張 勐， 伍 洪， 宋學(xué)乾

(1.四川省公路工程咨詢監(jiān)理事務(wù)所有限責(zé)任公司， 成都 610041； 2.中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司， 成都 610031)

膨脹性巖土在我國大部分低緩丘陵地區(qū)均有不同程度的分布，該類巖土體常含較多的蒙脫石、伊利石等粘土礦物，其親水性很強(qiáng)，遇水后極其不穩(wěn)定，具有吸水顯著膨脹、軟化，失水急劇收縮、開裂，強(qiáng)度大幅度衰減等特性。因其力學(xué)性質(zhì)的特殊性，往往給工程建設(shè)造成較大危害[1-2]。

在膨脹土地區(qū)的公路工程建設(shè)中，路基通常會避免高路堤和深路塹方式[3]，若無法避免時，通常會選用預(yù)加固支擋工程，并輔以防水、控濕、防風(fēng)化等措施，以確保膨脹性巖土邊坡的穩(wěn)定[4-5]。本文以四川金堂某在建公路路塹邊坡為例，在充分查明巖土體工程特性、變形歷程、破壞特征的基礎(chǔ)上，分析了邊坡失穩(wěn)機(jī)理，通過構(gòu)建科學(xué)的計算模型，定量計算和評價了邊坡穩(wěn)定性，并參考國內(nèi)外類似工程的防治經(jīng)驗，提出了以坡腳樁板墻結(jié)構(gòu)支護(hù)為主，輔以坡體防水控濕和防風(fēng)化的綜合防治措施。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

邊坡區(qū)場地總體地勢西北高南東低，相對高差較小，屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌。邊坡位于公路右側(cè)，最大切坡高度19.11 m，坡向129°，邊坡坡面形態(tài)呈上陡下緩，整體坡度約20°。坡頂植被覆蓋率高，多以果樹和灌木為主，如圖1所示。

圖1 邊坡全貌

1.2 工程地質(zhì)條件

場區(qū)附近未見明顯的地表水和地下水出露跡象，地下水以第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水為主，總體較貧乏。項目區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，地震基本烈度為Ⅶ度。

2 邊坡變形歷程及破壞特征

2.1 變形歷程

2021年初，該路塹邊坡開始進(jìn)行路基施工，施工過程中曾多次發(fā)生失穩(wěn)變形和設(shè)計變更。3月，該段路基左側(cè)基本開挖至設(shè)計標(biāo)高，右側(cè)約7 m尚未開挖，邊坡頂部外側(cè)坡體出現(xiàn)輕微開裂和下挫，邊坡發(fā)生淺表層溜塌。第1次變更采用緩坡清方+坡腳擋墻的方式進(jìn)行處治。

4月，在完成邊坡中上部的清方施工后，邊坡中部及平臺處產(chǎn)生新的溜塌變形。第2次變更采用在邊坡坡面增加錨桿+框架梁方案。

6月，基本完成上部坡面的錨桿+框架梁施工，但邊坡中上部及平臺處又出現(xiàn)裂縫與變形，因此決定對局部溜塌區(qū)域進(jìn)行清理嵌補(bǔ)后，按原處治方案采用清方+護(hù)腳擋墻+錨桿框架梁進(jìn)行處治。而后至9月初，完成了邊坡的清理嵌補(bǔ)工作，并澆筑完成了錨桿框架梁，現(xiàn)場邊坡中部及平臺處卻再次出現(xiàn)裂縫變形。經(jīng)各參建方現(xiàn)場察勘并商議后，確定對邊坡進(jìn)行第3次變更。

2022年2月，邊坡在經(jīng)歷短時降雨后，后緣頂部產(chǎn)生了新的裂縫，并伴有明顯下挫現(xiàn)象，整體滑動跡象明顯。在采取應(yīng)急反壓措施后，為確保后續(xù)變更設(shè)計的安全性與有效性，對該段邊坡進(jìn)行了補(bǔ)充勘察。

2.2 破壞特征

邊坡失穩(wěn)區(qū)域主要為公路右側(cè)路塹邊坡，邊坡軸線長約40 m，面積約0.3×104m2，坡體平均厚度約8.0 m，總方量約2.4×104m3，為小型牽引式滑坡。

