膨脹巖邊坡穩(wěn)定性分析
——以某鐵路邊坡為例

周洪博

(遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司， 沈陽(yáng) 110013)

膨脹巖是指吸水膨脹、失水收縮的一種特殊性巖體，其在天然狀態(tài)下呈硬塑態(tài)，強(qiáng)度較大，遇水則因?yàn)槲蛎涇浕鴮?dǎo)致強(qiáng)度顯著降低[1]。膨脹巖分布廣泛，在內(nèi)蒙古、黑龍江、云南、四川、廣東、廣西等地都相繼發(fā)現(xiàn)了膨脹巖的存在。諸多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)膨脹巖的變形、破壞等方面展開(kāi)了研究。王曉蕾[2]研究了延吉地區(qū)膨脹巖強(qiáng)度及本構(gòu)關(guān)系；余飛等[3]研究了干濕循環(huán)條件下膨脹巖崩解特性；范秋雁等[4]研究了膨脹巖的變形破壞機(jī)制，膨脹巖的膨脹變形與荷載存在相關(guān)性；Liu等[5]研究了膨脹巖隧道的變形位移；廖進(jìn)星[6]研究了降雨入滲條件下膨脹巖的邊坡穩(wěn)定性；張善凱等[7]以盧氏膨脹巖為研究對(duì)象，研究了其變形、強(qiáng)度特性，并提出了盧氏膨脹巖的膨脹模型；李成等[8]對(duì)南昆線那百段膨脹巖路塹邊坡發(fā)生變形破壞，對(duì)鐵路路基修鑄造成重大影響；楊軍平等[9]研究了浸水條件下膨脹巖穩(wěn)定性，認(rèn)為膨脹巖浸水時(shí)黏聚力、內(nèi)摩擦角顯著降低會(huì)引發(fā)邊皮失穩(wěn)破壞；唐驍宇等[10]采用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)法分析了膨脹巖崩解特性的影響因素；Wang等[11]分析了膨脹巖膨脹變形時(shí)的影響因素；李高峰[12]研究了鐵路兩側(cè)膨脹巖路塹開(kāi)挖穩(wěn)定性工法，總結(jié)提出一套系統(tǒng)的開(kāi)挖方案；Yu等[13]以膨脹軟巖為研究對(duì)象，研究了膨脹巖變形機(jī)理并提出膨脹巖胖張變形的推導(dǎo)計(jì)算公式；王碩等[14]研究了膨脹巖脹縮特性對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響；賈澤鈺等[15]研究了膨脹巖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出防護(hù)措施；曾志雄等[16]研究了干濕循環(huán)作用對(duì)膨脹巖力學(xué)特性的影響規(guī)律等。

雖然膨脹巖的研究時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，但是由于其特殊的巖土性質(zhì)及力學(xué)變形特性，膨脹巖的研究成果仍較少，不能系統(tǒng)的指導(dǎo)膨脹巖分布地區(qū)工程建設(shè)。在工程實(shí)踐中因膨脹巖破壞而發(fā)生的事故仍屢見(jiàn)不鮮，其中又以膨脹巖邊坡失穩(wěn)造成的破壞則最為嚴(yán)重，如匹斯堡土壩滑坡、圣弗朗西斯拱壩潰壩等工程事故。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，以某鐵路膨脹巖邊坡為研究對(duì)象，利用GEO-SLOPE公司開(kāi)發(fā)的Geostudio系列SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W軟件，分析計(jì)算正常工況、不同降雨時(shí)長(zhǎng)工況條件下該地區(qū)膨脹巖邊坡穩(wěn)定性，并采用一定的工程設(shè)施對(duì)該研究區(qū)膨脹巖邊坡進(jìn)行治理。研究結(jié)果可為膨脹巖邊坡分布地區(qū)工程建設(shè)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 工程實(shí)例

