松散堆積體邊坡穩定性分析及治理措施

田劍龍 曾小剛

摘? 要：隨著城市發展，中石化重慶公司市區新建加油站的地塊存在大量的松散堆積體邊坡，加油站的建設工程中開挖擾動和自然降雨此類坡體極易垮塌，給加油站的建設和使用帶來了巨大的風險。

在廣泛調研和大量參考同類文獻的基礎上，對堆積體邊坡的物理力學性質進行歸納和總結，對堆積體的結構特征、滲透變形特性以及失穩破壞模式等進行了介紹。

通過室內大型直剪試驗，對堆積體的抗剪強度各因素進行分析，表明堆積體具有很強的水敏感性，堆積體的抗剪強度在飽水情況下急劇下降。

采用seep/w和slope/w對模擬松散堆積體邊坡的穩定性在降雨強度、延時以及裂隙情況等因素發生變化的變化規律。同樣的降雨條件下，滲透系數對邊坡的穩定性影響較大，滲透系數越大，邊坡安全系數降低越快，滲透系數越小，邊坡越不易失穩。裂隙的存在降雨對邊坡的穩定性影響極大，裂隙開裂深度越深，影響越大，邊坡的安全系數隨降雨持續降低得越明顯。

結合前述情況得出坡體表面封閉，開挖坡體上方加抗滑樁，設置伸入坡體內一定深度泄水孔是松散堆積體邊坡治理的聯合有效措施。

關鍵詞：堆積體，滑坡，穩定性

隨著城市發展，中石化重慶公司市區新建加油站的地塊基本上都是高邊坡地形、不適合建其他建筑的邊角地塊。又因加油站的建設落后周圍其他建筑的建設，等到加油站建設時，地塊被陸續的傾倒了大量的棄土、棄渣，順坡面形成厚度深、坡度大、穩定性差的松散堆積體邊坡。修建時不論是挖還是填都會擾動松散堆積體邊坡。擾動后的堆積體邊坡在自然降雨的作用下極易發生滑坍，為了確保加油站的建設順利進行和以后的安全使用，有必要對松散堆積體邊坡滑坡的發生規律進行研究，作出相應的治理措施，確保邊坡長久穩定。

一、松散堆積體邊坡的特點

松散堆積體邊坡的堆積體是土和石的混合體，屬各向異性的散體介質。在重慶地區，一種是侏羅系泥巖經過長期的外力風化作用形成的殘積層;另一種是位于邊坡及自然坡表層的坡積物、坡麓的沖積物，或者人工坡積物。

松散堆積體，巖土顆粒的直徑變化幅度很大，從小于1mm到超過1m;松散堆積體屬孔隙型介質，孔隙率大且有較大的壓縮性，孔隙率與巖土顆粒的大小、形狀、均勻程度及其排列相關;巖土顆粒越大越均勻其間的孔隙愈大;同樣的材質因顆粒排列不同，得到的孔隙率或孔隙比差別大;堆積體的力學特征與其密實度密切相關，密實度越大，力學特征越好。

松散堆積體具有滲透性，在一定的條件下，松散堆積體顆粒骨架間的水會產生流動、滲流，會引起松散堆積體顆粒的移動，從而造成邊坡滲透變形。

堆積體在荷載作用下具有較大的壓縮性。在荷載作用下松散堆積體顆粒破碎后產生的小顆粒充填到孔隙中去，減小空隙體積;顆粒克服顆粒間的摩擦阻力后，產生滑動和滾動，移動到較為密實的更穩定的平衡位置上去，使堆積體的孔隙體積被壓縮減小。

松散堆積體的變形具有應變滯后和蠕變性質，松散堆積體的變形可分為兩部分，一部分是在荷載作用下松散堆積體的顆粒位移、孔隙體積減小，變形立即發生;另一部分是因荷載作用下顆粒棱角破碎，在較長時間內應力持續轉移，逐步產生變形。

