汪平,剡理禎,張忠平,符 濤

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000；2.中國鐵路西安局集團有限公司，西安 710054)

膨脹土為含有蒙脫石(微晶高嶺土)、伊利石(水云母)等親水礦物，具有遇水膨脹隆起、失水收縮干裂性質的一種特殊土體[1]。膨脹土因其特有的脹縮性、崩解性、強風化性、裂隙易擴展性、強度衰減性等特點，極易引發(fā)地質災害，給人類活動和工程建設帶來不利影響。膨脹土在印度、中國、美國、加拿大等40多個國家已被發(fā)現(xiàn)。我國膨脹土分布廣泛，在廣西、湖北、陜西、河南、江蘇等20個省份均已發(fā)現(xiàn)。

陜西秦嶺以南漢江流域的安康盆地廣泛分布著膨脹土，由于膨脹土脹縮變形發(fā)生的滑坡地質災害時有發(fā)生，導致當?shù)毓?、鐵路、建筑、農田破壞，給當?shù)貒窠洕斐删薮髶p失。隨著近年來我國國民經濟水平高速良好發(fā)展，如今在膨脹土滑坡治理方面已取得了較多經驗與成就，如擋墻、支撐滲溝、抗滑樁等支護結構在工程中得到了大量應用，并產生了較好的效果[2]。

本文以安康盆地某膨脹土滑坡為例，通過查閱資料、現(xiàn)場勘查和數(shù)值模擬等手段，對滑坡形成機制進行分析并給出治理措施。為相關膨脹土滑坡的治理提供參考。

1 滑坡概況

2020年7月21日，受連續(xù)強降雨及坡面截排水溝破損失效影響，安康市城區(qū)漢江以北某地發(fā)生滑坡地質災害，該滑坡寬78 m，長50 m，厚5 m，滑坡方量約為18 000 m3，為一典型膨脹土小型滑坡?；潞缶壭纬啥鄺l張拉裂縫，縫寬5～30 cm，并產生錯臺，最大下錯高度約2.0 m；滑坡前緣沿鐵路塹坡平臺形成剪出口，滑動距離約1 m，滑坡處于不穩(wěn)定滑動狀態(tài)?；孪虏繛閲尧窦壙拓浌簿€鐵路干線，變形導致鐵路塹坡防護工程大范圍損毀，滑坡體迫近鐵路限界；滑坡體上部50 m范圍內有4幢村民房屋，受其變形影響，兩戶村民院內混凝土地面出現(xiàn)開裂。變形對下部鐵路及上部民房造成極大威脅(圖1)。

圖1 滑坡平面圖

1.1 地質構造及地形地貌

安康盆地地勢呈階梯狀向盆地邊緣逐漸升起，海拔范圍為245～560 m。主要由漢江及月河河谷階地、漫灘組成較發(fā)育的一級階地，其階面較寬，而一級階地、洪積、洪湖積臺地是安康盆地的主體地貌單元，二、三級地階面相對較窄。

滑坡點位于漢江北岸丘陵地貌，前緣高程260 m，后緣高程284 m，相對高差24 m，屬鐵路建設開挖塹坡，整體較為平緩。開挖塹坡共分為4級，一級為高4.0 m的混凝土直立擋墻；二級坡高6.0 m，坡率約為1∶1.7；三級坡高6.2 m，坡率約為1∶1.5；四級坡高5.0 m，坡率約為1∶2。塹坡坡面均采用漿砌片石拱形骨架護坡防護，中間設平臺，塹坡頂部設有一截水天溝。塹坡以上自然坡面較緩，主要為耕地及居民房屋。

