膨脹土邊坡抗剪強度參數(shù)選取方法的探討

于生飛，高 鵬，張夏滔

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

0 引言

膨脹土地區(qū)的邊坡往往“逢塹必滑”，對工程安全的危害性極大。由于膨脹土具有與一般黏土不同的工程特性，如裂隙性和遇水膨脹、失水收縮開裂等，在大氣影響深度范圍內，土體的濕脹干縮現(xiàn)象尤為明顯，抗剪強度降低，膨脹土邊坡發(fā)生淺層滑坡失穩(wěn)是常見的變形現(xiàn)象[1]。

由于膨脹土的特殊性和復雜性，當前對膨脹土邊坡的抗剪強度參數(shù)選取尚缺乏明確認識[2-6]。以往習慣于沿襲一般黏土邊坡穩(wěn)定分析的思路，將膨脹土邊坡穩(wěn)定問題簡單地視為膨脹土強度問題，要么將抗剪強度參數(shù)取值過高或過低，沒有明確區(qū)分抗剪強度在大氣影響深度或地下水位變幅區(qū)界線的變化和不同，導致驗算結果與實際邊坡穩(wěn)定性偏差較大。

抗剪強度參數(shù)的合理選取，是膨脹土邊坡穩(wěn)定性評價的前提和基礎，對于膨脹土地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性的合理分析、評估，保障邊坡區(qū)域的建(構)筑物的安全具有重要意義。本文通過對膨脹土地區(qū)邊坡滑動破壞機理及特征的研究，探討出膨脹土邊坡抗剪強度參數(shù)的一種合理的取值方法，并應用于印尼某膨脹土邊坡工程實例中。

1 膨脹土邊坡破壞機理及特征

膨脹土由于含有大量的蒙脫石、伊利石等親水性黏土礦物，在大氣降雨和蒸發(fā)的作用下，使土體含水量變化較大，從而產生濕脹干縮循環(huán)，土的原始組構逐漸破壞，裂隙逐漸發(fā)展，抗剪強度降低，容易促使邊坡產生滑動。

許多工程表明，膨脹土滑坡大多為淺層滑坡，其滑面厚度不大，一般在3～4 m左右，主要由于上部卸荷、土體脹縮等原因，裂隙多發(fā)育于邊坡體淺部。相比較深部土體，淺部土體的透水性較好，更容易受反復脹縮作用的影響，膨脹土邊坡更容易在抗剪強度較差的淺部土體內發(fā)生剪切破壞滑動。另外，膨脹土邊坡滑坡絕大多數(shù)屬于牽引性滑動，在反復脹縮作用下，膨脹土邊坡抗剪強度一旦降低，產生第一次滑動后，抗剪強度繼續(xù)降低而產生進一步破壞，發(fā)育形成第二次、第三次甚至多次滑動，最后直到達到新的極限穩(wěn)定平衡為止。各次滑動面相互貫通，形成多次牽引階梯狀疊瓦形式，如圖1所示。

圖1 膨脹土邊坡滑動的典型斷面圖

根據(jù)相關文獻研究成果，膨脹土滑坡從剖面力學特征上看可劃分為3個區(qū)，即后緣拉張區(qū)、中部剪切區(qū)和前緣隆起區(qū)[2-3]。據(jù)此，可將其失穩(wěn)演化過程分為3個階段：初始張裂破壞階段、剪切面擴展破壞階段、整體變形破壞階段。

2 膨脹土邊坡抗剪強度參數(shù)選取方法

合理選取邊坡的抗剪強度參數(shù)是膨脹土邊坡穩(wěn)定性驗算和設計工作的關鍵。膨脹土邊坡穩(wěn)定性主要由其較低的長期抗剪強度所控制，影響長期抗剪強度的因素主要有兩個方面，一方面是受土體膨脹作用和重力作用引起的淺層土體沿潛在滑動面上的抗剪強度降低；另一方面是由于大氣影響作用，使得大氣影響層內土塊破裂，顆粒間聯(lián)接力減弱，從而使抗剪強度降低。驗算土坡的長期穩(wěn)定性應該選用坡內土體可能達到的最低抗剪強度值。

假設將均質的邊坡土體分為三層，分別為淺層(大氣影響深度層)、中層和深層，如圖2所示。一般來說，淺層厚度一般為3～4 m左右，中層厚度約為4～8 m，以下為深層。

圖2 膨脹土邊坡體分層模型

邊坡土體抗剪強度參數(shù)由深層到中層再到淺層具有逐漸衰減趨勢，由于膨脹土滑坡的淺層性，滑動面一般處于大氣影響深度層內，也就是說，淺層(大氣影響深度層)的抗剪強度參數(shù)是最小的。考慮到上述因素，邊坡土體抗剪強度由深層到淺層(大氣影響深度層)建議選用峰值強度到殘余強度的趨勢。對于膨脹土邊坡抗剪強度參數(shù)可考慮按如下原則采用：

1)淺層(大氣影響深度層)、水位變化幅值區(qū)，以及中層、深層土體宜區(qū)別采用不同的抗剪強度指標。

2)若邊坡未有滑動破壞的跡象，淺層(大氣影響深度層)內或水位變化幅值區(qū)抗剪強度(C、φ值)建議按室內試驗的殘余抗剪強度取值，中層范圍內土層可以采取室內剪切試驗的殘余抗剪強度和峰值抗剪強度的中間值(可結合試驗指標，按巖土狀態(tài)經驗取值)，深層土層可按峰值抗剪強度取值。

