凌曉梅, 張 麗, 滕新保, 胡峰華

(江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司, 江蘇 揚州 225002)

0 引 言

儀征市某公路設(shè)計路面標(biāo)高8.36～42.05 m,在青山地區(qū)依山勢而建,南部約500 m長度范圍形成的路塹邊坡中,分布有較厚的棕黃色粉質(zhì)黏土層,為影響路塹邊坡穩(wěn)定性最主要的土層。

儀征市地區(qū)淺層基底由白堊系碎屑巖(泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖)組成,呈巨厚層狀分布,其上覆第四系棕黃色粉質(zhì)黏土層厚度從幾米到70 m,根據(jù)已有研究成果[1],該土層為第四系更新世地層,是位于揚州地區(qū)的西部長江下游北岸三角平原上廣泛分布的土層。該黏性土層堆積可分為早期堆積后侵蝕形成古河系,古河塘,并形成淤積土、沖積土和后期在無古水系區(qū),早期堆積后風(fēng)化侵蝕期,古地貌較低坳地段形成古風(fēng)化滲濾帶。本次在對該公路某段進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)該層土中的自然斜坡有多處滑坡跡象?？紤]到該地層在區(qū)域內(nèi)分布較廣,有一定的特殊性,對其工程地質(zhì)特征和滑坡穩(wěn)定性的研究可為該地區(qū)工程實踐提供參考。

結(jié)合前人研究成果[2-5]和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),該地段粉質(zhì)黏土層的滑坡問題均與降雨入滲有關(guān)。受風(fēng)化和降雨影響,該地層中經(jīng)常有滑坡事件發(fā)生,給水利設(shè)施、道路造成很大的安全隱患。查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),由于該棕黃色粉質(zhì)黏土層在儀征和鄰近的南京等地丘陵地區(qū)廣泛分布[6],針對該地層工程地質(zhì)性質(zhì)的研究成果較少。近年來,隨著城市擴(kuò)張和工程建設(shè)用地需求快速增長,鄰近山體的邊坡加固和滑坡治理工程日益增多,該地層工程地質(zhì)性質(zhì)問題也日漸被技術(shù)人員所重視。

筆者結(jié)合具體路塹邊坡,根據(jù)滑坡坡形、滑面特征和地質(zhì)條件,開展試驗和數(shù)值模擬,對邊坡中的滑坡機(jī)制進(jìn)行分析,研究結(jié)果可為該地區(qū)邊坡開挖后的穩(wěn)定性評價和坡形設(shè)計提供參考。

1 邊坡概況

前期調(diào)查發(fā)現(xiàn),該公路所處自然坡中發(fā)現(xiàn)有多處發(fā)生在粉質(zhì)黏土層中的滑坡,受地形影響,坡高最大可達(dá)20 m以上,如圖1所示,滑動形成的陡坎(滑坡壁)坡度最大將近70°,高度最大達(dá)7 m,自然坡大多為小于20°的緩坡,坡頂(底)一般接近水平?；麦w厚度為5～10 m,滑坡舌到后緣滑坡壁處最長接近50 m。

圖1 滑坡體工程地質(zhì)剖面

鉆探發(fā)現(xiàn)滑坡處的地層主要有兩層(圖1b):(1)上部棕黃色粉質(zhì)黏土,可塑,厚度為0.5～13.1 m,平均厚度5.6 m,含少量圓礫,礫石含量為10%左右,堅硬,礫徑0.2～1.0 cm,其余成分以粉粒或黏粒為主,礦物成分主要為長石;(2)磚紅色強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖,位于粉質(zhì)黏土下部,錘擊易碎,遇水極易軟化、崩解,屬極軟巖類,場地普遍分布,厚度為0.4～8.4 m,平均厚度3.8 m,泥巖強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土層,可認(rèn)為對邊坡穩(wěn)定性無影響。

