于生飛，高 鵬，張夏滔

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

膨脹土地區(qū)的邊坡往往“逢塹必滑”，對工程安全的危害性極大。由于膨脹土具有與一般黏土不同的工程特性，如裂隙性和遇水膨脹、失水收縮開裂等，在大氣影響深度范圍內(nèi)，土體的濕脹干縮現(xiàn)象尤為明顯，抗剪強(qiáng)度降低，膨脹土邊坡發(fā)生淺層滑坡失穩(wěn)是常見的變形現(xiàn)象[1]。

由于膨脹土的特殊性和復(fù)雜性，當(dāng)前對膨脹土邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取尚缺乏明確認(rèn)識(shí)[2-6]。以往習(xí)慣于沿襲一般黏土邊坡穩(wěn)定分析的思路，將膨脹土邊坡穩(wěn)定問題簡單地視為膨脹土強(qiáng)度問題，要么將抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值過高或過低，沒有明確區(qū)分抗剪強(qiáng)度在大氣影響深度或地下水位變幅區(qū)界線的變化和不同，導(dǎo)致驗(yàn)算結(jié)果與實(shí)際邊坡穩(wěn)定性偏差較大。

抗剪強(qiáng)度參數(shù)的合理選取，是膨脹土邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的前提和基礎(chǔ)，對于膨脹土地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性的合理分析、評估，保障邊坡區(qū)域的建(構(gòu))筑物的安全具有重要意義。本文通過對膨脹土地區(qū)邊坡滑動(dòng)破壞機(jī)理及特征的研究，探討出膨脹土邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)的一種合理的取值方法，并應(yīng)用于印尼某膨脹土邊坡工程實(shí)例中。

1 膨脹土邊坡破壞機(jī)理及特征

膨脹土由于含有大量的蒙脫石、伊利石等親水性黏土礦物，在大氣降雨和蒸發(fā)的作用下，使土體含水量變化較大，從而產(chǎn)生濕脹干縮循環(huán)，土的原始組構(gòu)逐漸破壞，裂隙逐漸發(fā)展，抗剪強(qiáng)度降低，容易促使邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)。

許多工程表明，膨脹土滑坡大多為淺層滑坡，其滑面厚度不大，一般在3～4 m左右，主要由于上部卸荷、土體脹縮等原因，裂隙多發(fā)育于邊坡體淺部。相比較深部土體，淺部土體的透水性較好，更容易受反復(fù)脹縮作用的影響，膨脹土邊坡更容易在抗剪強(qiáng)度較差的淺部土體內(nèi)發(fā)生剪切破壞滑動(dòng)。另外，膨脹土邊坡滑坡絕大多數(shù)屬于牽引性滑動(dòng)，在反復(fù)脹縮作用下，膨脹土邊坡抗剪強(qiáng)度一旦降低，產(chǎn)生第一次滑動(dòng)后，抗剪強(qiáng)度繼續(xù)降低而產(chǎn)生進(jìn)一步破壞，發(fā)育形成第二次、第三次甚至多次滑動(dòng)，最后直到達(dá)到新的極限穩(wěn)定平衡為止。各次滑動(dòng)面相互貫通，形成多次牽引階梯狀疊瓦形式，如圖1所示。

圖1 膨脹土邊坡滑動(dòng)的典型斷面圖

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，膨脹土滑坡從剖面力學(xué)特征上看可劃分為3個(gè)區(qū)，即后緣拉張區(qū)、中部剪切區(qū)和前緣隆起區(qū)[2-3]。據(jù)此，可將其失穩(wěn)演化過程分為3個(gè)階段：初始張裂破壞階段、剪切面擴(kuò)展破壞階段、整體變形破壞階段。

