深层裂隙发育型膨胀土边坡变形演化特征研究

2023-12-02吴庚,宋书学,陈雪兵,熊勇

人民长江 2023年11期

吴庚,宋书学,陈雪兵,熊勇

(1.中国南水北调集团中线有限公司渠首分公司,河南南阳 473000; 2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北武汉 430010)

0 引言

膨胀土在世界范围分布广泛,许多国家在工程建设中均面临膨胀土的复杂问题[1-2]。膨胀土是在自然地质过程中形成的具有胀缩性、裂隙性和超固结性的特殊黏土。

自20世纪30年代膨胀土问题被发现和认识以来,国内外学者围绕膨胀土问题开展了大量的研究工作,取得了较好的研究成果。在膨胀土边坡稳定性方面,普遍认为膨胀土边坡失稳具有浅层性(一般不大于3 m)、逐级牵引性和缓坡滑动等特征。干湿循环易引起浅层膨胀土胀缩开裂,裂隙加速水分入渗,破坏土体结构,进而导致土体强度降低,该类裂隙的发育深度受环境影响制约,一般不大于3 m,称为浅层胀缩裂隙。最新研究[3]表明,除了环境影响造成的浅层胀缩裂隙,膨胀土地层3 m以下深度还分布着具有明显定向特征的原生裂隙,该类裂隙较为发育,受大气影响较小,称为深层原生裂隙。深层缓倾裂隙性滑动是膨胀土边坡的重要破坏模式。

有关缓倾裂隙性滑坡的机制与变形特征,国内外已有较多研究。张倬元等[4]指出近水平层状斜坡地层上边坡多发生滑移-拉裂的平推式滑坡;范宣梅等[5]和唐然等[6]开展了物理模型试验,模拟了缓倾裂隙性滑坡变形破坏全过程,并对滑坡启动机制进行了探讨;Hart[7]针对含近水平发育的剪切变形带的边坡稳定性影响因素进行了研究;郭晓光等[8]通过室内模型试验模拟缓倾滑面滑坡,将滑动过程分为初期缓慢蠕滑、平推快滑和制动减速三个阶段;程强等[9]针对缓倾软弱层边坡开挖进行了研究,将边坡变形破坏划分为开挖卸荷、陡倾拉裂隙扩大、边坡破坏三个阶段;Hutchinson[10]对缓倾黏土夹层滑坡进行了研究,指出该滑坡为沿缓倾软弱层面发生的整体移动。殷坤龙等[11]研究指出富含蒙脱石的膨胀性软弱夹层是万州水平地层古滑坡形成的重要原因。

有关膨胀土深层原生裂隙面也有较多研究。包承纲等[12]研究指出膨胀土应区分土块强度、沿裂隙面强度、沿活动面强度和土体强度;刘特洪[13]提出膨胀土中存在土块强度、裂隙面强度和土体强度等不同的概念,其中,裂隙面强度最低;孔德坊[14]认为深层原生裂隙是由于卸荷作用产生的,并验证了充填物是由地下水的长期淋滤作用形成;Fookes[15]和冯玉勇[16]等认为膨胀土深层原生裂隙是由于地层构造运动产生,而Labute和Gretener[17]则认为深层原生裂隙是由于差异压密作用形成。龚壁卫等[18]统计了南阳地区膨胀土深层裂隙空间分布特征与产状,指出该类裂隙具有3°～5°的缓倾特征。蔡耀军等[19]通过现场试验,研究了原生裂隙导致膨胀土边坡滑坡的变形与破坏特征,提出了原生裂隙控制的深层失稳模式;胡波等[20]利用CT三轴原状样试验,获得了该种裂隙的面强度参数。

目前,针对存在软弱夹层的滑坡研究较多[21-23],且多为软硬岩互层的岩质边坡滑动,膨胀土边坡原生裂隙相关研究也集中在裂隙面的成因与强度方面,对于原生裂隙控制的深层滑动研究较少,相应的滑坡力学机制以及变形破坏演化规律相关研究更少。因此,需针对赋存深层原生裂隙的膨胀土边坡在开挖过程中的变形演化特征与机制进行研究。