滑坡引起的裂縫如圖2所示,坡底為瀝青質(zhì)路面,路面未見明顯的裂縫,結(jié)合前期資料了解到該路基地層為強風(fēng)化泥巖,強度較高?，F(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn),滑坡后緣側(cè)壁(滑坡體外側(cè)未發(fā)生滑動的土體中)有張裂縫(圖2a),張開度最大達(dá)1 cm以上,上下可見長度約1.5 m,該處滑體上下垂直錯動高度約3 m,表明滑坡發(fā)生時土體中受拉力作用。在滑坡舌處路面外側(cè)的擋土結(jié)構(gòu)中見有受滑坡前緣鼓脹引起的張裂縫(圖2b),表明滑動過程中滑坡體前緣受后側(cè)土體擠壓。對滑坡體右側(cè)(滑坡側(cè)壁)土體進(jìn)行清理后可見有明顯的土體剪切變形形成的接近圓弧形狀的滑動面(圖2c),向下靠近土-巖界面時,滑動面接近線性(與土-巖界面一致)。相對下部巖體而言,上部土體結(jié)構(gòu)較為松散,加之土體表面裂縫影響,有利于降雨入滲,基巖滲透性差,在土-巖界面上難以下滲,故地下水主要在土體孔隙中滲流,不利于土體穩(wěn)定,邊坡的滑動主要發(fā)生在土體中。故認(rèn)為滑動面上的抗滑力主要由黏土層決定,下部基巖穩(wěn)定。

圖2 滑坡引起的裂縫

2 邊坡穩(wěn)定性影響因素

2.1 土體力學(xué)性質(zhì)

本次在對該土層中滑坡進(jìn)行調(diào)查時,現(xiàn)場取116個土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗,測得該土層基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1,土體塑性指數(shù)約為11.3～13.6,屬粉質(zhì)黏土,水理性質(zhì)、重度等指標(biāo)變化較小,而強度指標(biāo)變化較大。場地地勢變化較大,地下水位隨地形而變化,滲透試驗發(fā)現(xiàn)下部粉砂巖層透水性極差,可視為相對隔水層,場地位于丘陵地帶,雨季降水會從最高處向低處徑流,部分地段一般在地面以下0.63～2.43 m處可見地下水,但水位不穩(wěn)定。上部粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)變化范圍為1.33×10-6～7.75×10-5m/s,為弱透水層。

表1 土體物理、力學(xué)指標(biāo)試驗結(jié)果

調(diào)查結(jié)果表明,滑動面上部主要切割粉質(zhì)黏土層,下部沿黏土層與下伏基巖接觸面錯動,邊坡穩(wěn)定性主要由粉質(zhì)黏土層控制。取固結(jié)不排水強度平均值,計算得到圖1中對應(yīng)滑動面的穩(wěn)定性系數(shù)為1.49,邊坡穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.00或安全系數(shù)(1.35),有很大的安全儲備。說明滑坡發(fā)生時滑動面上的土體強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實驗值。

為了進(jìn)一步查明該土層的工程地質(zhì)特征,對現(xiàn)場取樣試驗結(jié)果進(jìn)行分析,土體中粒徑百分含量結(jié)果見圖3。記土體中小于某一粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為k。

圖3 土體中各粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)

土體中黏土顆粒(粒徑<0.005 mm)很少,大部分樣品中幾乎可以忽略不計,以粉粒(粒徑為0.005～0.075 mm)和砂粒(粒徑為0.075～2.000 mm)為主,當(dāng)?shù)毓こ虒嵺`中根據(jù)塑性指數(shù)一般將該層命名為粉質(zhì)黏土,而根據(jù)粒組含量該土層應(yīng)為粉土～粉砂,表明該土層工程地質(zhì)特征有一定的特殊性。