2 膨脹土邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取方法

合理選取邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是膨脹土邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算和設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵。膨脹土邊坡穩(wěn)定性主要由其較低的長期抗剪強(qiáng)度所控制，影響長期抗剪強(qiáng)度的因素主要有兩個(gè)方面，一方面是受土體膨脹作用和重力作用引起的淺層土體沿潛在滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度降低；另一方面是由于大氣影響作用，使得大氣影響層內(nèi)土塊破裂，顆粒間聯(lián)接力減弱，從而使抗剪強(qiáng)度降低。驗(yàn)算土坡的長期穩(wěn)定性應(yīng)該選用坡內(nèi)土體可能達(dá)到的最低抗剪強(qiáng)度值。

假設(shè)將均質(zhì)的邊坡土體分為三層，分別為淺層(大氣影響深度層)、中層和深層，如圖2所示。一般來說，淺層厚度一般為3～4 m左右，中層厚度約為4～8 m，以下為深層。

圖2 膨脹土邊坡體分層模型

邊坡土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)由深層到中層再到淺層具有逐漸衰減趨勢，由于膨脹土滑坡的淺層性，滑動(dòng)面一般處于大氣影響深度層內(nèi)，也就是說，淺層(大氣影響深度層)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是最小的。考慮到上述因素，邊坡土體抗剪強(qiáng)度由深層到淺層(大氣影響深度層)建議選用峰值強(qiáng)度到殘余強(qiáng)度的趨勢。對于膨脹土邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)可考慮按如下原則采用：

1)淺層(大氣影響深度層)、水位變化幅值區(qū)，以及中層、深層土體宜區(qū)別采用不同的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2)若邊坡未有滑動(dòng)破壞的跡象，淺層(大氣影響深度層)內(nèi)或水位變化幅值區(qū)抗剪強(qiáng)度(C、φ值)建議按室內(nèi)試驗(yàn)的殘余抗剪強(qiáng)度取值，中層范圍內(nèi)土層可以采取室內(nèi)剪切試驗(yàn)的殘余抗剪強(qiáng)度和峰值抗剪強(qiáng)度的中間值(可結(jié)合試驗(yàn)指標(biāo)，按巖土狀態(tài)經(jīng)驗(yàn)取值)，深層土層可按峰值抗剪強(qiáng)度取值。

3)若邊坡已發(fā)生滑動(dòng)破壞或變形跡象，滑面及其以上的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可按反算指標(biāo)確定。滑動(dòng)面以下到中層層底范圍內(nèi)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可按殘余抗剪強(qiáng)度和峰值抗剪強(qiáng)度中間值(可結(jié)合試驗(yàn)指標(biāo)，按巖土狀態(tài)經(jīng)驗(yàn)取值)，深層土層可按峰值抗剪強(qiáng)度取值。

4)一般邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算按天然、飽和及地震三種工況考慮，抗剪強(qiáng)度參數(shù)宜按不同驗(yàn)算工況分別取值，飽和狀態(tài)宜取相對低值，天然狀態(tài)和地震工況宜取相對高值。

3 膨脹土邊坡體穩(wěn)定性分析驗(yàn)算方法

膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析驗(yàn)算建議采用剛體極限平衡分析方法，根據(jù)邊坡的滑面形態(tài)(圓弧或折線滑動(dòng))及驗(yàn)算需要，采用不同的分析計(jì)算方法。

邊坡驗(yàn)算滑面應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場邊坡變形現(xiàn)狀采用固定或自動(dòng)搜索模式，同時(shí)考慮邊坡體結(jié)構(gòu)、裂隙面以及降雨等外界因素的影響。

膨脹土滑坡往往從下部先滑，逐漸往上發(fā)展，形成多次滑動(dòng)。因此，膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析宜同時(shí)對邊坡的整體和局部進(jìn)行滑動(dòng)搜索和驗(yàn)算。

4 工程實(shí)例

以某2×660 MW坑口電站工程廠區(qū)某段膨脹土邊坡為例，邊坡高度約15～19 m，邊坡巖土體主要由上覆的硬塑—堅(jiān)硬的黏土(厚度一般為8～10 m)及下伏的全風(fēng)化泥巖組成，各層土具弱—中膨脹潛勢。工程場地的大氣影響深度為3.90 m。

