吳 庚,宋 書(shū) 學(xué),陳 雪 兵,熊 勇

(1.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線(xiàn)有限公司 渠首分公司,河南 南陽(yáng) 473000; 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430010)

0 引 言

膨脹土在世界范圍分布廣泛,許多國(guó)家在工程建設(shè)中均面臨膨脹土的復(fù)雜問(wèn)題[1-2]。膨脹土是在自然地質(zhì)過(guò)程中形成的具有脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性的特殊黏土。

自20世紀(jì)30年代膨脹土問(wèn)題被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞膨脹土問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究工作,取得了較好的研究成果。在膨脹土邊坡穩(wěn)定性方面,普遍認(rèn)為膨脹土邊坡失穩(wěn)具有淺層性(一般不大于3 m)、逐級(jí)牽引性和緩坡滑動(dòng)等特征。干濕循環(huán)易引起淺層膨脹土脹縮開(kāi)裂,裂隙加速水分入滲,破壞土體結(jié)構(gòu),進(jìn)而導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低,該類(lèi)裂隙的發(fā)育深度受環(huán)境影響制約,一般不大于3 m,稱(chēng)為淺層脹縮裂隙。最新研究[3]表明,除了環(huán)境影響造成的淺層脹縮裂隙,膨脹土地層3 m以下深度還分布著具有明顯定向特征的原生裂隙,該類(lèi)裂隙較為發(fā)育,受大氣影響較小,稱(chēng)為深層原生裂隙。深層緩傾裂隙性滑動(dòng)是膨脹土邊坡的重要破壞模式。

有關(guān)緩傾裂隙性滑坡的機(jī)制與變形特征,國(guó)內(nèi)外已有較多研究。張倬元等[4]指出近水平層狀斜坡地層上邊坡多發(fā)生滑移-拉裂的平推式滑坡;范宣梅等[5]和唐然等[6]開(kāi)展了物理模型試驗(yàn),模擬了緩傾裂隙性滑坡變形破壞全過(guò)程,并對(duì)滑坡啟動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了探討;Hart[7]針對(duì)含近水平發(fā)育的剪切變形帶的邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了研究;郭曉光等[8]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M緩傾滑面滑坡,將滑動(dòng)過(guò)程分為初期緩慢蠕滑、平推快滑和制動(dòng)減速三個(gè)階段;程強(qiáng)等[9]針對(duì)緩傾軟弱層邊坡開(kāi)挖進(jìn)行了研究,將邊坡變形破壞劃分為開(kāi)挖卸荷、陡傾拉裂隙擴(kuò)大、邊坡破壞三個(gè)階段;Hutchinson[10]對(duì)緩傾黏土夾層滑坡進(jìn)行了研究,指出該滑坡為沿緩傾軟弱層面發(fā)生的整體移動(dòng)。殷坤龍等[11]研究指出富含蒙脫石的膨脹性軟弱夾層是萬(wàn)州水平地層古滑坡形成的重要原因。

有關(guān)膨脹土深層原生裂隙面也有較多研究。包承綱等[12]研究指出膨脹土應(yīng)區(qū)分土塊強(qiáng)度、沿裂隙面強(qiáng)度、沿活動(dòng)面強(qiáng)度和土體強(qiáng)度;劉特洪[13]提出膨脹土中存在土塊強(qiáng)度、裂隙面強(qiáng)度和土體強(qiáng)度等不同的概念,其中,裂隙面強(qiáng)度最低;孔德坊[14]認(rèn)為深層原生裂隙是由于卸荷作用產(chǎn)生的,并驗(yàn)證了充填物是由地下水的長(zhǎng)期淋濾作用形成;Fookes[15]和馮玉勇[16]等認(rèn)為膨脹土深層原生裂隙是由于地層構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生,而Labute和Gretener[17]則認(rèn)為深層原生裂隙是由于差異壓密作用形成。龔壁衛(wèi)等[18]統(tǒng)計(jì)了南陽(yáng)地區(qū)膨脹土深層裂隙空間分布特征與產(chǎn)狀,指出該類(lèi)裂隙具有3°～5°的緩傾特征。蔡耀軍等[19]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了原生裂隙導(dǎo)致膨脹土邊坡滑坡的變形與破壞特征,提出了原生裂隙控制的深層失穩(wěn)模式;胡波等[20]利用CT三軸原狀樣試驗(yàn),獲得了該種裂隙的面強(qiáng)度參數(shù)。

