膨脹土滑坡形成及治理的系統分析法

林武翀　查俊

摘要：文章通過對某膨脹土滑坡過程、滑坡特征的現場測繪，總結出膨脹土滑坡機制：風化、干濕循環、冷熱交替作用產生脹縮裂縫、溫差裂縫、風化裂縫，填土、下滑力等外部荷載形成拉張、壓剪裂縫，兩者在以上間接裂縫的幫助下最終貫通，產生滑動破壞，其中水發揮了重要的催化作用。根據機制分析成果，制定了減少直接荷載作用，控制風化、干濕循環、冷熱交替等間接荷載作用，截斷、防止水的催化作用等綜合治理方案。

關鍵詞：膨脹土;間接荷載作用;直接荷載作用;裂縫;綜合治理

中國分類號：U418.5+5文獻標識碼：A

0 引言

膨脹土是一種粒度高分散，成分以親水性黏土礦物為主，對濕熱變化敏感的高塑性黏土，具有吸水膨脹、失水收縮特性[1]，也是一種常危及人類工程活動并造成災害的特殊性土質[2]。隨著城鎮化的推進，膨脹土地區滑坡問題屢見不鮮，給社會造成了巨大的財產損失。目前的研究方向主要集中于膨脹滑坡的外界影響分析[3-4]、內部組成特性及影響分析[5-6]、滑動機制[7-8]及治理方案[9-10]的研究，而將滑坡看成一個系統，將其細分為系統環境、系統組成、系統行為、系統治理四個子系統，按各系統相互作用去研究的則比較少。

本文通過百東高速互通與百色水上樂園間膨脹土滑坡案例，從滑坡系統分析的角度詳細論述了滑坡系統環境、滑坡系統組成、滑坡系統行為及滑坡系統治理方案。該分析方法在工程實際中進行應用，取得良好效果，希望能為類似滑坡工程治理提供參考。

1 滑坡系統環境概況

滑坡位于新建的百色市百東新區與南百高速公路互通收費站與新建的百色水上樂園間的山坡上。如圖1所示。2015年底及2016年初，兩地塊相繼施工。

滑坡區整體位于百色盆地中部，屬壟崗與溝谷相間地貌，自然坡度為20°～30°，山腳溝谷較寬，與右江那吉水庫庫尾相連，汛期時溝谷部分被淹沒。

2 滑坡系統組成

（1）物質組成：滑坡大致由以下三層組成：表層為南百高速2005—2007年間棄土，厚4.7～8.0 m;中間層為更新統三級階地的混少量圓礫黏土，厚1.2～2.0 m，脹縮參數如表1所示;底部為古近系那讀組泥巖半成巖，厚度大，三層均具強膨脹性。

（2）空間組成：南百高速公路互通A匝道、收費大棚及收費站均位于坡頂，收費站位于邊坡最外側，呈長方形布置，占地面積9畝，場坪標高136.5 m，坡頂現狀標高為132.15～133.08 m，坡頂需填土3.4～4.4 m。山坡中部為水上樂園的一條擬建道路，寬3.5 m。坡面植被在水上樂園施工時被清除。

3 滑坡系統行為：滑坡過程與滑坡特征

3.1 初次滑動

2015年11月，南百高速公路互通項目進行A匝道邊坡開挖與收費大棚、收費站場地平整工作。當收費站往原地面填土至133.8 m高程時，外側坡頂往下出現兩道相距約6～10 m的圈椅狀貫通性裂縫，坡體先后產生滑移、下挫。兩處滑壁均呈陡傾斜面，斜面粗糙，傾角為50°～70°，張開10～40 cm，頂部裂縫寬于下部裂縫5～10 cm，滑體下錯30～100 cm，形成多個寬約4～10 m的平臺。平面上第一次形成的滑坡頂寬約115 m，底寬約170 m，長約30 m，平均厚5.5 m，體積約5.4×104 m3，本次滑坡屬填土荷載引起的推移式滑動。

3.2 后續滑動

2016年6月百色地區連降暴雨加之在坡上開挖基坑，造成第一次滑坡段中下部又出現多次滑動，滑體頂部形成貫通性圈椅狀。這次滑動使得滑坡長度增加30～50 m，寬度也增加10～30 m，總滑坡體積達10×104 m3。

后續滑坡特征：（1）滑體后緣滑壁呈上部平直下部圓弧形光滑斜面，坡度約50°～70°，滑壁明顯呈剪切光面;（2）在兩主滑壁間分布與重力反向呈45°的剪切滑動面，滑面平直，張開度上大下小，往坡體內延伸時趨于微張并過渡為弧形;（3）滑坡中前部滑動面及剪出口大面積清晰分布，呈平直緩傾狀，與巖土分界面極為吻合。由于后續滑動的牽引，第一次滑動范圍（已清除滑體）及服務區側坡頂又出現大量貫通性裂縫，并不斷發展，部分緩慢滑動。后續滑動屬因開挖卸載及降雨的共同作用下產生的牽引式滑坡。

