膨脹巖邊坡穩(wěn)定性分析
——以某鐵路邊坡為例

周洪博

(遼寧有色勘察研究院有限責任公司， 沈陽 110013)

膨脹巖是指吸水膨脹、失水收縮的一種特殊性巖體，其在天然狀態(tài)下呈硬塑態(tài)，強度較大，遇水則因為吸水膨脹軟化而導致強度顯著降低[1]。膨脹巖分布廣泛，在內(nèi)蒙古、黑龍江、云南、四川、廣東、廣西等地都相繼發(fā)現(xiàn)了膨脹巖的存在。諸多專家學者對膨脹巖的變形、破壞等方面展開了研究。王曉蕾[2]研究了延吉地區(qū)膨脹巖強度及本構關系；余飛等[3]研究了干濕循環(huán)條件下膨脹巖崩解特性；范秋雁等[4]研究了膨脹巖的變形破壞機制，膨脹巖的膨脹變形與荷載存在相關性；Liu等[5]研究了膨脹巖隧道的變形位移；廖進星[6]研究了降雨入滲條件下膨脹巖的邊坡穩(wěn)定性；張善凱等[7]以盧氏膨脹巖為研究對象，研究了其變形、強度特性，并提出了盧氏膨脹巖的膨脹模型；李成等[8]對南昆線那百段膨脹巖路塹邊坡發(fā)生變形破壞，對鐵路路基修鑄造成重大影響；楊軍平等[9]研究了浸水條件下膨脹巖穩(wěn)定性，認為膨脹巖浸水時黏聚力、內(nèi)摩擦角顯著降低會引發(fā)邊皮失穩(wěn)破壞；唐驍宇等[10]采用灰色關聯(lián)系數(shù)法分析了膨脹巖崩解特性的影響因素；Wang等[11]分析了膨脹巖膨脹變形時的影響因素；李高峰[12]研究了鐵路兩側(cè)膨脹巖路塹開挖穩(wěn)定性工法，總結(jié)提出一套系統(tǒng)的開挖方案；Yu等[13]以膨脹軟巖為研究對象，研究了膨脹巖變形機理并提出膨脹巖胖張變形的推導計算公式；王碩等[14]研究了膨脹巖脹縮特性對隧道穩(wěn)定性的影響；賈澤鈺等[15]研究了膨脹巖對邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出防護措施；曾志雄等[16]研究了干濕循環(huán)作用對膨脹巖力學特性的影響規(guī)律等。

雖然膨脹巖的研究時間持續(xù)較長，但是由于其特殊的巖土性質(zhì)及力學變形特性，膨脹巖的研究成果仍較少，不能系統(tǒng)的指導膨脹巖分布地區(qū)工程建設。在工程實踐中因膨脹巖破壞而發(fā)生的事故仍屢見不鮮，其中又以膨脹巖邊坡失穩(wěn)造成的破壞則最為嚴重，如匹斯堡土壩滑坡、圣弗朗西斯拱壩潰壩等工程事故。

針對以上現(xiàn)狀，以某鐵路膨脹巖邊坡為研究對象，利用GEO-SLOPE公司開發(fā)的Geostudio系列SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W軟件，分析計算正常工況、不同降雨時長工況條件下該地區(qū)膨脹巖邊坡穩(wěn)定性，并采用一定的工程設施對該研究區(qū)膨脹巖邊坡進行治理。研究結(jié)果可為膨脹巖邊坡分布地區(qū)工程建設提供一定的理論指導。

1 工程實例

1.1 研究區(qū)概況

以某鐵路膨脹巖路段深路塹邊坡為研究對象，研究區(qū)位于遼寧省朝陽市喀左縣公營子鎮(zhèn)東垤卜村地界，屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，春季少雨多旱風，夏季炎熱、雨水集中，秋季晴朗日照充足，冬季寒冷降水稀少，年平均氣溫8.7 ℃，年均降水量491.5 mm。

1.2 地層巖性

區(qū)域出露地層主要為中生界侏羅系土城組、白堊系義縣組、九佛堂組，其次為古生界寒武-奧陶系；研究區(qū)西側(cè)約5 km以中三家斷裂為界，北側(cè)為太古界，南側(cè)以中元古界薊縣系霧迷山組和古生界寒武-奧陶系為主；東側(cè)以中元古界薊縣系霧迷山組為主；第四系沿大凌河及其支流等流域分布，以沖洪積物為主，在緩坡部位可見風成黃土沉積。

工作區(qū)內(nèi)地層主要為中生界土城子組的凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)礫巖、泥巖。

