高填方對紅黏土地基力學性質影響及坡體穩定性

高盛翔，徐 強，馬洪玉，吳圣林,3，吳 康，劉 鵬，吳澤輝

高填方對紅黏土地基力學性質影響及坡體穩定性

高盛翔1，徐 強2，馬洪玉1，吳圣林1,3，吳 康1，劉 鵬1，吳澤輝1

(1. 徐州中國礦大巖土工程新技術發展有限公司，江蘇 徐州 221008；2. 中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司，四川 成都 610041；3. 中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

以云南安寧市一高填方邊坡為例，通過勘察、監測等手段，在查明紅黏土分布特征的基礎上，對填土前后紅黏土的物理力學性質變化進行分析，應用數值模擬軟件對坡體穩定性進行研究。結果表明，填方工程施工前后，紅黏土地基物理力學指標呈現出先降低后增強的特征，致使填土邊坡的穩定性呈現出先降低后提高的趨勢；坡體上部的地裂縫是在地基土、原地形、填土厚度不均的不利組合下，由于填方體、地基土固結引起坡體的不均勻變形所致，坡體整體穩定。研究成果對于紅黏土地基的高填方邊坡工程設計、紅黏土地基土物理力學指標對坡體穩定性的影響、施工過程中不均勻變形量控制、坡體上部裂縫病害研究具有一定的參考價值和指導意義。

紅黏土；高填方邊坡；坡體穩定性；坡體裂縫；數值模擬；云南安寧

紅黏土是覆蓋于碳酸鹽巖系之上的高塑性黏土，是紅土的一個亞類，是碳酸鹽類巖石經過紅土化作用后所形成，我國的紅黏土主要分布在南方，以貴州、廣西和云南最為典型。紅黏土的主要成分為高嶺石、伊利石和綠泥石，其黏土礦物具有穩定的結晶格架，加之其穩固的團里結構及結合水，使得紅黏土具有較好的水穩定性、結構強度及力學特性，常作為天然地基使用[1]。但由于分布不均、裂隙發育以及脹縮性等特點，常常引起地基的不均勻變形，邊坡失穩等工程問題[2]。

隨著中國西部發展，大型工程逐漸增多，在山谷、溝壑區域往往存在高填方的情況，高填方區域的地基土在受到上部較大荷載下，其物理力學性質在填筑過程中會逐漸發生改變，填方體以及地基土體的不均勻變形可能引起高填方坡體失穩，導致高填方工程失敗[3-4]。目前針對紅黏土區域的高填方工程，國內外學者開展了大量的研究工作，工作多是針對高填方區域填筑期間的不均勻沉降、工后沉降、堆填邊坡的穩定性等方向展開[5-8]。研究結果表明，高填方填筑體的變形由地基土和填筑體變形構成，填筑體變形量為主要變形量，填筑體的變形速率隨著填筑體高度的增加而逐漸減緩[8-9]。填筑體變形整體分為施工期變形和工后變形2個階段，變形時間可持續幾十年，主要變形量發生在施工期間，工后變形主要以緩慢的蠕動變形為主[10-13]。堆填邊坡的穩定性計算多以填方體本身為研究對象，采用有限元法、極限平衡法等方法進行評價[14-15]，較少考慮原始地表、填方體地基土分布不均、地基土在填方后物理力學指標變化對填方體穩定性的影響。因此，研究紅黏土地基的不均勻分布以及其物理力學性質在填筑后的變化對坡體穩定性的影響、填方體堆填時間的控制、填方體上部裂縫病害的防治具有重要意義[16]。

本文以云南安寧市一高填方邊坡為例[10-11]，根據現場勘察、試驗、監測、檢測成果，對填土前后紅黏土地基物理力學性質的變化進行分析，建立三維地質模型對潛在滑動面進行預測，對典型斷面坡體穩定性進行分析，為今后在紅黏土區域高填方的邊坡工程設計、施工、監測提供參考。

1 研究概述

1.1 工程概況

在建項目位于山前緩坡地帶，整體坡度較小，根據原坡度，自上而下分為1 955~1 957 m(1995—1957平臺)，1 948~1 950 m(1948—1950平臺)，1 944~ 1 946 m (1944—1946平臺)3個平臺進行填筑，每個平臺設不同罐組，如圖1所示。

該平臺整體分為3個階段回填，最外側為加筋土邊坡，根據施工場地周圍的建筑材料及氣候條件，填筑體采用全風化白云巖摻水泥及混合料摻水泥進行分層碾壓。根據規范要求，填筑體施工采取0.25 m的碾厚度進行分層碾壓，碾壓后的填土壓實系數為0.94~0.97，整個填筑工程歷時6個月。回填工程施工順序如圖2所示。

