袁 坤，張玉芳

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081)

降雨入滲是邊坡滑動(dòng)破壞的主要原因之一，特別是煤系地層邊坡，由于煤系地層中炭質(zhì)泥巖巖質(zhì)軟弱，含炭量高，吸收熱能強(qiáng)，極易風(fēng)化、崩解，受干燥-浸水活化作用影響較大，極易活化，且具有不可逆性[1-3]，給高速公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤系地層邊坡的失穩(wěn)破壞，絕大多數(shù)是由降雨或地下水位的變化引起的，這是目前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治領(lǐng)域亟待解決的難點(diǎn)與關(guān)鍵問(wèn)題[4-7]。

滑坡的發(fā)生與降雨關(guān)系密切是早為人知的事實(shí)，很多學(xué)者對(duì)降雨與邊坡穩(wěn)定之間的關(guān)系進(jìn)行了深入的研究，取得了豐碩的成果[8-11]。但對(duì)于煤系地層這一典型邊坡來(lái)說(shuō)，降雨條件下煤系地層邊坡的滑動(dòng)機(jī)理研究還較為少見(jiàn)。因此，本文以廣東省潮惠高速公路煤系地層滑坡為例，研究降雨引起煤系地層邊坡滑動(dòng)的機(jī)理，對(duì)于類(lèi)似的煤系地層邊坡的加固設(shè)計(jì)及評(píng)估具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 地形地貌

廣東省潮惠高速公路左側(cè)路塹邊坡處于構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū)，地勢(shì)由南向北傾斜。原山體斜坡植被發(fā)育，斜坡山脊線坡度約14°～16°。線路以路塹邊坡形式從山脊線中下部橫切通過(guò)。邊坡兩側(cè)為自然沖溝，沖溝兩側(cè)自然斜坡坡度約26°。路塹邊坡坡向約339°，線路走向約249°。

1.2 地層巖性

邊坡開(kāi)挖揭露地層自上而下分別為含碎石粉質(zhì)黏土、全～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及炭質(zhì)頁(yè)巖，泥質(zhì)粉砂巖與炭質(zhì)頁(yè)巖呈互層分布，如圖1所示。根據(jù)勘察資料，泥質(zhì)粉砂巖及炭質(zhì)頁(yè)巖屬三疊系頭木沖組。

圖1 泥質(zhì)粉砂巖與炭質(zhì)頁(yè)巖互層

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，泥質(zhì)粉砂巖為中～薄層狀，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，全～強(qiáng)風(fēng)化，巖體呈碎塊石夾土狀。炭質(zhì)頁(yè)巖較薄，厚度約0.1～0.6 m；炭質(zhì)頁(yè)巖含水率高，表面風(fēng)化呈黏土狀，手捏有滑膩感。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，邊坡巖層產(chǎn)狀變化較大。三級(jí)邊坡坡面巖層整體順傾，量得2組產(chǎn)狀分別為330°∠30°，326°∠21°；二級(jí)邊坡巖層整體近水平，大里程方向局部順傾。

1.4 地質(zhì)水文條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，地下水主要是靠地表水補(bǔ)給。

2 病害特征

滑坡后緣裂縫距坡頂刷方線水平距離約30 m，整體下錯(cuò)1.0～2.0 m，張開(kāi)約1.0 m。左側(cè)界坡體下錯(cuò)約1.0 m，裂縫張開(kāi)0.3～1.0 m，同時(shí)在坡體發(fā)現(xiàn)多條羽狀裂縫；右側(cè)界坡體下錯(cuò)約1.0 m，裂縫張開(kāi)約0.4 m。從裂縫發(fā)展分析判斷，滑動(dòng)面已整體貫通(如圖2所示)。

圖2 滑坡已整體貫通

滑坡前緣剪出口在二級(jí)平臺(tái)以下約4 m處。二級(jí)平臺(tái)以下坡體巖層近水平，由于主滑面下滑力較大，滑坡體在二級(jí)平臺(tái)以下約4 m處沿水平軟弱層面剪出?；峦屏Φ耐苿?dòng)，也使二級(jí)平臺(tái)及以下巖層發(fā)生向外整體擠出或坍塌。

