王德文，姚瑞珽

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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吉圖琿高速鐵路GDK283段膨脹土深路塹工程滑坡分析

王德文，姚瑞珽

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

吉圖琿高速鐵路所經(jīng)延吉盆地一帶的膨脹土成因復(fù)雜，受地形條件、地質(zhì)條件及自然氣候環(huán)境影響大，工程地質(zhì)條件極差，對路塹工程影響嚴(yán)重，定量評價(jià)邊坡穩(wěn)定性困難。以GDK283段膨脹土深路塹工程滑坡為實(shí)例，通過分析研究工程滑坡發(fā)生的機(jī)理，總結(jié)延吉地區(qū)膨脹土的工程地質(zhì)特征，充分利用勘察試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合考慮各種影響因素和邊界條件，進(jìn)行膨脹土的邊坡穩(wěn)定性分析驗(yàn)算，并在工程實(shí)踐中予以驗(yàn)證。

吉圖琿高速鐵路；延吉盆地；膨脹土；邊坡穩(wěn)定性分析

膨脹巖土號稱巖土工程界的“癌癥”， 由于其較強(qiáng)的地域特征，是其成為當(dāng)今巖土工程界最復(fù)雜的研究課題之一。吉圖琿高速鐵路所經(jīng)延吉盆地一帶的中～強(qiáng)膨脹巖土成因復(fù)雜，受地形條件、地質(zhì)條件及自然氣候環(huán)境影響大，工程地質(zhì)條件極差，是深路塹邊坡的強(qiáng)敵。GDK283段膨脹土深路塹邊坡在開挖過程中形成了規(guī)模較大的工程滑坡，給項(xiàng)目建設(shè)帶來了重大不利影響和經(jīng)濟(jì)損失。本文通過研究該工點(diǎn)滑坡發(fā)生的機(jī)理，總結(jié)延吉地區(qū)膨脹土的工程地質(zhì)特征，進(jìn)而探討膨脹巖土地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)驗(yàn)算問題，為邊坡治理設(shè)計(jì)方案的選擇提供依據(jù)。

1　工程地質(zhì)條件

線路所經(jīng)延吉盆地位于長白山脈北麓，屬中溫帶半濕潤區(qū)。最冷月平均氣溫為-16.5 ℃，為嚴(yán)寒地區(qū)；年平均降雨量528 mm，最大年降水量852 mm，年平均蒸發(fā)量達(dá)1 058 mm，土壤最大凍結(jié)深度為1.68 m。盆地呈現(xiàn)東西向展布，布爾哈通河自西向東流過盆地。盆地四周為剝蝕丘陵地貌，地勢平緩，地表多辟為耕地，海拔200～500 m，相對高差50～100 m，山坡自然坡度為5°～12°，自然邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。地層主要為白堊系上統(tǒng)龍井組全～強(qiáng)風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖；上覆第四系坡洪積堆積層，以黏性土為主，夾有角礫、碎石、塊石及零星孤石(成分以玄武巖為主)。其中黏性土、泥巖具有遇水膨脹、失水收縮、低強(qiáng)度、易崩解的特性，為中～強(qiáng)膨脹巖土：黏性土自由膨脹率50%～85%，蒙脫石含量28%～35%，陽離子交換量310～397 mmol/kg；泥巖自由膨脹率60%～70%，蒙脫石含量36%～45%，陽離子交換量280～320 mmol/kg。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層穩(wěn)定，巖層產(chǎn)狀近似水平。本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為Ⅵ度。

2　工程滑坡分析

吉圖琿高鐵GDK283段膨脹土深路塹邊坡在開挖過程中均形成了規(guī)模較大的工程滑坡。GDK283工程滑坡地層為第四系坡洪積堆積層，以黏性土為主，夾有角礫、碎石、塊石及零星孤石(成分以玄武巖為主)，下伏白堊系泥巖和泥質(zhì)砂巖，滑帶分布于堆積層內(nèi)，屬于堆積層滑坡。