在建場地自西向東，填筑體厚度逐漸增大，1944—1946平臺的最大回填厚度約30 m。

圖1 建設場地平面布置示意圖

圖2 回填時序剖面圖(1—1′)

1.2 工程地質及水文地質條件

研究區巖土體自上而下由填土、第四系殘坡積層(Q4el+dl)紅黏土、震旦系上統陡山沱組(Zb)白云巖組成，根據各層工程地質性質，將研究區巖土體劃分為8層，研究區工程地質剖面如圖3所示。

圖3 工程地質剖面圖(A—A′)

研究區域內地下水類型主要是松散層孔隙水及碳酸鹽溶洞裂隙水。

根據已有勘察資料，結合場地下巖土體層位，在評價區內共布置6個地下水水位監測孔(圖4)，對評價區域地下水進行分層監測，其中，T1、T2、T3監測層位為填土及填土底界面處，孔深27.0 m；H1監測層位為紅黏土，孔深32.0 m；H2監測層位為全風化白云巖，孔深44.0 m；B1監測層位為強風化–中風化白云巖，孔深51.0 m，通過在雨季對研究區域地下水的監測，監測期間孔內未見地下水。

圖4 監測孔工作量布置圖

1.3 坡體裂縫特征

加筋土邊坡回填至設計標高后，罐區東側出現了一條長約195 m，方向與邊坡走向呈近乎平行的地裂縫(圖4)。裂縫最寬處可達4?cm，探槽顯示該處裂縫最大深度小于2?m，且裂縫隨深度逐漸尖滅。

2 填土與紅黏土分布特征

2.1 填土分布特征

評價區域原始地形為緩坡梯田，坡體自上而下共有4級臺坎，呈“圓弧”狀，較大一級臺坎從罐區中部穿過，“圓弧”臺坎中心與地付罐組區中心重合，評價區域原始地形與地付罐組區位置關系見圖5所示。

圖5 原始地形三維效果圖

施工后地形如圖6所示。通過對比回填前后地形特征，填土厚度自西向東，自南向北逐漸增大，填土最大厚度為29.4 m，位于研究區東北側。

2.2 紅黏土分布特征

研究區高填方邊坡下伏地基土為紅黏土，其物理力學性質、分布厚度對坡體的穩定性有著較大影響。綜合已有勘察資料，通過對鉆孔所揭露的紅黏土與白云巖(全風化)分界面高程進行插值，建立紅黏土底板三維趨勢圖，如圖7所示。

圖6 現狀地形三維立體圖

圖7 紅黏土底面三維效果圖

基巖面高低起伏不平，整體呈現西高東低的趨勢，溶蝕坑分布較多，3—3′剖面東側位于最深溶蝕坑區域(圖7)。受基巖面起伏影響，研究區域紅黏土厚度相差較大，通過對鉆孔所揭露的紅黏土厚度進行插值，繪制紅黏土厚度等值線，見圖8a。

研究區域內的紅黏土總厚度整體自西向東逐漸增大，北側紅黏土平均厚度較小，2—2′剖面東側所在區域的紅黏土厚度最大。坡頂地裂縫出現于紅黏土厚度變化較大區域。

根據勘察資料，紅黏土可塑狀態在縱向、橫向分布上無明顯規律性，可塑、硬塑交替分布。可塑紅黏土厚度較大區域主要分布在地付儲罐區域的中部，2—2′剖面從可塑紅黏土厚度最大區域穿過(圖8b)。

3 紅黏土地基力學性質變化規律

評價區域勘察時序共分為2次勘察、3個時段，第一次勘察為邊坡填土前對場地的詳細勘察，第二次勘察為填方體施工至設計標高，坡體上部出現裂縫后進行的邊坡穩定性專項勘察，第二次勘察按時間分為2個階段。

在詳勘期間，評價區域周邊進行了大量的勘探工作，通過邊坡穩定性專項勘察鉆孔與附近已有詳勘鉆孔資料對比發現，地下巖土體的物理力學特征在詳勘與專項勘察中發生了變化，其中，可塑紅黏土的指標變化最為明顯。詳勘期間所揭露的可塑紅黏土在專項勘察中已變為硬塑狀態，邊坡穩定性專項勘察中所揭露的紅黏土均為硬塑狀態，未表現出明顯的可塑、硬塑分界，其物理力學指標隨回填時間發生了一定的變化，見表1。

圖8 紅黏土及可塑紅黏土厚度等值線圖

通過對比2次勘察3個時段所取紅黏土的土工試驗指標，隨著時間的推移紅黏土物理力學性質發生了改變，孔隙比、含水量降低，飽和度提高；壓縮系數降低、壓縮模量提高，黏聚力、摩擦角先降低后增加。