邊坡變形跡象明顯，坡體出現(xiàn)2條主要的張拉裂縫，裂縫形態(tài)在平面上呈圈椅狀，如圖2所示。其中1#主裂縫長約100 m，位于公路中線右側(cè)約50 m處；2#主裂縫長約60 m，位于公路中線右側(cè)約38 m處；2條主裂縫寬度約20 cm～50 cm，深度均大于3 m，并相交貫穿于整個坡面。

圖2 平面變形特征

坡體受逐級牽引作用，后緣形成多級下挫陡坎，下挫高度0.5 m～1.5 m不等，最高達(dá)2.5 m。第2次變更后施作的錨桿框架梁出現(xiàn)明顯挫斷及下部垮空現(xiàn)象，坡腳已形成明顯鼓脹、隆起，坡體前緣未見地下水露頭形成的泉點(diǎn)。坡體變形破壞如圖3所示。

(a) 后緣下挫陡坎

3 邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析

根據(jù)補(bǔ)充勘察資料，邊坡變形主要發(fā)生在殘坡積層的含礫粉質(zhì)粘土中，該層厚3.0 m～9.4 m，土質(zhì)不均，一般情況下為硬塑狀，遇水粘滑細(xì)膩，呈軟塑狀，經(jīng)分析取樣試驗結(jié)果，其自由膨脹率為46%，膨脹力為13.3 kPa，塑性指數(shù)為15.68，屬弱膨脹土。

根據(jù)補(bǔ)充勘察成果與開挖情況，該膨脹土母巖為下伏白龍組粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖，巖體顏色呈紫紅色、棕紅色，但明顯可見間夾灰白色團(tuán)塊狀親水礦物。土體內(nèi)部裂隙發(fā)育，呈網(wǎng)紋狀，裂面光滑，遇水沿裂隙崩解呈碎塊狀現(xiàn)象嚴(yán)重，如圖4所示。對原狀土土樣取樣后，進(jìn)行了多次室內(nèi)干濕循壞試驗，結(jié)果表明該土樣干濕循環(huán)的次數(shù)越多，土樣裂隙擴(kuò)展越劇烈。初始2次的循環(huán)試驗對土樣強(qiáng)度的影響最為明顯，其中粘聚力指標(biāo)反應(yīng)最為敏感，在經(jīng)歷4～5次干濕循環(huán)后，粘聚力指標(biāo)降幅可達(dá)55%以上，而內(nèi)摩擦角指標(biāo)降低幅度較小，受干濕循環(huán)影響不顯著[6]。

圖4 膨脹土崩解

結(jié)合邊坡變形歷程、破壞特征和相關(guān)試驗結(jié)果，對該邊坡的失穩(wěn)機(jī)理做出以下分析：

坡體開挖后形成側(cè)向臨空面并暴露于自然環(huán)境中，當(dāng)時未及時施作坡面防護(hù)和截排水措施，致使上級邊坡產(chǎn)生淺表層的溜塌，邊坡表層土體正處于干濕循環(huán)的第1階段，邊坡開始受卸荷影響和濕脹干縮特性導(dǎo)致表層范圍內(nèi)土體裂隙逐步擴(kuò)張，巖土性質(zhì)開始出現(xiàn)大幅衰減[7]。

在第1次設(shè)計變更時，由于未準(zhǔn)確認(rèn)識到巖土體的弱膨脹性，設(shè)計僅采取緩坡清方+坡腳擋墻的方式，這不僅未能達(dá)到防水、控濕的效果，清方放緩坡率還使得弱膨脹性巖土大面積暴露在自然環(huán)境中，加劇了邊坡表層土體崩解及裂隙的發(fā)展，更加劇了邊坡整體穩(wěn)定性的惡化。該階段的破壞屬大氣影響范圍內(nèi)干濕循環(huán)作用下強(qiáng)度衰減導(dǎo)致的淺層土體失穩(wěn)，在降雨發(fā)生時，邊坡頂部出現(xiàn)溜滑式破壞，深層未產(chǎn)生貫通裂縫，邊坡屬于局部欠穩(wěn)定而整體穩(wěn)定的狀態(tài)。

