填土滑坡成因機(jī)制分析

蒙發(fā)強(qiáng) 麻榮廣 丁堅(jiān)平 黃 姍

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；2.廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧 530001)

填土滑坡成因機(jī)制分析

蒙發(fā)強(qiáng)1麻榮廣2丁堅(jiān)平1黃 姍1

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；2.廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧 530001)

以南寧市狀元泉路段填土滑坡為例，通過現(xiàn)場(chǎng)勘察和土工試驗(yàn)成果，結(jié)合滑坡結(jié)構(gòu)特征、物質(zhì)組成成分、影響因素分析，研究填土滑坡的成因機(jī)制。結(jié)果表明，狀元泉路段填土滑坡為推移式滑坡，降雨為滑坡形成主要誘發(fā)因素，其變形破壞機(jī)制屬于蠕滑-拉裂型。在以上研究基礎(chǔ)上，對(duì)滑坡的演化發(fā)展地質(zhì)力學(xué)模式分三個(gè)階段進(jìn)行闡述分析。

填土滑坡 成因機(jī)制 推移式滑坡 蠕滑-拉裂

填土邊坡失穩(wěn)的影響因素較多，以下主要從地形地貌、巖土體性質(zhì)、地下水、地震、工程影響及邊坡形狀等方面進(jìn)行研究分析[1]。回填土與其他土質(zhì)邊坡不同，其土體的工程性質(zhì)差、強(qiáng)度低，沉降大且不均勻；壓密度、相對(duì)密度、孔隙率、承載比等值受壓實(shí)的影響，邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象常有發(fā)生[2]。降雨是造成填土滑坡的主要因素，在填土滑坡成因機(jī)理的研究上，有些研究人員建立了與現(xiàn)場(chǎng)相似的物理模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，王釗等[3]分別對(duì)膨脹土挖方和填方渠坡進(jìn)行了3個(gè)月的監(jiān)測(cè)，在比較熱傳導(dǎo)探頭、張力計(jì)和濾紙法的測(cè)量結(jié)果基礎(chǔ)上，分析了降雨等氣象條件的影響；文高原等[4]通過室內(nèi)大型試驗(yàn)箱試驗(yàn)，模擬了7 d強(qiáng)降雨條件下夯實(shí)填土邊坡的變形、破壞特性，得出邊坡破壞模式：降雨前為平面-凸弧面組合破壞模式，降雨后為平面-懸鏈面組合破壞模式；為了研究降雨條件下入滲量、含水量和孔隙水壓力的變化規(guī)律；賀國(guó)京等[5]對(duì)湖南岳陽(yáng)長(zhǎng)嶺煉油廠五壟西溝高填土邊坡建立有限元模型，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算分析邊坡的容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、坡率等。目前，系統(tǒng)研究填土滑坡的文獻(xiàn)較少，以狀元泉路段填土滑坡為例，在現(xiàn)場(chǎng)勘察和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)填土滑坡成因機(jī)制及演化發(fā)展的地質(zhì)力學(xué)模式進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況

滑坡位于廣西南寧市青秀山景區(qū)狀元泉景點(diǎn)處，景區(qū)兩大主干道之一的狀元泉路從該景點(diǎn)的西側(cè)通過(見圖1)，該路段外側(cè)邊坡為填土邊坡，土質(zhì)較為松散，局部坡腳設(shè)有擋土墻。根據(jù)調(diào)查，狀元泉路段外側(cè)自1998年以來不斷堆填土。2000年6月份曾經(jīng)出現(xiàn)滑坡。2013年8月14日，狀元泉路段路邊出現(xiàn)裂縫。 2013年8月中旬，受臺(tái)風(fēng)“尤特”影響，南寧及周邊地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)降雨，其中8月15日～18日為強(qiáng)降雨。在雨水作用下，狀元泉路段于2013年8月19日發(fā)生滑坡，路邊的路燈、亭、廊、廁所及停車場(chǎng)等全部滑落，錯(cuò)落高差約20 m，滑坡后緣緊靠道路人行道，前緣直接從下方坡腳剪出，所幸無人員傷亡。