1.2 地層巖性

地層巖性主要有第四系全新統(tǒng)膨脹土、上更新統(tǒng)沖積膨脹土、粉土、粉砂和粗圓礫土，下伏基巖為志留系下統(tǒng)云母片巖，各層性質如下：

(1) 膨脹土(Q4ml):淺黃色-灰褐色，分布于滑坡范圍內地表，厚度1～12 m，土質不均，土體結構較松散，硬塑。

(2) 膨脹土(Q3al):棕黃色-棕紅色，分布于滑坡范圍內地表及人工填筑膨脹土層下，厚度約4～10 m，土質尚均，土體結構緊密，含少量姜石，硬塑。

(3) 粉土(Q3al)：淺黃色，層狀分布于膨脹土層下，最大厚度約為6.6 m，成分以粉粒為主，稍具粘性，手搓有砂感，中密，潮濕。

(4) 粉砂(Q3al)：淺黃色-黃綠色，層狀分布于膨脹土層下，厚度大于0.3 m，成分以石英長石為主，砂質不均，含約15%～20%粘性土，中密，潮濕。

(5) 粗圓礫土(Q3al)：淺灰色-雜色，層狀分布于滑坡范圍內粉土及粉砂層下，厚度14～15 m，礫石成分以石英巖、片石為主，磨圓度一般，呈圓棱狀，粒徑組成：大于60 mm的約占5%，60～40 mm的約占25%，40～20 mm的約占35%，20～2 mm的約占20%，余為粘性土及砂類土填充，中密-密實，潮濕。

(6) 云母片巖(S1mSc)：淺灰色、灰色，分布于粗圓礫土層下，成分以石英、云母為主，云母含量較高，片狀構造，變晶結構，片理發(fā)育，節(jié)理較發(fā)育，風化層厚1～8 m。

1.3 氣象及水文地質

安康市城區(qū)屬于亞熱帶大陸濕潤性季風氣候，雨量充沛，四季分明，年均降水量800 mm，年最大降水量為1 109 mm。降雨集中，60%集中在7、8、9月。安康氣候具有冬春干旱，夏秋季陰雨連綿的特點，為膨脹土提供了充分干縮和膨脹的條件。根據(jù)氣象資料記載，安康市城區(qū)6、7月降水量情況如下圖2所示。

圖2 6、7月降水量統(tǒng)計圖

滑坡區(qū)域內地下水僅在局部溝心發(fā)育，為第四系孔隙潛水，埋深約為14～15 m，水量較小，水質良好。

2 成因機制

該膨脹土滑坡的發(fā)生是由于內外部因素共同作用而產生的結果。

2.1 工程性狀不良

膨脹土具有超固結性、多裂隙性、膨脹性等先天不利條件。受多裂隙性影響，降雨時地表水多沿裂隙通道進入地下，同時坡體臨空面減小了土體的側向約束，易發(fā)生向臨空面方向的膨脹變形。該滑坡地層表層為人工填筑膨脹土、淺層為較硬的膨脹土沖積層，兩種地層之間受不同力學特性和含水量差異影響易形成脹縮變形層界面。這些條件構成了滑坡發(fā)生的基本因素。

2.2 強降水條件下的高水敏性

降水對于滑坡體的穩(wěn)定是極為不利的，一方面降水進入土體造成土體飽和，滑坡體重度增大；另一方面降水也是滑坡滑動的“潤滑劑”，降水浸入土體后軟化和降低了滑帶土的力學性能[3]。安康地區(qū)降水主要集中在6～9月期間，具有冬春干旱，夏季多暴雨，秋季陰雨連綿的特點。冬春持續(xù)干旱導致膨脹土裂隙充分發(fā)育，再遇如圖2記錄連續(xù)降水，雨水沿裂隙滲入土體，導致土體力學性質迅速降低，極易發(fā)生滑坡。

從降雨量記錄來看，6月及7月中上旬的連續(xù)降雨使表層土體含水率接近飽和狀態(tài)，再經7月21日當天約80 mm的強降水，土體內的水無法快速排出，滑體充分飽和，土體重度達到峰值，滑面力學參數(shù)降低，穩(wěn)定性系數(shù)降低至臨界值以下，導致滑坡災害發(fā)生。故7月21日的強降水是本次滑坡發(fā)生的“導火索”。