而后，路基的繼續(xù)開挖為邊坡的整體性滑動提供了有利的臨空條件。第2次變更雖采取了錨桿+框架梁形式進(jìn)行坡面防護(hù)，且在此期間沒有長時間、高強(qiáng)度降雨，但因邊坡“新鮮面”暴露時間過久，表層土體經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后，裂隙正逐步向坡體深部發(fā)展，降水入滲的情況加重。伴隨日曬雨淋的反復(fù)作用，深層裂隙開始逐步貫通，前部土體出現(xiàn)沿滑面整體滑動的趨勢，邊坡歷經(jīng)漸進(jìn)變形階段向滑體破裂到滑動面貫通的發(fā)展階段。

由于邊坡巖土體經(jīng)受干濕循環(huán)的反復(fù)作用，土體性質(zhì)持續(xù)惡化。在2022年2月短時集中降雨后，下滲雨水在貫通性較好的坡體裂隙內(nèi)滯留集聚，在坡體內(nèi)形成了一定的水力梯度，巖土體裂隙底部積水相互連通，雨水在坡底很快充滿裂隙形成積水，坡腳巖體達(dá)到飽和狀態(tài)。隨著坡腳入滲水體的集聚，坡腳土體形成塑性軟化區(qū)，坡體的整體抗剪強(qiáng)度持續(xù)衰減，前緣出現(xiàn)大范圍滑移現(xiàn)象。膨脹性巖土滑坡前緣一旦出現(xiàn)整體失穩(wěn)，就極易產(chǎn)生不斷牽引后緣土體滑移的多級牽引式滑坡，且土體的裂隙將導(dǎo)致各級滑坡體的滑面相互貫通，由此該膨脹土邊坡由淺表層溜塌最終發(fā)展為不斷牽引后緣滑體整體滑移的牽引式滑坡[8-11]。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 計算模型

該滑坡邊界清晰，后緣發(fā)育長大張拉裂縫，前緣在巖土分界處鼓脹剪出，為典型的覆蓋層土體沿巖土界面的整體滑動模式，故采用圓弧形滑面?zhèn)鬟f系數(shù)法對邊坡天然工況、暴雨工況及地震工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，考慮暴雨+地震疊加工況的出現(xiàn)概率極低，為節(jié)約建設(shè)成本，本案例不考慮該工況。條分法計算模型如圖5所示[12-13]。

圖5 邊坡穩(wěn)定性計算模型

4.2 參數(shù)選取

滑帶土物理力學(xué)參數(shù)的選取是滑坡穩(wěn)定性計算分析的關(guān)鍵，主要指標(biāo)粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值，多通過反演計算、地區(qū)經(jīng)驗值類比及取樣試驗綜合確定。

根據(jù)邊坡變形歷程及破壞特征，天然工況下坡體在未出現(xiàn)強(qiáng)降雨時即出現(xiàn)蠕動變形，但并未發(fā)生整體滑移，判定該工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs應(yīng)小于1.0，且接近臨界穩(wěn)定狀態(tài)，因此，取天然工況下穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.99。由于邊坡在降雨后已出現(xiàn)整體滑動跡象，并伴有明顯下挫，判定邊坡已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合本區(qū)域滑坡經(jīng)驗類比，并考慮本邊坡巖土體的膨脹性，通過專家多輪論證，最終選取暴雨工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.92，并選取2個典型斷面作為計算斷面來反演計算滑動面的抗剪指標(biāo)c、φ值，反算結(jié)果如表1所示。

表1 反算c、φ值

結(jié)合補(bǔ)勘取樣試驗成果及反算c、φ值，二者均接近于殘剪指標(biāo)(天然殘剪c=16.2 kPa、φ=10.0°，飽和殘剪c=10.5 kPa、φ=8.5°)，經(jīng)工程類比本區(qū)域同一地層的邊坡計算參數(shù)，與上述反算值基本相當(dāng)。為此，最終確定天然工況采用反算天然狀態(tài)下的c、φ值；暴雨工況采用反算飽和狀態(tài)下的c、φ值；地震工況因僅考慮天然狀態(tài)下地震力的影響，不考慮暴雨+地震的疊加效應(yīng)，因此地震工況也采用反算天然狀態(tài)下的c、φ值。通過室內(nèi)試驗修正后的土體容重為：天然容重γ=20.0 kN/m3，飽和容重γ=21.0 kN/m3。