为此,本文基于鄂北调水工程袁冲暗涵段开展裂隙发育型膨胀土高边坡的大型现场原型试验,结合边坡开挖、变形及滑坡的现场特征,研究缓倾原生裂隙导致滑坡的力学机制;研究开挖及降雨过程中边坡的变形发展及破坏规律,采用幂函数描述深层位移速率发展规律,分析不同阶段边坡的变形演化特征及开挖、降雨对其影响;按边坡变形发展特征,将边坡变形划分为长期稳定、短期稳定和快速破坏三种状态,并提出相应的判别阈值,以期提出适用于裂隙发育型膨胀土边坡变形状态的评价及失稳预警方法。

1 深层原生裂隙特征

裂隙性是膨胀土的重要特征。本文现场试验开始前,对研究范围内地层裂隙进行了较大范围的开挖揭露,发现大量光滑蜡状裂隙,如图1所示。该种裂隙与龚壁卫等[18]在南阳膨胀土地层中发现的原生裂隙较为一致,裂隙充填物呈灰绿色,含水率高,物质强度远低于裂隙面两侧膨胀土,一旦边坡开挖深度接近原生裂隙赋存深度,就会发生明显的滑动,如图2所示。

图1 光滑蜡状裂隙Fig.1 Smooth waxy fissure

图2 深层裂隙性滑动Fig.2 Deep fractured sliding

为了探明膨胀土地层中该种原生裂隙的倾斜角度,在开挖滑坡各级马道处进行了深层变形监测,监测数据如图3所示。

由图3可知,各级马道下位移突变深度分别为6.0,11.7 m和16.8 m,得到深层裂隙如图4所示。

图4 深层裂隙倾向特征(尺寸单位:m)Fig.4 Characteristics of deep fracture tendency

由上文可知,该地区深部赋存较为发育的原生裂隙,裂隙间填充物强度较低,且呈缓倾特征。

2 深层滑动力学机制

膨胀土具有裂隙性、超固结性和胀缩性三大特征,其中,裂隙性除了干湿循环产生的胀缩裂隙,还存在深层原生裂隙l1,如图5所示。当边坡开挖至深层缓倾原生裂隙面以上h时,由于潜在滑体侧向约束明显减小,滑体开始沿l1蠕滑,进而出现竖向张拉裂缝l2。

图5 裂隙性滑动力学机制Fig.5 Mechanics mechanism of fissured sliding

当开挖至边坡处于临界状态时,裂隙面以上土层临界厚度为h0,滑体重力为W,裂隙面垂向压力为f1,土层侧向约束应力为q,滑体抗拉应力为σ2。其中,裂隙面强度参数为tanφ0和c0。滑体所受下滑力为Ft,抗滑力为Fr,则有:

f1=Wcosβ+σ2l2cosα+qh0sinβ

(1)

Fr=f1tanφ0+c0l1+σ2l2sinα+qh0cosβ

(2)

Ft=Wsinβ

(3)

继续开挖至h

对于滑动后通过压脚回填至稳定的滑坡,抗滑力增加量为ΔFr=Δhq。若出现降雨,雨水进入裂缝l2,形成一定的储水深度,使滑体下滑力增加。当裂缝储水深度hw超过临界值hw0时,滑坡将重新启动,随着滑体沿裂隙面滑动,储水深度hw逐渐降低。当储水量一定,滑动距离为s时,张拉裂缝宽度由初始宽度b0发展至b0+s,下滑力与抗滑力做功相等,有:

b0hw=(b0+s)h

(4)

(5)

