膨脹土地區臨時邊坡破壞特征及主要影響因素研究

彭義峰, 江 妤, 方 平, 陳漢寶, 黃定強

(湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北 武漢 430064)

膨脹土地區臨時邊坡破壞特征及主要影響因素研究

彭義峰, 江 妤, 方 平, 陳漢寶, 黃定強

(湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北 武漢 430064)

鄂北地區水資源配置工程孟樓—七方段倒虹吸長72.08 km,開挖高度7～15 m。該段臨時邊坡主要由弱膨脹性粘性土組成,其開挖臨時邊坡坡比大小直接決定開挖回填工程量和臨時占地面積大小,從而影響工程造價。通過現場開挖試驗研究,總結膨脹土邊坡破壞特征,分析影響邊坡穩定因素,主要有邊坡坡高、邊坡坡率、降雨、地表水及附近坡頂荷載等因素,其中降雨是控制變形、破壞的最為重要的因素。通過穩定性評價分析,提出臨時開挖邊坡設計優化的建議和安全防護措施。

膨脹土;臨時邊坡;破壞特征;影響因素

膨脹土系指土中粘土礦物成分主要由親水礦物組成，同時具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮干裂兩種特性，且具有濕脹干縮往復變形的高塑性粘土[1]。因其吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特性，常常導致工程邊坡失穩，而影響工程的正常運行總體來看，在膨脹土地區的永久性邊坡支護方面研究頗多，臨時邊坡穩定研究很少。而鄂北地區水資源配置工程存在大量臨時開挖邊坡，因此，對膨脹土臨時邊坡破壞形態影響因素進行研究是非常必要的。

1 工程概況

鄂北地區水資源配置工程是以丹江口水庫為水源,向鄂北地區供水,解決該地區干旱缺水問題的大型水資源配置工程。渠首設計引水流量為38 m3/s,線路總長度269.34 km;其中孟樓—七方倒虹吸長72.08 km,開挖高度7～15 m,土方開挖工程量約1 600萬m3。主要分布弱膨脹土。該段主要設計為三根同槽內徑3.8 mPCCP管供水(倒虹吸),管道埋深一般為7 m左右,最大埋深15 m,設計邊坡高度<8.0 m的臨時開挖邊坡坡比為1∶1;開挖深度>8 m的開挖邊坡坡比為1∶1.5,>8 m每8.0 m設一級2.0 m寬馬道。

為了研究膨脹土地區臨時邊坡破壞類型、影響因素及穩定性評價,本次選定樁號55+340～55+500、55+860～56+020、56+940～57+000三段進行生產性開挖試驗研究。

2 試驗段地質概況

試驗段位于襄棗盆地腹地,微地貌單元屬崗、波狀平原地貌,相對高差一般<20 m。地面高程136.3～120.1 m。

試驗段內的膨脹土裂隙不發育,開挖過程中粘土均呈團塊狀。開挖暴曬一個星期,局部可見垂直失水的裂隙,深度25～30 cm不等,主要分布于邊坡頂部邊緣地帶。

開挖后在有地表水試驗段的邊坡局部有水滲出,其中在安裝多點位移計時,南側的多點位移計的孔位有大量水流。開挖后,邊坡表層局部出現干燥垂直裂隙,在裂隙處有地下水流出。由于本區地勢低洼,試驗段形成后,該處更是地表及地下水匯集處。因此在坑底東側排水溝長期有水匯集,需要時刻抽排。根據一個水文年的觀測數據顯示,地下水位埋深一般5～6 m,受周邊水體影響明顯。

3 邊坡變形(破壞)特征

通過本次試驗觀測,本試驗段內邊坡變形(破壞)的特點如下:

3.1 淺層性破壞特征

通過觀測,邊坡的破壞模式均為淺層性破壞,破壞首先出現在樁號55+860～56+020高邊坡段,出現部位為一級馬道處,第一次破壞的后緣寬度(水平)最大30～40 cm(照片1),破壞范圍僅限于臨時邊坡馬道的上部,坡下部處于穩定狀態,屬于典型淺層邊坡破壞類型。從實測最終的破壞坡面來看,垂直于坡面的最大厚度2.0 m左右,其多點位移計最淺埋深距離坡面5 m,其觀測數據未受到影響。