目前,針對(duì)存在軟弱夾層的滑坡研究較多[21-23],且多為軟硬巖互層的巖質(zhì)邊坡滑動(dòng),膨脹土邊坡原生裂隙相關(guān)研究也集中在裂隙面的成因與強(qiáng)度方面,對(duì)于原生裂隙控制的深層滑動(dòng)研究較少,相應(yīng)的滑坡力學(xué)機(jī)制以及變形破壞演化規(guī)律相關(guān)研究更少。因此,需針對(duì)賦存深層原生裂隙的膨脹土邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中的變形演化特征與機(jī)制進(jìn)行研究。

為此,本文基于鄂北調(diào)水工程袁沖暗涵段開(kāi)展裂隙發(fā)育型膨脹土高邊坡的大型現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn),結(jié)合邊坡開(kāi)挖、變形及滑坡的現(xiàn)場(chǎng)特征,研究緩傾原生裂隙導(dǎo)致滑坡的力學(xué)機(jī)制;研究開(kāi)挖及降雨過(guò)程中邊坡的變形發(fā)展及破壞規(guī)律,采用冪函數(shù)描述深層位移速率發(fā)展規(guī)律,分析不同階段邊坡的變形演化特征及開(kāi)挖、降雨對(duì)其影響;按邊坡變形發(fā)展特征,將邊坡變形劃分為長(zhǎng)期穩(wěn)定、短期穩(wěn)定和快速破壞三種狀態(tài),并提出相應(yīng)的判別閾值,以期提出適用于裂隙發(fā)育型膨脹土邊坡變形狀態(tài)的評(píng)價(jià)及失穩(wěn)預(yù)警方法。

1 深層原生裂隙特征

裂隙性是膨脹土的重要特征。本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)始前,對(duì)研究范圍內(nèi)地層裂隙進(jìn)行了較大范圍的開(kāi)挖揭露,發(fā)現(xiàn)大量光滑蠟狀裂隙,如圖1所示。該種裂隙與龔壁衛(wèi)等[18]在南陽(yáng)膨脹土地層中發(fā)現(xiàn)的原生裂隙較為一致,裂隙充填物呈灰綠色,含水率高,物質(zhì)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于裂隙面兩側(cè)膨脹土,一旦邊坡開(kāi)挖深度接近原生裂隙賦存深度,就會(huì)發(fā)生明顯的滑動(dòng),如圖2所示。

圖1 光滑蠟狀裂隙Fig.1 Smooth waxy fissure

圖2 深層裂隙性滑動(dòng)Fig.2 Deep fractured sliding

為了探明膨脹土地層中該種原生裂隙的傾斜角度,在開(kāi)挖滑坡各級(jí)馬道處進(jìn)行了深層變形監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。

由圖3可知,各級(jí)馬道下位移突變深度分別為6.0,11.7 m和16.8 m,得到深層裂隙如圖4所示。

圖4 深層裂隙傾向特征(尺寸單位:m)Fig.4 Characteristics of deep fracture tendency

由上文可知,該地區(qū)深部賦存較為發(fā)育的原生裂隙,裂隙間填充物強(qiáng)度較低,且呈緩傾特征。

2 深層滑動(dòng)力學(xué)機(jī)制

膨脹土具有裂隙性、超固結(jié)性和脹縮性三大特征,其中,裂隙性除了干濕循環(huán)產(chǎn)生的脹縮裂隙,還存在深層原生裂隙l1,如圖5所示。當(dāng)邊坡開(kāi)挖至深層緩傾原生裂隙面以上h時(shí),由于潛在滑體側(cè)向約束明顯減小,滑體開(kāi)始沿l1蠕滑,進(jìn)而出現(xiàn)豎向張拉裂縫l2。