圖1 狀元泉路段滑坡位置示意

2 滑坡區(qū)地質(zhì)條件

研究區(qū)所在區(qū)域受到古近系地殼升降構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，地層受到輕微的褶皺、隆起，產(chǎn)狀平緩，第四系沉積層位輕微錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生小斷裂，第四紀(jì)以來無構(gòu)造運(yùn)動(dòng)跡象，對(duì)滑坡區(qū)穩(wěn)定性無影響。地形地貌特征為高丘陵山谷地貌，總體呈東邊高西邊低，坡度17°～35°。滑坡區(qū)出露的巖層有第四系人工填土層(Q4ml)、第四系殘積土層(Qel)及下伏基巖古近系鳳凰山組粉砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層(E1-2d)。滑坡區(qū)水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，地下水類型為孔隙水、裂隙水。孔隙水賦存于第四系人工填土和殘積土層中，接受大氣降雨補(bǔ)給；裂隙水賦存于古近系基巖中，接受大氣降水及上覆松散物孔隙水補(bǔ)給。降雨沿松散沉積物孔隙下滲，成為地下水，并順著地形向沖溝及邕江排泄。

3 滑坡特征

3.1 滑坡形態(tài)與規(guī)模

填土滑坡上寬下窄，類似一個(gè)“勺子”形狀。滑坡后緣位于狀元泉外側(cè)道路的人行道，前緣位于坡腳原水塘處，水塘被完全掩埋，塘中淤泥被擠出、隆起，滑坡主方向約285°。以滑坡主滑方向?yàn)榍胺剑瑑蓚?cè)剪切面平直，樹木歪斜。滑坡后壁見滑坡泉流出，匯集于滑坡洼地，形成一方水塘。該滑坡為土質(zhì)滑坡，滑坡長(zhǎng)約300 m，寬約130 m，厚度約10 m，體積約42萬(wàn)m3，屬中型滑坡。

3.2 滑坡變形破壞特征

對(duì)填土滑坡變形破壞特征的研究是分析其形成機(jī)制的關(guān)鍵所在，根據(jù)滑坡變形的大小，將其分為滑坡區(qū)和變形區(qū)兩部分(見圖2)。

圖2 滑坡平面形態(tài)特征

(1)滑坡區(qū)

滑坡后緣高程約142 m，以現(xiàn)有狀元泉路人行道為邊界，后緣壁陡峭，原路燈和路邊景觀樹木傾倒于后緣壁，管線被拉斷，下方形成滑坡洼地，錯(cuò)落高差約25 m，原景區(qū)建筑物被淹于內(nèi)。左側(cè)邊界位于青秀山公安局所在山梁，距離其建筑約20 m，側(cè)緣壁較為平直，錯(cuò)落高差最大約5 m，見樹木倒伏于土層中，推測(cè)為之前滑坡所致。在滑坡中部至前緣區(qū)段，眾多樹木、竹子受推而往前傾倒。右側(cè)邊界基本以沖溝為界，部分滑體被推擠越過原水溝，樹木傾倒、枯死。右側(cè)側(cè)緣壁在中部至后緣明顯，較為平直，中部至前緣側(cè)緣壁不明顯，前緣土體隆起，坡腳處池塘被推擠、鏟出，滑坡剪出口高程約85.0 m。

(2)變形區(qū)

變形區(qū)位于滑坡區(qū)北面，原沖溝位置，填土為研究區(qū)最厚。其南側(cè)與滑坡區(qū)以原有擋土墻位置為界，在變形區(qū)見滑坡擦痕，北側(cè)以現(xiàn)有沖溝為界，后緣以在建道路為界，前緣變形不明顯。該區(qū)變形有兩個(gè)方向，一個(gè)為往原有坡面，即西面變形，后緣裂縫也大致平行臨空面，呈南北走向，后緣位于在建道路邊緣，裂縫長(zhǎng)20 m，寬5～10 cm，錯(cuò)落約10 cm。在滑坡區(qū)發(fā)生滑坡后，變形區(qū)形成了新的臨空面，變形區(qū)往該方向變形，已局部破壞滑塌，后緣見弧形裂縫，長(zhǎng)約10 m，寬約10～30 cm，錯(cuò)落約30～70 cm。變形區(qū)坡面見裂縫，但不連續(xù)，縫長(zhǎng)0.5～5 m不等，寬5 cm左右。坡頂?shù)臓钤潘艹隹谔幾冃屋^大，局部失穩(wěn)，水管斷裂，竹子傾倒。局部受沖溝水流的沖刷，坡腳出現(xiàn)小范圍塌滑。

3.3 滑坡物質(zhì)組成特征

滑體成分主要為原人工填土，以黏土、粉質(zhì)黏土為主。局部區(qū)段黏土黏粒含量高，黏性好，切面光滑，含水量高，呈軟塑—可塑狀態(tài)，干強(qiáng)度高。粉質(zhì)黏土含水量較高，砂感較強(qiáng)，有搖震反應(yīng)。研究區(qū)勘察工作開始時(shí)滑體含水量高，強(qiáng)度低，土軟易陷，隨著土體含水量變低，滑體強(qiáng)度有所升高，土體易散。