1.3 構造與地震

區(qū)域上褶皺構造不發(fā)育，斷裂構造發(fā)育，以北東向斷裂構造為主。其中主要分布有朱碌科-中三家子斷裂和甘招-河坎子斷裂。其中，朱碌科-中三家斷裂發(fā)生于中生代，走向北東，傾向北西，傾角陡立，為走滑斷層；甘招-河坎子斷裂發(fā)生于中生代，走向北北東，傾向北西，傾角較陡，錯斷中上元古界、古生界、中生界侏羅系，省內(nèi)長度約10 km。該斷裂在公營子南東部北北西向斷裂錯斷，斷距約3 km，為正斷層。兩個大型斷裂產(chǎn)生7個主要斷層，位于邊坡的東部約2 km，對邊坡影響很大。區(qū)域內(nèi)分布的斷裂構造使邊坡巖土體發(fā)生滑塌、邊坡裂縫等地質(zhì)災害，如圖1所示。

圖1 邊坡地質(zhì)災害Fig.1 Geological hazard of slope

區(qū)域歷史上地震活動頻繁，主要是大區(qū)域深大斷裂構造活動造成的。發(fā)生2次地震，第一次震級為4.6級第二次震級為4.3級。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2001)項目區(qū)抗震設防烈度為Ⅵ度，設計基本地震加速度為0.05 g，設計地震分組為第二組，反應譜特征周期0.35 s。

2 剖面選取與模型建立

2.1 計算剖面及參數(shù)選取

以某鐵路邊坡為研究對象，由于深路塹開挖，形成南北兩側(cè)的高邊坡。在路塹邊坡范圍內(nèi)，在路塹的北、南側(cè)邊坡各確定3個計算剖面，各剖面位置如圖2所示。其中1、2、3號邊坡為北側(cè)逆傾邊坡，3、4、5號邊坡位南側(cè)順傾邊坡且4、5號邊坡范圍內(nèi)發(fā)育有順傾斷層。確定模擬區(qū)總高度為30～40 m；各剖面的水平總長度為50～100 m。剖面中的地層巖性包括殘積土、礫巖、砂巖、泥巖等類別，按其風化程度可分為全風化、強風化和弱風化地層。

圖2 剖面位置平面圖Fig.2 Section location plan

在飽和-非飽和滲流分析中，通過把部分實測基質(zhì)吸力曲線和室內(nèi)滲透性曲線與Van Genuchten模型參數(shù)庫進行擬合，結(jié)合邊坡現(xiàn)場條件，獲取計算模型所需水土特征參數(shù)。其中，泥巖層飽和含水率取35%，飽和滲透系數(shù)4.0×10-6m/s；砂巖層飽和含水率取40%，飽和滲透系數(shù)1.5×10-4m/s；礫巖層飽和含水率取30%，飽和滲透系數(shù)2.0×10-4m/s。

2.2 計算模型及邊界條件

為簡化文章篇幅，選取典型剖面2(北側(cè)邊坡)建立滲流計算模型，并劃分有限元網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 剖面2計算模型(路塹北邊坡)Fig.3 Calculation model of section 2 (north slope of cutting)

采用Geo-studio中的SEEP/W模塊進行非飽和滲流模擬。設置邊界條件時，假定模型底部為不透水邊界，左右兩側(cè)水位線以下設為定水頭邊界，其余為零流量邊界；設水位線上，負孔隙壓力呈線性分布，水頭為5.0 m，即最大負孔隙水壓力為-50 kPa。

坡面設為降雨流量邊界，滲流分析計算時SEEP/W程序可自動判斷降雨強度與土體的滲透系數(shù)之間的關系，當降雨強度大于土體滲透系數(shù)時，按定水頭邊界(水頭為標高)計算；當降雨強度小于土體滲透系數(shù)時，按流量邊界處理。

根據(jù)中國氣象局規(guī)定：日雨量小于10 mm稱為小雨，10.0～24.9 mm為中雨，25.0～49.9 mm為大雨，50.0～99.9 m為暴雨，100～250 m為大暴雨。現(xiàn)場位于遼寧省西部的朝陽喀左地區(qū)，歷史上有“十年九旱”之稱，降水量偏少。為了與本地區(qū)的降水情況相貼近，將模擬降雨強度設為暴雨上限(100 mm/d)級別是適宜的，并將降雨歷時設定為1 h(3 600 s)、12 h(43 200 s)、24 h(86 400 s)、2 d(172 800 s)、3 d(259 200 s)、4 d(345 600 s)6個級別，進行相應的非飽和滲流模擬分析。

