堤防工程膨脹土邊坡滑坡機理分析及處置方案研究

李 益，宋平平，王曉娟，朱 浩，高 健，張 凱

(1.南京市滁河河道管理處，江蘇 南京 210048；2. 南京市水利投資有限公司，江蘇 南京 211800；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

堤防工程膨脹土邊坡滑坡機理分析及處置方案研究

李 益1，宋平平1，王曉娟1，朱 浩2，高 健1，張 凱3

(1.南京市滁河河道管理處，江蘇 南京 210048；2. 南京市水利投資有限公司，江蘇 南京 211800；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

膨脹土滑坡是膨脹土地區(qū)最主要的工程地質(zhì)問題之一，如何針對含膨脹土堤防工程提出合理的補強加固方案具有十分重要的意義。本文以滁河干渠馬汊河段膨脹土邊坡為例，分析了膨脹土脹縮機理及膨脹土邊坡滑坡特征，在此基礎(chǔ)上提出膨脹土邊坡處理方法，最后對補強加固前后的膨脹土岸坡進行岸坡抗滑穩(wěn)定計算，驗證了處理方法的有效性，可為類似工程提供參考。

滑坡；膨脹土；處置方案

1 膨脹土相關(guān)特性

1.1 膨脹土脹縮特性

膨脹土的典型黏土礦物成分蒙脫石的基本晶格單元如圖1所示，它是由兩層硅氧四面體層和一層氫氧化鋁八面體構(gòu)成，分子式為Al2(Si4O10)(OH)2·nH2O。

圖1 蒙脫石晶格構(gòu)架示意圖

蒙脫石晶格單元間以氧原子與氧原子相聯(lián)，彼此通過分子間的范德華力相互連接。由于連結(jié)力很弱，極性水分子很容易進入單元晶層中間，形成的水膜夾層使晶格擴張膨脹，即晶層膨脹。同時，蒙脫石層間具有大量可交換性陽離子，八面體中的高價陽離子Al3+被低價的Mg2+、Fe2+等離子置換以及四面體中的Si4+被Al3+等離子置換時，將產(chǎn)生過剩的未飽和負(fù)電荷而使土粒表面帶有負(fù)電。負(fù)電荷在土粒周圍形成靜電場，靜電引力吸引水中的水化陽離子到土粒表面而形成反離子層，由此負(fù)電荷和表面反離子層共同組建了雙電層(水化膜)。雙電層中的離子對水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在電場引力作用下按一定取向排列并被約束集聚在黏土礦物顆粒的周圍，形成表面結(jié)合水膜。這種結(jié)合水膜加厚將固體顆粒“楔”開，使固體顆粒間的間距增大而導(dǎo)致土體體積膨脹，此膨脹現(xiàn)象稱為雙電層膨脹。圖2為膨脹土浸水膨脹的示意圖。

1.2 膨脹土強度特性

Fredlund[1]等認(rèn)為，單一的有效應(yīng)力狀態(tài)變量難以準(zhǔn)確地反映非飽和土的力學(xué)性質(zhì)，建議以凈應(yīng)力(σn-ua)和基質(zhì)吸力(ua-uw)組成的雙應(yīng)力變量來分析非飽和土的應(yīng)力狀態(tài)，并提出了基于雙應(yīng)力狀態(tài)變量的抗剪強度公式：

τf=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中：τf為土的抗剪強度，kN/m2；c′為統(tǒng)一有效黏聚力，kN/m2；(σn-ua)為凈法向應(yīng)力,kN/m2；φ′為統(tǒng)一有效內(nèi)摩擦角,°；(ua-uw)為基質(zhì)吸力,kN/m2；φb為與基質(zhì)吸力有關(guān)的統(tǒng)一內(nèi)摩擦角,°。

圖2 膨脹土脹縮機理

研究表明，參數(shù)φb在高吸力區(qū)具有顯著的非線性特點。Gan[2]等指出，當(dāng)基質(zhì)吸力小于進氣值時(土體處于飽和狀態(tài))，負(fù)孔壓的作用等效于總應(yīng)力的作用，φb值等于φ′；當(dāng)基質(zhì)吸力大于進氣值、土中水不再填滿孔隙時，φb值隨吸力的增加而逐漸減小。

由于精確地控制或量測非飽和土基質(zhì)吸力(ua-uw)的難度非常大，而用于測試非飽和土強度的改進三軸或直剪試驗存在儀器精密復(fù)雜、費用高、歷時長等缺點，因此強度公式(1)很少被推廣應(yīng)用于實際工程。為此，有學(xué)者[3]通過非飽和土的剪切試驗，指出借助非飽和土的土壤水分特征曲線(Soil water characteristic curve, SWCC)，由土體含水率指標(biāo)間接確定具有較高準(zhǔn)確性的強度參數(shù)φb。

