膨胀性黏土不稳定斜坡变形成因机制及防治措施

2012-06-29王志远康景文颜光辉冯世清张军新

四川建筑 2012年4期

王志远，康景文，颜光辉，冯世清，张军新，陈展

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610081)

膨胀土因其矿物成分以强亲水的蒙脱石和伊利石为主，具有显著的胀缩性(遇水膨胀、失水收缩)和裂隙性，工程建设中易形成滑坡而造成很大的危害。同时，由于膨胀土的低压缩性，在天然含水率的情况下一般处于较坚硬的状态，容易忽视其是工程建设中的潜在破坏因素，因此，膨胀土边坡的收缩、膨胀等病害，常造成斜坡产生开裂、位移、崩垮，导致建筑地基出现不均匀的竖向或水平的变形、倾斜甚至破坏。国内外学者对膨胀土地区滑坡的变形特征和稳定性已有较多的研究，但针对膨胀土地区斜坡变形和失稳的形成机制研究还处于探索阶段［1］～［5］。因此，加强对膨胀不稳定斜边坡变形和滑动的演化过程方面的研究意义重大。某实验中学南侧不稳定性斜坡主要以具有膨胀性的黏土为主，建筑施工过程中，由于在开挖坡脚前没能采取有效的支护措施，同时在坡顶大面积堆置施工弃土，造成斜坡体上部出现地表开裂及盛水池、输水管拉裂等，坡前缘正在建造的建筑地基不同的鼓裂和基础变形等不良现象(图1、图2)。一旦遇有持续降雨使其失稳，将严重毁坏其上部的正在使用配套用房，威胁斜坡前缘正在施工的建(构)筑物生产安全以及影响规划用地建设的适宜性等。本文以此膨胀土不稳定斜坡为对象进行研究，通过坡体地质环境、物质特性及稳定性验算，分析其变形成因机制，为后续斜坡治理和工程建设提供必要的参考依据及建议。

图1 斜坡变形产生的裂隙

图2 斜坡变形引起基础弯曲

1 工程地质条件概况

不稳定斜坡位于某市涪城区蒋家沟南侧。根据场地勘察报告，该斜坡地处浅丘丘状斜坡及中部丘间洼地，属丘间洼地与浅丘丘状斜坡地貌类型。斜坡体后缘基岩露头陡坎，东西两侧以冲沟为界。发生变形破坏时，前缘已存在人工开挖直立边坡，高度8.0～10.0 m，形成较陡的临空面。发生变形破坏的不稳定斜坡纵向长200.0 m，横向长约600.0 m，总面积约为0.12k m2;斜坡变形体平均厚度为5.0 m，其上部多为梯形叠瓦状旱地，总体积约60×104m3，属于中型不稳定斜坡。斜坡主滑方向地面坡度为28°。不稳定斜坡形状、范围、分区及勘察剖面布置见图3。

通过钻探揭露，该斜坡地层从上至下依次由第四系全新统人工填土层(Q4ml)、第四系中下更新统冰水沉积层(Q1+2fgl)和下伏侏罗系七曲寺组泥岩(J3q)构成。在区域构造上，地处该地区帚状构造带上的周家梁子背斜北东翼，距北川－映秀逆冲断层的直线距离约45 km，“5·12”汶川大地震对斜坡稳定性受影响较小。

图3 不稳定斜坡工程地质平面

2 斜坡体变形特征和膨胀土特性及影响因素

2.1 变形特征

根据斜坡的变形形态和变形特征，为便于进行表述和有针对性地分析，在垂直变形方向上划分成I1、I2和I3三个大区域，在沿变形方向上将斜坡大区划分成的基础上由分类成Ⅱi1、Ⅱi2二个亚区域(图4)。育6条垂直变形方向的张拉裂隙，最大延伸长度为15 m，最小延伸长度为3 m，裂隙张开度为20～50 mm;局部出现下挫，其最大下挫高度为15 cm(图1)，由于该区位移较大，造成上部新修的配套用房基础发生弯曲破坏(图2)。据该区在Ⅱ1区内的监测数据反映，其每天的变形量在20 mm/d 左右，最大可达45 mm/d。

I2区域位于不稳定斜坡中部，长约200 m，宽约230 m，面积约0.05 km2，高程527.0～557.0 m，前部坡度为10°～12°，后部坡度为20°～25°，前缘为人工切坡，高度8.0～10.0 m。

