膨脹性土質(zhì)邊坡滑坡成因及綜合整治措施研究

雷正敏

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 概述

隨著我國鐵路建設掀起新高潮，路塹邊坡的穩(wěn)定性也顯得越來越突出［1］。對于土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，要從邊坡土體的性質(zhì)、親水礦物的含量和水的影響進行分析。通常情況下膨脹性土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性應根據(jù)水文、氣象、工程地質(zhì)條件、邊坡高度和施工方法綜合考慮。絕大多數(shù)的膨脹性土質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞都是由于防排水措施不到位而引起土體中親水礦物吸水軟化引發(fā)的，這表明邊坡穩(wěn)定性和水的軟化、土體的親水性作用是密切相關的［2］。

泥巖、頁巖等軟質(zhì)巖廣泛分布于江西、湖南、廣西等地區(qū)［3］，其風化層一般具有一定的膨脹性。下面以衡茶吉（衡陽－茶陵－吉安）鐵路某牽引式工程滑坡為例，探討滑坡形成的原因及綜合治理措施，以期為后續(xù)類似工程的研究提供借鑒。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 概況

本鐵路路基邊坡工程位于湖南省衡南縣境內(nèi)，有鄉(xiāng)村道路通行，交通條件較為便利，工點范圍為DK187＋985～DK188＋348右側(cè)邊坡，長363 m。工點范圍內(nèi)為丘陵，相對高差35～45 m，地表以經(jīng)濟林為主。

2.2 巖性

（1）粉質(zhì)黏土：黃褐色、褐紅色、棕紅色，厚2～8 m，土質(zhì)不均勻，夾雜有少量礫石，硬塑。Ⅱ級普通土，σ0＝150 kPa。

（2）粉砂巖夾泥巖：紫紅色、褐紅色，全風化，厚0～6 m，Ⅲ級硬土，σ0＝200 kPa；強風化，厚0～4 m，巖芯呈塊狀夾少量短柱狀，巖質(zhì)軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，Ⅳ級軟石，σ0＝350 kPa。

（3）滑塌堆積層：該類巖層具有強度低、易風化、遇水易軟化及巖體結構差的特性［4］。主要為黃褐色、紫紅色，成分以粉質(zhì)黏土和全風化粉砂巖及泥巖為主，硬塑，土質(zhì)不均，含礫石，滑動帶土體含水率有所增加，土體有明顯的擾動跡象，Ⅱ級普通土。

2.3 水文地質(zhì)條件

主要為基巖裂隙水，賦存于節(jié)理裂隙中，接受區(qū)域地下水補給。

3 滑坡特征描述及成因分析

3.1 滑坡發(fā)展過程

工點以挖方形式通過，右側(cè)邊坡最大高度約15.8 m，邊坡勘察設計時沒有考慮巖土體的膨脹性，按正常巖土體進行邊坡坡率和支擋防護設計。路塹邊坡設計為二級，每級邊坡高度為8 m，坡面采用漿砌片石拱型骨架護坡防護。

2010年11月底，施工單位進場，開始進行邊坡開挖，直到2011年3月初坡面開挖成型，但是臨時排水設施、坡面骨架護坡、邊坡平臺截水溝等均未施作。2011年4月初正值湖南進入雨季，由于邊坡坡面完全裸露、排水設施不暢通，坡腳積水很嚴重，現(xiàn)場未對積水進行有效引排，也未對邊坡進行有效的遮蓋，造成雨水下滲、土體軟化、抗剪強度降低［5－7］；4月中旬，DK188＋155～DK188＋312 右側(cè)一級邊坡發(fā)生滑塌，滑塌體約12 000 m3。

2011年6月20日，經(jīng)參建單位共同研究確定了邊坡坡腳增設矮擋墻，坡率放緩至1∶1.75，完全清除滑塌體的處理措施。施工過程中，2011年9月底10月初連續(xù)降雨，邊坡又出現(xiàn)層狀裂紋，部分漿砌片石護坡開裂。

直到2012年1～5月份集中降雨，雨水匯集到坡腳下滲，軟化坡腳巖土，滑塌從坡腳開始，然后邊坡中部產(chǎn)生張裂縫，逐步牽引產(chǎn)生二次、三次、多次滑塌，由前到后、由低到高、由小到大發(fā)展形成工程滑坡。

3.2 滑坡特征描述

通過對現(xiàn)場情況的詳細調(diào)查，根據(jù)邊坡變形現(xiàn)狀，結合現(xiàn)場鉆探顯示滑動面深度在5～9 m之間，確認該段路基右側(cè)邊坡變形破壞屬于淺－中層滑坡［8］。滑坡體體積約40 000 m3，滑坡周界呈非常明顯的“圈椅狀”形態(tài)。滑坡后壁十分陡直、光滑，高2.2～3.2 m之間，最大達到4.5 m，滑坡后緣凹槽呈臺階式下沉，下沉臺階高一般0.8～1.6 m，由于設計3～10 m寬邊坡平臺已開挖成型，滑坡平臺不太明顯。