結合評價區的施工特點及變形特征，分析填筑體地基土發生變化的主要原因是由于在堆填過程中，地基土的上覆荷載逐漸增大，導致地基土產生了排水固結，從而使土體表現出含水量降低，壓縮模量提高的特征。

在填筑過程中，由于施工工期較短，上覆加荷速度較快，地基土發生了一定的剪切破壞，致使其強度指標在施工過程中發生了一定的降低，但隨著填筑工程的完成，地基土土體結構的恢復，加之土體逐漸完成固結過程，其強度逐漸恢復并有所提高。

表1 紅黏土土工試驗結果對比表

4 坡體穩定性

評價區高填方邊坡最大堆填高度為29.40 m，地基土工程地質性質不均，在高填方荷載作用下，地基土工程地質性質發了一定的變化，堆填方土體內部的應力、應變隨著堆填量的增加也逐漸發生改變。

針對高填方邊坡特點，采用FLAC3D和Slide軟件模擬了整個填土過程，對邊坡穩定性進行了計算。模擬過程中，分別按設計階段和工后階段2個階段建立計算模型，在選用的巖土體物理力學參數上，分別按詳細勘察階段和邊坡穩定性專項勘察階段巖土體的物理力學參數進行計算。

4.1 坡體滑動面模擬計算

采用FLAC3D軟件對填土各時間點工況進行模擬，建立三維地質模型，通過計算坡體內的最大剪應變增量以預測滑坡裂縫及滑面的位置。

從預測結果圖9可知，剪應變增量出現區域緊鄰儲罐東側，1–1′、2–2′剖面剪應變增量及分布范圍均明顯大于3–3′、4–4′剖面。圖9 所反映的剪應變增量出現位置與坡頂裂縫位置一致，在坡體內發生剪切破壞區域未貫通，未形成潛在滑動面。

圖9 剪應變增量云圖

4.2 坡體穩定性系數計算

坡體穩定性計算采用Slide軟件對4個工程地質剖面進行計算，設計階段坡體穩定性巖土體參數采用詳勘報告中建議的參數；工后階段計算參數按邊坡穩定性專項勘察階段(一、二階段)中巖土體的物理力學參數進行計算(表1)。

根據軟件計算結果(圖10、表2)可知，設計階段與工后階段在一般工況條件下，坡體穩定。2–2′剖面穩定性系數整體上小于1—1′、3—3′、4—4′剖面所在區域，根據填土與紅黏土分布特征可知，各剖面上覆填土厚度差異較小，且填土壓實度較為均一，對坡體整體穩定性影響較小，2—2′剖面下伏紅黏土厚度明顯大于1—1′、3—3′、4—4′剖面所在區域，因此，致使2—2′剖面穩定性系數降低的主要原因是其下伏有較厚的紅黏土。

在時間梯度上，填土邊坡的穩定性呈現出先降低后提高的趨勢，分析其原因是由于填土邊坡的基底紅黏土物理力學性質指標隨著其上覆填土厚度的逐漸增加發生了先降低后增加的特征。

5 坡體開裂原因分析

5.1 原位測試、監測與檢測

勘察期間，對填土進行動探試驗以檢測填土的密實度；對填方體下伏紅黏土地基進行標貫試驗以檢測現狀下紅黏土的狀態；在地面布設了沉降和水平位移監測點，并在孔內安設了測斜管，對坡體進行變形監測；對罐區樁體進行小應變檢測以判斷樁體的完整性。

圖10 剖面2—2′邊坡穩定性計算圖

表2 邊坡穩定性系數F計算結果匯總表

根據動探檢測結果(圖11)，填土密實度在深度上表現為上部小于下部；在區域上表現為罐區基礎區域填土密實度最大，加筋土區域次之，罐區與加筋土之間區域最低的特征，符合設計罐區填土壓實系數大于邊坡區域的設計要求。

圖11 評價區動探曲線剖面圖(2–2′)

紅黏土區域的標貫試驗表明，紅黏土地基土性質在填筑施工期間發生了較大變化，由填筑前的可塑狀態變為填筑后的硬塑狀態。

現有監測成果顯示，坡體整體變形以沉降為主(圖12)，最大位置出現在加筋土邊坡頂部邊緣區域，坡腳外側一定范圍內仍有沉降變形，未有隆起變形發生，深部土體在填土范圍內有略微的變形(圖13)，變形量較小，現有監測成果未發現坡體內部有大的滑移變形。

圖12 研究區累計沉降等值線(單位：mm)

罐區樁身完整性檢測過程中未發現樁身斷裂、裂縫等缺陷特征，樁身完整性好，均為Ⅰ類，所測樁均可以作為工程樁使用(圖14)。

圖13 深部土體側向位移圖(法向)(1—1′)