1.1 研究區(qū)概況

以某鐵路膨脹巖路段深路塹邊坡為研究對(duì)象，研究區(qū)位于遼寧省朝陽(yáng)市喀左縣公營(yíng)子鎮(zhèn)東垤卜村地界，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季少雨多旱風(fēng)，夏季炎熱、雨水集中，秋季晴朗日照充足，冬季寒冷降水稀少，年平均氣溫8.7 ℃，年均降水量491.5 mm。

1.2 地層巖性

區(qū)域出露地層主要為中生界侏羅系土城組、白堊系義縣組、九佛堂組，其次為古生界寒武-奧陶系；研究區(qū)西側(cè)約5 km以中三家斷裂為界，北側(cè)為太古界，南側(cè)以中元古界薊縣系霧迷山組和古生界寒武-奧陶系為主；東側(cè)以中元古界薊縣系霧迷山組為主；第四系沿大凌河及其支流等流域分布，以沖洪積物為主，在緩坡部位可見(jiàn)風(fēng)成黃土沉積。

工作區(qū)內(nèi)地層主要為中生界土城子組的凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)礫巖、泥巖。

1.3 構(gòu)造與地震

區(qū)域上褶皺構(gòu)造不發(fā)育，斷裂構(gòu)造發(fā)育，以北東向斷裂構(gòu)造為主。其中主要分布有朱碌科-中三家子斷裂和甘招-河坎子斷裂。其中，朱碌科-中三家斷裂發(fā)生于中生代，走向北東，傾向北西，傾角陡立，為走滑斷層；甘招-河坎子斷裂發(fā)生于中生代，走向北北東，傾向北西，傾角較陡，錯(cuò)斷中上元古界、古生界、中生界侏羅系，省內(nèi)長(zhǎng)度約10 km。該斷裂在公營(yíng)子南東部北北西向斷裂錯(cuò)斷，斷距約3 km，為正斷層。兩個(gè)大型斷裂產(chǎn)生7個(gè)主要斷層，位于邊坡的東部約2 km，對(duì)邊坡影響很大。區(qū)域內(nèi)分布的斷裂構(gòu)造使邊坡巖土體發(fā)生滑塌、邊坡裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，如圖1所示。

圖1 邊坡地質(zhì)災(zāi)害Fig.1 Geological hazard of slope

區(qū)域歷史上地震活動(dòng)頻繁，主要是大區(qū)域深大斷裂構(gòu)造活動(dòng)造成的。發(fā)生2次地震，第一次震級(jí)為4.6級(jí)第二次震級(jí)為4.3級(jí)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)項(xiàng)目區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

2 剖面選取與模型建立

2.1 計(jì)算剖面及參數(shù)選取

以某鐵路邊坡為研究對(duì)象，由于深路塹開(kāi)挖，形成南北兩側(cè)的高邊坡。在路塹邊坡范圍內(nèi)，在路塹的北、南側(cè)邊坡各確定3個(gè)計(jì)算剖面，各剖面位置如圖2所示。其中1、2、3號(hào)邊坡為北側(cè)逆傾邊坡，3、4、5號(hào)邊坡位南側(cè)順傾邊坡且4、5號(hào)邊坡范圍內(nèi)發(fā)育有順傾斷層。確定模擬區(qū)總高度為30～40 m；各剖面的水平總長(zhǎng)度為50～100 m。剖面中的地層巖性包括殘積土、礫巖、砂巖、泥巖等類(lèi)別，按其風(fēng)化程度可分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化地層。

圖2 剖面位置平面圖Fig.2 Section location plan

在飽和-非飽和滲流分析中，通過(guò)把部分實(shí)測(cè)基質(zhì)吸力曲線和室內(nèi)滲透性曲線與Van Genuchten模型參數(shù)庫(kù)進(jìn)行擬合，結(jié)合邊坡現(xiàn)場(chǎng)條件，獲取計(jì)算模型所需水土特征參數(shù)。其中，泥巖層飽和含水率取35%，飽和滲透系數(shù)4.0×10-6m/s；砂巖層飽和含水率取40%，飽和滲透系數(shù)1.5×10-4m/s；礫巖層飽和含水率取30%，飽和滲透系數(shù)2.0×10-4m/s。