由上可得边坡重复滑动的制动距离s及临界储水深度hw0。

在拉裂缝未形成之前,雨水影响深度有限,开挖卸荷是决定膨胀土边坡深层稳定性的主要因素;深层滑动形成拉裂缝后,降雨则是引起边坡反复滑动的核心因素。

3 膨胀土边坡变形特征分析

为了分析开挖过程中膨胀土边坡变形演化特征,以及开挖、降雨对变形演化规律的影响,选取出现裂隙性滑坡的临近区域开展膨胀土边坡大型现场原型试验。试验段长90 m,中间断面边坡设计高度为22.5 m,分4级开挖,从下至上依次为6.5,6.0,6.0 m和4.0 m,各级马道设置测斜管,用以测试深层裂隙面处水平位移。边坡断面如图6所示,图7为边坡开挖过程阶段图片。

图6 边坡断面(尺寸单位:m)Fig.6 Slope section

图7 边坡开挖过程Fig.7 Slope excavation process diagram

3.1 膨胀土边坡深层变形规律分析

试验段整个开挖过程中最大深层位移累计曲线如图8所示。其中,Z1和Z3为一级马道和三级马道下原生裂隙面处的水平位移。

图8 试验段开挖期间深层裂隙面处水平位移Fig.8 Horizontal displacement of deep fracture surface during excavation of test section

整个过程可分为4个时间段:第1个时间段(0～26 d),期间边坡开挖深度为19.5 m;第2个时间段(27～39 d),期间边坡开挖深度为22.5 m;第3个时间段(43～52 d),发生第一次强降雨;第4个时间段(65～77 d),发生第二次强降雨,边坡失稳。

由图9可知,第1时间段开挖结束时,累计位移较小,增长趋势也不明显。期间发生过数次降雨,但对边坡位移未产生明显影响,主要原因为滑体未形成,降雨影响范围主要集中在浅表层,深层位移主要为开挖卸荷产生的松动位移。

图9 第1时间段深层裂隙面水平位移Fig.9 Horizontal displacement of deep fracture surface in the first duration

第2时间段土层开挖分3次进行,开挖厚度依次为1.5,0.5 m和1.0 m,期间边坡裂隙面位移如图10所示。每次开挖均呈收敛型发展趋势,整个阶段位移曲线呈现台阶式增长,与分层开挖过程一致,且坡脚滑动更为明显。

图10 第2时间段深层裂隙面水平位移Fig.10 Horizontal displacement of deep fracture surface in the second duration

第3时间段为第一次强降雨,降雨期间边坡位移增长趋势比开挖更为明显,期间滑动位移也更大,但仍呈收敛趋势。此时边坡开挖已至滑动面深度,滑动位移超过80 mm,如图11所示。结合前述降雨对边坡滑动的影响分析,可推测此时滑体后端张拉裂隙初步形成。此时,降雨对边坡影响较开挖过程更为明显。

图11 第3时间段深层裂隙面水平位移Fig.11 Horizontal displacement of deep fracture surface in the third duration

第4时间段为第二次强降雨,期间裂隙面滑动位移呈明显发散趋势,且坡顶伴随可见的张拉裂缝出现,深部滑动位移超过80 mm。该阶段张拉裂缝已经贯通,降雨形成明显的静水压荷载,由公式(4)和(5)可知,滑体将沿滑动面滑动一定的位移s。因坡脚采取了压脚措施,故边坡深层滑动距离s较小,约为80 mm,见图12、图13。

图12 第4时间段深层裂隙面水平位移Fig.12 Horizontal displacement of deep fracture surface in the fouth duration

图13 滑坡体坡顶裂缝Fig.13 Crack at slope top

3.2 膨胀土边坡深层变形演化特征

膨胀土边坡与普通黏土边坡差异较大,且不同膨胀土地段地质差异较大。实践表明,规范提出的边坡稳定判别方法适用性不高[21],难以通过变形或者速率的大小对膨胀土边坡的稳定性进行判别。

研究表明,通过变形速率发展趋势对长期变形演化特征进行判别是一条有效途径[22-23]。采用负幂函数v(t)=at-p对变形速率进行描述,则其幂指数p可定量反映速率衰减或是发散的快慢,且p与外荷载呈非线性负相关关系,从而通过p的大小对长期变形演化状态进行判别,判别方法推导详见相关文献所述[24-27],该判别法如表1所列。