圖14 樁基完整性檢測樁位

5.2 開裂原因分析

通過對評價區域的勘察及監測，現狀條件下，填方體影響深度內的巖土體物理力學性質良好；裂縫自出現至勘察結束期間未發現有明顯擴大趨勢，填方體整體變形量較小，坡腳穩定；緊鄰裂縫的樁基完整性較好，裂縫出現后未對坡體穩定性產生進一步的影響。Slide軟件計算結果顯示坡體穩定，綜合勘探、監測、檢測、數值計算結果，判斷現狀下坡體穩定。

通過對已有勘探資料的統計分析，坡頂裂縫出現于紅黏土厚度變化較大區域，且該位置正與原地貌陡坎位置一致。

FLAC3D軟件模擬結果顯示，坡體剪應變增量集中的位置及各指標量值均與裂縫出現位置及延伸方向特征一致。

綜上，評價區域下伏基巖面起伏不平，紅黏土厚度及性質變化較大，原始地形在罐區東側形成自然陡坎，加之分階段回填土厚度不均，進一步加大了評價區域地基土的不均勻變形量。地付罐區基礎附近地面裂縫是在地基土、原始地貌、填土不均的不利組合下，由于填土后引起的填土與地基土固結引起的坡體不均勻沉降從而在坡體內部產生拉應力所致。

6 結論

a.基底土層性質的變化與填方密切相關。在填方的重力作用下基底土層發生壓密固結，導致孔隙比降低、壓縮模量提高、飽和度提高，但是填方的快速加載也擾動了基底土層，導致抗剪強度降低，隨著填方作用時間的延長，基底土層強度逐步恢復提高。

b. 評價區域內的紅黏土總厚度整體由北向南、自西向東逐漸增大；可塑紅黏土分布在地付儲罐區域的南北、東西方向上，其厚度呈現出中間厚、兩側薄的分布特征，地付罐區裂縫出現位置正位于紅黏土厚度變化較大區域。

c.地付罐區基礎附近地面裂縫是在地基土、原始地貌、填土不均的不利組合下，由于填土后引起的填土與地基土固結引起的坡體不均勻沉降，從而在坡體內部產生拉應力所致。

d. 根據FLAC3D和Slide軟件對整個填土工況進行模擬計算，坡體內未形成連續滑動面，綜合勘探、監測、檢測、數值計算結果判斷坡體穩定。

e. 針對紅黏土地區的高填方邊坡，查明不同性質紅黏土的分布特征，對差異沉降進行預測，以采取有效的工程措施，減小不均勻沉降對坡體穩定性的影響。對于高填方邊坡，應根據基底巖土體性質，按設計要求時間進行填筑，不可擅自縮短填筑時間，謹防基底巖土體在快速荷載作用下，土體發生塑性變形引起坡體失穩破壞。

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Study on slope stability and the effect of highfill on the mechanical properties of red clay foundation

GAO Shengxiang1, XU Qiang2, MA Hongyu1, WU Shenglin1,3, WU Kang1, LIU Peng1, WU Zehui1

(1. CUMT Geotechnical Engineering & New Technology Development Co. Ltd., Xuzhou 221008, China; 2. Southwest Pipeline Branch of PetroChina Co. Ltd., Chengdu 610041, China; 3. School of Resource and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper takes a highfill slope in Anning in Yunnan Province as a case, using investigation, monitoring and other methods, on the basis of the distribution characteristics of red clay, the physical and mechanical properties of red clay before and after filling were analyzed, then the stability of slope was studied by numerical simulation software. The results show that the physical and mechanical indexes of the red clay foundation decrease first and then increase before and after the fill project, the stability of the fill slope shows the trend of decrease first and then increase. The ground fissures in the upper part of the slope resulted from the uneven deformation of the slope body were caused by the filling body and the foundation soil consolidation under the unfavorable combination of the foundation soil of the original topography and the uneven thickness of the filling soil, and the slope body is stable in general. Research result has certain reference value and guiding significance to the highfill slope project design of red clay foundation, the study on the influence to slope stability by physical and mechanical index of red clay foundation, the control of inhomogeneous deformation during the construction, crack hazard in the upper part of slope.

red clay;highfill slope; slope body stability; slope crack; numerical simulation; Anning City in Yunnan Province

P642.22；TU446

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.020

1001-1986(2019)04-0131-07

2018-02-06

高盛翔，1983年生，男，河南新鄉人，碩士，高級工程師，從事地質工程及巖土工程研究. E-mail：cumtgsx@163.com

高盛翔，徐強，馬洪玉，等. 高填方對紅黏土地基力學性質影響及坡體穩定性[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(4)：131–137.

GAO Shengxiang，XU Qiang，MA Hongyu，et al. Study on slope stability and the effect of highfill on the mechanical properties of red clay foundation[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：131–137.

(責任編輯 張宏)