松散堆積體具有相似性，雖然不同條件下形成的松散堆積體，其結構、強度與應力應變性質各異;但級配決定著松散堆積體的力學性質。母巖相同且顆粒形狀相似的兩組級配料，只要其級配曲線相似（即級配曲線平移獲得的兩組松散堆積體），透水性相似，該料的抗剪強度、變形參數和應力—應變參數是相似的。

松散堆積體屬散體顆粒介質，內聚力幾乎為零，基本上不具有抗拉的能力，在外力作用下產生剪切破壞。因此，要維持松散堆積體邊坡的穩定，實際工程中應盡量使邊坡的土體處于受壓狀態，避免承受拉應力。工程實際中在開挖的松散堆積體邊坡的上方作抗滑樁或者在填方區下方作擋土墻是一個很有效的措施。

二、松散堆積體邊坡的失穩模式

邊坡失穩滑坍是指一部分坡體相對于另一部分坡體沿某一分界面產生滑移。對厚度不大的堆積層邊坡，常常是沿堆積體邊坡與下覆基巖接觸面進行滑移，因為此面為堆積體的第一不連續面，力學強度指標通常較低;對于此類坡體的治理可以直接卸載或者注漿加強該薄弱面的粘結強度提高邊坡的穩定性。

較大型堆積層邊坡的失穩，常產生多級滑移或解體現象，有的還產生雙層平行滑移和多層滑移。土的蠕滑在邊坡失穩過程中發揮了重要作用，決定了大型堆積層邊坡失穩模式、失穩規模、失穩頻率近似土質邊坡的破壞特點。但就非均質各向異性介質的堆積體而言，其邊坡穩定性除受堆積體基覆界面、邊界條件影響外，還與其物理結構等有關，如堆積體內的孤石、漂石一般能夠增加滑體的強度和密度，故其失穩又不同于土質邊坡。

由于松散堆積體屬散體顆粒介質，內聚力幾乎為零，基本上不具有抗拉的能力，松散堆積體邊坡失穩滑坍是因剪切力超過了松散堆積體本身的抗剪能力而引起的一部分坡體相對于另一部分坡體沿某一分界面產生滑移，是一個剪切破壞。故松散堆積體的抗剪強度對堆積體邊坡的穩定、安全有著重要的意義，是決定其穩定性的一個重要的力學指標。

三、松散堆積體抗剪強度特點

由于松散堆積體屬散體顆粒介質，為非連續材料，其抗剪切強度與傳統材料有所不同，主要表現在：

1、當松散堆積體達到剪切破壞以后，其抗剪強度并不消失，依其密實程度的不同，仍維持原值或略有降低，如圖1所示。也就是說，對于松散堆積體，即使發生剪切破壞，它仍具有一定的抵抗外荷載能力。

2、松散堆積體抗剪強度不僅與反映堆石材料自身的特性有關，而且也與外荷載在剪切滑移面上引起的正應力有關。

如圖2所示，松散堆積體受剪切時，剪切面A-A上的松散堆積體顆粒起阻擋作用。理想剪切面只有松散堆積體A-A線上顆粒剪切破壞面的摩擦力，如圖2（a）;實際上剪切面并非平面，需繞過松散堆積體顆粒形成新的剪切面如圖2（b），否則需把A-A面上的松散堆積體顆粒剪斷，才能發生剪切破壞。

3、松散堆積體的抗剪強度主要受其結構特征所控制。松散堆積體的內摩擦角可用漢森和朗德包恩提出的公式來確定。

式中：φ1……φ4——內摩擦角修正值，與松散堆積體顆粒的渾圓度、顆粒大小、結構的均勻程度和顆粒的堆集密度等結構因素有關。故抗剪強度與堆積體的密實度和顆粒的排列有關，抗剪強度取決于最弱面的抗剪強度。松散堆積體的抗剪強度符合摩爾—庫侖定律，抗剪強度由松散堆積體顆粒間的內摩擦力和嵌合阻力（咬合力）組成，內聚力c≈0。在實際工程中可以通過調整回填料的級配來增加密實度，通過填料的混合改變顆粒的排列順序得到較高的抗剪強度。

