碎石土滲透特性對滑坡穩定性的影響

高 翔

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610041)

0 前 言

滑坡是非常嚴重的地質災害之一,強降雨是造成碎石土滑坡最主要的因素之一。例如2005年臺風泰利造成了浙江省溫州市發生了百年不遇的特大降雨。其中，泰順縣絕大部分縣鄉道路以及鄉村公路被沖毀,造成嚴重的交通中斷。通過災后的勘察可知,由于臺風“泰利”所造成的泰順縣公路滑坡水毀情況如表1所示。

表1 臺風泰利所造成的泰順縣公滑坡水毀情況

通過對現場地質情況分析可知,具有碎石黏性土邊坡以及碎石土邊坡的地下水一般存在管網狀滲流特性,降雨對于碎石土滑坡穩定性的影響主要是通過地下水的方式實現的。現階段還缺少關于通過碎石土一般物理力學特性以及滲透特性方面的研究,對于經常出現碎石土滑坡或者含碎石土滑坡的結構來說缺少控制方式,所以探究碎石土滲透特性對于滑坡穩定性的影響是非常具有現實意義的。

1 碎石土滲透特性分析

1)土的滲透能力和土粒大小、形狀以及粗細程度相關,若是碎石土中細粒土較多,那么土體的滲透系數就會快速下降。隨著土密實性的增加,滲透系數會有效下降。細粒土具有非常復雜的結構,若是受到擾動，就會改變原有過水條件。對于低飽和土來說,孔隙中具有比較多的氣泡,容易堵塞細小孔道,因此土飽和度較低,滲透系數較小。

2)從相關文獻可知,顆粒組成和碎石土滲透系數之間存在著多元線性關系,可以通過下述回歸方程進行表示：

K=-1.84+0.1836d1+0.2189d2+0.1401d3+0.1834d4

式中，K為碎石土滲透系數,10-4cm/s；d1為20 mm以上粒徑粒組含量，%；d2為2～20 mm以上粒徑粒組含量，%；d3為0.1～2 mm以上粒徑粒組含量，%；d4為0.1 mm以下粒徑粒組含量，%。

為了明確每個變量對于滲透系數的影響,采取變量單獨檢驗的方式來進行。以此種方式能夠得知d1、d2、d3、d4這4個參數對于參數K具有非常顯著的影響,碎石土滲透系數和這4個變量相關系數分別為0.706、0.719、0.568以及0.680。

3)碎石土滲透系數和碎塊石、礫石以及砂粒以及細粒土之間具有非常顯著的關聯,進行回歸方程式的建立能夠對其相互之間的關系起到重要的分析作用。從標準回歸系數得知,不同自變量對于滲透系數K的影響從大到小的順序依次為d1、d4、d2、d3,就是指碎塊石以及細粒土對于碎石土滲透系統影響最大,之后為礫石組含量,砂粒組含量對于碎石土滲透系數的影響相對較小。從偏相關系數得知,不同系數對于滲透系數K具有不同的顯著性水平,其中d1、d2具有高度顯著性并且極其緊密相關；d4具有高度顯著并且緊密相關；d3顯著性較差且不相關。

4)本文在分析了碎塊礫石粒組含量和碎石土滲透系數關系之后,建立起了碎塊礫石粒組含量d5(>2 mm)、d6(<2 mm)和碎石土滲透系數K的非線性回歸方程,如下所示：

K=0.162e0.23946d5K=0.5902e-0.25399d6

能夠得到lnK和d5、d6以及d4(<0.1 mm)的關系如圖1～3所示。

圖1 2 mm以上粒徑粒組含量和碎石土滲透系數關系

圖2 2 mm以下粒徑粒組含量和碎石土滲透系數關系

圖3 0.1 mm以下粒徑粒組含量和碎石土滲透系數關系

總的來說,隨著碎塊礫石粒組含量的增加，碎石土的滲透系數呈現出自然指數增加的趨勢,隨著土中<2 mm粒徑或者<0.1 mm細粒土粒組含量的增加呈現出自然指數下降的趨勢。另外,從上述公式可知,不同粒組含量對于碎石土滲透系數影響情況不同,碎塊石粒組含量以及細粒土(黏粒以及粉粒為主)粒組含量對于碎石土滲透系數具有非常顯著的影響,礫石組含量對于碎石土滲透系數影響相對有限,而0.1～2 mm的砂粒組含量對于碎石土滲透系數影響最小。

