西南某高速膨脹土邊坡失穩(wěn)機制分析

薛 偉 周 密

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 概述

2 邊坡物質組成

①素填土：灰、灰黃色，為路基填筑料，物質構成主要為碎石，粒徑2 cm～5 cm，母巖為灰?guī)r、玄武巖等，中密～密實。分布于在建高速公路路基上，厚度約0.5 m。

指滑坡范圍內巖土體，褐紅色、灰黃色為主，夾灰～灰黑色，主要由含礫粉質粘土、半膠結的粘土巖及礫巖組成，擋墻背后分布少量素填土。一般厚3 m～8 m，最厚11.05 m。

含礫粉質粘土：褐黃色、褐紅色，硬塑～堅硬，礫石含量約15%～40%，母巖成分為砂巖及玄武巖。廣泛分布于自然斜坡表層，厚度變化較大，鉆孔揭露最大厚度3.25 m。

粘土巖：灰黃夾灰～灰黑色，顏色及物質構成較雜，屬半成巖，呈硬塑～堅硬粘土、粉質粘土、粉土狀，偶含礫石。具膨脹性，脹縮強烈。分布廣泛，厚度較大。

礫巖：灰～灰褐色為主，呈層性較好，屬半成巖，呈中密～密實圓礫狀、局部礫砂狀。礫石母巖為玄武巖、砂巖，圓形～亞圓形，膠結一般。夾于③粘土巖中，局部呈透鏡體，鉆孔揭露厚度0.20 m～3.95 m。

根據(jù)膨脹土地區(qū)建筑場地的分類標準，勘察區(qū)場地地形坡度大于5°，屬坡地場地。根據(jù)《云南省膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)定(試行)》結合GB 50112—2013膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范規(guī)定，勘察區(qū)大氣影響深度為4.5 m，急劇層深度為2.0 m。

3 邊坡變形特征

從收集的資料中反映，滑坡于2016年12月24日發(fā)生整體滑動，至今變化不大，目前滑坡主要的變形特征：

1)整個滑坡體破碎零亂，極為松散，裂縫密集，裂縫與邊坡延伸方向大致相同，與地形線大致相近。后部下錯明顯，前部地面略有抬升。

2)滑坡左～中部后緣為連續(xù)高大錯坎。坎壁多見圓礫夾層被錯斷。坎腳以下5 m～20 m形成滑坡平臺，局部為負地形，反向滑坎高達2 m～3 m不等。錯坎外圍坡面近平行裂縫發(fā)育，特別以左側邊界最為明顯，發(fā)育L4～L7,L10等裂縫，此類裂縫發(fā)育的時間與錯坎相比應稍滯后。

3)滑坡后緣展布與地形的一致性。后緣裂縫(L4)接近山頂分水嶺，展布方向與山脊線基本一致。

4)滑坡右側雖然尚未連通，但上、下變形具連通趨勢，附近裂縫羽狀密集展布。

5)開挖越深，滑動范圍越大，變形越強。在CK0+120～CK0+250段開挖深，6 m～13 m，平面破壞長度80 m～106 m，在CK0+170～CK0+250段開挖最深，變形最強烈。左右邊緣附近開挖少，則變形范圍小。

6)擋墻基槽開挖到擋墻因滑坡破壞僅10 d時間，表明發(fā)生迅速。

7)滑坡前緣剪出口不明顯，但CK0+200～+270段擋墻從基底整體抬升3.0 m，并向外推移，破壞時可見墻前地面隆起強烈，反映出前緣剪出破壞應在擋墻基底附近。

8)在擋墻附近原邊坡地帶，表層坍滑明顯，CK0+120～CK0+200段墻頂土體擠出明顯，局部墻體外移明顯，基底隆起明顯。

9)表層土體極易發(fā)生淺層滑坡，如CK0+050附近，開挖深度僅4.0 m左右，坡體就發(fā)生強烈滑動，滑動區(qū)長達18 m，達4.5倍開挖深度。