現(xiàn)場勘察期間，邊坡已基本按照整體約1：2.5坡率完成開挖，當(dāng)?shù)赜昙緛砼R后，在暴雨工況下，邊坡多處地段已發(fā)生較嚴(yán)重的滑動(dòng)。

邊坡的滑塌狀況和滑面形態(tài)照片如圖3和圖4所示，可以看出滑坡形態(tài)是上小下大，發(fā)育有多條平行于邊坡走向的張裂隙，表面可見陡坎和臺(tái)階。可以判定，滑坡是以牽引式滑動(dòng)為主，坡體下部先滑動(dòng)，繼而引發(fā)滑塌向上不斷發(fā)展。

圖3 場地膨脹土邊坡滑塌狀況

圖4 場地膨脹土邊坡滑面形態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場勘察得到的滑面剪出口、滑面深度以及后緣拉張裂縫位置，模擬出邊坡的滑動(dòng)面，以此對滑面抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演分析，反演的滑面如圖5所示。

圖5 強(qiáng)度參數(shù)反演滑面

滑面參數(shù)反演時(shí)，反演滑面的穩(wěn)定性安全系數(shù)取1.0，由此反算得出的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(飽和狀態(tài))如表1所示。

表1 反演滑面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(飽和狀態(tài))

依據(jù)挖方邊坡滑塌現(xiàn)狀的參數(shù)反演情況，參考廠區(qū)邊坡勘察的室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合挖方邊坡現(xiàn)場地層勘察情況，考慮大氣影響深度界線后，綜合確定的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 綜合確定的邊坡強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)該方法選取的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對邊坡進(jìn)行整體和局部穩(wěn)定性驗(yàn)算，如圖6所示，穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

圖6 邊坡整體、局部穩(wěn)定性驗(yàn)算剖面圖

表3 邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果可以看出，在天然工況下，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨和地震工況下，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這與現(xiàn)場邊坡客觀實(shí)際穩(wěn)定情況是基本相符的。因此，對于膨脹土邊坡，抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取方法總體上是合理可行的。

5 結(jié)論

本文通過對膨脹土地區(qū)邊坡滑動(dòng)破壞機(jī)理及特征的研究，探討出膨脹土邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)的一種合理可靠的取值方法。

1)膨脹土邊坡抗剪強(qiáng)度的選取宜建立在具有代表性地質(zhì)條件的試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，宜采用多種試驗(yàn)手段取得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2)膨脹土邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取時(shí)建議按如下原則采用： ①淺層(大氣影響深度層)、水位變化幅值區(qū)，以及中層、深層土體宜區(qū)別采用不同的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。②若邊坡未有滑動(dòng)破壞的跡象，淺層(大氣影響深度層)內(nèi)或水位變化幅值區(qū)抗剪強(qiáng)度(C、φ值)，建議按殘余抗剪強(qiáng)度取值，中層范圍內(nèi)土層可以采取殘余抗剪強(qiáng)度和峰值抗剪強(qiáng)度的中間值，深層土層可按峰值抗剪強(qiáng)度取值。③若邊坡體已發(fā)生滑動(dòng)破壞或變形跡象，滑面及其以上的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)宜按反算指標(biāo)確定?；瑒?dòng)面以下到中層層底范圍內(nèi)的土體可按殘余抗剪強(qiáng)度和峰值抗剪強(qiáng)度中間值，深層土層可按峰值抗剪強(qiáng)度取值。④抗剪強(qiáng)度參數(shù)宜按不同驗(yàn)算工況分別取值，飽和狀態(tài)宜取相對低值，天然狀態(tài)和地震工況宜取相對高值。

3)膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析，宜根據(jù)邊坡的實(shí)際滑面形態(tài)(圓弧或折線滑動(dòng))及驗(yàn)算需要，采用不同的分析計(jì)算方法，宜同時(shí)對邊坡的整體和局部進(jìn)行滑動(dòng)搜索和驗(yàn)算。