4 膨脹土滑坡形成機制的系統分析

滑坡的形成受滑坡系統組成控制，在不同的系統環境下將產生與之對應的滑坡系統行為，包括荷載作用、裂縫形成、張開、貫通、滑動及停止。外部環境除風化、干濕交替、冷熱交替等間接作用外，還有重力及填土、機械荷載等與施工工序有關的人為直接荷載等，而水既是直接荷載也是間接荷載，它對膨脹土來說是一種極敏感的催化劑。總體來說滑坡的形成是間接荷載、直接荷載及水共同作用的結果，隨著施工過程變化，滑坡系統行為從間接裂縫到直接裂縫到滑面貫通破壞。

4.1 間接荷載作用

清表是施工的第一道工序，清表后滑坡系統的外部環境發生改變，坡體裸露，風化、干濕交替、冷熱交替等間接作用發生于坡面。本滑坡表層為較厚的強膨脹性棄土，其對這些間接作用敏感，易產生風化裂縫、脹縮裂縫及溫差裂縫。間接裂縫有自己的規律：如裂縫形狀以龜裂狀、漫射狀為主，裂縫會往內部發展，但受上部土體保護，發展深度有限，且發展變緩。間接裂縫的產生為水和其他作用提供了空間，導致了直接荷載作用下裂縫范圍出現應力集中，加劇破壞。

4.2 直接荷載作用

直接荷載作用包括外部直接荷載、重力、堆載及下滑力等。對第一次滑坡直接荷載為坡頂填土堆載和重力。直接荷載通過土體將荷載傳遞到邊坡上，形成擠壓應力，作用力與邊坡斜面夾角約60°～70°。在力的作用下，土體被擠壓，邊坡表層土體受擠拉隆起，部分土體受擠產生剪應力。這種荷載隨著深度增加不斷消散，擠壓作用逐漸變弱。豎向荷載首先使得坡肩部或受擠壓彎矩最大處產生拉張主裂縫，與豎向應力約45°土體內產生剪切效應。當拉張裂縫往下和剪切裂縫向空間發展到一定規模時，荷載作用大于土體內部強度（比如抗拉、抗剪強度），土體即產生滑動。滑動產生的下滑力又繼續作用在相鄰的土體上，使其產生擠壓破壞，即推動式破壞。在直接荷載作用過程中，干濕循環、風化、冷熱交替等間接作用加劇，土體間接裂縫也在不同維度擴展，為主裂縫貫通和水的入滲提供通道。

4.3 水的作用

水是膨脹土邊坡破壞的催化劑，它具有以下3種催化效應：

（1）膨脹土中含有大量親水礦物，故土體極易吸水，吸水后礦物晶體體積增加，產生膨脹壓力，在膨脹力和表面張力共同作用下，使得土體中的缺陷處產生擠壓裂縫;土體失水晶體體積收縮，產生負壓，形成基質吸力，在基質吸力和表面張力共同作用下，在土體缺陷處產生拉張裂縫。這些裂縫不斷切割土體，使土體強度降低。

（2）水的潤滑作用使得土體粘聚力降低。

（3）地表水流、降雨對土體產生水壓和滲流壓力，加劇土體的破壞。

5 滑坡系統處治技術研究

本文通過對膨脹土滑坡的系統環境、系統組成及系統行為的分析，找出了造成破壞的關鍵子系統，即特殊的巖土性質、降雨、外部荷載、裂縫、滑動面，這些系統的相互作用最終導致了邊坡破壞。基于滑坡系統的處治技術應有針對性地控制主滑因子，并防止滑坡繼續破壞，使得處治方案經濟有效。

5.1 調整建筑布置、減少坡頂側直接荷載

變更坡頂服務區的布置形式：將100 m×60 m長方形調整為135 m×44.4 m，壓縮短邊寬度，服務區往遠離坡面的方向平移。調整收費站內建筑布置，將荷載較大的建筑移至收費大棚側，遠離坡面。此措施主要針對坡頂直接荷載，讓直接荷載遠離坡頂，讓靠近坡頂的直接荷載減小，能有效提高邊坡穩定性。

5.2 清除滑體+柔性防護體反壓

對滑體進行清除，由于滑體已破壞，滑床以下土體對它的作用迅速降低，滑體的重力及下滑力直接作用到下部土體上，這是造成下部土體變形破壞的主要原因，因此滑體能有效減少對下部土體的直接荷載。滑體應清除至滑動面以下約0.5 m，底部換填好土，交界面開挖反向臺階，臺階寬度>2 m。為節省成本，在坡腳設置擋墻段直接采用粗粒土分層回填（如圖1所示），樁板墻段滑體深厚，增加土格格柵，形成柔性防護體，同時對上部坡體進行反壓。

