膨脹土邊坡穩定性分析與設計技術研究

相林杰，賈紅巖，熊 健

(中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 任丘 062550)

0 引言

膨脹土在我國廣泛分布，遍及20余個省、市、自治區。隨著我國油氣資源產業的快速發展，油氣管道工程的建設難免會處在膨脹土地區。作為一類特殊的非飽和土，除具有一般黏性土的巖土性質之外，膨脹土所具有的強脹縮性、多裂隙性、超固結性、快速崩解性、強度衰減性以及風化分帶性等，使得其工程特性較為復雜。因此，膨脹土地區的工程建筑地基變形、基礎破壞、管道破裂、路面開裂隆起等病害情況也普遍發生。膨脹土地區邊坡病害也同樣十分嚴重，一度有“壞土”“逢塹必崩，無堤不塌”之說[1]。

自21世紀以來，工程界對膨脹土的認識從最早的判斷、識別、測試、處治，到開展大規模試驗和理論研究，在膨脹土邊坡破壞機理、膨脹土的強度理論、膨脹變形及其穩定性分析方法以及處治技術等方面均取得了大量豐碩的研究成果[2-5]。然而目前，工程界對膨脹土脹縮機理的研究和認識仍然處于逐步提高、統一認識階段[6]，且對于膨脹土地基挖方邊坡工程的認識與工程實踐較為豐富，處治技術相對比較成熟，而對于膨脹土地基填方邊坡工程的設計及處治技術尚未有成熟及系統性的研究結論。

本文依托膨脹土地區某天然氣站場邊坡工程，結合地區經驗，重點對膨脹土地基填方邊坡設計及防護技術措施進行探討總結，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 總平面及豎向布置

某天然氣站場位于廣西柳城境內，沙埔鎮西側。場地位于丘陵的斜坡地段，大致呈單傾、淺凹形狀。地表為樹林，以桉樹和松樹為主。整體地勢北面高，南面低，地形起伏較大。

站內主要建(構)筑物包括EIT集成裝置、橇裝發電機、工藝設備區、清管設備區、排污池、放空立管等。建筑物均為單層，擬采用獨立基礎，基礎埋深約1.0 m，荷載120 kPa。站場圍墻內用地面積為3 852.8 m2。場區擬整平高程：北側為138.60 m，南側為138.00 m；自然標高：北側約146.60 m，南側約131.50 m。進站路由西南側接入，道路凈寬4 m，路肩1 m，長度160.40 m，道路縱坡i=7.61%。進站道路起點高程為125.00 m，終點接場地南側處高程為137.70 m。站場總平面如圖1所示。

1.2 工程地質特征

根據場區總平面及豎向布置方案，場區整平后，將在場區四周形成人工填挖方邊坡。場地北側將形成最大約14 m高的挖方邊坡，場地西側、南側暨新建進場道路的邊緣段將形成最大約9.35 m高的填方邊坡，填方用土暫定來源于本場區挖方區。依據現行國家建筑標準GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范第3.2.1條的規定，確定該工程的邊坡安全等級為二級。

場區填方地段典型地質斷面如圖2所示。根據邊坡工程地質勘察成果，結合室內土工試驗及地質調查，邊坡原始地層情況如下：①耕植土：灰褐色，含大量植物根系，厚度0.30 m～1.00 m。②黏土：殘坡積成因，黃色，硬塑，土質較均勻，韌性中等，干強度中等，稍有光澤。該層局部地段分布，厚度0.50 m～1.20 m。③全風化泥巖：青灰色，灰綠色為主，完全風化，風化呈黏土狀，偶見原巖結構，巖心呈土柱狀，土石等級為Ⅲ級。該層大部分地段分布，厚度0.80 m～2.70 m。④強風化泥巖：灰綠色、灰色為主，風化強烈，風化裂隙發育，破碎，巖心呈碎片、碎塊狀，土石等級Ⅴ級，屬于極軟巖，厚度0.50 m～4.00 m。⑤中等風化泥巖：灰色為主，泥質結構，塊狀構造，巖體較完整～完整，飽和單軸抗壓強度值一般小于5 MPa，屬于極軟巖，錘擊聲啞易碎，巖心呈短柱及柱狀，RQD值90%左右，土石等級6級。根據地質調查及巖心橫斷面判斷，巖石主要為水平層理。根據后期開挖斷面，現場羅盤實測巖層產狀為125°∠15°。其中②黏土、③全風化泥巖具膨脹性，自由膨脹率為36%～48%，50 kPa，下膨脹率為0.03%～0.52%，收縮系數0.25～0.36，脹縮總率2.29%～3.25%，屬中等脹縮土，膨脹潛勢為弱。

1.3 工程問題分析

由上所述，該工程填方區為典型的膨脹土地基填方建筑邊坡，且為填筑于天然斜坡地段的填方邊坡工程。依據現行《膨脹土地區建筑技術規范》第3.0.3條及《廣西壯族自治區膨脹土地區建筑勘察設計施工技術規程》中相關條款的規定，建造于斜坡及其鄰近的建筑物及擋土結構，應進行穩定性驗算。同時，對于膨脹土坡底，應采取一定措施考慮坡體內土的含水量變化對建筑物的影響[7-8]，其原因主要有以下兩個方面：