土體強度指標(biāo)隨孔隙比和含水率變化關(guān)系見圖4和圖5,其中,內(nèi)聚力和摩擦角隨孔隙比大致呈指數(shù)型函數(shù)下降,隨含水率呈線性函數(shù)下降關(guān)系,各物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變化較大,性質(zhì)不均勻。

圖4 孔隙比對強度參數(shù)的影響

圖5 含水率對強度參數(shù)的影響

根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999),取滑動面附近原狀樣進(jìn)行反復(fù)剪試驗,得到不同反復(fù)剪后土體強度參數(shù)結(jié)果見圖6。

圖6 反復(fù)剪試驗結(jié)果

由圖6可知,5次反復(fù)剪后土體摩擦角由初始16.5°下降至7.4°。原狀土顆粒手摸有明顯的粗糙感,反復(fù)捏搓后破碎,反復(fù)剪試驗后剪切面手摸極為光滑,表明粗顆粒剪切后發(fā)生細(xì)粒化。分析認(rèn)為,該土體中長石礦物含量較高,受風(fēng)化影響,強度低,易破碎。邊坡滑動面上發(fā)生剪切變形導(dǎo)致土粒破碎后強度下降,進(jìn)而影響整體穩(wěn)定性?；掳l(fā)生前該地段沒有任何工程活動,可排除人工對邊坡的影響。

大量文獻(xiàn)認(rèn)為滑坡問題與土體自身條件和降雨條件有關(guān),土體中孔隙比越大,則其內(nèi)聚力越低[7-9],滲透性越強,易于地表水入滲。為了進(jìn)一步了解該層土體的強度特征,文中對上述滑動面上強度參數(shù)進(jìn)行反分析,根據(jù)滑動面附近土樣試驗結(jié)果,反算時取φ為16.5°,假設(shè)滑坡處土體飽和,反算得土體內(nèi)聚力c為10 kPa,依據(jù)這一結(jié)果,采用極限平衡法計算的干燥條件下,圖1中滑動面的穩(wěn)定性系數(shù)為1.30。表明該邊坡的穩(wěn)定性與地下水有關(guān),場地地形和周邊環(huán)境表明地下水的補給來源主要為降雨。

2.2 降雨對邊坡的影響

為了分析該滑坡處的降雨入滲導(dǎo)致的地下水滲流特征,本文根據(jù)場地工程地質(zhì)條件,結(jié)合滑坡前地形,利用Slide軟件,建立有限元計算模型如圖7a所示,結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對階段性降雨條件下土體中地下水動態(tài)變化進(jìn)行模擬[9]。計算模型長86 m,高25 m,地層分布與圖1中一致,其中泥巖層滲透性差,可視為隔水層,粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)值取1.33×10-6m/s,重度、含水率和孔隙比取表1中的平均值,強度參數(shù)取反算結(jié)果。

圖7 降雨入滲引起土體滲流有限元模型

降雨入滲導(dǎo)致邊坡土體中飽和度增大、孔隙壓力上升、強度下降、使得邊坡穩(wěn)定性下降[10-13]。一般認(rèn)為,雖然降雨型滑坡多為淺層滑坡,體積較小,但受降雨影響的地域廣,多呈群發(fā)性滑坡,導(dǎo)致區(qū)域性損失不亞于大型滑坡[14-16]。土層性質(zhì)都極大地影響降雨條件下淺層滑坡的失穩(wěn)概率,使得淺層滑坡可能發(fā)生在滲透系數(shù)突變的局部不透水層與強度降低的局部軟弱層內(nèi)[17]。邊坡所處地區(qū)為亞熱帶濕潤氣候區(qū),年平均降水量1 033 mm,其中,6月底到7月初的梅雨季節(jié),易發(fā)生連續(xù)性降雨,是區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)時間段。故本次計算時采用的頂部降雨入滲流量邊界數(shù)據(jù)取有記錄的2016年6月底到7月初的降雨事件監(jiān)測結(jié)果,如圖7b所示,該時間段降雨歷時15 d,總降雨量為488 mm(平均32 mm/d),其中第8 d無降雨發(fā)生,其余每天均有降雨,降雨量最大的一天(第10 d)為133 mm。