表1 变形演化状态“幂次判别准则”Tab.1 “Power indexcriterion” for deformation evolution state

由前述裂隙性滑动力学机制可知,本文试验段边坡滑动本质为下滑力与抗滑力共同作用下的裂隙面蠕滑,属于蠕变的范畴,可采用幂次判别法对边坡变形进行分析。

为此,利用裂隙面滑动位移数据,获得各个阶段不同时刻的变形速率,采用负幂函数v(t)=at-p进行拟合,获得判别参数p。由于第1个时间段变形过小,现对第2个时间段内3次开挖以及两次降雨过程中变形数据进行处理。具体拟合结果如图14～17所示。

图14 第1时间段内3次开挖位移速率变化趋势Fig.14 Variation trends of displacement ratio of the 1st～3rd excavations in the first duration

图15 第一次降雨期间位移速率变化趋势Fig.15 Variation trend of displacement rate during the first rainfall

图16 第一次雨后位移速率变化趋势Fig.16 Trend of displacement rate after the first rain

图17 第二次降雨期间位移速率变化趋势Fig.17 Variation trend of displacement rate during the second rainfall

按同样的数据处理方法对三级马道水平位移曲线进行分析与处理,可得到第2个时间段内3次开挖及两次降雨期间变形速率随时间的衰减或增长的幂指数,如表2所列,整个过程p变化如图18所示。

表2 各时间点边坡位移速率变化的幂指数pTab.2 Power exponent of slope displacement rate at different stages

图18 幂指数p变化曲线Fig.18 Power exponent p variation curve

根据表1中的 “幂次判别法”,结合表2和图18,可知:第二阶段的三次开挖过程中,幂次值p在0～1之间,边坡处于缓慢失稳状态,即边坡按当前趋势发展,经过较长时间后将会失稳,并且p由0.424逐步降低至0.244,接近0,表明边坡变形状态逐渐向快速失稳转变。

开挖完成后,第一次降雨期间,幂次值p降低至-1～0之间,边坡处于缓慢破坏状态,若不采取措施,边坡在较短时间内将失稳。降雨停止后,采取了一定的压脚措施,边坡抗滑力增大,变形幂次值增大至0～1之间,变形处于快速破坏状态。

第二次降雨期间,降雨量较第一次有所增大,降雨时间也较长,变形速率幂指数p迅速减小至-5～-2之间,位移速率迅速增大至较高水平,边坡快速失稳,坡顶出现数十cm宽的张拉裂缝,坡脚隆起。

综上,在幂次判别法基础上,针对膨胀土边坡稳定性,将破坏状态进一步细分为缓慢失稳、短时失稳、快速失稳三种失稳状态类别,且以幂次值p作为判别参数,建立相应的判别准则,如表3所列。

表3 边坡失稳状态划分及判别准则Tab.3 Division and criterion of slope instability

具体如下:

当幂次值p∈(0,1]时,边坡处于缓慢失稳状态,边坡变形随时间累积、发散,较长时间后,边坡将会失稳,该种类别对应裂隙面上覆土层厚度小于临界厚度;

当幂次值p∈[-1,0]时,边坡处于短时失稳状态,边坡变形随时间累积、发散,边坡将会在较短时间后失稳;

当幂次值p∈(-∞,-1)时,边坡处于快速失稳状态,边坡即将失稳。

4 膨胀土临时边坡稳定性预警方法

永久边坡要求边坡长期稳定,且对边坡变形有较严格的要求,而临时边坡对变形控制要求较低,边坡在短期内不会失稳即满足工程需求。根据表3,可针对膨胀土临时边坡提出定量的监测预警方法:即,-1≤p≤0时,应提出预警,需对边坡采取一定的加固措施;p<-1时,边坡即将失稳,应以保障人员安全为首要目标,待边坡滑动一定的距离稳定后,再对滑动后的边坡采取相应的工程措施。其中,数据幂次值宜通过最近5次监测获取。