1)建造于斜坡及其鄰近的建筑物及擋土結構，一旦發生失穩則是災難性的。建筑地基和擋土結構的失穩，一方面是由于荷載過大，土中應力超過土體的抗剪強度引起的，必須通過在設計階段進行穩定性分析驗算；另一方面，土中水的作用是主要的外因，所謂“十滑九水”對于膨脹土地基來說更為貼切。水不但導致土體膨脹而使其抗剪強度降低，同時也產生附加的水平膨脹力，設計時應考慮其影響，并采取防水保濕措施，保持土中水分的相對平衡。

2)對于非膨脹土坡地只需驗算坡體穩定性，但對膨脹土坡地，僅滿足坡體穩定要求，還不足以保證場地及其上建構筑物的正常使用。應充分考慮坡體內土的含水量變化對建筑物的影響，這種影響主要來自以下幾點：a.挖填方過大時，土體原來的含水量狀態會發生變化，需經過一段時間后，地基土中的水分才能達到新的平衡；b.由于平整場地破壞了原有地貌、自然排水系統及植被，土的含水量將因蒸發而大量減少，如果降雨，局部土質又會發生膨脹；c.坡面附近土層受多向蒸發的作用，大氣影響深度將大于坡肩較遠的土層；d.坡比較陡時，旱季會出現裂縫、崩坍。遇雨后，雨水順裂隙滲入坡體，又可能出現淺層滑動。久旱之后的降雨，往往造成坡體滑動，這是坡地建筑設計中至關重要的問題。

為此，對于膨脹土填方邊坡，其設計技術工作應主要圍繞穩定性分析及綜合防護治理兩個方面開展。

2 邊坡穩定性分析

2.1 邊坡破壞模式分析

本工程位于膨脹土地區，膨脹土等級屬弱～中膨脹性。結合現有研究成果及當地經驗，該邊坡從破壞的深度方面考慮，其破壞模式可分為淺層破壞和深層破壞兩種形式。深層破壞主要指邊坡的整體失穩，應結合邊坡穩定計算結果與工程經驗，確定合適的坡形、坡比以及填筑技術措施等，以保證邊坡整體穩定；淺層破壞主要是指發生在大氣影響層內的膨脹土邊坡淺層變形破壞，需要針對其具體的特征及影響因素，采用合理的邊坡防護措施來消除淺層破壞的危害。

本節重點對深層破壞方面進行分析。依據現行《膨脹土地區建筑技術規范》《廣西壯族自治區膨脹土地區建筑勘察設計施工技術規程》中相關條款的規定:“位于坡地場地上的建筑物，驗算其地基穩定性時，必須考慮建筑物和堆料的荷載，抗剪強度應為土體沿滑動面的抗剪強度，安全系數取1.3，且應符合下列規定：1)土質較均勻時，可按圓弧滑動法驗算；2)土層較薄，土層與巖層間存在軟弱層時，應取軟弱層面為滑動面進行驗算；3)層狀構造的膨脹土，層面與坡面為同向傾斜，且交角小于45°時，應驗算層面的穩定性。”

由此，確定該填方邊坡穩定性破壞的模式及分析應包括以下幾個方面：

1)填筑坡體沿下伏膨脹土巖層層面滑動的穩定性分析。

2)上覆填土自身穩定性分析。

3)上覆土層與巖層間存在軟弱層時，沿軟弱土層滑動的穩定性分析。

2.2 邊坡坡高、坡比設計

對本填方邊坡，結合進站路由、站場填挖方平衡及用地界線等情況，初步擬定采用直線型邊坡，坡率1∶1.5，分層回填、碾壓進行放坡支護，坡腳澆筑1 m高混凝土擋土墻。

2.3 邊坡穩定性計算

2.3.1 計算模型及參數

計算選取的地質斷面如圖2所示。實際工程實施中，須對地表植被、耕植土進行清除。斷面計算模型如圖3所示。

結合工程地勘報告及地區經驗，天然狀態下邊坡各層巖土物理力學參數如表1所示。

表1 巖土體物理力學性能參數(一)

2.3.2 坡體沿下伏巖層層面滑動的穩定性分析

由地勘報告結論及后期開挖實測數據可知，下伏巖層主要產狀為125°∠15°，坡面產狀為180°∠33.69°，采用極射赤平投影法分析，如圖4所示。巖層傾向與邊坡坡向大角度相交，為切向坡，對邊坡穩定性影響較小。

對場地下伏基巖穩定性進行分析。由定性分析可知，下伏基巖無外傾結構面及結構面的不利組合，如巖體要向邊坡傾向滑動，那么潛在滑動面的下滑力需要克服巖體本身的抗剪強度，剪斷巖體面出現破裂面。場地下伏基巖巖面坡度較緩，從下伏基巖的形態分析，無角度較大的臨空面，最大角度約為15°，該臨空面處于中風化巖內，如不考慮巖體黏聚力，僅考慮巖體摩擦角，則沿該面滑動的穩定性系數為：Fs=tan33.69°/tan15°=2.5。考慮巖體抗剪強度還存在較大的黏聚力，則下伏基巖沿該臨空面的滑動穩定性系數大于2.5，滿足規范要求。