2.1滑坡形成過程

該滑坡為牽引式三級滑坡，開始變形為2012年5月19日下午至5月20日，在開挖原設(shè)計(jì)二級半邊坡時(shí)，GDK283+453～GDK283+490段產(chǎn)生滑坍，滑坍高度從路塹頂至開挖坡腳，高約14 m，整個(gè)滑體呈舌形，塹頂張拉裂縫寬0.5～1.0 m，滑體前緣翹起，同時(shí)GDK283+385～+453和GDK283+490～+580段塹頂和邊坡坡面出現(xiàn)張拉裂縫，裂縫寬度10～30 cm，局部坡面鼓起，最遠(yuǎn)處裂縫位于塹頂以外30 m，為滑坡變形的初始啟動(dòng)變形。后期發(fā)展為前中后三級滑坡，呈現(xiàn)出了完整清晰的“簸箕狀”，滑坡變形特征典型，后緣及兩側(cè)裂縫已連續(xù)貫通發(fā)育?；虑熬壣顚蛹舫隹谔幱诿鞫错斠韵隆；掠绊懧肪€里程為GDK283+169～+550。

2.2滑坡特征

GDK283滑坡地貌形態(tài)明顯，裂縫貫通，右側(cè)界線為一流向近南北向的自然排水溝，左側(cè)界線為一連續(xù)錯(cuò)動(dòng)帶，最大下錯(cuò)量接近2 m，滑坡最后緣呈“M”形狀發(fā)育，地形上呈現(xiàn)出了兩個(gè)凹洼地?？擅黠@看出裂縫貫通呈圈椅狀的前、中、后三級后緣，滑動(dòng)方向與線路走向正交，為牽引式滑坡?；卵鼐€路方向最大寬度約381 m。中、前級變形區(qū)滑體最大厚度約17.8 m，體積約為94.7×104m3，后級牽引滑坡最大厚度約10 m，體積約為33.6×104m3，滑坡總體積為128.3×104m3，屬于巨型滑坡。如圖1、圖2所示。

2.3工程滑坡發(fā)生的機(jī)理研究

2.3.1影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)外因素

內(nèi)因：膨脹巖土自身的特性。含有大量的親水礦物，具有濕脹干縮的特性；遇水軟化，導(dǎo)致巖土體自身的抗剪強(qiáng)度隨含水量的變化而衰減；超固結(jié)性，邊坡開挖后應(yīng)力釋放，形成卸荷裂隙； GDK283滑坡物質(zhì)的成因復(fù)雜、孔隙大、結(jié)構(gòu)疏松，易存儲地下水。

外因：人工切坡破壞原有的自然平衡系統(tǒng)；降雨改變了土體的含水狀態(tài)。

2.3.2滑坡變形機(jī)理

(1)初級脹裂破壞：路塹開挖后，原有地貌、自然排水系統(tǒng)及植被遭到破壞，邊坡巖土體暴露于大氣當(dāng)中，雨季降水較多，蒸發(fā)量大，頻繁干濕循環(huán)導(dǎo)致坡面大氣影響深度加大，產(chǎn)生了大量的細(xì)小脹縮裂縫，雨水入滲導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度衰減，在開挖卸荷應(yīng)力、自重應(yīng)力和膨脹力的作用下， 塹頂附近的土體向臨空面發(fā)生蠕滑， 塹頂上方自然坡面出現(xiàn)了大量的張拉裂隙。

圖1　GDK283滑坡工點(diǎn)平面

圖2?、?Ⅲ滑坡主軸工程地質(zhì)斷面

(2)剪切面擴(kuò)張：由于強(qiáng)膨脹土具有初始變形快的特點(diǎn)，如不及時(shí)進(jìn)行防護(hù)，坡體的一部分出現(xiàn)小規(guī)模溜坍。緊接著，變形裂隙向坡體縱深發(fā)展，到一定程度，又發(fā)生局部小規(guī)?；来祟愅疲麦w上各種力學(xué)性質(zhì)的變形裂隙向縱深擴(kuò)展、逐漸閉合， 形成圈椅狀滑坡后壁，局部產(chǎn)生微小錯(cuò)臺。但此時(shí)滑動(dòng)面尚未貫通，坡體前緣尚未受壓。

(3)滑體位移：降雨持續(xù)作用下，大氣降水沿著圈椅狀裂隙入滲到坡體中，使得孔隙水壓持續(xù)升高、土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步衰減，膨脹潛勢得以充分發(fā)揮作用，滑坡前緣受壓隆起或剪切破壞，滑動(dòng)面貫通，滑體形成并產(chǎn)生側(cè)向位移，最終導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。