4 狀元泉路段填土滑坡形成機(jī)制分析

4.1 滑坡影響因素分析

填土滑坡形成機(jī)制受諸多因素共同作用產(chǎn)生，可分為外因和內(nèi)因兩部分。外因包括降雨入滲、地下水升降、人類工程活動(dòng)，而降雨是路基邊坡穩(wěn)定性中影響非常重要的因素[6]。降雨使土體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)降低，引起滑坡；內(nèi)因包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造，也是填土滑坡演化的地質(zhì)基礎(chǔ)。

(1)坡體結(jié)構(gòu)特征

滑體物質(zhì)為填土，土質(zhì)多為黏土、粉質(zhì)黏土和粉土，含圓礫、塊石碎石和泥巖團(tuán)塊，部分填土含有膨脹性巖土成分。滑坡區(qū)原為一沖溝，地形相對(duì)低洼，填土直接堆積于原斜坡坡面，所填土體未經(jīng)碾壓等處理，力學(xué)強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)松散，雨水易入滲。

滑床：填土下面的殘積層及下伏基巖往往為相對(duì)不透水層，地下水下滲至原狀土層面受阻后沿層面滲流，使接觸界面為剪應(yīng)變集中帶，形成軟弱面，容易進(jìn)一步發(fā)育成滑動(dòng)面。

(2)人類工程活動(dòng)

滑坡區(qū)人類工程活動(dòng)主要有坡體上部修建建筑物和排水管道鋪設(shè)兩個(gè)方面。建筑物修建導(dǎo)致坡體上部荷載增加，排水管道鋪設(shè)與建筑物修建的基坑開挖及施工會(huì)擾動(dòng)坡體，降低坡體穩(wěn)定性。滑坡后緣的狀元泉流出后，匯入狀元池，溢滿后通過水管往西側(cè)滑坡體排泄。由于原填土未經(jīng)處理，長(zhǎng)年累月的土體固結(jié)變形和淺層滑坡使剛性水泥管破壞，排水直接進(jìn)入填土邊坡，促進(jìn)滑坡演化。

(3)降雨的影響

滑坡發(fā)生時(shí)正是南寧雨季，2013年8月中旬，受臺(tái)風(fēng)“尤特”的影響，南寧及周邊地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)降雨，其中8月14日～18日為強(qiáng)降雨，降雨量達(dá)70.9mm/h。雨水入滲后，導(dǎo)致地下水位上升。雨水對(duì)滑坡有以下作用：

①土體自重增加

降雨入滲后，滑坡體含水量逐漸增大，滑坡體巖土體中空氣被擠出，導(dǎo)致土體自重增加。巖土體孔隙率越大，吸水能力就越強(qiáng)，自重增加就越明顯。狀元泉路段滑坡物質(zhì)主要為未經(jīng)壓實(shí)填土，室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)定，土體孔隙比為0.528～0.855，結(jié)構(gòu)疏松，吸水能力強(qiáng)，土體自重增加導(dǎo)致坡體下滑力增大。

②土體軟化

根據(jù)有效應(yīng)力原理：σ=σ′+u，作用在飽和土上的總應(yīng)力由土中兩種介質(zhì)承擔(dān)，一種是孔隙中的孔隙水壓力，另一種是土顆粒形成的骨架上的有效應(yīng)力，土的抗剪強(qiáng)度中摩擦力是由作用在顆粒上的法向應(yīng)力決定的，降雨入滲土體吸水過程使得孔隙水壓力u增加，必然導(dǎo)致有效應(yīng)力σ′減小，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低[7，8]。室內(nèi)抗剪試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，吸水后土體抗剪強(qiáng)度大幅降低，改變了原有邊坡應(yīng)力平衡，導(dǎo)致滑坡發(fā)生。可見，土體遇水軟化是導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)的重要因素(見表1)。

表1 依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果確定巖土參數(shù)

③坡體動(dòng)水壓力

降雨入滲坡體中，使其下滑力增大，還會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，動(dòng)水壓力的大小與流動(dòng)水體的體積和水力梯度有關(guān)，滲流動(dòng)水壓力作用使得土體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的變形或破壞，不利于邊坡的穩(wěn)定[9]。由于填土體未經(jīng)碾壓等處理，結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，而填土下面的殘積層及下伏基巖往往又為相對(duì)不透水層，地下水下滲至原狀土層面受阻后沿層面滲流，產(chǎn)生動(dòng)水壓力和浮托力，減弱阻滑段的抗滑作用，降低邊坡的穩(wěn)定性。