圖5 裂隙性滑動(dòng)力學(xué)機(jī)制Fig.5 Mechanics mechanism of fissured sliding

當(dāng)開(kāi)挖至邊坡處于臨界狀態(tài)時(shí),裂隙面以上土層臨界厚度為h0,滑體重力為W,裂隙面垂向壓力為f1,土層側(cè)向約束應(yīng)力為q,滑體抗拉應(yīng)力為σ2。其中,裂隙面強(qiáng)度參數(shù)為tanφ0和c0。滑體所受下滑力為Ft,抗滑力為Fr,則有:

f1=Wcosβ+σ2l2cosα+qh0sinβ

(1)

Fr=f1tanφ0+c0l1+σ2l2sinα+qh0cosβ

(2)

Ft=Wsinβ

(3)

繼續(xù)開(kāi)挖至h

對(duì)于滑動(dòng)后通過(guò)壓腳回填至穩(wěn)定的滑坡,抗滑力增加量為ΔFr=Δhq。若出現(xiàn)降雨,雨水進(jìn)入裂縫l2,形成一定的儲(chǔ)水深度,使滑體下滑力增加。當(dāng)裂縫儲(chǔ)水深度hw超過(guò)臨界值hw0時(shí),滑坡將重新啟動(dòng),隨著滑體沿裂隙面滑動(dòng),儲(chǔ)水深度hw逐漸降低。當(dāng)儲(chǔ)水量一定,滑動(dòng)距離為s時(shí),張拉裂縫寬度由初始寬度b0發(fā)展至b0+s,下滑力與抗滑力做功相等,有:

b0hw=(b0+s)h

(4)

(5)

由上可得邊坡重復(fù)滑動(dòng)的制動(dòng)距離s及臨界儲(chǔ)水深度hw0。

在拉裂縫未形成之前,雨水影響深度有限,開(kāi)挖卸荷是決定膨脹土邊坡深層穩(wěn)定性的主要因素;深層滑動(dòng)形成拉裂縫后,降雨則是引起邊坡反復(fù)滑動(dòng)的核心因素。

3 膨脹土邊坡變形特征分析

為了分析開(kāi)挖過(guò)程中膨脹土邊坡變形演化特征,以及開(kāi)挖、降雨對(duì)變形演化規(guī)律的影響,選取出現(xiàn)裂隙性滑坡的臨近區(qū)域開(kāi)展膨脹土邊坡大型現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)。試驗(yàn)段長(zhǎng)90 m,中間斷面邊坡設(shè)計(jì)高度為22.5 m,分4級(jí)開(kāi)挖,從下至上依次為6.5,6.0,6.0 m和4.0 m,各級(jí)馬道設(shè)置測(cè)斜管,用以測(cè)試深層裂隙面處水平位移。邊坡斷面如圖6所示,圖7為邊坡開(kāi)挖過(guò)程階段圖片。

圖6 邊坡斷面(尺寸單位:m)Fig.6 Slope section

圖7 邊坡開(kāi)挖過(guò)程Fig.7 Slope excavation process diagram

3.1 膨脹土邊坡深層變形規(guī)律分析

試驗(yàn)段整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中最大深層位移累計(jì)曲線(xiàn)如圖8所示。其中,Z1和Z3為一級(jí)馬道和三級(jí)馬道下原生裂隙面處的水平位移。

圖8 試驗(yàn)段開(kāi)挖期間深層裂隙面處水平位移Fig.8 Horizontal displacement of deep fracture surface during excavation of test section