2.2 計(jì)算模型及邊界條件

為簡(jiǎn)化文章篇幅，選取典型剖面2(北側(cè)邊坡)建立滲流計(jì)算模型，并劃分有限元網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 剖面2計(jì)算模型(路塹北邊坡)Fig.3 Calculation model of section 2 (north slope of cutting)

采用Geo-studio中的SEEP/W模塊進(jìn)行非飽和滲流模擬。設(shè)置邊界條件時(shí)，假定模型底部為不透水邊界，左右兩側(cè)水位線以下設(shè)為定水頭邊界，其余為零流量邊界；設(shè)水位線上，負(fù)孔隙壓力呈線性分布，水頭為5.0 m，即最大負(fù)孔隙水壓力為-50 kPa。

坡面設(shè)為降雨流量邊界，滲流分析計(jì)算時(shí)SEEP/W程序可自動(dòng)判斷降雨強(qiáng)度與土體的滲透系數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土體滲透系數(shù)時(shí)，按定水頭邊界(水頭為標(biāo)高)計(jì)算；當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土體滲透系數(shù)時(shí)，按流量邊界處理。

根據(jù)中國(guó)氣象局規(guī)定：日雨量小于10 mm稱(chēng)為小雨，10.0～24.9 mm為中雨，25.0～49.9 mm為大雨，50.0～99.9 m為暴雨，100～250 m為大暴雨。現(xiàn)場(chǎng)位于遼寧省西部的朝陽(yáng)喀左地區(qū)，歷史上有“十年九旱”之稱(chēng)，降水量偏少。為了與本地區(qū)的降水情況相貼近，將模擬降雨強(qiáng)度設(shè)為暴雨上限(100 mm/d)級(jí)別是適宜的，并將降雨歷時(shí)設(shè)定為1 h(3 600 s)、12 h(43 200 s)、24 h(86 400 s)、2 d(172 800 s)、3 d(259 200 s)、4 d(345 600 s)6個(gè)級(jí)別，進(jìn)行相應(yīng)的非飽和滲流模擬分析。

3 邊坡滲流計(jì)算

根據(jù)以上設(shè)定的計(jì)算剖面、參數(shù)選取和邊界條件，進(jìn)行降雨工況下的滲流數(shù)值模擬分析。計(jì)算相應(yīng)的孔隙水壓力變化，并進(jìn)行滲流機(jī)理分析。

如圖4所示，由降雨歷時(shí)1 h、12 h、24 h、2 d、3 d、4 d的飽和-非飽和滲流計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，邊坡降雨入滲效果與巖土滲透性系數(shù)、初始邊界條件有關(guān)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)膨脹巖邊坡，雨水入滲深度與受雨地層的滲透能力密切相關(guān)。邊坡頂部及上部為泥巖層表面，降雨入滲主要發(fā)生在淺表層2 m以?xún)?nèi)，深部巖土體受降雨入滲影響不大；對(duì)于砂巖層，降雨入滲深度和滲流矢量則明顯增大。在2 d(48 h)降雨歷時(shí)之后，隨著時(shí)間推移，雨水滲流速度矢量變化減緩，巖土飽和度也增加緩慢。降雨入滲使地下水位線最大抬升1 m左右，而且高度和形態(tài)都發(fā)生了改變，從而增加了邊坡地下水位以下的飽和區(qū)范圍。由于巖層的非飽和滲流作用，地下水位以上的非飽和區(qū)范圍增加則更為明顯。根據(jù)孔隙水壓力分布和邊坡分層結(jié)構(gòu)特征可以推斷，在強(qiáng)降雨工況下，邊坡淺層基質(zhì)吸力下降要快得多，更容易失穩(wěn)，表現(xiàn)為沿表層坡面的局部滑塌，而對(duì)深部滑坡穩(wěn)定性的影響不大。

圖4 剖面2 100 mm/d降雨量不同降雨時(shí)長(zhǎng)條件下孔隙水壓力及滲流矢量Fig.4 Pore water pressure and seepage vector under different rainfall duration of 100 mm/d rainfall in section 2