四、堆積體抗剪強度的影響因素

雖然不同條件下形成的松散堆積體，其結構、強度與應力應變性質各異;但級配決定著松散堆積體的力學性質。母巖相同且顆粒形狀相似的兩組級配料，只要其級配曲線相似，透水性相似，該料的抗剪強度、變形參數和應力—應變參數是相似的特征。通過室內大型直剪實驗得到松散堆積體抗剪破壞的影響因素就可以用于實際工程。通過松散堆積體的相似級配曲線制作實驗試件，進行大型直剪實驗得出：

堆積體的內摩擦角開始隨含水量增大緩慢的增大，在最佳含水量10%附近達到最大值;含水量超過10%后，隨著含水量的增加，內摩擦角急劇降低。而粘聚力的變化呈拋物線走向，在最佳含水量10%達到最大，天然含水量和高含水量下的粘聚力均小于最佳含水量狀態，變化曲線基本對稱的。說明水對松散堆積體強度指標內聚力影響很大。在實際工程中為保持松散堆積體坡體的穩定，應保持坡體土體的含水率不超10%，相應的措施一是在坡體頂部作截水溝，防止地表的流水滲入坡體;對坡體表面進行覆蓋，防止雨水滲入坡體;另外作好坡體內部的排水，增加泄水孔，及時排除坡體內部的積水。

松散堆積體在相同含水量（6.85%接近自然含水量），隨含石量逐漸增大其內聚力基本上是逐漸減小，內摩擦角逐漸增大。增加邊坡的穩定性應當適當的提高含石量，但也不能過于的提高。對既有的坡體可以通過注漿的方式增加含石量和內聚力，對填方的松散堆積體邊坡在回填時可以適當的增加含石量。

松散堆積體的密度愈高，其顆粒間的嵌合阻力也就愈大，摩擦角φ值越大。抗剪強度越大，同樣與密實度相關的不均勻系數和顆粒的排列均影響堆積體的強度。受堆積體不均勻系數、顆粒排列、壓實度影響較大，強度受含水量的影響甚至會出現相反的變化規律。因此在實際工程中對松散堆積體邊坡進行注漿增加密實度，同樣通過注漿固結松散顆粒改變顆粒的排列順序，是保證松散堆積體邊坡的穩定的一個有效措施。

五、降雨對堆積體邊坡穩定的影響

誘發堆積體邊坡失穩的因素很多，有自然原因，如地震、地質構造、降雨等;也有人為因素對邊坡的干擾，如不合理開挖等因素;降雨是誘發滑坡的主要因素，人們早已發現，在雨季或緊跟著大的降雨或融雪之后，常發生邊坡破壞。據資料統計，寶成鐵路沿線滑坡80%發生在降雨季（6-9月），且和雨量及連續降雨時間呈正相關。此外，由降雨誘發的滑坡和崩塌占很大部分。研究降雨因素對邊坡穩定性影響是邊坡治理的基礎。

采用seep/w和slope/w對模擬松散堆積體邊坡的穩定性在降雨強度、延時以及裂隙情況等因素發生變化的變化規律分析得出：

滲透系數大小決定降雨對邊坡穩定性影響的大小。邊坡滲透系數較低時，降雨對邊坡影響較小。滲透系數較大時，隨著持續降雨，邊坡的穩定性急劇下降，但降雨對松散堆積體邊坡的穩定的影響存在一個極限，隨著降雨延時增加，雨水持續入滲，當邊坡土體吸水完全飽和時，基質吸力完全喪失，邊坡的穩定的安全系數降至最低，坡體不再吸水，后面的雨水都會隨坡體表面流走，降雨不再影響邊坡的穩定性。