1.3 膨脹土滑坡特性

膨脹土滑坡是膨脹土地區(qū)最主要的工程地質(zhì)問題之一[4-5]。作為一種特殊的黏性土，膨脹土滑坡首先具有與一般黏土滑坡相似的特征，但在滑坡的成因、影響因素和規(guī)律性等方面卻具有其獨特性。通過對我國膨脹土地區(qū)的多年滑坡案例的調(diào)查分析，總結(jié)出膨脹土滑坡具有如下的特殊規(guī)律：

(1)淺層性。膨脹土滑坡一般都發(fā)生在大氣影響層內(nèi)，厚度約1～6 m，淺層裂隙結(jié)構(gòu)面的存在也是坡體滑動的重要因素。

(2)漸進牽引性。滑坡體通常由坡腳逐漸向上發(fā)展，形成逐級牽引式滑動。

(3)多次滑動性。在前一次的滑動出現(xiàn)后，新暴露的膨脹土坡面在大氣營力作用下不斷風(fēng)化破壞，當(dāng)抗剪強度不滿足穩(wěn)定要求時，將產(chǎn)生新的滑動破壞。

(4)成群分布性。受土層內(nèi)軟弱夾層、地形地貌條件和地區(qū)氣候條件等因素的影響，膨脹土滑坡常常具有成群產(chǎn)生、成群分布的特征。

(5)時間規(guī)律性(季節(jié)性)。膨脹土滑坡多出現(xiàn)在雨季，尤其是長期干旱后的第一個雨季。其原因在于雨水入滲使得膨脹土吸水膨脹，強度迅速衰減，同時引起土體飽和后的自重應(yīng)力大幅增加。

2 膨脹土邊坡處理方法

引起膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要誘因既包括土體的特殊礦物成分，還取決于外部水分變化情況。因此，治理膨脹土問題應(yīng)當(dāng)從改變土性、支擋加固、控制水分等角度出發(fā)，可采用如下方法：

2.1 含水率控制法

含水率控制法包括預(yù)濕法和保濕法兩種形式。

預(yù)濕法是指在施工時將膨脹土浸潤或定期灑水使其保持在某一臨界含水率，當(dāng)施工完成后，由于膨脹變形已經(jīng)基本完成，則后期的變形量會很小。

保濕法是通過采用各種防滲和排水措施，防止膨脹土含水率出現(xiàn)太大的變動，進而避免或減少膨脹土脹縮變形。

2.2 換填法

換填法是指采用非膨脹性或弱膨脹性的建筑材料置換膨脹土邊坡的大氣影響層，切斷大氣風(fēng)化應(yīng)力對膨脹土的影響，限制膨脹土脹縮特性的發(fā)揮。常見的換填法包括非膨脹黏性土換填、物理改性膨脹土換填、化學(xué)改性膨脹土換填三大類。

(1)非膨脹黏性土換填。它是國內(nèi)外應(yīng)用最成熟的膨脹土處理方法之一，對處理膨脹土邊坡淺層滑動行之有效。然而，該方法隨著換土運距增加，建設(shè)成本將大幅上升；同時，換填非膨脹黏性土還會破壞大量農(nóng)田，而且置換出的膨脹土作為棄土將占用大量的土地，從而引起新的環(huán)境問題。另外，在膨脹土地基工程中，也有采用砂墊層置換膨脹土活動區(qū)的方式。

(2)物理改性。通過添加非膨脹性顆粒材料、土工格柵加筋或纖維加筋等方法，改善大氣影響層內(nèi)土體的物理力學(xué)性能，限制膨脹土脹縮變形和裂隙性開展，達(dá)到增強土體強度的效果。