3 滑動(dòng)機(jī)理分析

根據(jù)上述對(duì)煤系地層邊坡的地層巖性及邊坡滑動(dòng)破壞狀態(tài)分析，煤系地層邊坡滑動(dòng)主要受降雨的影響。通過(guò)運(yùn)用飽和-非飽和滲流理論[4]對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值分析，分析該邊坡在降雨過(guò)程中，土體中孔隙水壓力及體積含水率的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.1 飽和-非飽和滲流分析

1)模型建立及參數(shù)的確定

模型采用該邊坡的典型代表斷面，一級(jí)邊坡坡高10 m，坡率1∶0.75，二級(jí)邊坡坡高10 m，坡率1∶1，三級(jí)邊坡坡高12 m，坡率1∶1.25，分級(jí)平臺(tái)寬2 m。其后為緩坡。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)巖土參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理試驗(yàn)參數(shù)

采用Van Genuchten模型[4]擬合滲透系數(shù)及含水率隨基質(zhì)吸力變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖3 滲透系數(shù)及含水率隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律

由圖3可知，碎石粉質(zhì)黏土和全～強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖體積含水率和滲透系數(shù)都與基質(zhì)吸力存在非線性關(guān)系，基質(zhì)吸力越小，巖土體的體積含水率與滲透系數(shù)越大。

2)初始條件

穩(wěn)態(tài)流計(jì)算初始條件降雨量為0，并作為瞬態(tài)流的初始滲流場(chǎng)。根據(jù)當(dāng)時(shí)地質(zhì)鉆孔測(cè)得左側(cè)邊界的地下水位線高程為56.086 m，右側(cè)邊界的地下水位線高程為50.651 m。初始滲流場(chǎng)見(jiàn)圖4。

圖4 初始狀態(tài)下的滲流場(chǎng)

3)降雨條件

根據(jù)邊坡所在區(qū)域當(dāng)時(shí)的氣象資料查得，12 h的降雨量為27.95 mm，換算成單位降雨強(qiáng)度為6.47×10-7m/s，降雨歷時(shí)3 d，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)6 d。

4)計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述的模型參數(shù)、邊界條件和降雨條件對(duì)煤系地層邊坡進(jìn)行飽和-非飽和滲流分析，得出邊坡在不同降雨歷時(shí)巖土體體積含水率的變化情況見(jiàn)圖5，其中圖5(a)—圖5(d)為降雨過(guò)程中邊坡巖土體體積含水率變化情況，圖5(e)—圖5(f)為降雨停止后邊坡巖土體體積含水率變化情況。

圖5 不同降雨歷時(shí)邊坡體積含水率等勢(shì)線

由圖5可知，邊坡巖土體體積含水率的大小及分布在降雨過(guò)程中及降雨后均有不同的變化；在不同的降雨歷時(shí)，降雨入滲的深度不同，在降雨72 h時(shí)入滲深度約4 m。在降雨歷時(shí)48～72 h邊坡坡腳地表水下滲與地下水逐漸連通，在72 h坡腳煤系地層土體達(dá)到飽和狀態(tài)，軟化、強(qiáng)度低，邊坡下切破壞。降雨過(guò)程中，碎石粉質(zhì)黏土由初始體積含水率0.26變化到0.34；坡腳全～強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖體積含水率由0.20變化到0.35；全～強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖與碎石粉質(zhì)黏土接觸帶的體積含水率由0.14變化到0.20。在降雨停止后，隨著地表的蒸發(fā)，地表水繼續(xù)下滲，表層土體的體積含水率逐漸減小，孔隙水壓力繼續(xù)增大。

降雨引起地下水位從坡腳開(kāi)始上升，坡腳處的煤系地層遇水軟化，強(qiáng)度迅速降低，導(dǎo)致坡腳失穩(wěn)，牽引上部邊坡產(chǎn)生張拉裂縫;持續(xù)降雨沿張拉裂縫入滲，在煤系地層接觸面上匯流并沿著巖層向坡腳貫通，形成了煤系地層軟化的滑動(dòng)帶，促使其發(fā)生滑動(dòng)。