照片1 膨脹土破壞特征照片Photo 1 Photographs of failure characteristics of expansive soils

3.2 破壞規模特征

通過40多天的現場觀測,其邊坡經過了多個降雨周期,脫坡主要分布在坡肩或馬道邊緣,其脫坡范圍較小,滑塌體方量有限,從>8 m邊坡的1∶0.75坡比的破壞實測結果顯示,其破壞最嚴重段的單位長度滑坡體體積不超過3.0 m3,其坡腳堆積寬度一般未超過2.0 m。實際安裝管道時,僅需要稍微清理即可安裝。總體上邊坡破壞的規模特征較小。

3.3 邊坡破壞的滑動面形態特征

臨時邊坡在發生破壞后,其所有的破壞處的后緣上部多呈垂直狀。前緣多位于第二層與第三層分界點處,邊坡下部未破壞;這些現象說明邊坡破壞屬于土的膨脹作用控制下的淺層破壞模式,多次降雨后,由表及里逐漸破壞。其破壞的機理是雨水滲入風化裂隙,導致土體含水量增大,從而吸水膨脹,并反復脹縮變形,使土體的強度降低;此時在坡體裂縫內產生靜水壓力和邊坡土體自重作用下,邊坡產生了淺層滑動[2]。

4 影響邊坡穩定的主要因素

4.1 邊坡地質結構

4.1.1 地質結構

本段臨時邊坡均為弱膨脹性土層,根據對試驗段邊坡的素描,其邊坡從上至下可分為3個層。

第①層:顏色多呈灰黃色、黑褐色。裂隙不發育,但是失水后表層局部偶見張開裂隙,寬度1～2 mm,深度較淺。厚度1.5～2.5 m。自由膨脹率40%～50%。

第②層:黃色夾灰白色,厚度2～4 m,裂隙不發育,被雨水淋濕后極其明顯灰白色。局部含有灰白姜結石,自由膨脹率45%～55%。

第③層:黃色粘土,局部夾較多白色姜結石,局部每平方米可見10～20個,姜結石直徑1.5～3.0 cm,成分主要為泥鈣質。厚度>5 m(未揭穿),裂隙不發育。自由膨脹率40%～50%。

4.1.2 土層膨脹性

本次對各個土層進行了取樣,其分層基本相似,其含水量、膨脹性等指標統計見表1,從其結果來看其自由膨脹率最小值31%,最大值54%,平均值都是44%～47%左右,屬于弱膨脹土。含水量一般16.9%～26.5%之間,其中第三層平均值17.6%,第一、二層平均值21.0%～22.5%;說明其下部含水量低于上部。

表1 試驗段主要土層物理力學指標統計表Table 1 Physical and mechanical indexes of soil layer in test section

總體上試驗段的地層均屬于弱膨脹性土層,具有膨脹土的特征,其第二層膨脹土的膨脹性略大于第一層和第三層。根據試驗段邊坡觀測情況,邊坡破壞主要分布在第二層膨脹土,表明土體的膨脹性是控制邊坡穩定的內在因素之一[3]。

4.2 降雨對邊坡影響

通過本次試驗觀測,邊坡破壞與降雨、降雨量大小、降雨時間等都相關,具體情況如下:

4.2.1 邊坡破壞與降雨相關

通過對三個試驗段的觀測,其邊坡的破壞均與降雨有關,均發生在降雨期或降雨后,例如6月16日2#邊坡南側首先出現破壞,到后期3個試驗段均出現了破壞等。

4.2.2 邊坡破壞與降雨量大小相關

選取樁號55+980地表觀測數據和降雨量的數據疊加(圖1),從其變形曲線來看,在6月16日,其變形數據突然增加,降雨量達到25.8 mm,屬于大雨范疇,也觀測到該段邊坡馬道邊緣開始出現邊坡破壞。7月15日降雨量達到85.6 mm,屬于暴雨范疇,其變形突然劇增,觀測到邊坡全面破壞,即位于馬道的觀測墩遭到破壞,當時終止了觀測。

圖1 2#邊坡55+980處斷面監測數據與降雨量關系Fig.1 Relationship between monitoring data and rainfall in 2# slope,55+980 section

4.2.3 土層深部變形與持續降雨相關較大

多點位移計觀測成果如圖2。從變形曲線上來看,其特征如下:①在6月14—17日降雨后期有一個相對較大變形。②6月23—30日降雨期間,由于持續了一個星期陰雨天氣,其觀測到變形數據持續增大,而到雨停了,后面變形一直延續到7月4日。③7月5日暴雨后,未觀測到明顯變形。

綜上所述,持續的降雨能導致膨脹土內部的變形且變形有一定持續性和滯后性,而暴雨對其深部變形的影響不大,主要原因是持續降雨導致雨水更容易滲入到土層深部,從而導致變形趨勢明顯。