图4 斜坡破坏特征分区

根据不稳定斜坡变形形态区域划分(图4)，Ⅰ1区域位于不稳定斜坡东侧，长约220 m，宽约180 m，面积约0.03 km2，高程523.00～557.00 m，前部坡度为8°～10°，后部坡度为15°～20°，前缘为人工切坡，高度10.0～12.0 m。其上发该区域变形相对较小，仅发育1条裂隙，延伸长度为5.2 m，裂隙张开度为10～20 mm(图5、图6)。根据该区在Ⅱ1区内的变形监测数据反映，每天的变形量在2～5 mm/d 左右，变形相对较小。

图5 I2 区变形产生的裂隙

图6 I2 区变形产生的裂隙

I3区域位于不稳定斜坡西侧。长约260 m，宽约160 m，面积约0.04 km2，高程533.00～573.00 m，前部坡度为12°～15°，后部坡度为30°～50°，前缘为人工切坡，高度5.0 m～6.0 m。其上发育3条裂隙，延伸长度为6.0～12.0 m，裂隙张开度为90～100 mm。由于变形较大，上部输水管道被拉裂(图7、图8)。根据在Ⅱi1区内的变形监测数据反映，其每天的变形量在20 mm/d 左右。

在垂直变形方向上，根据裂隙的发育位置及延伸状态和区域划分。Ⅱi1区位于不稳定斜坡北部，长约100.0 m，宽约500.0 m，面积约0.07 km2，高程528.0～546.0 m，相对高差为18.0 m，其内裂隙大量发育，房屋变形、水管拉裂等均出现在该区域，为不稳定斜坡强变形区;Ⅱi2区位于不稳定斜坡南侧，长约80.0 m，宽约600.0 m，面积约0.05 km2，高程546.0～557.0 m，相对高差为11.0 m，内裂隙发育少，斜坡变形位移较小，为不稳定斜坡的弱变形区域。

综合上述，该斜坡变形特征主要表现为两侧大中间小;前部大、后部小的特征。总体上呈现两侧拖曳中部，前部牵引后部的变形趋势。

2.2 膨胀特性

图7 I3 区变形产生的裂隙

图8 I3 区变形引起水管拉裂

不稳定性斜坡坡体主要为广泛分布于覆盖在泥岩上的第四系冰水沉积层的黏土。棕黄～红褐色，呈软塑～可塑状，土质较纯。组成主要是以黏土矿物为主，含有碎屑矿物，其中含约10% 的铁锰质角砾状结核成分的砂卵石;厚度0.90～4.90 m。沿变形方向，前缘及中部较厚，后缘相对较薄;垂直变形方向，东西两侧较厚，中部相对较薄。

通过对斜坡体的大量取样进行的常规及膨胀性试验(表1、表2)分析黏性土特性。

表1 黏土样物理力学性质分析试验结果统计

续表1

表2 胀缩试验统计表

试验统计结果表明，该黏土层天然含水率较高，液限和塑限及塑限性指数均较大，且具有典型膨胀性黏土的特征。通过胀缩性分析统计可知，该黏性土膨胀力最大为72.80 kPa，自由膨胀率最大为52%，最小为45%，平均值为48%，具弱膨胀潜势［6］。

由于变形后斜坡的勘察在处于丰水期期间进行，降雨的频率和降雨量均较大，对现场取样和试样的符合性有一定困难和不同程度的影响，但并不影响对斜坡土体整体性状的判定。由于本地区干湿交替频繁，在强降雨和干旱等不利气候的影响下，斜坡膨胀土土体内部水分强烈急剧变化，膨胀土土体内部由于水富集程度的提高，增大坡体的容重的同时也就增加了促使坡体不稳定的下滑力，同时降低了坡体和结构面的抗剪强度，并加大了地表水渗入坡体的速度和数量，进一步加剧斜坡的变形破坏。