4 邊坡變形因素

邊坡發(fā)生失穩(wěn)的基礎條件主要有地形條件、巖土條件及水文條件，誘發(fā)因素為地表水入滲及人類工程活動。根據(jù)野外地質測繪，該邊坡位于金沙江干熱河谷地帶，雨量偏少，加之施工期位于旱季，雨水作用不大，該邊坡整體地形較緩，地形坡度整體上小于10°，所以地形及地表水不是形成該邊坡的主要致災因素。主要的致災因素為巖土條件及人類工程活動。

4.1 巖土體條件

通過野外地質勘察，該邊坡整體上為膨脹土，灰黃夾灰～灰黑色，顏色及物質構成較雜，屬半成巖，呈硬塑～堅硬粘土、粉質粘土、粉土狀，偶含礫石。根據(jù)野外判別，結合取樣測試結果判定，勘察區(qū)不良土體主要為膨脹土，該層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積含礫粉質粘土及第四系更新統(tǒng)蛇山組粘土巖含礫粉質粘土，主要分布勘察區(qū)地表，厚度約1 m～3 m；粘土巖在整個勘察區(qū)范圍內均有分布，分布面積廣，厚度大，鉆孔均未揭穿。勘察區(qū)地形較為平緩，原始地形無大的自然陡坎。地表含礫粉質粘土結構松散，裂隙大多被耕作破壞或為礫石填塞，邊坡上粘土巖裂隙發(fā)育，面多光滑，偶見灰白～灰綠色粘土，脹縮明顯。

1)膨脹性分析。

根據(jù)土層取樣試驗結果，地表含礫粉質粘土自由膨脹率50.0%，膨脹力55.12 kPa，具弱膨脹潛勢，厚度一般小于3 m。勘察區(qū)膨脹土主要為粘土巖，分布范圍廣，厚度大。滑坡堆積體③1粘土巖自由膨脹率42.5%～120.0%，平均值81.33，膨脹力76.40 kPa～168.16 kPa，平均值131.14 kPa；滑床③粘土巖自由膨脹率40.0%～115.0%，平均值73.67%，膨脹力102.00 kPa～331.20 kPa，平均值208.02 kPa，勘察區(qū)粘土巖具弱～強膨脹潛勢。

通過室內試驗，該土體膨脹率較高，該土體主要是因含水率變化而發(fā)生體積變形和膨脹力發(fā)生變化的土體，在表觀上脹縮特性主要受土體自身的粘土礦物成分及含水量控制，土體濕度的變化也是重要的因素。在特定條件下，土體的膨脹與收縮是由于膨脹土與水介質的相互作用而引起土中內應力改變的結果。換言之，土體中含水量變化是膨脹土產生膨脹與收縮、強度變化等重要特性的基礎，也是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素之一。膨脹土吸水后體積膨脹，使其上面的建筑物或地面隆起；失水后體積收縮，造成土體開裂，并使其上面的建筑物下沉。

粘土巖物理力學性質指標及膨脹指標見表1。

表1 粘土巖物理力學性質指標及膨脹指標

勘察區(qū)粘土巖的自由膨脹率與深度及含水率的關系見圖1,圖2。

根據(jù)圖1，勘察區(qū)粘土巖自由膨脹率隨著深度的增加，呈不斷減小的趨勢，在6 m深度范圍內，自由膨脹率較大，在10 m深度范圍以上具中～強膨脹性，10 m以下具弱膨脹性；根據(jù)圖2，勘察區(qū)粘土巖自由膨脹率隨著含水率的增大，呈不斷增大的趨勢，含水率達30%以上具中～強膨脹性，含水率30%以下時主要為弱膨脹性。

勘察區(qū)粘土巖的膨脹力與含水率及深度的關系見圖3,圖4。

根據(jù)圖3，圖4，勘察區(qū)粘土巖膨脹力隨著深度和含水率的增加，未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，離散性大。