整個(gè)過(guò)程可分為4個(gè)時(shí)間段:第1個(gè)時(shí)間段(0～26 d),期間邊坡開(kāi)挖深度為19.5 m;第2個(gè)時(shí)間段(27～39 d),期間邊坡開(kāi)挖深度為22.5 m;第3個(gè)時(shí)間段(43～52 d),發(fā)生第一次強(qiáng)降雨;第4個(gè)時(shí)間段(65～77 d),發(fā)生第二次強(qiáng)降雨,邊坡失穩(wěn)。

由圖9可知,第1時(shí)間段開(kāi)挖結(jié)束時(shí),累計(jì)位移較小,增長(zhǎng)趨勢(shì)也不明顯。期間發(fā)生過(guò)數(shù)次降雨,但對(duì)邊坡位移未產(chǎn)生明顯影響,主要原因?yàn)榛w未形成,降雨影響范圍主要集中在淺表層,深層位移主要為開(kāi)挖卸荷產(chǎn)生的松動(dòng)位移。

圖9 第1時(shí)間段深層裂隙面水平位移Fig.9 Horizontal displacement of deep fracture surface in the first duration

第2時(shí)間段土層開(kāi)挖分3次進(jìn)行,開(kāi)挖厚度依次為1.5,0.5 m和1.0 m,期間邊坡裂隙面位移如圖10所示。每次開(kāi)挖均呈收斂型發(fā)展趨勢(shì),整個(gè)階段位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)臺(tái)階式增長(zhǎng),與分層開(kāi)挖過(guò)程一致,且坡腳滑動(dòng)更為明顯。

圖10 第2時(shí)間段深層裂隙面水平位移Fig.10 Horizontal displacement of deep fracture surface in the second duration

第3時(shí)間段為第一次強(qiáng)降雨,降雨期間邊坡位移增長(zhǎng)趨勢(shì)比開(kāi)挖更為明顯,期間滑動(dòng)位移也更大,但仍呈收斂趨勢(shì)。此時(shí)邊坡開(kāi)挖已至滑動(dòng)面深度,滑動(dòng)位移超過(guò)80 mm,如圖11所示。結(jié)合前述降雨對(duì)邊坡滑動(dòng)的影響分析,可推測(cè)此時(shí)滑體后端張拉裂隙初步形成。此時(shí),降雨對(duì)邊坡影響較開(kāi)挖過(guò)程更為明顯。

圖11 第3時(shí)間段深層裂隙面水平位移Fig.11 Horizontal displacement of deep fracture surface in the third duration

第4時(shí)間段為第二次強(qiáng)降雨,期間裂隙面滑動(dòng)位移呈明顯發(fā)散趨勢(shì),且坡頂伴隨可見(jiàn)的張拉裂縫出現(xiàn),深部滑動(dòng)位移超過(guò)80 mm。該階段張拉裂縫已經(jīng)貫通,降雨形成明顯的靜水壓荷載,由公式(4)和(5)可知,滑體將沿滑動(dòng)面滑動(dòng)一定的位移s。因坡腳采取了壓腳措施,故邊坡深層滑動(dòng)距離s較小,約為80 mm,見(jiàn)圖12、圖13。

圖12 第4時(shí)間段深層裂隙面水平位移Fig.12 Horizontal displacement of deep fracture surface in the fouth duration

圖13 滑坡體坡頂裂縫Fig.13 Crack at slope top

3.2 膨脹土邊坡深層變形演化特征

膨脹土邊坡與普通黏土邊坡差異較大,且不同膨脹土地段地質(zhì)差異較大。實(shí)踐表明,規(guī)范提出的邊坡穩(wěn)定判別方法適用性不高[21],難以通過(guò)變形或者速率的大小對(duì)膨脹土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行判別。