圖2 內部多點位移數據與降雨量關系曲線Fig.2 Relationship between internal displacement data and rainfall

4.3 地表水對邊坡的影響

地表水對邊坡的影響主要為原地表長期存在地表水和降雨形成的臨時地表水。

4.3.1 原地表水體對臨時邊坡影響

根據開挖過程中的觀察,試驗段其東段邊坡局部有水滲入,但是無明顯地表水流,只是滲水點的邊坡面長期呈現濕潤狀態。在安裝多點位移計時,其孔內有水流出,流量約0.5 L/min,說明該試驗段土層中地下水較為豐富;本次實驗測定其土層含水量一般23%～26%,也略高于1#和2#試驗段。經歷了6月14—17日降雨周期,然后進行地質素描,素描時,本次降雨致使其邊坡出現局部破壞現象,但是規模不大。

4.3.2 暴雨形成地表水對邊坡的影響

從現場3#試驗觀測來看,該段屬于地勢低洼地帶,降雨過程中附近地表匯流沿著坡頂向試驗段內排泄,沖刷導致邊坡破壞,雨水沖刷處邊坡出現滑坡,規模相對較大。

另外在從1#和2#試驗來看,其試驗段的臨時邊坡在暴雨后也全面出現破壞,其破壞范圍較大,破壞深度受雨水沖刷深度影響,但均為淺層破壞,基本屬于雨水滲透深度和沖刷深度范圍內的淺層破壞(照片2)。雖然降雨期間其基坑有很多積水,但是未觀測到,因為坑底積水導致邊坡深層滑動。

照片2 暴雨中淹水及沖刷照片Photo 2 Photographs of flooding and washout in rainstorms

4.4 邊坡坡率影響

邊坡的設計坡率對臨時邊坡影響十分明顯,一般來說,邊坡坡率越陡越容易破壞。本次對3個試驗段均選擇了三種坡率進行對比試驗。其觀測主要成果如下:

(1) 坡高<8 m無水試驗段,坡比1∶1、1∶0.75及1∶0.5邊坡總體穩定,觀測期未見明顯脫坡現象,觀測數據顯示,其變形量也相對較小。局部有淺層沖刷破壞是由暴雨所致。

(2) 坡高<8 m有水試驗段,坡比1∶0.5邊坡在施工完成又經歷了第一個降雨周期后,素描時出現局部破壞問題。而坡比1∶1和1∶0.75的邊坡未出現。

(3) 坡高>8 m無地表水邊坡試驗段中,1∶0.75和1∶1邊坡的馬道均出現淺層邊坡破壞。1∶1.5邊坡北側彩條布覆蓋邊緣,樁號55+860～55+880段由于坡頂水流集中從此處匯流沖刷,導致該處邊坡出現破壞。彩條布覆蓋段未出現破壞,1∶1.5邊坡南側自然狀態未出現破壞。

總之,坡高<8 m的臨時邊坡,設計坡比1∶1.0的邊坡基本穩定,>8 m設計1∶1.5邊坡也基本穩定,但是坡頂必須做好排水,坡面在雨季最好進行覆蓋保護,防止暴雨沖刷破壞。

4.5 邊坡高度影響

由于3#試驗段位置特殊,且受地表水影響較大,因此研究坡高影響選擇1#和2#試驗段進行對比。

(1) 1#和2#試驗段一般剛開挖完成后,沒有遭遇降雨情況下,未觀測到邊坡破壞。

(2) 第一次相對較大降雨(6月14—16日降雨)后,僅2#高邊坡試驗段1∶1邊坡率先出現破壞,而其余邊坡未出現破壞。

(3) 在隨后的幾場降雨中,1#和2#試驗段坡率較陡邊坡均出現破壞,但是其破壞規模2#明顯大于1#邊坡。

從以上觀測到的現象說明,高邊坡更容易出現破壞現象,且破壞規模也相對較大。

4.6 坡頂荷載影響

本試驗段一側緊鄰施工區,其中2#試驗段正位于交通要道的路口,施工道路位于試驗段南側。試驗段觀測期間施工道路上有運土車、挖掘機及震動碾壓機等重型機械施工。因此在6月16日降雨后,首先出現邊坡破壞的地方就是2#試驗段南側緊鄰施工道路的1∶1邊坡,而不是北側更陡的1∶0.75的邊坡。

