層)，地下水滲入后，膨脹土體在水體作用下崩解、軟化，則形成基覆界面上的滑移帶。下部土體滑動后，上部土體所受的側(cè)向阻力消失，便產(chǎn)生進一步滑動。在平緩寬闊的邊坡上，上部土體有可能和下部土體的再滑動同時產(chǎn)生，形成多級滑動。

3.3 滑移漸變成因機制

在應力松弛和坡體巖性成因機制基礎上，伴隨著坡體后緣自坡面向深部發(fā)展的拉裂縫的發(fā)育和發(fā)展，引發(fā)斜坡體向坡前臨空方向發(fā)生不同發(fā)展狀態(tài)過程的剪切蠕變滑移的加劇，最終形成大范圍的變形破壞。

(1)表層蠕動變形階段。工程建設過程中，在未做好有效支護的情況下，進行大量開挖前緣坡腳，導致坡腳應力集中，力學平衡被打破，坡體產(chǎn)生卸荷變形。特別是膨脹土，因其存在著較大的水平應力，開挖將會導致坡腳～前緣附近產(chǎn)生嚴重的剪應力集中與應力重分布，在坡體淺表層產(chǎn)生松弛變形，后緣產(chǎn)生拉應力(圖9);

(2)后緣拉裂變形階段。不穩(wěn)定斜坡體東部后緣，人工堆載了大量棄土，使得坡體上部土壓力增大，加大了斜坡的下滑力，而前緣的人工開挖坡腳使得之間壓力差加大，從而很大程度上加劇了裂縫的發(fā)生和發(fā)展。坡體前緣滑移，帶動后部土體產(chǎn)生裂縫增加，促使下部坡體加速向前滑移變形的同時，使得坡體形成面向坡下的臺階(圖10)，并具有一定的牽引性，逐步形成漸進性滑移帶。

(3)蠕滑破壞階段。隨裂縫增多和剪切變形進一步發(fā)展，中部剪應力集中部位可被擾動擴容，斜坡下半部分逐漸隆起。隨著變形開展，斜坡體變形發(fā)生轉(zhuǎn)動，后緣明顯下沉，拉裂面由開初的張開轉(zhuǎn)為漸趨閉合，裂縫兩側(cè)面的互錯方向與前一階段恰好相反。這些跡象預示變形進入累進性破壞階段，一旦潛在剪切面被剪斷貫通，則發(fā)展為滑動，后緣形成明顯密集的拉裂加速蠕變(圖11)。

圖9 表層蠕動變形階段

圖10 后緣拉裂變形階段

圖11 加速蠕變破壞階段

依據(jù)上述分析，勘察階段Ⅱi1區(qū)域已處于后緣拉裂變形階段，前緣滑動的階段，Ⅱi2區(qū)域由于其土層厚度較薄(僅2.00 m)，受Ⅱi1區(qū)域牽引力有限，正處于表層蠕動變形階段。

3.4 各區(qū)域狀態(tài)判定

根據(jù)上述分析，該不穩(wěn)定斜坡體縱向上I1區(qū)域由于斜坡體人為堆載及邊坡開挖，斜坡變形量較大;I2區(qū)域雖然其前緣開挖高度較大，但因其土層厚度較小，且坡面坡度較為平緩，其變形量也較小;I3區(qū)域由于膨脹土厚度大，且坡度相對較陡，前緣開挖高度較大，變形量也較大?？v向上由于Ⅱi1區(qū)域內(nèi)膨脹土厚度較大，加上前緣大量開挖坡腳和坡體上部堆載，使得該區(qū)域內(nèi)變形位移較大;Ⅱi2區(qū)域由于膨脹土層較薄，加上Ⅱi1區(qū)域尚未形成滑動，其牽引力較小，變形也不明顯，處于表層蠕動階段。