4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB 50021—2001，考慮對(duì)錦承線路塹邊坡工程地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)程度和資料的掌握程度，將路塹兩側(cè)邊坡安全系數(shù)(FS)取為“驗(yàn)算已有邊坡穩(wěn)定”的上限值，即安全系數(shù)，取FS=1.25。

采用Geo-Studio中的SIGMA/W有限元模塊進(jìn)行應(yīng)力及變形計(jì)算，采用Geo-Studio中的SLOPE/W極限平衡計(jì)算模塊進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算。設(shè)置邊界條件時(shí)，假定模型底部為固定約束，模型左右兩側(cè)為水平向約束；坡面為降雨邊界，降雨歷時(shí)設(shè)為0 h(無(wú)降雨)和48 h(有降雨)?？紤]現(xiàn)場(chǎng)的巖土膨脹特性，針對(duì)正常工況和特殊工況兩種情況，進(jìn)行路塹邊坡的穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)。其中，正常工況設(shè)定為無(wú)降雨及巖土峰值強(qiáng)度情況，特殊工況設(shè)定為有降雨及巖土殘余強(qiáng)度情況。

4.1 正常工況下的穩(wěn)定

取2號(hào)邊坡剖面，不考慮隆雨情況，并按相應(yīng)的巖土峰值強(qiáng)度，進(jìn)行相應(yīng)的邊坡安全系數(shù)計(jì)算、應(yīng)力變形分析如圖5所示。

圖5 剖面2正常工況下安全系數(shù)、應(yīng)力及位移圖Fig.5 Safety factor, stress and displacement diagram of section 2 under normal conditions

4.2 特殊工況下的穩(wěn)定性

膨脹巖具有易吸水膨脹軟化、失水收縮開(kāi)裂的特點(diǎn)。在實(shí)際工程中，當(dāng)采用峰值抗剪強(qiáng)度進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)，有許多發(fā)生滑動(dòng)的邊坡是穩(wěn)定的，而由反算得到滑動(dòng)面上的平均剪應(yīng)力卻比它們的峰值抗剪強(qiáng)度小得多，這正是因?yàn)榕蛎泿r具有峰值強(qiáng)度較高而殘余強(qiáng)度較低且表現(xiàn)出一種典型的變動(dòng)強(qiáng)度特性。因此，在進(jìn)行膨脹巖邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，應(yīng)考慮采用殘余強(qiáng)度的工況。為此，針對(duì)相應(yīng)計(jì)算剖面，在考慮降雨強(qiáng)度100 mm/d、降雨歷時(shí)48 h情況下，將相應(yīng)的巖土強(qiáng)度參數(shù)按殘余強(qiáng)度進(jìn)行折減，進(jìn)行相應(yīng)的邊坡安全系數(shù)計(jì)算和應(yīng)力變形分析，如圖6所示。

圖6 剖面2特殊工況下安全系數(shù)、應(yīng)力及位移Fig.6 Safety factor, stress and displacement of section 2 under special conditions

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖7為兩種工況下剖面1～6號(hào)安全系數(shù)。由圖7可知，正常工況(無(wú)降雨峰值強(qiáng)度)下的北側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可見(jiàn)，安全系數(shù)均遠(yuǎn)大于1.25的安全系數(shù)要求；特殊工況(降雨48 h殘余強(qiáng)度)下的安全系數(shù)降低較大，但也均滿(mǎn)足了1.25的安全系數(shù)要求。從這3個(gè)剖面的地層產(chǎn)狀來(lái)看，與邊坡傾向相反，具有逆層邊坡的特征，因此穩(wěn)定性較好。剖面1、3屬于凸形邊坡，滑面位置在邊坡中下部；剖面2滑面位置沿整體坡高。

圖7 剖面1～6號(hào)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of safety factor of section 1～6