由于內(nèi)外因素的綜合作用，形成延吉盆地膨脹巖(土)特有的“蠕滑拉裂， 梯級牽引， 大雨大動(dòng)， 無雨微動(dòng)”[5]的獨(dú)特病害特征。

2.4滑坡形成區(qū)工程地質(zhì)特征

滑坡的形成與延吉盆地內(nèi)特殊的地形、地質(zhì)條件及自然氣候環(huán)境關(guān)系密切： GDK283滑坡為堆積層滑坡，結(jié)構(gòu)疏松、均勻性差、具有中～強(qiáng)膨脹性的黏性土夾角礫、碎石、塊石及零星玄武巖孤石是其形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。延吉盆地北部丘陵地帶寬緩的地形，徑流條件差，雨水易下滲，特別是邊坡開挖時(shí)臨空面因卸荷應(yīng)力、自重應(yīng)力和膨脹力的作用下而產(chǎn)生的裂隙更加劇了地表雨水的下滲，軟化下部巖土體，使其強(qiáng)度急劇降低。本地區(qū)屬嚴(yán)寒地區(qū)，春季積雪融化下滲更加劇了其工程性質(zhì)惡化。

3　膨脹巖土邊坡穩(wěn)定性分析

3.1膨脹巖土邊坡穩(wěn)定性分析方法

邊坡穩(wěn)定分析之前，應(yīng)根據(jù)巖土工程地質(zhì)條件對邊坡的可能破壞方式及相應(yīng)的破壞方向、破壞范圍、影響范圍等作出判斷，應(yīng)同時(shí)考慮到受巖土體強(qiáng)度控制的破壞和受結(jié)構(gòu)面控制的破壞。不同的滑面形態(tài)應(yīng)選擇不同的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。

(1)土質(zhì)較均勻時(shí)，可按圓弧滑動(dòng)法驗(yàn)算。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)建議采用簡化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算

(1)

(2)

式中，F(xiàn)s為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；Gi為第i計(jì)算條塊單位寬度自重，kN/m；Ui為第i計(jì)算條塊滑面單位寬度總水壓，kN/m；Gbi為第i計(jì)算條塊單位寬度豎向附加荷載，kN/m；Qi為第i計(jì)算條塊單位寬度水平荷載，kN/m，方向指向坡外取正值，指向坡內(nèi)時(shí)取負(fù)值；Φi為第i計(jì)算條塊滑面內(nèi)摩擦角，(°)；θi為第i計(jì)算條塊滑面傾角，(°)，與滑動(dòng)方向一致取正值，相反取負(fù)值；ci為第i計(jì)算條塊滑面黏聚力，kPa；li為第i計(jì)算條塊滑面長度，m；hwi、hw，i-1為第i及i-1計(jì)算條塊滑面前端水頭高度，m；γw為水重度，取10 kN/m3；i為計(jì)算條塊號，從后方起編；n為條塊數(shù)量。

(2)土層或巖層間存在軟弱層時(shí)，應(yīng)取軟弱層面為滑動(dòng)面進(jìn)行驗(yàn)算，可按平面滑動(dòng)公式計(jì)算。

(3)折線形滑動(dòng)面建議采用傳遞系數(shù)隱式解法計(jì)算。

3.2膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的參數(shù)選擇3.2.1采用簡化畢肖普法計(jì)算

(1)在膨脹土邊坡頂?shù)膹埨芽p密布區(qū)，滑裂面按豎直線計(jì)算，忽略土的抗剪強(qiáng)度，只把這一深度的土體作為坡頂均布荷載計(jì)算；應(yīng)計(jì)算邊坡頂部的附加荷載(堆料荷載、機(jī)械設(shè)備的臨時(shí)荷載等)。按簡化畢肖普法計(jì)算時(shí)，以上兩項(xiàng)均計(jì)入條塊單位寬度豎向附加荷載Gib中。

(2)當(dāng)邊坡裂縫內(nèi)有積水存在，裂縫內(nèi)積水與滑帶內(nèi)地下水不連通時(shí)，按沿裂縫深度分布的靜水壓力計(jì)算，計(jì)入條塊單位寬度水平荷載(Qi)，裂縫深度無實(shí)測資料時(shí)可取大氣影響急劇層深度；若裂縫內(nèi)積水與滑帶內(nèi)地下水連通，抗滑力需考慮按公式(2)計(jì)算的地下水浮力，下滑力可以忽略地下水浮力的影響，如公式(1)所示。