(3)化學(xué)改性。利用有機或無機改性材料改變膨脹土的組成成分和物理力學(xué)性質(zhì)，如采用石灰、水泥、粉煤灰及其他新型改性劑。

2.3 錨固支擋法

錨固支擋法可以分為錨固和支擋兩類，錨固措施包括土釘、錨桿等，支擋措施包括擋土墻、抗滑樁、干砌塊石體和排水盲溝、砌石連供等。

2.4 表面防護措施

膨脹土常用的表面防護措施包括砌石連拱、混凝土框格、混凝土板護坡、菱形結(jié)構(gòu)、水泥砂漿抹面、表面植草等。

3 實例分析

3.1 工程簡介

滁河位于江淮之間，系長江下游左岸一級支流，干流全長269 km，流域面積8000 km2。馬汊河堤防工程是滁河流域治理工程之一，全長13.6 km，是減輕沿滁城市、區(qū)縣、圩區(qū)洪水壓力，保障沿河區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展、企業(yè)正常生產(chǎn)生活、群眾生命財產(chǎn)安全的重要設(shè)施。該項目在一期工程施工中和完成后，有6處多次發(fā)生滑坡(滑坡段位置分布如圖3所示)。在二期工程開工前，曾對原滑坡進行整治。分別把滑坡段的邊坡由1∶2.5放緩到1∶4，但滑動仍未被制止，嚴(yán)重影響了現(xiàn)場施工進度及施工質(zhì)量。現(xiàn)場工程地質(zhì)勘探表明，2#、3#和4#滑坡段含有大量膨脹土，該3處滑坡段斷面圖如圖4所示。

圖3 滑坡段位置分布圖

圖4 滑坡段斷面示意圖(單位：cm)

根據(jù)現(xiàn)場勘察、室內(nèi)土工試驗、原位測試結(jié)果，工程勘察范圍內(nèi)地層劃分為5層10個亞層，分別為：

堤身填土(重粉質(zhì)壤土)a：灰黃-黃褐色，局部灰色，濕潤飽和。主要由重粉質(zhì)壤土組成，局部為黏土、中重粉質(zhì)壤土等，滲透性多為弱透水-中等透水。

重粉質(zhì)壤土b：灰褐-灰黃色，濕-飽和，可塑為主，局部軟塑、硬塑，中壓縮性。

粉質(zhì)黏土b-1：呈透鏡體狀或夾層狀分布于b粉質(zhì)黏土層中。黃褐色為主，濕-飽和，可塑為主，局部軟塑、硬塑，中壓縮性。弱膨脹性，分布范圍較小。

輕粉質(zhì)壤土b-2：呈透鏡體狀或夾層狀分布于b粉質(zhì)黏土層中。黃褐色為主，濕-飽和，可塑為主，局部軟塑、硬塑，中壓縮性。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土c：灰-青灰色，飽和，流塑，高壓縮性。局部腐植質(zhì)含量高達(dá)22%。切面稍光滑，韌性高，干強度較低。

重粉質(zhì)壤土c-1：灰-青灰色或灰黃色，飽和，軟塑，局部可塑，中-高壓縮性。局部含腐植質(zhì)。切面稍光滑，韌性高，干強度一般。

輕粉質(zhì)壤土-重粉質(zhì)壤土c-2：呈透鏡體狀或夾層狀分布于c淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土、c-1重粉質(zhì)壤土層中。灰色，飽和，稍密。無光澤反應(yīng)，切面稍光滑，干強度、韌性低。

粉質(zhì)黏土d：黃褐色、棕褐色為主，濕-飽和，可塑-硬塑，中壓縮性。稍光滑，干強度、韌性較高。弱膨脹性，埋深較大，但2#、3#滑坡段該層埋深較淺、分布廣。

重粉質(zhì)壤土d-1：黃褐色為主，濕-飽和，可塑-硬塑，局部軟塑、硬塑，中壓縮性。土質(zhì)均勻。稍光滑，干強度、韌性中等。

砂泥巖質(zhì)e：紫紅色，飽和。密實，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部砂巖呈夾層分布。

3.2 滑坡成因分析

2#、3#、4#滑坡普遍存在b-1粉質(zhì)黏土、d粉質(zhì)黏土等脹土層，或具膨脹性的b重粉質(zhì)壤土、d-1重粉質(zhì)壤土等黏性土層，土的膨脹性在該工程的滑坡問題中起了不可忽視的負(fù)面影響。b-1、d兩層在新華路橋附近普遍分布，埋深淺、分布廣、厚度大。根據(jù)室內(nèi)膨脹性試驗數(shù)據(jù)，自由膨脹率最高達(dá)68%，平均值超過40%，無荷載膨脹量最高達(dá)3.45%，屬弱膨脹士。岸坡開挖過程中由于卸荷產(chǎn)生的應(yīng)力釋放作用、水文地質(zhì)條件的改變，膨脹土產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，致使岸坡的水平應(yīng)力及應(yīng)變的增加，從而使岸坡破裂、滑移。天然狀態(tài)較穩(wěn)定的膨脹土，一般強度都較高，但岸坡開挖后，膨脹土?xí)┞队诖髿庵校磸?fù)的干濕交替作用使土中的裂隙十分發(fā)育，裂隙不僅破壞土體的連續(xù)性和完整性，而且也為地表水的浸入形成了通道，而水的浸入又加速了土體的軟化及裂隙生成，從而會產(chǎn)生強度的急劇衰減，致使岸坡的穩(wěn)定性降低。所以膨脹土的超固結(jié)特性不僅使邊坡坡腳產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，而且反復(fù)的干縮濕脹帶來強度的應(yīng)變軟化，造成邊坡滑移。