2.3.3 天然狀態下，上覆填土自身穩定性分析

采用理正巖土軟件簡化Bishop法進行驗算分析，天然狀態下邊坡滑動面形狀如圖5所示，邊坡穩定系數Fs=1.566>1.3，滿足規范[9-10]要求。

2.3.4 降雨入滲條件下，邊坡沿軟化土層穩定性分析

假定邊坡在旱季施工，已填筑完畢后進入雨季，上部場區場地防排水措施尚未形成，雨水沿原始斜坡下滲，膨脹土地基(③全風化泥巖)浸水軟化，土體抗剪強度參數下降，參考文獻[11]的巖土體參數，則此時邊坡巖土計算參數如表2所示。

表2 巖土體物理力學性能參數(二)

此時，邊坡穩定性計算分析結果如圖6所示，邊坡穩定安全系數急劇下降到0.939，遠遠不滿足規范規定的穩定性要求。

由此可知，在具有膨脹性地基土上進行邊坡土體填筑時，應充分考慮地表及地下水對膨脹性地基土的軟化作用。干旱及少雨季節，土中含水量較低，膨脹土強度高，邊坡穩定性較高；但進入雨季或上部水體下滲到地基后，膨脹土一旦浸水其強度將大幅度降低，尤其是填筑邊坡工程，填筑坡體猶如坐落在軟弱土層上，此時再加上原場地若有一定傾斜坡度，邊坡將有極大的整體失穩風險。因此，在膨脹土地區進行填筑邊坡的設計和施工時，均應給予足夠的重視，采取有效的措施，確保原始場地及填筑邊坡工程穩定安全。

3 膨脹土邊坡防護技術措施

根據以上分析，同時鑒于膨脹土邊坡所具有的“逢塹必滑，無堤不塌”特性，必須積極貫徹“先發治坡，以防為主”的設計原則，在滿足邊坡整體穩定性的基礎上，結合具體工程區域的具體特點，采取主動防護技術措施，有針對性的進行邊坡綜合治理，防止膨脹土邊坡淺層失穩破壞[12]。

主動防護的總體設計思路是采取相應措施，控制邊坡內部土體含水率的變化，使其避免與周圍環境進行水分交換，一方面可以防止土體因失水引起的裂隙發展，另一方面可以設置防滲、截排水設施，將匯集到坡體的地表水及時截排導流，避免降雨等地表水持續入滲，防止邊坡失穩[13]。

針對此工程，填方邊坡采用如下防護技術措施：

1)采用漿砌片石護面+坡腳設置護腳擋墻+排水溝的方式進行防護，漿砌石護面后設砂礫石反濾層，并設置泄水孔，以利于邊坡土體中水的排出。

2)為了隔絕大氣對邊坡的不良影響，隔離水分進入邊坡內部，對具有膨脹性巖土作為填料的土體采用摻生石灰的方式進行改良，以消除巖土體膨脹性。

3)對場區地面進行硬化，并設置完善的地表截排水系統，以防止地表水下滲，影響填方邊坡穩定性。

4)在分層填筑前，對填筑區原始場地將斜坡的坡面進行臺階式開挖處理，使壓實填土與斜坡面緊密接觸，加強邊坡沿原始斜坡滑移穩定性的安全儲備。

5)膨脹土施工時，宜避開雨期施工，同時做好場地排水系統，防止浸泡和曝曬，各道工序銜接緊密，分段快速、連續作業，填筑體、邊坡以及基坑(槽)應及時做好防護及封閉工作，減少施工期的暴露時間。

4 結論與展望

4.1 結論

本文以廣西某天然氣站場膨脹土地基填方邊坡工程實踐為依托，對膨脹土邊坡穩定性進行了一定的研究分析，并采用主動防護的措施對地表水入滲等進行了邊坡防護處治，提出適用于膨脹土地基邊坡穩定性分析方法及填方邊坡填筑技術。主要結論如下：

1)在膨脹土坡地建筑地區，在驗算坡體穩定性的同時，還應考慮水對坡體位移及邊坡巖土參數的影響，并應采取一定措施。

2)在膨脹土地基上進行邊坡填筑時，應充分考慮水對膨脹土地基的軟化作用。在膨脹土區域進行邊坡設計和施工時應該引起足夠的重視，采取有效防水、排水措施，確保工程安全。

4.2 展望

本文通過工程實踐對膨脹土邊坡穩定性進行了一定的研究分析，但由于該課題實踐性較強，尚存在以下不足：并未對地表水下滲或降雨條件下的膨脹土邊坡力學特性及破壞機理[14-15]進行深入探討；同時，由于依托工程尚未竣工，工程實施效果有待工后進一步驗證。今后將對膨脹土邊坡設計技術進行多元多維深入研究，加強工程應用。