假定模型底部為不透水邊界,兩側(cè)初始水頭高度以泥巖頂面標(biāo)高為準(zhǔn),模型上表面為降雨入滲邊界。底面為水平向、豎向約束邊界,側(cè)面為水平向約束邊界,其余為自由邊界。左側(cè)邊界初始地下水水頭為7 m,右側(cè)邊界初始地下水水頭為13 m,頂面邊界為降雨入滲邊界,降雨入滲量根據(jù)土體滲透性,當(dāng)降雨量小于土體入滲能力時,降雨全部入滲,反之,多余雨量形成地表徑流。有限單元格采用三角形6節(jié)點單元劃分。

文中使用暫態(tài)分析方式進(jìn)行降雨入滲數(shù)值計算,設(shè)定邊坡在一個固定地下水位面狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)分析所得計算結(jié)果,包括初始地應(yīng)力、孔隙水壓 以及飽和度、孔隙比等分布情況,來作為邊坡降雨入滲暫態(tài)分析的初始條件。

計算時分兩步:(1)先不考慮降雨影響,對模型左右兩側(cè)為固定水頭邊界時的地下水滲流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流模擬,結(jié)果作為降雨入滲模擬的初始條件;(2)非穩(wěn)定流計算,以實際降雨數(shù)據(jù)作為坡面流量輸入模型,對連續(xù)性降雨條件下土體中地下水位、濕潤鋒、孔隙壓力等進(jìn)行計算,計算時模型左側(cè)任考慮為固定水頭邊界,模型右側(cè)為變水頭邊界。計算得到不同時期的地下水位變化結(jié)果見圖8。

圖8 降雨入滲導(dǎo)致地下水位和孔隙壓力變化

當(dāng)初始地下水位(浸潤線)位于基巖面附近的情況下,隨著降雨入滲持續(xù),在坡腳以上附近土體中地下水位上升快,向模型右側(cè)土體厚度較大處,地下水則變化緩慢。土體中飽和區(qū)從坡底向坡頂不斷擴(kuò)大,浸潤線以上非飽和區(qū)土體飽和度不斷增大,基質(zhì)吸力和土體強度不斷降低,必然導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性不斷下降。降雨持續(xù)3 d后地下水浸潤線與坡面線重合長度不斷增大,至降雨結(jié)束時,坡肩到坡腳水平范圍內(nèi)土體接近完全飽和。

降雨入滲時,邊坡淺層靠坡腳處最先達(dá)到飽和,并由坡趾沿坡面逐漸向坡頂延伸,表明土體坡腳處首先失穩(wěn)或發(fā)生大變形的可能性較大。因此,對于該類土層中邊坡保護(hù),坡面防水措施可能比排水更重要。坡底附近土體發(fā)生變形后,后緣土體支撐力下降,加之后側(cè)土體厚度大,側(cè)向卸載后土體被拉裂形成傾角較大的裂縫,滑動面上穩(wěn)定性差,導(dǎo)致土體中發(fā)生剪切錯動后沿強度較高的土-巖界面發(fā)生滑動,滑體后側(cè)位移及速率大于滑坡舌處,進(jìn)而對坡腳附近滑動土體進(jìn)一步擠壓后滑坡舌處發(fā)生鼓脹變形,導(dǎo)致坡腳處擋土結(jié)構(gòu)開裂。

3 滑坡機(jī)制分析

上述降雨入滲后的滲流場模擬結(jié)果表明,所研究公路沿線粉質(zhì)黏土層中滑坡的內(nèi)因主要是風(fēng)化導(dǎo)致土體自身不均勻和強度下降所致,外在因素則是降雨入滲所導(dǎo)致了穩(wěn)定性下降。