滑坡舌向前延伸至側(cè)溝平臺處，滑坡體邊界處羽狀剪切裂紋發(fā)育，裂紋寬約8～25 cm，與滑塌周界向上斜交［9］27－28。在 DK188＋185 附近發(fā)育張裂縫，寬度一般在18～35 cm，最大約50 cm。總體來看，該工程滑坡主軸垂直鐵路走向，滑坡體成分為殘坡積粉質(zhì)黏土和全風化粉砂巖夾泥巖，滑體厚5～9 m，滑面與水平面夾角約20°。目前滑坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，但由于坡面暴露、坡率較緩、裂縫未夯填、而且排水系統(tǒng)不完善，雨水容易入滲軟化土體，在外界條件變化時，有進一步發(fā)展下滑的趨勢。如圖1和圖2所示。

圖1 滑坡全貌

圖2 滑坡破壞形態(tài)

3.3 工程地質(zhì)條件對照

為分析本段膨脹性土質(zhì)滑坡形成原因，詳細對照了邊坡開挖前后的主要關聯(lián)因素。

（1）地層巖性比較

對滑坡現(xiàn)場進行了多次勘查，確認邊坡開挖前后地層巖性基本一致，僅局部地段第四系覆蓋層厚度略有差異。

（2）物理力學指標比較

原勘察設計第四系殘坡積粉質(zhì)黏土，抗剪強度指標c＝25 kPa，φ＝18°。

現(xiàn)場再次對工點旁邊未經(jīng)擾動的土體進行了取樣，試驗所得抗剪強度指標c＝18 kPa、φ＝15°。鉆探取得滑動帶土樣，飽和殘余抗剪強度c＝10 kPa、φ＝11.5°。說明雨水下滲降低了土體的力學性質(zhì)，尤其是滑帶土，含水飽和，滑動剪切后，強度更是急劇降低。

（3）土體膨脹性指標比較

勘察設計階段，對上覆土體進行了自由膨脹率試驗［10］，試驗所得自由膨脹率為16%～39%，由于初判達不到膨脹土指標，故未進行蒙脫石含量和陽離子交換量的試驗，土體定名為粉質(zhì)黏土；施工開挖后對滑坡體不同部位進行了取樣，試驗所得膨脹性指標如表1所示。

表1 膨脹性試驗指標

（4）地下水情況比較

原勘察設計地下水主要為基巖裂隙水，埋深大，水量貧乏。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，邊坡開挖后地下水發(fā)育情況與勘察設計階段基本一致。

（5）區(qū)域降雨情況

當?shù)貧庀缶殖鼍叩暮饽峡h2012年1～5月各月平均降雨量如表2所示。

表2 2012年衡南縣降雨量

從以上工程地質(zhì)條件對照分析可以看出，邊坡開挖范圍內(nèi)的地層巖性、地下水發(fā)育情況等基本與原勘察資料一致，而巖土物理力學指標明顯降低尤其是滑帶土的飽和殘余抗剪強度相當小，說明滑帶土親水性強，而強降雨排除不及時，大量雨水流入到邊坡坡面沿土體裂隙下滲，造成土體抗剪強度急劇下降，最終導致了工程滑坡。

3.4 滑坡成因分析

經(jīng)過對滑坡的詳細勘查，結合室內(nèi)土工試驗并收集相關的降雨降水資料分析，造成工程滑坡的誘因主要有以下幾點：

（1）根據(jù)衡陽氣象臺資料顯示，2012年1～5月份集中降雨且持續(xù)時間長，降雨量達680 mm，為往年平均降雨量的1.5倍，日最大降水量174.1 mm，連續(xù)降水日數(shù)為16 d。施工組織不合理，未能選擇在非雨季進行邊坡開挖，降雨過程中沒有做好防水、防洪及排水工作，邊坡沒有進行有效的遮蓋，造成雨水直接沖刷坡面并沿節(jié)理裂隙下滲，導致巖土體抗剪強度下降。

（2）邊坡范圍內(nèi)沒有設置完善的臨時排水系統(tǒng)，局部修建的天溝已拉裂破壞并沒有及時進行修補，不能起到截排地表水的作用。

（3）該段巖土體定名為第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土和粉砂巖夾泥巖，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，開挖后邊坡上粉質(zhì)黏土和全風化粉砂巖夾泥巖土質(zhì)并不均勻，滑體剪出口附近有比較密集的褐色及灰白色親水性礦物帶（見圖3），判斷為蒙脫石黏土和高嶺土。取5 cm塊狀樣品觀察，裂隙面具有光澤，擦痕明顯，將樣品放置于水中快速崩解，說明該土層遇水膨脹，室內(nèi)土工試驗也證明了該土體具有一定的膨脹性。