2)強度特性。

膨脹土的強度是指膨脹土的抗剪強度，它與普通粘土相比要復雜得多。膨脹土的抗剪強度為典型的變動強度，通常情況下膨脹土的峰值抗剪強度較高，由于膨脹土的脹縮性和裂隙性影響，土體在長期脹縮、張閉反復循環(huán)作用下，土體強度大幅降低。已有研究表明，膨脹土的土體強度只有土塊強度的幾分之一甚至十幾分之一，強度衰減的幅度、速度和土體的物質組成、土的結構和狀態(tài)、風化作用以及脹縮性的大小有關。一般而言，某一區(qū)域的膨脹土體，急劇層深度范圍的土體強度衰減最強烈，急劇層深度至大氣影響深度之間衰減次之，而大氣影響深度之下的土體衰減相對較弱。

勘察區(qū)粘土巖塊抗剪強度與深度關系見圖5，圖6。

根據(jù)圖5，圖6，勘察區(qū)粘土巖塊粘結力與內摩擦角隨著深度的增加，總體表現(xiàn)為上升趨勢，但線性關系不明顯。

勘察區(qū)粘土巖塊抗剪強度與含水率的關系見圖7，圖8。

根據(jù)圖7，圖8，勘察區(qū)粘土巖塊粘結力與內摩擦角隨著含水率的增加，總體呈不斷減小的趨勢，但線性關系不明顯。

4.2 人為因素

該邊坡屬開挖邊坡，邊坡下部因開挖形成臨空面，使邊坡上及坡腳膨脹土暴露于地表，應力集中于坡腳，從而促使邊坡失穩(wěn)。

5 邊坡破壞模式及變形機制

1)破壞模式。

勘察區(qū)巖土體較單一，以半膠結粘土巖為主，夾少量礫巖，地表分布少量含礫粉質粘土，總體屬膨脹土，土體中無傾向坡外的貫通性軟弱夾層。但膨脹土具有自上而下力學強度遞增的特點，土體強度在豎向上具有相對成層性，并且土體抗剪強度總體很低。一般而言，膨脹土坡體的破壞具有漸進性，破壞多表現(xiàn)為疊瓦狀多次滑動。但勘察區(qū)自然坡體未見明顯滑坡，而是坡腳開挖后發(fā)生一次性整體滑動，后部地表錯落強烈且多形成滑坡平臺，局部為負地形，錯坎外圍近平行裂縫發(fā)育，前緣大致從擋墻開挖基底剪出破壞。根據(jù)滑坡變形特征和勘察工程揭示，滑動面呈折線形，縱向近于緩傾直線，后部呈陡傾弧形。

綜合分析，滑坡破壞模式為膨脹土坡體在前緣臨空面條件下發(fā)生的一次性整體滑動破壞，滑面呈折線形。

2)變形機制。

勘察區(qū)膨脹土反復脹縮強烈，土體抗剪強度極大衰減，總體處于較低水平。原始斜坡平緩，處于極限平衡狀態(tài)。

坡腳開挖造成坡腳較高陡臨空面，使邊坡上及坡腳膨脹土暴露于地表，在大氣作用及降雨作用下，土體抗剪強度迅速降低。開挖形成臨空面及坡腳土體強度降低，都造成坡腳抗剪強度減弱，后部坡體上軟弱膨脹土在前緣支撐減弱的條件下，發(fā)生整體滑動破壞。滑坡破壞力學性質為牽引式。后部形成滑坡平臺及高陡弧形滑坡壁，緊隨其后滑坡壁之外發(fā)生系列近平行裂縫，不斷向外牽引擴張。

6 結論及建議

滑坡現(xiàn)狀中部不穩(wěn)定，處于初滑階段，局部處于擠密階段；左、右兩側欠穩(wěn)定，處于蠕變階段，右下角處于擠密階段。坡體變形強烈，加速膨脹土強度降低，滑坡穩(wěn)定性逐漸降低，在降雨或地震等不利因素影響下更是如此，再者坡腳臨空無支擋，局部擋墻基本喪失抗滑能力，所以滑坡會進一步加劇，最終向劇滑發(fā)展。滑坡劇滑或進一步擠密，均會導致兩側及后緣向外擴張，擴大滑坡范圍，增加危害性及治理難度，應及早治理。