2 碎石土滲透特性對滑坡穩定性影響

1)受到長時間降雨的影響,碎石土邊坡常常會形成管網狀排泄系統。從相關滑坡災情勘察資料可知,正是由于碎石土邊坡存在著管網狀排泄系統,所以在缺少降雨時，天然碎石土邊坡的地下水也可以利用這些管網狀排泄系統排向坡外。從上述公式可知,一般情況下天然狀態下碎石土邊坡穩定性較好,具有比較高的安全儲備。但是受到暴風雨的影響,在碎石土邊坡淺表地層土體中存在著大量以粉粒以及黏粒為主體的細粒土,因此，即便碎石土邊坡淺表地層土體中具有管網狀排泄系統,也會造成滲透系數比較低；對于碎石土邊坡土體來說,滑體淺表層存在著以粉粒以及黏粒為主的細粒土(厚度約0.8～5 m)含量較高的土體,這些土體受到厚度以及性質的影響造成其滲透系數相對較低。另外,淺表部下存在著厚度約6～38 m的碎塊礫石含量較高的碎石土,這些碎石土的粒徑在2～4 cm范圍,因此，具有比較高的滲透系數。

2)一般情況下，雨水較為充裕的地區大都植被豐富,因此，碎石土滑坡滑動帶巖土體具有比較高的飽和度。從相應取樣分析可知,天然狀態下深層碎石土滑坡滑動帶巖土體飽和度能夠達到80%以上,表明此種土體處在飽水狀態。天然狀態下淺層碎石土滑坡滑動帶巖土體飽和度能夠達到95%以上,總的來說，降水對于中深層以及淺層碎石土滑坡滑動帶巖土體關鍵指標(例如黏聚力、內摩擦角等)不會產生較為明顯的影響。對于碎石土來說,其抗剪強度會受到黏聚力、內摩擦角等影響,同時抗剪強度也會隨著滑動面法向應力的增加而上升。所以降雨對于碎石土滑坡的影響主要體現在孔隙水壓力方面,隨著孔隙水壓力的上升滑體下滑力有所增加,同時作用在滑面上的法向應力下降,造成滑面帶巖土體抗剪強度的下降,從而造成碎石土邊坡出現滑坡的問題。

3)一旦飽和土中不同點之間具有能量差,就會造成水從能量高點向能量低點流動,即土體兩點之間總水頭差>0的情況下才可能造成水在不同點之間的流動。對于碎石土來說,其邊坡淺表土層的孔隙中存在著較多的氣泡,同時在淺表地層中存在著較多以黏粒土和粉粒土為主的細粒土,具有比較大的粘滯阻力,所以只有在水力梯度超出了孔隙氣泡阻力以及粘滯阻力才可能發生滲透問題。碎石土邊坡要在長時間強降雨影響下才可能造成淺表土層處于水飽和狀態而引發滲透,從而造成雨水的下滲。所以,正常情況下需要在長時間以及較大強度降雨的情況下才可能引發碎石土邊坡的滑坡問題。

4)受到長時間以及高強度連續降雨影響,雨水先要克服淺表層土體孔隙氣泡阻力以及土體粘滯阻力,從而造成淺表土層實現水飽和,之后發生下滲直到較厚碎塊礫石含量較大的碎石土當中。因為碎石土滑坡淺表地層下伏碎石土層具有較大滲透系數,受到長時間降雨影響此土層中具有較為發達的管網狀排泄系統。因此受到降雨作用影響,雨水從淺表層下滲到碎石土層之后非常快通過管網狀排泄系統向坡外排泄。但是一般情況下，碎石土滑坡后坡積水面積較大,受到長時間連續降雨的影響,淺表土層很快達到飽和,之后快速下滲而造成滑坡體中水位的快速上升。同時淺表土層中的細粒土受到水力梯度作用會在碎塊礫石之間流動,所形成的地下水滲流會造成土體坍塌,從而造成排泄管道的破壞,地下水無法有效利用管網狀排泄系統向坡外進行排泄,進而造成地下水位的上升以及滑體飽和度的增加,使得滑體巖土體抗剪強度的降低,滑體不均勻塑性變形增大。

5)一旦碎石土發生滑坡失穩就會造成管網狀排泄系統的破壞,地下水無法順利排泄,造成了地下水位的上升,引發孔隙水壓力的增加,造成滑面巖土體抗剪強度的下降,從而引發滑坡穩定性的降低。一旦滑體飽和水面積達到相應數值就會造成碎石土滑坡發生失穩破壞。破壞之后的邊坡地下水管網排泄系統受到了破壞而引發地下水位的上升,造成滑坡體孔隙水壓力增加,從而使得滑坡抗剪強度下降,進一步加劇了邊坡的破壞。

3 結束語

本文首先分析了碎石土滲透特性的相應內容,從回歸方程的角度分析了不同粒徑對于滲透特性的影響,在此基礎上分析了碎石土滲透特性對滑坡穩定性影響。本文的介紹對穩定碎石土邊坡具有一定參考和幫助。

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