3.2 飽和-非飽和邊坡穩(wěn)定性分析

1)飽和-非飽和強(qiáng)度理論分析

根據(jù)Fredlund等(1978)提出的擴(kuò)展Mohr-Coulomb準(zhǔn)則將破壞面投影于剪應(yīng)力與凈法向應(yīng)力平面，擴(kuò)展的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則抗剪強(qiáng)度理論公式[4]為

τf=c′+(σf-μw)ftanφ′

(1)

c′=c′+(μa-μw)tanφb

(2)

式中：c′為基質(zhì)吸力和凈法向應(yīng)力均為0時(shí)的黏聚力,即有效黏聚力；(σf-μw)f為土體破壞時(shí)，其破壞面上的凈法向應(yīng)力狀態(tài)；φ′ 為與(σf-μw)f有關(guān)的內(nèi)摩擦角；μa-μw為基質(zhì)吸力值；φb為與基質(zhì)吸力μa-μw對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角。

式(1)、式(2)中抗剪強(qiáng)度參數(shù)φ′，φb及c′均與含水率有關(guān)，因此，通過(guò)參考凌華等[12]非飽和土強(qiáng)度隨含水率變化的規(guī)律，采用改裝的三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)，得到該地層的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ與含水率ω之間的關(guān)系。

圖6 強(qiáng)度參數(shù)與含水率的關(guān)系

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)碎石粉質(zhì)黏土層與全～強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖層接觸帶土體取樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)，共做了7組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得出黏聚力與含水率之間的關(guān)系為c=-5.687ω+178.82，內(nèi)摩擦角與含水率之間的關(guān)系為φ=-3.62ω+82.07。

因此擴(kuò)展的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則抗剪強(qiáng)度理論公式可以寫(xiě)成τf=c(ω)+σtanφ(ω)，即τf=-5.687ω+178.82+σtan(-3.62ω+82.07)。

2)邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)飽和-非飽和滲流計(jì)算分析結(jié)果及室內(nèi)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則抗剪強(qiáng)度理論公式，計(jì)算不同降雨歷時(shí)的邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 降雨歷時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

由表2可知：在降雨過(guò)程中邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)由1.283降低到1.012，而降雨停止后48 h邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)由1.012降低到0.983，144 h 邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.995。由此可知，在降雨停止時(shí)，邊坡穩(wěn)定性繼續(xù)下降，在降雨停止48 h后邊坡穩(wěn)定性最低。

4 結(jié)論

1)煤系地層邊坡巖土體體積含水率的大小及分布在降雨過(guò)程中及降雨后均不同；在不同降雨歷時(shí)，降雨入滲的深度不同，在降雨72 h時(shí)入滲深度約4 m。

2)降雨引起邊坡中的地下水位從坡腳開(kāi)始上升，坡腳處的煤系地層遇水軟化，強(qiáng)度迅速降低，導(dǎo)致坡腳失穩(wěn)，牽引上部邊坡產(chǎn)生張拉裂縫;持續(xù)降雨沿張拉裂縫入滲，在煤系地層接觸面上匯流并沿著巖層向坡腳貫通，形成了煤系地層軟化的滑動(dòng)帶，促使其發(fā)生滑動(dòng)。

3)碎石粉質(zhì)黏土層與全～強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖層接觸帶土體隨著含水率增大，強(qiáng)度明顯減小，且在一定含水率范圍內(nèi)，強(qiáng)度指標(biāo)與含水率呈線性關(guān)系。

4)降雨停止后邊坡的穩(wěn)定性繼續(xù)降低，當(dāng)降雨停止48 h后邊坡穩(wěn)定性達(dá)到最低。

5)該煤系地層邊坡滑動(dòng)機(jī)理是坡腳土體遇水強(qiáng)度降低，降雨下滲，沿著碎石粉質(zhì)黏土層與全～強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖層接觸帶發(fā)生滑動(dòng)。