由于施工道路的重型車輛的自重荷載和動荷載的作用,致使2#試驗段南側邊坡的土層被震動松弛,產生了微小裂隙,導致雨水更容易入滲。因此該段率先出現滑坡現象。因此坡頂荷載也影響邊坡的穩定問題[4]。但是一般在晴好天氣,施工車輛運行過程中并未觀測到邊坡破壞現象發生,因此對于臨時邊坡,其中坡頂荷載首先導致邊坡先產生裂隙,使得雨水更容易入滲,由于雨水的滲入,其膨脹土迅速吸水膨脹,從而導致邊坡的破壞。

5 臨時邊坡穩定性分析評價及優化建議

5.1 臨時邊坡破壞特征對比分析

根據設計本試驗段管槽基底開挖深度<8.0 m的管段臨時開挖邊坡為1∶1,開挖深度>8 m的管段臨時開挖邊坡1∶1.5,每8.0 m設一級2.0 m寬馬道。其各段破壞狀況見表2。

從觀測成果對比來看,邊坡破壞主要特征如下:

(1) 從最終結束試驗的整體破壞情況來看,破壞規模是3#>2#>1#,其中3#主要受地表匯流沖刷原因導致,不考慮雨水沖刷原因,表現為高邊坡破壞大于低邊坡。

(2) 三個試驗段邊坡比設計坡比更陡的臨時邊坡在未經歷降雨時,均未出現邊坡的破壞,說明比設計邊坡更陡的臨時邊坡也具有一定的臨時穩定性。

(3) 通過對各個覆蓋彩條布臨時邊坡的觀測,1#試驗段的三種邊坡均穩定;2#試驗段的1∶1.5和1∶0.75邊坡也基本穩定(局部由于暴雨沖刷出現破壞);3#試驗段1∶1.0、1∶0.75邊坡也基本穩定。其北側1∶0.5臨時邊坡在暴雨后被雨水沖刷,導致覆蓋段失效從而出現破壞。總體上覆蓋彩條布的臨時邊坡在短時間內是基本穩定的。

表2 邊坡破壞情況一覽表Table 2 List of slope failure conditions

5.2 穩定性評價

5.2.1 計算模型及參數取值

(1) 參數取值:參數選用分為三組,分別為室內試驗參數,按南水北調中線膨脹土參數取用標準選用折減殘余強度參數,初步設計階段試驗殘余強度參數,參數取值見表3。

(2) 地質結構:地層的計算分層根據本次素描,初步劃分為3層計算,其中表層厚度按2～3 m厚左右,第二層為2～4 m,以下為第三層。

(3) 地下水位:地下水位取表層漲縮裂隙發育帶中的自由水位埋深計算,根據鄂北初步設計階段的長觀資料顯示,地下水位埋深一般2～8 m,地勢高的水位埋深稍大于地勢低洼的地段,所以本次計算模型的地下水位取值為:邊坡高12 m的取4 m水位埋深,邊坡高15 m的取5 m水位埋深。

表3 穩定計算取值參數表Table 3 List of stability calculation parameter

注:1) 表中折減系數,弱膨脹土C值取室內峰值55%,φ取峰值70%進行折減;2) 表中*參數為原設計報告的小值平均值—平均值的中間取值參數。

采用理正邊坡分析軟件及瑞典圓弧法進行計算,計算模式采用自動搜索滑動面,不考慮地震等條件,計算結果見表4。

5.2.2 穩定性評價

通過計算其安全系數見表4。

表4 理論計算安全系數Table 4 Safety factor of theoretical calculation

從計算成果來看,主要有以下特征:

(1) 采用現場取樣的試驗值和折減值計算邊坡安全系數均滿足臨時邊坡安全系數要求。

(2) 邊坡坡高12 m的安全系數略大于坡高15 m的安全系數。

(3) 全部采用室內試驗的殘余強度進行計算,均不滿足臨時邊坡安全系數要求。從實際施工周期來看,其邊坡地層為粘性土,屬于不透水層,雨水入滲強度較低,實際上都用殘余強度來計算邊坡穩定性不合理,從5 km長的管槽開挖來看,其臨時邊坡多采用1∶1邊坡開挖,也未出現重大邊坡失穩問題,說明采用殘余強度來分析評價臨時邊坡穩定性是不合理的。

(4) 根據規范要求,施工期臨時邊坡穩定計算參數一般采用快剪試驗指標,根據南水北調中線經驗,以及本次觀測成果,建議膨脹土臨時邊坡穩定分析采用折減參數進行分析與實際較為吻合。