正常工況下的南側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可見(jiàn)，安全系數(shù)均大于1.25的安全系數(shù)要求；特殊工況下的安全系數(shù)降低程度較之北坡剖面更為顯著，相應(yīng)安全系數(shù)均在1.25附近；特別是剖面5安全系數(shù)已略小于1.25的限值，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。這3個(gè)剖面的地層產(chǎn)狀與邊坡傾向相同但傾角不大，具有一定順層邊坡的特征，因此穩(wěn)定性相對(duì)較差；剖面5有順傾較陡的3條斷層，剖面6有順傾較陡的1條斷層，控制了可能的滑面位置，降低了安全系數(shù)。南坡3個(gè)剖面的滑面位置均位于邊坡中下部區(qū)域。

各剖面的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力均具有從開(kāi)挖坡面逐漸向坡內(nèi)增加的特點(diǎn)，呈現(xiàn)與坡表面平行的層狀分布，模擬數(shù)值隨降深增加呈近似線性正比例關(guān)系，應(yīng)力總體分布較均勻，呈現(xiàn)受重力場(chǎng)控制的分布規(guī)律。兩種工況對(duì)比：各剖面垂直應(yīng)力狀態(tài)變化不大，說(shuō)明它主要由自重引起，受降雨和膨脹性的影響不大。北側(cè)邊坡各剖面水平應(yīng)力狀態(tài)變化明顯，增加約1倍；正常工況下的最大水平和垂直位移計(jì)算結(jié)果多為毫米量級(jí)，而在特殊工況下的位移值變化很大，增加了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明由于降雨和巖土膨脹性的共同作用，導(dǎo)致邊坡位移增加明顯，邊坡穩(wěn)定性大大降低。南側(cè)邊坡各剖面水平應(yīng)力狀態(tài)變化明顯，增加大1/3～2/3倍。特殊工況下的位移值變化很大，較之正常工況下的計(jì)算結(jié)果增加1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明由于降雨和巖土膨脹性的共同作用，導(dǎo)致邊坡位移增加明顯，邊坡穩(wěn)定性大大降低。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)坡頂及上部坡面的降雨入滲主要發(fā)生在表層，深部巖土體受降雨入滲影響不大。降雨入滲使地下水位的高度和形態(tài)都發(fā)生了改變，增加了邊坡的飽和區(qū)和非飽和區(qū)范圍。根據(jù)孔隙水壓力分布和邊坡分層結(jié)構(gòu)特征可以推斷，在強(qiáng)降雨工況下，邊坡淺層基質(zhì)吸力下降要快得多，容易表現(xiàn)為表層隨著坡面流的局部滑塌。

(2)北側(cè)邊坡體現(xiàn)一定的逆層分布特征，特殊工況(有降雨殘余強(qiáng)度)下的安全系數(shù)較之正常工況(無(wú)降雨峰值強(qiáng)度)有較大降低，但可以滿(mǎn)足安全系數(shù)要求。垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力均具有從開(kāi)挖坡面逐漸向坡內(nèi)增加的特點(diǎn)，呈現(xiàn)與坡表面平行的層狀分布，呈現(xiàn)受重力場(chǎng)控制的分布規(guī)律。特殊工況下，各剖面垂直應(yīng)力較正常工況變化不大，而水平應(yīng)力狀態(tài)變化明顯；位移值增加顯著，較之正常狀態(tài)增加了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，也說(shuō)明了邊坡穩(wěn)定性大大降低。

(3)基于以上邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，建議在邊坡表層，特別是坡頂設(shè)置防滲措施，隔絕降雨入滲的不利影響；在南側(cè)邊坡坡腳，采用抗滑樁或錨索加固方案，增加邊坡的穩(wěn)定性，減小相應(yīng)的水平位移；在兩側(cè)邊坡的中部坡腰，增設(shè)泄水孔，及時(shí)排出坡體內(nèi)地下水，減少巖土膨脹性、提高巖土強(qiáng)度；在坡底的路塹基床，采取硬覆蓋防滲地基處理措施，消除隆起回彈效應(yīng)，確保鐵路行車(chē)安全。