研究表明,通過(guò)變形速率發(fā)展趨勢(shì)對(duì)長(zhǎng)期變形演化特征進(jìn)行判別是一條有效途徑[22-23]。采用負(fù)冪函數(shù)v(t)=at-p對(duì)變形速率進(jìn)行描述,則其冪指數(shù)p可定量反映速率衰減或是發(fā)散的快慢,且p與外荷載呈非線(xiàn)性負(fù)相關(guān)關(guān)系,從而通過(guò)p的大小對(duì)長(zhǎng)期變形演化狀態(tài)進(jìn)行判別,判別方法推導(dǎo)詳見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)所述[24-27],該判別法如表1所列。

表1 變形演化狀態(tài)“冪次判別準(zhǔn)則”Tab.1 “Power indexcriterion” for deformation evolution state

由前述裂隙性滑動(dòng)力學(xué)機(jī)制可知,本文試驗(yàn)段邊坡滑動(dòng)本質(zhì)為下滑力與抗滑力共同作用下的裂隙面蠕滑,屬于蠕變的范疇,可采用冪次判別法對(duì)邊坡變形進(jìn)行分析。

為此,利用裂隙面滑動(dòng)位移數(shù)據(jù),獲得各個(gè)階段不同時(shí)刻的變形速率,采用負(fù)冪函數(shù)v(t)=at-p進(jìn)行擬合,獲得判別參數(shù)p。由于第1個(gè)時(shí)間段變形過(guò)小,現(xiàn)對(duì)第2個(gè)時(shí)間段內(nèi)3次開(kāi)挖以及兩次降雨過(guò)程中變形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體擬合結(jié)果如圖14～17所示。

圖14 第1時(shí)間段內(nèi)3次開(kāi)挖位移速率變化趨勢(shì)Fig.14 Variation trends of displacement ratio of the 1st～3rd excavations in the first duration

圖15 第一次降雨期間位移速率變化趨勢(shì)Fig.15 Variation trend of displacement rate during the first rainfall

圖16 第一次雨后位移速率變化趨勢(shì)Fig.16 Trend of displacement rate after the first rain

圖17 第二次降雨期間位移速率變化趨勢(shì)Fig.17 Variation trend of displacement rate during the second rainfall

按同樣的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)三級(jí)馬道水平位移曲線(xiàn)進(jìn)行分析與處理,可得到第2個(gè)時(shí)間段內(nèi)3次開(kāi)挖及兩次降雨期間變形速率隨時(shí)間的衰減或增長(zhǎng)的冪指數(shù),如表2所列,整個(gè)過(guò)程p變化如圖18所示。

表2 各時(shí)間點(diǎn)邊坡位移速率變化的冪指數(shù)pTab.2 Power exponent of slope displacement rate at different stages

圖18 冪指數(shù)p變化曲線(xiàn)Fig.18 Power exponent p variation curve

根據(jù)表1中的 “冪次判別法”,結(jié)合表2和圖18,可知:第二階段的三次開(kāi)挖過(guò)程中,冪次值p在0～1之間,邊坡處于緩慢失穩(wěn)狀態(tài),即邊坡按當(dāng)前趨勢(shì)發(fā)展,經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后將會(huì)失穩(wěn),并且p由0.424逐步降低至0.244,接近0,表明邊坡變形狀態(tài)逐漸向快速失穩(wěn)轉(zhuǎn)變。

開(kāi)挖完成后,第一次降雨期間,冪次值p降低至-1～0之間,邊坡處于緩慢破壞狀態(tài),若不采取措施,邊坡在較短時(shí)間內(nèi)將失穩(wěn)。降雨停止后,采取了一定的壓腳措施,邊坡抗滑力增大,變形冪次值增大至0～1之間,變形處于快速破壞狀態(tài)。

第二次降雨期間,降雨量較第一次有所增大,降雨時(shí)間也較長(zhǎng),變形速率冪指數(shù)p迅速減小至-5～-2之間,位移速率迅速增大至較高水平,邊坡快速失穩(wěn),坡頂出現(xiàn)數(shù)十cm寬的張拉裂縫,坡腳隆起。