3)若邊坡已發(fā)生滑動破壞或變形跡象，滑面及其以上的抗剪強度指標可按反算指標確定。滑動面以下到中層層底范圍內的抗剪強度參數(shù)可按殘余抗剪強度和峰值抗剪強度中間值(可結合試驗指標，按巖土狀態(tài)經驗取值)，深層土層可按峰值抗剪強度取值。

4)一般邊坡穩(wěn)定性驗算按天然、飽和及地震三種工況考慮，抗剪強度參數(shù)宜按不同驗算工況分別取值，飽和狀態(tài)宜取相對低值，天然狀態(tài)和地震工況宜取相對高值。

3 膨脹土邊坡體穩(wěn)定性分析驗算方法

膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析驗算建議采用剛體極限平衡分析方法，根據(jù)邊坡的滑面形態(tài)(圓弧或折線滑動)及驗算需要，采用不同的分析計算方法。

邊坡驗算滑面應結合現(xiàn)場邊坡變形現(xiàn)狀采用固定或自動搜索模式，同時考慮邊坡體結構、裂隙面以及降雨等外界因素的影響。

膨脹土滑坡往往從下部先滑，逐漸往上發(fā)展，形成多次滑動。因此，膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析宜同時對邊坡的整體和局部進行滑動搜索和驗算。

4 工程實例

以某2×660 MW坑口電站工程廠區(qū)某段膨脹土邊坡為例，邊坡高度約15～19 m，邊坡巖土體主要由上覆的硬塑—堅硬的黏土(厚度一般為8～10 m)及下伏的全風化泥巖組成，各層土具弱—中膨脹潛勢。工程場地的大氣影響深度為3.90 m。

現(xiàn)場勘察期間，邊坡已基本按照整體約1：2.5坡率完成開挖，當?shù)赜昙緛砼R后，在暴雨工況下，邊坡多處地段已發(fā)生較嚴重的滑動。

邊坡的滑塌狀況和滑面形態(tài)照片如圖3和圖4所示，可以看出滑坡形態(tài)是上小下大，發(fā)育有多條平行于邊坡走向的張裂隙，表面可見陡坎和臺階。可以判定，滑坡是以牽引式滑動為主，坡體下部先滑動，繼而引發(fā)滑塌向上不斷發(fā)展。

圖3 場地膨脹土邊坡滑塌狀況

圖4 場地膨脹土邊坡滑面形態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場勘察得到的滑面剪出口、滑面深度以及后緣拉張裂縫位置，模擬出邊坡的滑動面，以此對滑面抗剪強度參數(shù)進行反演分析，反演的滑面如圖5所示。

圖5 強度參數(shù)反演滑面

滑面參數(shù)反演時，反演滑面的穩(wěn)定性安全系數(shù)取1.0，由此反算得出的抗剪強度參數(shù)(飽和狀態(tài))如表1所示。

表1 反演滑面的抗剪強度參數(shù)(飽和狀態(tài))

依據(jù)挖方邊坡滑塌現(xiàn)狀的參數(shù)反演情況，參考廠區(qū)邊坡勘察的室內土工試驗數(shù)據(jù)并結合挖方邊坡現(xiàn)場地層勘察情況，考慮大氣影響深度界線后，綜合確定的抗剪強度設計參數(shù)如表2所示。

表2 綜合確定的邊坡強度設計參數(shù)

根據(jù)該方法選取的抗剪強度參數(shù)，對邊坡進行整體和局部穩(wěn)定性驗算，如圖6所示，穩(wěn)定性驗算結果如表3所示。

圖6 邊坡整體、局部穩(wěn)定性驗算剖面圖

表3 邊坡穩(wěn)定性驗算結果

根據(jù)驗算結果可以看出，在天然工況下，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨和地震工況下，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這與現(xiàn)場邊坡客觀實際穩(wěn)定情況是基本相符的。因此，對于膨脹土邊坡，抗剪強度參數(shù)選取方法總體上是合理可行的。

5 結論

本文通過對膨脹土地區(qū)邊坡滑動破壞機理及特征的研究，探討出膨脹土邊坡抗剪強度參數(shù)的一種合理可靠的取值方法。

1)膨脹土邊坡抗剪強度的選取宜建立在具有代表性地質條件的試驗資料的基礎上，宜采用多種試驗手段取得抗剪強度指標。

2)膨脹土邊坡抗剪強度參數(shù)選取時建議按如下原則采用： ①淺層(大氣影響深度層)、水位變化幅值區(qū)，以及中層、深層土體宜區(qū)別采用不同的抗剪強度指標。②若邊坡未有滑動破壞的跡象，淺層(大氣影響深度層)內或水位變化幅值區(qū)抗剪強度(C、φ值)，建議按殘余抗剪強度取值，中層范圍內土層可以采取殘余抗剪強度和峰值抗剪強度的中間值，深層土層可按峰值抗剪強度取值。③若邊坡體已發(fā)生滑動破壞或變形跡象，滑面及其以上的抗剪強度指標宜按反算指標確定。滑動面以下到中層層底范圍內的土體可按殘余抗剪強度和峰值抗剪強度中間值，深層土層可按峰值抗剪強度取值。④抗剪強度參數(shù)宜按不同驗算工況分別取值，飽和狀態(tài)宜取相對低值，天然狀態(tài)和地震工況宜取相對高值。

3)膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析，宜根據(jù)邊坡的實際滑面形態(tài)(圓弧或折線滑動)及驗算需要，采用不同的分析計算方法，宜同時對邊坡的整體和局部進行滑動搜索和驗算。