(3)水平膨脹力的取值方法

①膨脹力的作用深度：應(yīng)取大氣影響急劇層深度，可按大氣影響深度值乘以0.45取用[3]。大氣影響深度可根據(jù)濕度系數(shù)查表確定。

②水平膨脹力在大氣影響急劇層內(nèi)是隨深度增加而增大的，在浸水過程的初期水平膨脹力達(dá)到一峰值后，隨著士體的膨脹其密度和強(qiáng)度降低，壓力逐漸減小至穩(wěn)定值。根據(jù)前蘇聯(lián)的索洛昌的研究成果，在工程應(yīng)用時(shí)，建議可不考慮水平膨脹力隨深度的變化，取0.8倍的最大值進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。(水平膨脹力可以實(shí)測取得，若無實(shí)測資料也可根據(jù)有關(guān)研究成果取其豎向膨脹力的0.50～0.65倍。)

(4)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)考慮削坡卸荷應(yīng)力釋放、土體吸水膨脹后土體及結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的衰減。c值應(yīng)乘以折減系數(shù)n(n=0.6～0.8或根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn))[2]。

(5)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)可取1.2[4]。

3.2.2計(jì)算實(shí)例

以GDK283滑坡首次滑動(dòng)為例進(jìn)行：滑坡在GDK283+450～GDK283+493段左側(cè)邊坡開挖至兩級半時(shí)發(fā)生，滑塌體寬約43 m，高約14 m，整個(gè)滑體呈舌形，滑體前緣翹起，滑動(dòng)面出露?；w由坡洪積黏性土夾玄武巖碎石、角礫構(gòu)成。同時(shí)塹頂和坡面出現(xiàn)張拉裂縫，塹頂張拉裂縫寬0.5～1.0 m，坡面裂縫寬度10～30 cm，局部坡面鼓起，最遠(yuǎn)處裂縫位于塹頂以外30 m。

圖3　邊坡穩(wěn)定性計(jì)算簡圖

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)[4]采用簡化的畢肖普法進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性驗(yàn)算(圖3)：坡洪積的土夾石地層分層困難，按圓弧滑動(dòng)法驗(yàn)算；邊坡頂?shù)膹埨芽p密布區(qū)，把裂縫影響深度的土體作為坡頂均布荷載計(jì)算，計(jì)入條塊單位寬度豎向附加荷載Gib中；水平膨脹力、裂隙中的靜水壓力計(jì)入條塊單位寬度水平荷載(Qi)；應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)考慮削坡卸荷應(yīng)力釋放、土體吸水膨脹后土體及結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的衰減。c值應(yīng)乘以折減系數(shù)n(n=0.6～0.8或根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn))；邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)可取1.2。

根據(jù)勘察階段試驗(yàn)資料，土的重度為19 kN/m3，豎向試驗(yàn)膨脹力為125 kPa，巖土快剪指標(biāo)：黏聚力c=61.8 kPa，φ=9.5°。邊坡頂部均布荷載取值Gbi=19×1.6 kPa，(裂縫深度1.6 m)；水平向外荷載包括水平膨脹力0.8×0.5×125 kPa和裂隙內(nèi)積水的靜水壓力0.5×1.62×10 kPa，Qi=50 kPa。由于滑坡已經(jīng)發(fā)生，滑動(dòng)面已知，取邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1，內(nèi)摩擦角φ=9.5°，經(jīng)反演法推算得到黏聚力c=48.5 kPa，約等于快剪指標(biāo)61.8×0.8 kPa。與上述穩(wěn)定性驗(yàn)算方法吻合。

3.2.3結(jié)論

鐵路勘察設(shè)計(jì)階段膨脹土穩(wěn)定性評價(jià)，首先應(yīng)對邊坡可能的破壞方式及相應(yīng)的破壞方向、破壞范圍、影響范圍等作出判斷，并根據(jù)預(yù)測的滑動(dòng)面形態(tài)選擇合適的穩(wěn)定性計(jì)算方法和計(jì)算公式；其次是綜合考慮工程所處地區(qū)的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、環(huán)境氣象條件與工程施工影響等因素，對勘察成果中的巖土強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行修正；最后，依據(jù)計(jì)算的邊坡穩(wěn)定系數(shù)(Fs)，判斷邊坡的穩(wěn)定性。