圖3 滑坡剪出口附近親水性礦物帶

（4）路塹邊坡開挖未按設計要求合理組織施工，未執(zhí)行路塹施工分段分層開挖一級、防護一級的技術要求。

針對以上情況詳細分析可知，本工點粉質(zhì)黏土和全風化層土質(zhì)不均、透水性較強。通過對土體膨脹性試驗指標分析，按《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》判定，自由膨脹率和陽離子交換量均達不到膨脹土標準，但蒙脫石含量有所偏高，具有一定的親水性［9］29－30，雖不能判定為膨脹土但土體具有膨脹性。由于本地區(qū)大氣降水集中，雨水下滲，巖土體含水量增加，土體抗剪強度指標急劇降低。全風化粉砂巖夾泥巖開挖暴露后，大氣降水易沿節(jié)理裂隙下滲，導致巖土體強度明顯降低，邊坡穩(wěn)定性減弱，容易發(fā)生滑塌。同時，邊坡坡腳積水嚴重、各類永久和臨時防護工程一直未施作，以上諸多因素是邊坡發(fā)生工程滑坡的誘因。

4 綜合整治措施

4.1 滑帶土物理力學指標

滑坡體主要成分以粉質(zhì)黏土和全風化粉砂巖及泥巖為主，硬塑，土質(zhì)不均，含礫石，滑動帶土體含水率有所增加，土體有明顯的擾動跡象，Ⅱ級普通土。

在滑坡滑動的瞬間，山體處于極限平衡狀態(tài)，可取穩(wěn)定系數(shù)K＝0.98反算滑帶土的強度指標，并綜合考慮室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)可得出滑帶土的參數(shù)為：c＝10 kPa，φ＝11.5°。

4.2 滑坡防治原則

滑坡防治應根據(jù)其規(guī)模、形態(tài)及類型選擇合適的治理措施，一般應采取設置抗滑樁、卸載反壓、排除地表及地下水、永臨相結合的綜合整治措施。

臨時工程主要措施如下：

（1）滑坡前緣部位反壓回填，防止滑坡進一步發(fā)展擴大。

（2）滑坡體范圍內(nèi)的地表裂縫采用黏性土進行夯填或采用彩條布進行覆蓋，防止地表水進一步下滲。

（3）施作臨時截水天溝截排地表水［11］，阻止地面匯水流入病害區(qū)。

永久工程主要采取邊坡中下部設置抗滑樁、坡腳設置矮擋墻或樁板墻、緩邊坡、加強地表地下防排水等措施，見圖4。

圖4 滑坡整治效果全貌

具體整治方案如下：

（1）靈活運用防（截）排地下水措施，側(cè)溝溝底設滲水盲溝，降低土體含水量以增加抗滑力，可減小抗滑結構的工程量達到事半功倍的效果，有時還可以作為綜合防治的主導工程。

（2）穩(wěn)固坡腳，坡腳設置重力式擋土墻和樁板墻支擋。

（3）滑坡中下部設置抗滑樁，用以抵抗上部土體的下滑力。

（4）邊坡采用框架錨桿梁內(nèi)鋪六邊形空心磚和漿砌片石護坡防護。

（5）及時排除邊坡土體孔隙水，防止土體脹縮。坡面上、下、左、右每隔3 m設置孔徑100 mm的仰斜排水孔。

5 結束語

經(jīng)過近10年的運營實踐及監(jiān)測，本滑坡整治后的穩(wěn)定性完全滿足運營要求，達到了預期目的，說明滑坡的防治方案合理可行。總結出以下幾點認識供大家參考：

（1）勘察過程中對土體膨脹性的認識應提高，不能簡單地按《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》進行評定，自由膨脹率達不到標準就認為土體沒有膨脹性。首先，親水性礦物是呈帶狀、斑狀或網(wǎng)狀發(fā)育，取樣時和周圍正常的土混合后降低了親水性礦物的含量，導致試驗數(shù)據(jù)不能真實反映膨脹土的存在；其次，雖然按規(guī)范判斷達不到膨脹土的標準，但是土體的膨脹性我們不能忽視，否則會引發(fā)類似的工程滑坡。故地質(zhì)資料中應對土體的膨脹性明確說明并提醒設計人員加以注意。

（2）設計時，對于膨脹土或有膨脹性的土質(zhì)邊坡應綜合考慮緩坡率、強排水、坡面封閉等措施。針對邊坡坡率的設計，應結合降雨量、坡面防護措施合理確定。研究表明，如果邊坡坡率過于緩傾，不僅坡面受沖刷的面積增大，而且流速變慢、流徑變長，雨水更容易下滲，所以確定合理的邊坡坡率也是膨脹性土質(zhì)邊坡的設計重點。

（3）滑坡的整治首先應充分認識其變形特征、合理分析滑坡成因［12］、穩(wěn)定性、發(fā)展趨勢等，通過調(diào)查、挖探、鉆探、室內(nèi)試驗等多種手段確認滑動面位置，并加強地表、地下水的引排，合理采用抗滑樁、卸載反壓等綜合整治措施。