5.3 邊坡優化的建議

通過試驗段的長期觀測和生產性試驗項目的實施現狀來看,原設計的臨時邊坡坡比能保證基坑安全和正常的施工作業。局部段有淺層脫坡現象均是降雨滲透或沖刷所致,而且這種局部坡壞不影響基坑邊坡的總體穩定,對正常的施工也基本無影響。因此,在邊坡高度小、地下水或地表水體對邊坡無影響的區段,臨時開挖邊坡坡比的設計還有優化的空間。對于弱膨脹土段的基坑開挖建議如下:

(1) 對于膨脹土臨時邊坡的開挖試驗來看,無地表水分布段的設計邊坡均具有一定優化空間,一般來說坡高<8 m,開挖坡比不宜<1∶0.75;>8 m或<12 m時,不宜>1∶1.0。優化前置條件應結合現場開挖的地質條件與天氣狀況來確定,且PCCP安裝的作業時間應不超過10 d。

(2) 對于附近存在地表水體或地下水位較高且水量較豐富的區段,臨時開挖邊坡坡比建議為1∶1.0,該類邊坡不具備優化條件,且在該段施工中必須做好排水措施及臨時邊坡保護措施。

(3) 所有開挖邊坡在晴天施工,可不采用彩條布覆蓋;在雨季作業時坡頂做好截水、排水措施,防止地表水或大氣降水對開挖邊坡的滲透、沖刷,建議在坡頂一定范圍內(5 m左右)及坡面采取彩條布覆蓋等臨時防護措施。

6 結論與建議

通過本次現場開挖試驗研究,主要結論與建議如下:

(1) 三個試驗段的地層均屬于弱膨脹性土層,具有膨脹土的典型特征。第二層膨脹土的膨脹性略強于第一、三層,同時現場也觀測到該土層首先出現破壞現象,因此膨脹性是導致臨時邊坡破壞的主要內在因素。

(2) 影響邊坡穩定因素主要有邊坡坡高、邊坡坡率、降雨、地表水及附近坡頂荷載等。其中降雨是控制變形、破壞的最為重要的因素。

(3) 局部段邊坡破壞類型為膨脹作用控制下的淺層破壞,規模較小,未發現深層滑坡。根據觀測,邊坡破壞最大垂直坡面的深度不超過2 m。不會出現深層滑動從而影響PCCP管的基礎。

(4) 對于開挖邊坡高度<8 m,且附近無地表水體、地下水不豐富的區段,設計時根據需要可進行坡比的優化,具體優化應根據施工開挖地質條件、坡高及天氣條件確定,但附近存在地表水體或地下水位較高且水量較豐富的區段,不存在優化空間,且必要時要采取排水措施及坡面反濾保護措施。

(5) 采取簡易成本低廉彩條布的覆蓋措施是有效的,能提高施工效率和節約建設成本。

[1] 程展林,李青云,郭熙靈,等.膨脹土邊坡穩定性研究[J].長江科學院院報,2011,28(10):102-111.

[2] 劉特洪.工程建設中的膨脹土問題[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[3] 董忠萍,黃定強,陳漢寶.引江濟漢工程區膨脹土工程特性研究[J].人民長江,2010,32(7):1071-1075.

[4] 廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京:中國鐵道出版社,1984.

(責任編輯：陳姣霞)

Study on Failure Characteristics and Main Influencing Factors ofTemporary Slope in Expansive Soil Area

PENG Yifeng, JIANG Yu, FANG Ping, CHEN Hanbao, HUANG Dingqiang

(HubeiProvincialWaterResourcesandHydropowerPlanningSurveyandDesignInstitute,Wuhan,Hubei430064)

The length of inverted siphon is 72.08 km,and the excavation height is 7～15 m of Menglou-Qifang section in the project of water resources allocation in the Northern Hubei Province. The temporary slope is composed of weak expansive clay,the amount of excavation backfill and temporary floor spaces are directly determined by the size of the temporary slope ratio,thereby affecting the cost of the project. In this paper,the failure characteristics of expansive soil slope are summarized and the factors of slope stability are analyzed by on-site excavation test,slope height,slope ratio,rainfall,surface water and load near the top of slope is the important factors to control the deformation and failure,and the greatest influence factor is rainfall.Some optimization proposal and safety protection measures are mentioned in temporary excavation slope design through the analysis of stability evaluation.

expansive soil; temporary slope; failure characteristics; influence factors

2017-06-09;改回日期:2017-07-04

彭義峰(1973-),男,高級工程師,地質勘查專業,從事水利水電工程地質勘察工作。E-mail:149264061@qq.com

TU443

A

1671-1211(2017)04-0436-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.018

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1325.012.html 數字出版日期:2017-06-20 13:25