2.3 截排水工程失效

加強地表排水為整治滑坡必不可少的對策[4]：滑坡體內的排水系統(tǒng)應使流經滑坡之水盡快排出體外；攔截滑坡四周來水，阻止流入滑坡范圍；減少生產、生活用水下滲。該處滑坡體原為鐵路路塹邊坡，上部設有環(huán)形截水溝，坡面設平臺水溝及截水槽等排水設施。排水設施均為漿砌片石砌筑而成，竣工投入使用時間較久，受制于施工質量及材料自身較差的耐久性，多處出現(xiàn)了開裂損毀、堵塞等情況，加之排水溝未及時清理，有較多的落葉等雜物堆積，地表排水系統(tǒng)癱瘓嚴重，如圖3所示。以頂部環(huán)形截水溝及三級平臺上的排水溝破損失效最為嚴重。另一方面，滑坡體以上為當?shù)卮迕窠ㄖ玫丶案?，居民多層建筑增大了滑坡體上部荷載，耕地灌溉水使滑坡體內地下水滲流得到水源補給。

圖3 破損水溝

2.4 滑坡形成的機理

鐵路塹坡開挖形成臨空面，從而減小了坡體側向約束，改變了坡體力學平衡；兩種地層之間的差異影響構成土體內部潛在的連續(xù)膨脹土滑面；破損失效的排水系統(tǒng)和膨脹土表層的裂隙導致降水滲入土體，使坡體含水率增大、土體發(fā)生膨脹，并在連續(xù)滑面處停滯；7月21日突發(fā)的80 mm強降雨導致滑體充分飽和，土體重度達到峰值，滑面力學性能衰減降低，從而導致土體滑動，形成滑坡。

總之，該滑坡產生的原因是多方面的，有地形地貌、地質、氣象、環(huán)境和人為等多方面因素，而其內因為主導因素，外因為誘發(fā)條件。

3 數(shù)值模擬

Midas GTS/NX軟件是一款巖土領域通用有限元分析軟件，具有建模便捷、計算功能強大和輸出結果簡潔等特點[5]。本文利用該軟件，采用強度折減法(SRM)對本文滑坡進行模擬計算，使用摩爾-庫倫本構模型對坡體材料模擬?？紤]膨脹土參數(shù)受其自身裂隙性、脹縮性影響，土體力學參數(shù)隨深度、含水率而變化，按照飽水工況(即暴雨工況)，結合地層情況，將滑坡分為表、淺、深等多層，再將各層土賦予代表性均值。本次模型由表層土(人工填筑膨脹土)、滑帶土、淺層土(膨脹土)、深層土和抗滑樁三部分組成(圖4)，各項力學參數(shù)見表1。模型采用實體模型中的高階單元劃分網格，在上部加密網格尺寸，共計劃分86 847個單元。

圖4 滑坡剖面示意圖

表1 巖土體物理力學參數(shù)

3.1 自然坡穩(wěn)定性分析

在樁板墻加固前，通過對裸坡模型的變形特點及穩(wěn)定性分析，掌握滑坡滑動特點，為樁板墻加固滑坡提供計算依據(jù)。

圖5 計算結果云圖

由圖5(a)可知，滑坡在未支護狀態(tài)下，受降雨和上部排水系統(tǒng)失效影響，三、四級坡面表層土力學性能降低嚴重、滑動趨勢明顯，形成一塊滑體，滑體厚度約為5.0 m，從二級坡面以上的二級平臺位置剪出，其最大位移值為800 mm。從圖5(b)剪力云圖可以看出，未加固情況下，坡體最大剪應力比值出現(xiàn)在剪出口位置，最大剪應力破壞曲線符合膨脹土滑坡特點，為圓弧形滑面。

未加固情況下計算結果穩(wěn)定系數(shù)為FOS=0.98，即抗滑力小于下滑力，滑坡失穩(wěn)。根據(jù)現(xiàn)場踏勘結果，未加固狀態(tài)下，滑面在地面剪出，地面形成多條貫通裂縫，前緣部分滑體脫離原滑床堆積在二級平臺地面上，計算結果與現(xiàn)場情況一致。

3.2 樁板墻加固后穩(wěn)定性分析

考慮抗滑樁及樁間板加固(設計樁徑為1.5 m×2.0 m，樁間距為5 m，樁間板厚30 cm)，并對前緣滑出土體進行清理，重新設計滑坡區(qū)域坡面坡比，建立加固后的邊坡模型。計算結果如圖6。