3.3 處理方案及效果分析

3.3.1 處理方案

本工程結(jié)合膨脹土滑坡區(qū)位置，考慮方案的可行性與造價，對2#、3#和4#滑坡體采取了局部置換和表面防護相結(jié)合的措施進行處理。根據(jù)河道擴挖情況，對揭示的膨脹土局部進行置換處理。對于2#滑坡體，在擴挖過程中清除粉質(zhì)黏土和部分粉質(zhì)黏土，采用非膨脹性土進行置換；對于3#滑坡體，在擴挖工程中對粉質(zhì)黏土進行清除置換；對于4#滑坡體，在擴挖工程中對淺部和粉質(zhì)黏土進行清除置換。

3.3.2 處理后效果分析

本文選取3#膨脹土滑坡體斷面進行邊坡抗滑穩(wěn)定計算，以驗證處置方案的有效性，3#滑坡體斷面圖如圖4所示。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013),岸坡抗滑穩(wěn)定計算采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法，計算公式如下：

(2)

式中：W為土條重量，kN；u為作用于土條底面的孔隙壓力，kN/m2；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；b為土條寬度，m；c′為土條底面有效凝聚力，kN/m2；φ′為有效內(nèi)摩擦角，°；R為圓弧半徑，m。

結(jié)合工程實際運行情況，計算取岸坡后水位28.5 m，河道水位8.86 m工況。抗剪強度指標(biāo)采用室內(nèi)土工試驗成果，采用直接快剪指標(biāo)，見表1。

表1 各材料分區(qū)物理性質(zhì)指標(biāo)與力學(xué)參數(shù)

斷面抗滑穩(wěn)定分析計算結(jié)果見表2和圖5。由計算結(jié)果可知，3#滑坡體表層(2)區(qū)原為膨脹性質(zhì)的土，計算穩(wěn)定安全系數(shù)為0.998，經(jīng)過處理后，穩(wěn)定安全系數(shù)上升至3.195，邊坡穩(wěn)定性顯著提高。

表2 標(biāo)準(zhǔn)剖面壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果表

圖5 3#滑坡體斷面滑弧位置示意圖

4 結(jié) 論

本文以馬汊河堤防工程膨脹土邊坡為例，通過研究膨脹土的脹縮特性，分析了膨脹土邊坡的強度特性及滑坡機理，并提出了相應(yīng)的膨脹土邊坡處理方法，通過對處理前后邊坡進行抗滑穩(wěn)定分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)膨脹土在大氣風(fēng)化、水分遷移、開挖卸荷等外部荷載作用下由于其脹縮性、多裂隙性和超固結(jié)性等特性將會引起邊坡失穩(wěn)，在工程實踐中應(yīng)加強含膨脹土邊坡的安全監(jiān)測，并及時采用工程加固措施。

(2)實例分析表明，經(jīng)過處理后的膨脹土邊坡段的穩(wěn)定安全系數(shù)顯著提高(由0.998上升至3.195)，可見對于膨脹土區(qū)段采取置換為強度較高的非膨脹土能顯著提高岸坡穩(wěn)定性。

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Landslide mechanism analysis and disposal scheme of expansive soil slope in embankment engineering

LI Yi1,SONG Pingping1,WANG Xiaojuan1,ZHU Hao2,GAO Jian1,ZHANG Kai3

(1.ManagementDivisionofChuhe-riverofNanjing,Nanjing210048,China;2.NanjingWaterInvestmentCompanyLtd.,Nanjing211800,China;3.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

The landslide of expansive soil is one of the most important engineering geological problems in the expansive soil area.It is of great value to propose reasonable reinforcement for the expansive soil embankment engineering.In this paper, the expansive soil slope in the Macha River section of the Chuhe canal was taken as an example to analyze the expansion and shrinkage mechanism and landslide characteristics.On this basis, the treatment method of expansive soil slope was put forward.The stability of the bank slope is calculated before and after reinforcement which proves the effectiveness of the method and provides reference for similar projects.

landslide;expansive soil;disposal scheme

TV871

A

2096-0506(2017)09-0004-06

水利部公益性行業(yè)科研專項(20150133)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金重點項目(Y715005)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金重點項目(Y716011)

李 益(1986-)，男，江蘇連云港人，工程師，主要從事工程結(jié)構(gòu)分析與安全評價工作。E-mail:yi_117@126.com。