鉴于该不稳定斜坡坡体在Ⅱi1区、Ⅱi2区变形破坏特征存在明显差异，勘察时对变形破坏区内的黏土(滑带土)进行了分区取样和试验，强度指标综合取值如下表3 和表4。

表3 Ⅱ1 区粘土剪切试验结果统计表

续表3

表4 Ⅱ2 区粘土剪切试验结果统计表

通过表1～表4 的对比不难发现，该斜坡膨胀土在Ⅱ1区内的各项c、φ 值指标均低于Ⅱ2区。通过现场的调查分析，主要原因在于Ⅱ1区坡度较缓，Ⅱ2区较陡，在大气降雨到地面时，Ⅱ1区地面径流较慢，加上该区裂隙发育，使其地表水大量下渗，很大的影响了其岩土性状。由此可见水对膨胀土的影响主要表现在三个方面:一是稠度状态的改变，在膨胀土中，随着含水量的增加，土体的稠度状态发生变化，一定程度上影响土体的结构性;二是容重的变化，随着含水量的增加，膨胀土有效容重变小;三是孔隙度的改变，由于膨胀土富含有强亲水性的蒙脱石、伊利石黏土矿物，当水分进入土体时，这些颗粒就吸咐着大量的水分在自身周围形成水膜，使颗粒周围的结合水膜增厚，颗粒间的距离增大，土体中的原始孔隙度增大，使颗粒间的连结力减小，导致土体的抗剪强度降低。由于Ⅱ1、Ⅱ2区膨胀土受干湿交替、裂隙发育、开挖及水体渗入影响因素等不同，导致两个区内土体的物理力学参数差异明显。总之，该斜坡体以弱膨胀土体为主，对水敏感性且影响显著。

2.3 斜坡变形影响因素

不稳定斜坡坡体为膨胀土，促使其变形为内因和外因联合作用的结果。变形内因主要为土体的胀缩性、地表水下渗改变土体形状(软化)等;变形外因主要为坡前无治理措施和不合理的人工切坡形成临空面和坡顶大量堆土附加荷载。其中水的作用因素又是影响外因素的关键，对膨胀土斜坡稳定性起到主要控制作用。

3 不稳定斜坡变形成因机制分析及状态判定

3.1 坡脚临空应力松弛及坡顶超载成因机制

由于斜坡坡体主要为覆盖与顶板一定坡度泥岩上的具有膨胀性的黏性土，在坡体前缘开挖造成临空面时，由于坡体下部卸荷、土体纵向松弛、崩裂等原因，在土体发育较多裂隙的浅层形成应力释放区，坡体土体崩垮松散，坡顶超载更加剧了土体侧胀和土体内裂隙发展;而深部土体则侧胀不明显，因此，在深浅交界处裂隙卸荷带产生较大水平剪应力而形成潜在滑带，并逐渐随着裂缝的发展深入至泥岩层，斜坡体形成沿基覆界面发生滑移变形。下部土体滑动后，上部土体所受的侧向阻力消失，形成了与下部土体相同的应力状态和空间条件，便再次产生向后缘延伸的拖曳中部及牵引后部滑移。在平缓宽阔的边坡上，上部土体有可能和下部土体的再滑移同时产生，形成多级滑移。

3.2 坡体岩性成因机制

由于斜坡坡体主要为膨胀性土，坡体下部卸荷、土体纵向松弛、崩裂、干湿交替等原因，在应力释放和崩垮时，使土体原已浅部存在较多的裂隙更加发育，并逐渐发展深入至泥岩层，透水性随深度由强变弱。大气降雨后，由于坡体坡度较缓，地表径流较慢，增加了雨水的下渗量。浅部土体在遇水后迅速膨胀，形成更明显的应力释放区，坡体土体崩解、松散，而深部土体则膨胀不明显，因此，在卸荷裂隙不显著的深浅交界处带形成潜在滑移面。由于泥岩的弱透水性(隔水层)，地下水渗入后，膨胀土体在水体作用下崩解、软化，则形成基覆界面上的滑移带。下部土体滑动后，上部土体所受的侧向阻力消失，便产生进一步滑动。在平缓宽阔的边坡上，上部土体有可能和下部土体的再滑动同时产生，形成多级滑动。

3.3 滑移渐变成因机制

在应力松弛和坡体岩性成因机制基础上，伴随着坡体后缘自坡面向深部发展的拉裂缝的发育和发展，引发斜坡体向坡前临空方向发生不同发展状态过程的剪切蠕变滑移的加剧，最终形成大范围的变形破坏。