圖6 計算結果云圖

從圖6(a)可以看出，采用樁板墻加固坡體并重新順坡后滑坡體位移變形得到有效控制，最大位移量由800 mm減少至109 mm，減少86%，且僅在中后緣填土界面處出現(xiàn)。對比剪力云圖，依靠抗滑樁的錨固力和抗滑力，滑面受剪應力情況明顯改善。在擋墻上部平臺和樁底位置出現(xiàn)新的應力弧，但從數(shù)值來看該潛在弧形滑面應力值很小，屬可控范圍內，變形可能性較小。

從數(shù)值模擬結果來看，采用抗滑樁加樁間板為主要措施的治理方案加固后，該膨脹土小型滑坡得到有效治理。穩(wěn)定系數(shù)由原先的0.98提升至1.32>1.20，滿足鐵路邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)要求[6]。若考慮后期完善排水系統(tǒng)對土體力學性能的提升，穩(wěn)定性系數(shù)將得到進一步提高。因此從有限元分析結果來看，樁板墻加固該滑坡切實可行。

4 治理工程

根據(jù)第3節(jié)結論，結合陜南地區(qū)膨脹土滑坡治理相關工程經驗，考慮滑坡所在地的自然環(huán)境與工程環(huán)境，采用樁板墻、綜合排水系統(tǒng)等工程措施治理該滑坡：

(1) 對該段既有三、四級坡面滑坡鼓脹區(qū)域清方后按臺階狀斷面對坡面土進行人工夯填，刷坡后坡比為1∶2。

(2) 采用C30混凝土重建既有坡頂漿砌片石天溝及平臺水溝，恢復排水系統(tǒng)，使坡面降水集中排出。并加強設備養(yǎng)護人員培訓，對水溝內淤泥及垃圾及時清理，對水溝裂縫及時修補或修復。

(3) 二級平臺位置設置樁板墻對該滑坡進行治理，樁身采用C30混凝土澆筑，樁徑1.5 m×2.0 m，樁心間距5.0 m，樁長12.0 m，共計17根。由于該膨脹土滑坡屬于滑體厚度較薄的小型滑坡，抗滑樁長度伸入滑面以下7 m位置。平臺以上3 m高度懸挑部位樁間掛板，板后采用原狀土夯填。

(4) 在下部一級混凝土擋墻腳部以上50 cm位置以及250 cm位置設置兩排仰斜排水孔，排水孔長12.0 m，梅花形布置。

滑坡治理施工圖斷面如圖7所示，由于是搶險救災工程，工程在下個雨季來臨前施工完畢，治理費用共計300余萬元。工程完工后經現(xiàn)場監(jiān)測顯示滑坡已基本穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯變形。治理完成后現(xiàn)場照片如圖8所示。

圖7 施工圖

圖8 竣工照片

5 結論

(1) 該滑坡表層為人工填筑膨脹土，淺層為第四系晚更新世沖積膨脹土。兩者均為力學性質較差的特殊土體，且土層之間存在特性差異，為滑坡的形成創(chuàng)造了不良地質基礎。

(2) 安康地區(qū)特有的冬春干旱、夏秋雨量充沛為膨脹土體的充分收縮和膨脹提供了氣候條件，使得雨季降水能夠輕易地沿收縮裂縫進入土體，吸水后的土體膨脹導致滑坡發(fā)生。這是該滑坡災害發(fā)生的主要條件。

(3) 破損失效的排水系統(tǒng)導致滑坡體以上的地表水不能及時排出，且滑坡體范圍內的排水溝裂縫使得上部匯水能夠沿水溝裂縫滲入坡體。據(jù)現(xiàn)場詢問調查排水系統(tǒng)損壞為近兩年發(fā)生，這也是為何該處坡面自鐵路建成后多年未發(fā)生滑坡而在這一次發(fā)生的原因。

(4) 根據(jù)膨脹土特性及其他學者研究結論[1,7,8]，安康地區(qū)膨脹土滑坡一般為淺層小型滑坡，滑坡方量較小，主要由于表層膨脹土體遇水飽和后體積膨脹所致。治理措施主要從支擋(如抗滑樁、擋土墻、支撐滲溝)及完善排水系統(tǒng)兩方面來治理，避免采用刷坡減重方案。