由于膨脹巖土的地域性很強(qiáng)、成因復(fù)雜、工程地質(zhì)特性多變，在具體的工程實(shí)踐中，尤其應(yīng)分級及時(shí)支護(hù)，避免逐級牽引破壞演變?yōu)榇蠡拢黾又卫黼y度和工程投資。對于膨脹巖土高邊坡應(yīng)采用信息法施工、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)：建立監(jiān)控網(wǎng)，根據(jù)邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)方案和施工措施，是保證邊坡工程設(shè)計(jì)施工質(zhì)量與安全的重要環(huán)節(jié)；另可根據(jù)同一地區(qū)相同地層中已經(jīng)發(fā)生的滑坡反算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，以便用于邊坡的穩(wěn)定性分析和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

4　結(jié)語

延吉地區(qū)的膨脹巖土既有以白堊系泥巖及風(fēng)化物為物質(zhì)基礎(chǔ)的膨脹巖，也有以黏性土夾角礫、碎石、塊石及零星玄武巖孤石為物質(zhì)基礎(chǔ)的第四系堆積層。二者均具有中～強(qiáng)膨脹性，但堆積層結(jié)構(gòu)疏松、均勻性差、含水量高、邊坡穩(wěn)定性更差，工程地質(zhì)條件更為復(fù)雜。

GDK283工程滑坡形成原因除復(fù)雜的地質(zhì)條件外，與工程施工息息相關(guān)，由于施工中未能分級開挖及時(shí)支護(hù)，淺層邊坡蠕動(dòng)滑塌破壞后長期處于無支護(hù)狀態(tài)，塹頂邊坡排水天溝排水不暢等原因，也是其逐漸牽引演變?yōu)榇蠡碌闹匾?。由于滑坡?guī)模大、滑面深，控制了琿春方向橋梁工程的架梁工期，施工中采用圍護(hù)樁加明洞、滑坡體上布置2排抗滑樁加泄水隧道的綜合治理方案，工程實(shí)施完畢近1年以來滑坡體穩(wěn)定，隧道工程運(yùn)營安全。通過研究這些工程滑坡發(fā)生的機(jī)理，總結(jié)膨脹巖土的工程地質(zhì)特征?？紤]路塹頂部裂縫區(qū)的強(qiáng)度損失，水平膨脹力、裂縫內(nèi)的靜水壓力，以及削坡卸荷應(yīng)力釋放、土體吸水膨脹后土體及結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的衰減，充分利用勘察試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合考慮各種影響因素和邊界條件，進(jìn)行膨脹土的邊坡穩(wěn)定性分析驗(yàn)算，并在工程實(shí)踐中予以驗(yàn)證。

[1]鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].修訂版.北京:中國鐵道出版社，1999.

[2]鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊·路基[M]. 修訂版.北京:中國鐵道出版社，1992.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50112—2013膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013.

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Analysis of Landslide of Deep Expansive Soil Cutting in GDK283 Section on Jilin-Tumen-Hunchun High-speed Railway

WANG De-wen， YAO Rui-ting

(China Railway Engineering Design Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

The causes of the expansive soil of Jilin-Tumen-Hunchun high-speed railway in Yanji basin area are complicated， which makes it very difficult to evaluate slop stability due to the effects of terrain and geological conditions and natural climate environment， the poor engineering geological condition and the their serious impacts on deep cutting. In view of the engineering landslide of the deep expansive soil cutting in GDK283 section， this paper calculates expansive soil slope stability in consideration of various influencing factors and boundary conditions and based on the analysis of the mechanism of the engineering landslide， the summary of the engineering geological characteristics of expansive soil in Yanji area， and the full use of the survey and test data. The results are verified in engineering practice.

Jilin-Tumen-Hunchun high-speed railway; Yanji basin; Expansive soil; Stability analysis of slope

2016-03-07；

2016-04-27

王德文(1973—)，男，高級工程師，1995年畢業(yè)于河北地質(zhì)學(xué)院水文地質(zhì)與工程地質(zhì)系，工學(xué)學(xué)士，E-mail：bskl936@163.com。

1004-2954(2016)08-0025-05

U213.1+4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.006