(1)表层蠕动变形阶段。工程建设过程中，在未做好有效支护的情况下，进行大量开挖前缘坡脚，导致坡脚应力集中，力学平衡被打破，坡体产生卸荷变形。特别是膨胀土，因其存在着较大的水平应力，开挖将会导致坡脚～前缘附近产生严重的剪应力集中与应力重分布，在坡体浅表层产生松弛变形，后缘产生拉应力(图9);

(2)后缘拉裂变形阶段。不稳定斜坡体东部后缘，人工堆载了大量弃土，使得坡体上部土压力增大，加大了斜坡的下滑力，而前缘的人工开挖坡脚使得之间压力差加大，从而很大程度上加剧了裂缝的发生和发展。坡体前缘滑移，带动后部土体产生裂缝增加，促使下部坡体加速向前滑移变形的同时，使得坡体形成面向坡下的台阶(图10)，并具有一定的牵引性，逐步形成渐进性滑移带。

(3)蠕滑破坏阶段。随裂缝增多和剪切变形进一步发展，中部剪应力集中部位可被扰动扩容，斜坡下半部分逐渐隆起。随着变形开展，斜坡体变形发生转动，后缘明显下沉，拉裂面由开初的张开转为渐趋闭合，裂缝两侧面的互错方向与前一阶段恰好相反。这些迹象预示变形进入累进性破坏阶段，一旦潜在剪切面被剪断贯通，则发展为滑动，后缘形成明显密集的拉裂加速蠕变(图11)。

图9 表层蠕动变形阶段

图10 后缘拉裂变形阶段

图11 加速蠕变破坏阶段

依据上述分析，勘察阶段Ⅱi1区域已处于后缘拉裂变形阶段，前缘滑动的阶段，Ⅱi2区域由于其土层厚度较薄(仅2.00 m)，受Ⅱi1区域牵引力有限，正处于表层蠕动变形阶段。

3.4 各区域状态判定

根据上述分析，该不稳定斜坡体纵向上I1区域由于斜坡体人为堆载及边坡开挖，斜坡变形量较大;I2区域虽然其前缘开挖高度较大，但因其土层厚度较小，且坡面坡度较为平缓，其变形量也较小;I3区域由于膨胀土厚度大，且坡度相对较陡，前缘开挖高度较大，变形量也较大。纵向上由于Ⅱi1区域内膨胀土厚度较大，加上前缘大量开挖坡脚和坡体上部堆载，使得该区域内变形位移较大;Ⅱi2区域由于膨胀土层较薄，加上Ⅱi1区域尚未形成滑动，其牵引力较小，变形也不明显，处于表层蠕动阶段。

4 斜坡稳定性计算及防治措施及建议

4.1 稳定性计算

根据坡体物质膨胀土特性分析及结合变形迹象调查，本文仅通过选取位于I1、I2、I3区域的2－2’、4－4’及7－7’剖面上的Ⅱi1、Ⅱi2区域稳定计算，分析整体稳定性。由于该斜坡主要是沿基岩面界面滑动，暴雨为其主要因素，因此，计算中主要针对自重加暴雨的工况，其安全系数取1.1。计算分区条块图见图12(a)、(b)、(c)。

计算采用的参数在试验数据基础上，兼顾当地的工程经验及反演计算确定。其中天然重度取20.0 kN/m3;饱水重度取22.0 kN/m3，其它计算参数取值见表5。

图12 (a) 计算剖面2－2

图12 (b) 计算剖面4－4

图12 (c) 计算剖面7－7

表5 滑带土抗剪强度参数综合取值表

计算结果统计详见表6。

表6 分区条块计算成果统计表

通过上表统计结果分析可知，在自重加暴雨工况下I1、I2、I3三个区域整体上稳定性系数均小于1.1，处于欠稳定状态，且I1、I3区域较I2区域稳定系数较小，剩余下滑力较大，稳定性相对较差;而Ⅱi2区域相对Ⅱi1区域而言，由于Ⅱi1区域尚未出现整体下滑而形成临空面，因此，该区域目前处于基本稳定状态。计算结果与现场调查的结论基本相符。

通过计算，目前Ⅱi1区斜坡处于欠稳定状态，边坡安全储备较低;Ⅱi2区斜坡目前处于基本稳定状态，当Ⅱi1区变形加大，带动Ⅱi2区变形，则可能转向欠稳定甚至不稳定状态，其安全储备不大。