綜上,在冪次判別法基礎(chǔ)上,針對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性,將破壞狀態(tài)進(jìn)一步細(xì)分為緩慢失穩(wěn)、短時(shí)失穩(wěn)、快速失穩(wěn)三種失穩(wěn)狀態(tài)類(lèi)別,且以?xún)绱沃祊作為判別參數(shù),建立相應(yīng)的判別準(zhǔn)則,如表3所列。

表3 邊坡失穩(wěn)狀態(tài)劃分及判別準(zhǔn)則Tab.3 Division and criterion of slope instability

具體如下:

當(dāng)冪次值p∈(0,1]時(shí),邊坡處于緩慢失穩(wěn)狀態(tài),邊坡變形隨時(shí)間累積、發(fā)散,較長(zhǎng)時(shí)間后,邊坡將會(huì)失穩(wěn),該種類(lèi)別對(duì)應(yīng)裂隙面上覆土層厚度小于臨界厚度;

當(dāng)冪次值p∈[-1,0]時(shí),邊坡處于短時(shí)失穩(wěn)狀態(tài),邊坡變形隨時(shí)間累積、發(fā)散,邊坡將會(huì)在較短時(shí)間后失穩(wěn);

當(dāng)冪次值p∈(-∞,-1)時(shí),邊坡處于快速失穩(wěn)狀態(tài),邊坡即將失穩(wěn)。

4 膨脹土臨時(shí)邊坡穩(wěn)定性預(yù)警方法

永久邊坡要求邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定,且對(duì)邊坡變形有較嚴(yán)格的要求,而臨時(shí)邊坡對(duì)變形控制要求較低,邊坡在短期內(nèi)不會(huì)失穩(wěn)即滿(mǎn)足工程需求。根據(jù)表3,可針對(duì)膨脹土臨時(shí)邊坡提出定量的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法:即,-1≤p≤0時(shí),應(yīng)提出預(yù)警,需對(duì)邊坡采取一定的加固措施;p<-1時(shí),邊坡即將失穩(wěn),應(yīng)以保障人員安全為首要目標(biāo),待邊坡滑動(dòng)一定的距離穩(wěn)定后,再對(duì)滑動(dòng)后的邊坡采取相應(yīng)的工程措施。其中,數(shù)據(jù)冪次值宜通過(guò)最近5次監(jiān)測(cè)獲取。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)賦存原生裂隙的膨脹土邊坡開(kāi)展了大型現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn),研究裂隙性滑動(dòng)模式的力學(xué)機(jī)制,以及邊坡開(kāi)挖、降雨對(duì)深層裂隙性滑動(dòng)變形演化狀態(tài)的影響,有以下結(jié)論:

(1) 膨脹土深層原生裂隙具有3°～5°的緩傾特征。本文推導(dǎo)了邊坡開(kāi)挖至臨界上覆土層厚度h0(實(shí)測(cè)為3.5 m)附近時(shí),潛在滑體頂部寬度b與裂隙面強(qiáng)度參數(shù)(c0,φ0)及傾角參數(shù)β之間的關(guān)系式,以及張拉裂隙產(chǎn)生以后,邊坡重復(fù)滑動(dòng)的制動(dòng)距離s及臨界儲(chǔ)水深度hw0的計(jì)算方法。

(2) 裂隙性膨脹土邊坡按變形演化特征可分為緩慢穩(wěn)定、緩慢失穩(wěn)、短時(shí)失穩(wěn)和快速失穩(wěn),冪指數(shù)判別條件分別為1

(3) 膨脹土裂隙性失穩(wěn)狀態(tài)與開(kāi)挖及降雨關(guān)系密切:滑體形成前,開(kāi)挖卸荷為主要影響因素,隨著裂隙面上覆土層厚度減小,邊坡由緩慢穩(wěn)定變?yōu)榫徛Х€(wěn),再進(jìn)入短時(shí)失穩(wěn);滑體形成后,降雨將導(dǎo)致邊坡由短時(shí)失穩(wěn)變?yōu)榭焖偈Х€(wěn)。