5.3 擋土墻+樁板墻聯合支擋

百東服務區西側、北側有百色水上樂園的園內道路和水上大型游樂設施，道路直接位于滑坡內，且大型設施使得服務區填土邊坡放坡空間受限，因此填土邊坡較高，坡度較陡，加上清除滑體后分層回填合格土層，這些措施都使得填土邊坡土壓力增大，穩定性變差。為保護坡底水上樂園的安全，需設置支擋結構來承載上部土壓。根據場地地形條件，在滑坡范圍內縱橫向布置三道路肩擋土墻（1號、2號擋墻及過渡段擋墻），墻高以5～8 m居多。正北側2號擋墻中間段為滑坡主滑方向，填土較高，造成擋墻高度過大，采用樁板式擋墻與擋墻順接，樁板墻中抗滑樁樁徑為1.8 m，樁長為14 m，樁間距為4 m，樁間采用擋土板相連，樁頂用冠梁使之連成一體，分布樁號QK0+030～QK0+090。以上措施都是用來減少或者抵抗坡體的直接荷載作用。

5.4 坡面防護

坡頂至服務區圍墻處先采用黏土封閉，再采用20 cm厚的C15素混凝土抹面。服務區與水上樂園的坡面先采用兩布一膜進行坡面封閉，再采用M7.5漿砌片石拱形骨架進行坡面防護，骨架間噴播植草。坡面防護主要是阻止坡頂及坡面的風化作用、干濕循環、熱冷交替及地表水流下滲。

5.5 盲溝、截水溝與泄水孔聯合截排水

（1）在坡頂距坡口約5 m處設置坡頂截水溝。使得來自A匝道及服務區的地表水流直接通過坡頂截水溝排走。在擬建道路坡腳平臺設截水溝排走坡面匯水，使地表水流不流入墻后土體。

（2）為迅速排出地表入滲水流，在樁板墻段設置兩處排水盲溝。盲溝斷面采用60 cm×60 cm，填料選用5～8 cm碎石，過濾層采用土工布反包，防止堵塞，溝頂采用15 cm加勁軟式透水管。

（3）擋墻及樁板墻墻壁均設置反濾層，墻體及擋土板上均梅花形布置泄水孔，以排除坡體中的地下水。若坡體某處地下水較發育，可根據情況設置支撐滲溝來兼顧排水和坡面加固。

6 結語

（1）滑坡是一個較復雜的系統，它包括滑坡系統環境、滑坡系統組成、滑坡系統行為及滑坡系統治理四個子系統。滑坡系統組成是主控因素，滑坡系統行為及滑坡系統治理隨滑坡系統環境變化而變化。

（2）滑坡系統受間接作用產生間接裂縫，直接作用產生拉張及剪切裂縫，是主要裂縫，水對滑坡起催化作用。在其共同作用下，滑坡系統行為從裂縫開展到貫通、到破壞、到最終停止。

（3）根據減少和支擋直接荷載的思路，制定出調整建筑布置、清除滑體+柔性防護體反壓、擋土墻+樁板墻聯合支擋等處治措施。根據減少間接裂縫的思路，制定坡頂封閉，坡面拱形骨架防護的處治措施。根據減少水的作用思路，設置坡頂與平臺內側截水溝、坡體盲溝、擋墻與樁板墻墻后反濾、墻面泄水及地下水發育區，還可增設支撐滲溝。

參考文獻：

[1]王保田，張福海.膨脹土的改良技術與工程應用[M].北京：科學出版社，2008.

[2]李生林，施 斌，杜延軍.中國膨脹土工程地質研究[J].自然雜志，1997（19）：82-86.

[3]許平先.膨脹土路塹邊坡穩定性與降雨相關性的研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[4]陳建斌，孔令偉，郭愛國，等.降雨蒸發條件下膨脹土邊坡的變形特征研究[J].土木工程學報，2007，40（11）：70-77.

[5]陸定杰，陳善雄，羅紅明，等.南陽膨脹土渠道滑坡破壞特征與演化機制研究[J].巖土力學，2014（1）：189-196.

[6]劉龍武，鄭建龍，繆 偉，等.廣西寧明膨脹土脹縮活動帶特征及滑坡破壞模式研究[J].巖土工程學報，2008，30（1）：28-33.

[7]殷宗澤，袁俊平，韋 杰，等.論裂縫對膨脹土邊坡穩定的影響[J].巖土工程學報，2012，34（12）：2 155-2 161.

[8]黃潤秋，吳禮舟，胡瑞林.膨脹土路塹邊坡的滑坡機理分析[J].地質學報，2007，81（11）：1 578-1 583.

[9]袁從華，周 健，楊明亮.高速公路膨脹土邊坡整治[J].巖石力學與工程學報，2007，26（Z1）：3 073-3 078.

[10]范秋雁，徐炳連，朱 真.廣西膨脹巖土滑坡治理工程實錄[J].巖石力學與工程學報，2013（Z2）：3 812-3 820.