4.3 下滑力計算

該邊坡在各工況條件下均處于不穩(wěn)定狀態(tài)(Fs<1.0)，由于邊坡土體的遇水強(qiáng)敏感性，若遇到更大的暴雨，邊坡穩(wěn)定性將進(jìn)一步惡化。

由于該項目公路路線無調(diào)線繞避滑坡的可能性，需對該邊坡進(jìn)行永久性治理。為此結(jié)合公路路基設(shè)計情況選取2個變形較嚴(yán)重、挖方較高的主滑斷面進(jìn)行下滑力計算。考慮公路的重要性等級和滑坡的危害性，根據(jù)規(guī)范要求，選取天然工況下安全系數(shù)K=1.20、暴雨工況及地震工況下安全系數(shù)K=1.15計算各主滑斷面擬設(shè)支擋處(對應(yīng)計算模型的第⑨條塊)的剩余下滑力，計算結(jié)果如表2所示。

表2 各斷面(擬設(shè)支擋處)剩余下滑力計算

通過表2三種工況下2個主滑斷面擬設(shè)支擋結(jié)構(gòu)物處的剩余下滑力計算，結(jié)果表明K40+982主滑斷面在暴雨工況下擬設(shè)支擋結(jié)構(gòu)物處所受剩余下滑推力最大，為743 kN/m，以此作為支擋工程設(shè)計的依據(jù)。由于下滑力較大，需采取強(qiáng)支擋措施進(jìn)行防護(hù)。

5 邊坡治理措施

考慮到邊坡土體的弱膨脹性，計算的剩余下滑推力較大且之前已進(jìn)行過多次變更設(shè)計，本次治理宜采取強(qiáng)支擋性工程為主，疏排水為輔的工程措施，如圖6所示。

(a) 平面布置

具體治理措施如下：

1) 支擋工程

K40+898～K41+006段共長108 m，設(shè)置抗滑樁進(jìn)行前緣坡腳加固?？够瑯稑稄椒譃?.5 m×2.0 m和1.75 m×2.5 m兩種，樁間距為6 m，共計19根，設(shè)置于路基挖方邊溝內(nèi)壁外1 m處。樁間采用掛板防護(hù)，樁背邊坡采用1∶2.0緩坡率分級回填。

K40+855～K40+898段、K41+006～K41+027.13段設(shè)置重力式路塹擋土墻收坡，兼作邊坡防護(hù)。

2) 坡面防護(hù)工程

對已開挖的邊坡、緩坡回填的邊坡及時施作人字形骨架護(hù)坡，對表層土體進(jìn)行防護(hù)與加固。

3) 坡體地表截排水工程

在邊坡變形體后緣裂縫外側(cè)及邊坡平臺處設(shè)置截水溝，邊坡坡面設(shè)置骨架護(hù)坡作為截排水措施，以達(dá)到引排地表水的目的。

4) 坡體地下水排水工程

地下水排水工程考慮由未封閉的坡面及樁間掛板的泄水孔中排出，進(jìn)入路基邊溝排水系統(tǒng)。樁間擋土板及路塹擋土墻等坡面封閉范圍內(nèi)均設(shè)置反濾層與泄水孔，泄水孔進(jìn)水口采用滲水土工布包裹，防止泥土堵塞泄水孔。同時在一、二級邊坡坡腳處設(shè)置長度為10 m的仰斜式泄水孔，作為深層地下水的疏排措施。

5) 裂縫夯填及垮塌體翻挖回填

對邊坡范圍內(nèi)及坡頂以外的裂縫采用M7.5水泥砂漿封補(bǔ)至縫口以下50 cm，其上鋪設(shè)一層防滲土工布，并用粘土夯填平實，防止雨水下滲。

6) 滑坡區(qū)范圍設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)，對其穩(wěn)定性進(jìn)行長期監(jiān)測，及時反饋?zhàn)冃螖?shù)據(jù)。