4 斜坡穩(wěn)定性計算及防治措施及建議

4.1 穩(wěn)定性計算

根據(jù)坡體物質(zhì)膨脹土特性分析及結(jié)合變形跡象調(diào)查，本文僅通過選取位于I1、I2、I3區(qū)域的2－2’、4－4’及7－7’剖面上的Ⅱi1、Ⅱi2區(qū)域穩(wěn)定計算，分析整體穩(wěn)定性。由于該斜坡主要是沿基巖面界面滑動，暴雨為其主要因素，因此，計算中主要針對自重加暴雨的工況，其安全系數(shù)取1.1。計算分區(qū)條塊圖見圖12(a)、(b)、(c)。

計算采用的參數(shù)在試驗數(shù)據(jù)基礎上，兼顧當?shù)氐墓こ探?jīng)驗及反演計算確定。其中天然重度取20.0 kN/m3;飽水重度取22.0 kN/m3，其它計算參數(shù)取值見表5。

圖12 (a) 計算剖面2－2

圖12 (b) 計算剖面4－4

圖12 (c) 計算剖面7－7

表5 滑帶土抗剪強度參數(shù)綜合取值表

計算結(jié)果統(tǒng)計詳見表6。

表6 分區(qū)條塊計算成果統(tǒng)計表

通過上表統(tǒng)計結(jié)果分析可知，在自重加暴雨工況下I1、I2、I3三個區(qū)域整體上穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.1，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，且I1、I3區(qū)域較I2區(qū)域穩(wěn)定系數(shù)較小，剩余下滑力較大，穩(wěn)定性相對較差;而Ⅱi2區(qū)域相對Ⅱi1區(qū)域而言，由于Ⅱi1區(qū)域尚未出現(xiàn)整體下滑而形成臨空面，因此，該區(qū)域目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。計算結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)論基本相符。

通過計算，目前Ⅱi1區(qū)斜坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡安全儲備較低;Ⅱi2區(qū)斜坡目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，當Ⅱi1區(qū)變形加大，帶動Ⅱi2區(qū)變形，則可能轉(zhuǎn)向欠穩(wěn)定甚至不穩(wěn)定狀態(tài)，其安全儲備不大。

4.2 邊坡防治措施建議

對該不穩(wěn)定斜坡的治理應依據(jù)膨脹土的特性、坡體前緣開挖形成臨空面和膨脹土坡體以及在降雨等因素作用等誘因和機制，可采取綜合治理措施:

(1)對該斜坡體上裂縫進行封填，并轉(zhuǎn)離坡體上部的堆載棄土，減少地表水下滲和超載作用;

(2)在斜坡體后緣和中部修筑截水溝和排水溝，形成有效的地表排水系統(tǒng);

(3)針對建(構(gòu))筑物與不穩(wěn)定斜坡的相互位置關(guān)系，在開挖坡體前緣修筑抗滑柱或擋土墻等進行支擋和防護。

通過后期的監(jiān)測資料來證實，治理效果明顯，達到了預期的治理目標。

5 結(jié)論

通過對膨脹土斜坡的物質(zhì)組成、變形特征及成因等分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)由富含蒙脫石的黏土夾卵石等物質(zhì)組成的膨脹土斜坡，具有裂隙發(fā)育、親水性強、遇水后抗剪強度弱化，是變形體變形的內(nèi)在因素;大氣降雨入滲和變形體前緣邊坡開挖形成的臨空條件是誘發(fā)和促成該變形體變形的主要外在因素。

(2)膨脹土斜坡的穩(wěn)定性分析，應結(jié)合地形、地貌和變形形態(tài)及特征，采取分區(qū)分段的進行。

(3)膨脹土不穩(wěn)定斜坡的變形主要是以蠕動、拉裂變形為主，且前部蠕滑牽引后部變形的漸進破壞模式。

(4)膨脹土不穩(wěn)定斜坡，應針對變形體內(nèi)外影響因素，采用“轉(zhuǎn)離棄土、裂縫封填、修建截水溝、抗滑支擋”等切實有效的綜合治理措施。

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