為了進(jìn)行比較,這里采用極限平衡法中的瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu法和Spencer法分別計算,計算時假設(shè)滑動面為折線形,采用自動搜索的方法對所有可能的滑動面進(jìn)行分析,設(shè)定滑動面出口范圍位于坡腳以上水平20 m的范圍,滑動面入口位于坡肩附近坡面或坡頂一定范圍內(nèi),考慮搜索步長為1 m。計算結(jié)果最小值對應(yīng)的折線即為滑動面(圖8),得到穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果見圖9。

圖9 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化結(jié)果

極限平衡分析法得到最危險滑動面上部粉質(zhì)黏土層中形狀接近圓弧形,中部位于黏土層與基巖接觸面,下部切割粉質(zhì)黏土層。分析原因認(rèn)為,下部土體厚度小,受側(cè)向擠壓發(fā)生破壞。

不同方法計算的邊坡初始穩(wěn)定性系數(shù)最大值為1.30,邊坡穩(wěn)定,隨著降雨持續(xù),在初始4 d內(nèi)穩(wěn)定性下降較慢,4 d后則快速下降,6 d后基本達(dá)到極限平衡狀態(tài),前6 d總降雨量為107 mm(平均每天不到18 mm),而降雨量最大(133 mm)的第10 d并未發(fā)生穩(wěn)定性急劇下降的現(xiàn)象,表明降雨量大于土體入滲能力時,多余雨水發(fā)生順坡面的地表徑流,故短時的強降雨不一定會導(dǎo)致邊坡失穩(wěn),而連續(xù)的降雨,即使雨量不大,也可能導(dǎo)致滑坡。在4種極限平衡計算方法中,瑞典條分法計算結(jié)果最小,但變化趨勢與其余幾種方法一致。

總結(jié)幾個方面的分析結(jié)果,可認(rèn)為降雨入滲是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。

為了進(jìn)行對比,本次模擬對短時強降雨條件下的地下水滲流場進(jìn)行計算,計算模型與圖1一致,考慮降雨持續(xù)1 d,降雨量為133 mm時,計算的滲流場結(jié)果如圖10所示。由瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu法和Spencer法得到的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.098、1.317、1.261和1.341。僅坡腳附近有局部小范圍飽和區(qū)上升現(xiàn)象,上部非飽和區(qū)中,土體孔隙壓力上升(總體為負(fù)值),表明含水率增大,土體重量增大,但滑動面附近孔隙壓力幾乎無變化,故計算的穩(wěn)定性系數(shù)較降雨前有微小增大。同樣說明短時強降雨對邊坡穩(wěn)定性影響小。

圖10 持續(xù)1 d強降雨導(dǎo)致土體滲流場變化

4 結(jié) 論

本文對儀征市青山棕黃色粉質(zhì)黏土中發(fā)生滑坡的影響因素和失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論。

(1)研究土層中滑坡的滑動面形狀為復(fù)合型,但其抗滑力主要由上部粉質(zhì)黏土層決定。

(2)地表附近粉質(zhì)黏土受風(fēng)化和地表水入滲影響,強度降低,可能導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降,邊坡發(fā)生變形后,滑動面上的土體受剪應(yīng)力作用,土顆粒破碎,也導(dǎo)致強度下降,反復(fù)剪后土體摩擦力下降約9°,反算得土體內(nèi)聚力為10 kPa。

(3)隨著降雨持續(xù)時間延長,地表水入滲導(dǎo)致地下水位從坡底附近開始向坡頂逐漸上升,是引起土體滑坡的關(guān)鍵因素,而短時間的強降雨并不一定導(dǎo)致該土層中邊坡失穩(wěn)。

(4)根據(jù)滑動面位置和穩(wěn)定性分析結(jié)果,建議對該類邊坡采用錨桿和格構(gòu)進(jìn)行加固,并在滑體外側(cè)設(shè)置排水溝。