對于存在裂隙的情況，降雨對邊坡穩定系數降低相對較快，在相同的降雨強度下裂隙深度越大，其穩定性系數降低越快，邊坡越不安全。堆積體邊坡的坡頂裂隙也是引起邊坡在降雨情況下失穩的重要因素，實際工程中對松散堆積體邊坡表面裂隙的封堵和壓實是提高邊坡穩定的措施之一。

降雨入滲導致邊坡破壞分為兩個階段：第一個階段是雨水入滲使土體含水量增加，使其達到飽和狀態，造成基質吸力消失，進而使抗剪強度喪失;第二階段是再持續的降雨，使得飽和土體之孔隙水壓力上升，有效應力減小，進而發生破壞。在實際工程中及時的排除坡體內部的孔隙水，防止孔隙水壓力上升是維持松散堆積體邊坡失穩破壞的重要措施。

降雨對邊坡的破壞大都為淺層的破壞，雨水入滲后先在邊坡表面形成一浸潤層，降雨強度大于堆積體邊坡的入滲率時，邊坡的表面將形成水膜，只有少量的雨水滲入坡體，大部分的雨水會隨坡面流走，降雨強度的增加對邊坡穩定性影響不再變大;因此降雨對松散堆積體邊坡坡體穩定的影響，主要取決于松散堆積體坡體表面的滲透系數。在實際工程中可以用低滲透系數的混凝土進行覆蓋，或者對坡體表面的夯實降低表面的滲透系數減低降雨對松散堆積體邊坡穩定的影響。

六、松散堆積體邊坡治理的處置措施

通過松散堆積體邊坡的結構特征、抗剪強度特征、抗剪強度的影響因素和邊坡破壞的驗收分析得出松散堆積體邊坡的處置措施如下：

松散堆積體邊坡屬松散的土石體，基本沒有內聚力，無抗拉能力。在松散堆積體邊坡的挖方區的上部位置設置抗滑樁或者在填方區的下部位置設置擋墻使松散堆積體邊坡坡體處于受壓狀態是松散堆積體邊坡治理的根治措施。

松散堆積體邊坡抗剪強度高水敏感性以及雨水入滲對松散堆積體邊坡穩定強影響性決定了防止雨水的入滲是確保松散堆積體邊坡的穩定的重點。在松散堆積體邊坡的坡頂設置排水溝和對坡體表面進行覆蓋、封堵是松散堆積體邊坡治理的重要措施。

松散堆積體達到剪切破壞以后，其抗剪強度并不消失，仍維持原值或略有降低;坡體飽和土體的孔隙水壓力上升，是導致松散堆積體坡體破壞最直接的因素。及時排除坡體內的孔隙積水是維持松散堆積體邊坡穩定的直接措施，在對坡體表面覆蓋、封堵時作好有一定深度、排水流暢的泄水孔是邊坡治理的必要措施。

參考文獻

[1]? Fredlund D.G & Rahardio H，陳仲頤，張在明，陳愈炯等譯，Soil Mechanics for Unsaturated Soils（非飽和土力學）[M]，北京：中國建筑工業出版社，1997：1-55.

[2]? 李兆平，張彌，考慮降雨入滲影響的非飽和土邊坡瞬態安全系數研究[J]，土木工程學報，2001，5：57-61.

[3]? 姚海林，陳守義.降雨入滲對非飽和膨脹土邊坡影響的參數研究[J].巖石力學與工程學報[J]. 2002，21（7）：1034-1039.

[4]? 史弘鶴，王殿春. 降水入滲對非飽和土坡穩定性的影響[[J].西部探礦工程，2004，9（100）：36-39.

[5]? 高潤德，彭良泉，王釗.雨水入滲作用下非飽和土邊坡的穩定性分析[[J]. 人民長江，2001，32（11）：25-27.

[6]? 陳祖煜，水利水電工程堆積體邊坡穩定分析和工程措施研究[J]，貴州水利發電，Vol，17（4），2003，10：5-9