4.2 滑坡形成機(jī)制分析

綜上所述，狀元泉滑坡主要是在不利的地質(zhì)條件、不合理的人類工程活動(dòng)和降雨條件下共同作用形成的。結(jié)合滑坡變形破壞特征，其演化發(fā)展機(jī)制為蠕滑-拉裂，分為三個(gè)演化階段。

表層蠕滑(第一階段)：滑坡后緣坡體上修建建筑物與植樹，導(dǎo)致后緣土體受到擾動(dòng)，上部荷載增大，降低邊坡穩(wěn)定性；由于填土未經(jīng)壓實(shí)，土體固結(jié)導(dǎo)致排水管道破裂滲漏，在降雨條件下土體軟化，兩者共同作用下使得坡體向坡下彎曲，后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力。

后緣拉裂(第二階段)：2013年8月中旬，受臺(tái)風(fēng)“尤特”的影響，出現(xiàn)連續(xù)降雨，在不利的地質(zhì)條件下，導(dǎo)致雨水迅速入滲，滑坡體內(nèi)滲流產(chǎn)生動(dòng)水壓力，土體吸水后自重增加，導(dǎo)致下滑力增加。隨著時(shí)間的推移，持續(xù)雨水入滲導(dǎo)致地下水位逐漸升高，由于滑坡體內(nèi)與基巖接觸面處存在相對(duì)隔水的黏土，形成局部承壓水，產(chǎn)生浮托力，滑帶吸水膨脹、軟化，在它們的共同作用下導(dǎo)致坡體抗滑力下降。2013年8月14日，道路邊緣出現(xiàn)裂縫，與邊坡臨空面方向垂直，其變形方向?yàn)橥R空面變形。 8月14日～18日為強(qiáng)降雨，降雨量達(dá)70.9 mm/h。雨水沿著裂縫快速入滲，加快坡體蠕滑變形，進(jìn)一步降低抗滑力，滑面形成(見圖3)。

圖3 滑坡蠕滑變形階段

滑移失穩(wěn)(第三階段)：2013年8月19日，滑坡演化發(fā)展進(jìn)入滑移失穩(wěn)階段。由于滑面后緣較陡，在地下水作用下，后部先失穩(wěn)滑移，推動(dòng)滑坡中段、前段整體下滑，由于滑坡體中段及前段下伏基巖界面變淺，具有較強(qiáng)的抗力，所以滑坡停止滑動(dòng)后的滑移距離較短(見圖4)。

圖4 滑移失穩(wěn)階段

推移式滑坡的滑動(dòng)面一般呈前緩后陡的形態(tài)特點(diǎn)，滑坡中、前段為阻滑段，后段為下滑段，后段為下滑段，促使斜坡變形的破壞的“力源”主要來自于滑坡后緣的下滑段[10]。根據(jù)狀元泉路段滑坡失穩(wěn)特征，其為推移式滑坡。

5 結(jié)束語(yǔ)

狀元泉路段邊坡原填土結(jié)構(gòu)松散，加上坡體上部建筑修建對(duì)其進(jìn)行擾動(dòng)，透水性強(qiáng)，為雨水入滲提供便利通道，導(dǎo)致滑坡發(fā)生蠕動(dòng)變形，后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力。降雨沿坡面裂縫入滲，進(jìn)入殘積層或基巖面相對(duì)不透水層，匯流貫通或形成滯水，土體吸水自重增加，土體軟化，局部土具有吸水膨脹性，導(dǎo)致滑動(dòng)面的力學(xué)性質(zhì)降低。隨著降雨的補(bǔ)給，地下水產(chǎn)生浮托力、靜水壓力和動(dòng)水壓力，導(dǎo)致滑坡下滑力增大，而抗滑力減小，從而導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)。因此，狀元泉路段填土滑坡是在降雨、不利的地質(zhì)基礎(chǔ)條件與不合理人類工程活動(dòng)共同作用下形成的，根據(jù)滑坡變形破壞特征分析，其具有推移式滑坡力學(xué)特征，演化發(fā)展的地質(zhì)力學(xué)模式為蠕滑-拉裂。

本文只考慮填土滑坡演化發(fā)展的地質(zhì)力學(xué)模型的定性分析，如何進(jìn)行填土滑坡成因機(jī)制的力學(xué)演繹及建立三維模型模擬實(shí)際情況下變形破壞成因機(jī)制，將是以后進(jìn)一步研究的方向。

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Analysisofformationmechanismonfillinglandslide

MENG Fa-qiang1MA Rong-guang2DING Jian-ping1HUANG Shan1

2014-10-09

蒙發(fā)強(qiáng)(1988—)，男，碩士研究生。

1672-7479(2014)06-0060-04

P642.22

： A