6 邊坡防治重點(diǎn)

膨脹性巖土由于其干強(qiáng)度較高，具有一定的隱蔽性，通常在勘察和實施階段很容易被忽視。因此，通過對本案例膨脹性巖土邊坡的分析與研究，結(jié)合類似邊坡(滑坡)工程實例，總結(jié)該類邊坡的防治重點(diǎn)如下，供今后類似邊坡防治工程參考。

1) 重視地調(diào)及室內(nèi)試驗結(jié)果分析。膨脹性巖土地區(qū)，一要加強(qiáng)地質(zhì)鉆探及相關(guān)地質(zhì)調(diào)繪工作，二要加強(qiáng)野外鑒別，三要加強(qiáng)取樣室內(nèi)試驗及數(shù)據(jù)分析[14-15]。

2) 坡腳強(qiáng)支護(hù)，坡體重排水。針對此類膨脹性巖土的路塹邊坡，坡腳防護(hù)措施應(yīng)以預(yù)加固抗滑樁或樁板墻等“強(qiáng)力”支擋結(jié)構(gòu)為主，強(qiáng)化地表水與地下水的疏排措施，重視水對巖土體的軟化作用。過度放緩坡暴露坡面及忽視排水措施，極易導(dǎo)致治而無效。

3) 坡面防護(hù)宜采用框架、骨架護(hù)坡及柔性減脹生態(tài)護(hù)坡等非全封閉或柔性封閉的防護(hù)措施。

4) 膨脹性巖土邊坡施工宜選擇在枯水期進(jìn)行，同時切勿采用大型機(jī)械全斷面長拉槽方式施工。

5) 膨脹土較為發(fā)育的地區(qū)，修建公路路塹邊坡應(yīng)足夠重視，否則隨著變形裂縫的逐漸發(fā)展，變形范圍擴(kuò)大，不僅延誤工期，還增加建設(shè)成本。

7 結(jié)束語

1) 含膨脹土邊坡體在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后，表層裂隙不斷擴(kuò)展，并持續(xù)向坡體深部發(fā)展，為地表水入滲提供了極為有利的通道和富集條件，致使巖土體強(qiáng)度顯著降低，形成貫通滑動面，由此該膨脹土邊坡由淺表層溜塌最終發(fā)展為不斷牽引后緣滑體整體滑移的牽引式滑坡。

2) 根據(jù)邊坡變形歷程及破壞特征，坡體在未出現(xiàn)強(qiáng)降雨時即出現(xiàn)蠕動變形，因此邊坡在各工況下均已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。通過構(gòu)建邊坡下滑力計算模型，采用圓弧形滑面?zhèn)鬟f系數(shù)法計算滑坡剩余下滑力，得出暴雨工況下的滑坡下滑力最大，需采取強(qiáng)支擋措施進(jìn)行防護(hù)。

3) 綜合考慮邊坡巖土體的膨脹性和暴雨工況下較大的剩余下滑力，采用抗滑樁+樁間掛板支擋坡腳為主，輔以坡面人字形骨架護(hù)坡+地表與地下水疏排+裂縫夯填等防水控濕的綜合處治措施進(jìn)行邊坡治理，工程完工后經(jīng)歷當(dāng)年雨季，未出現(xiàn)變形，效果良好。

4) 膨脹性巖土在工程建設(shè)中具有一定的隱蔽性，尤其是斜坡地帶的挖方邊坡，施工時應(yīng)足夠重視。在充分查明其工程特性的基礎(chǔ)上，在坡腳應(yīng)以預(yù)加固抗滑樁等“強(qiáng)力”支擋結(jié)構(gòu)為主，重視地表與地下水體綜合疏排，坡面防護(hù)宜采用框架、骨架護(hù)坡及柔性減脹生態(tài)護(hù)坡等非全封閉或柔性封閉的防護(hù)措施，適時選擇枯水季節(jié)施工，綜合治理有效可行。