3 邊坡滲流計算

根據(jù)以上設定的計算剖面、參數(shù)選取和邊界條件，進行降雨工況下的滲流數(shù)值模擬分析。計算相應的孔隙水壓力變化，并進行滲流機理分析。

如圖4所示，由降雨歷時1 h、12 h、24 h、2 d、3 d、4 d的飽和-非飽和滲流計算結(jié)果可見，邊坡降雨入滲效果與巖土滲透性系數(shù)、初始邊界條件有關。對于現(xiàn)場膨脹巖邊坡，雨水入滲深度與受雨地層的滲透能力密切相關。邊坡頂部及上部為泥巖層表面，降雨入滲主要發(fā)生在淺表層2 m以內(nèi)，深部巖土體受降雨入滲影響不大；對于砂巖層，降雨入滲深度和滲流矢量則明顯增大。在2 d(48 h)降雨歷時之后，隨著時間推移，雨水滲流速度矢量變化減緩，巖土飽和度也增加緩慢。降雨入滲使地下水位線最大抬升1 m左右，而且高度和形態(tài)都發(fā)生了改變，從而增加了邊坡地下水位以下的飽和區(qū)范圍。由于巖層的非飽和滲流作用，地下水位以上的非飽和區(qū)范圍增加則更為明顯。根據(jù)孔隙水壓力分布和邊坡分層結(jié)構特征可以推斷，在強降雨工況下，邊坡淺層基質(zhì)吸力下降要快得多，更容易失穩(wěn)，表現(xiàn)為沿表層坡面的局部滑塌，而對深部滑坡穩(wěn)定性的影響不大。

圖4 剖面2 100 mm/d降雨量不同降雨時長條件下孔隙水壓力及滲流矢量Fig.4 Pore water pressure and seepage vector under different rainfall duration of 100 mm/d rainfall in section 2

4 邊坡穩(wěn)定性評價

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB 50021—2001，考慮對錦承線路塹邊坡工程地質(zhì)條件的認識程度和資料的掌握程度，將路塹兩側(cè)邊坡安全系數(shù)(FS)取為“驗算已有邊坡穩(wěn)定”的上限值，即安全系數(shù)，取FS=1.25。

采用Geo-Studio中的SIGMA/W有限元模塊進行應力及變形計算，采用Geo-Studio中的SLOPE/W極限平衡計算模塊進行安全系數(shù)計算。設置邊界條件時，假定模型底部為固定約束，模型左右兩側(cè)為水平向約束；坡面為降雨邊界，降雨歷時設為0 h(無降雨)和48 h(有降雨)。考慮現(xiàn)場的巖土膨脹特性，針對正常工況和特殊工況兩種情況，進行路塹邊坡的穩(wěn)定性分析和評價。其中，正常工況設定為無降雨及巖土峰值強度情況，特殊工況設定為有降雨及巖土殘余強度情況。

4.1 正常工況下的穩(wěn)定

取2號邊坡剖面，不考慮隆雨情況，并按相應的巖土峰值強度，進行相應的邊坡安全系數(shù)計算、應力變形分析如圖5所示。

圖5 剖面2正常工況下安全系數(shù)、應力及位移圖Fig.5 Safety factor, stress and displacement diagram of section 2 under normal conditions

4.2 特殊工況下的穩(wěn)定性

膨脹巖具有易吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特點。在實際工程中，當采用峰值抗剪強度進行邊坡設計和計算時，有許多發(fā)生滑動的邊坡是穩(wěn)定的，而由反算得到滑動面上的平均剪應力卻比它們的峰值抗剪強度小得多，這正是因為膨脹巖具有峰值強度較高而殘余強度較低且表現(xiàn)出一種典型的變動強度特性。因此，在進行膨脹巖邊坡穩(wěn)定分析時，應考慮采用殘余強度的工況。為此，針對相應計算剖面，在考慮降雨強度100 mm/d、降雨歷時48 h情況下，將相應的巖土強度參數(shù)按殘余強度進行折減，進行相應的邊坡安全系數(shù)計算和應力變形分析，如圖6所示。

圖6 剖面2特殊工況下安全系數(shù)、應力及位移Fig.6 Safety factor, stress and displacement of section 2 under special conditions

4.3 計算結(jié)果分析

圖7為兩種工況下剖面1～6號安全系數(shù)。由圖7可知，正常工況(無降雨峰值強度)下的北側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可見，安全系數(shù)均遠大于1.25的安全系數(shù)要求；特殊工況(降雨48 h殘余強度)下的安全系數(shù)降低較大，但也均滿足了1.25的安全系數(shù)要求。從這3個剖面的地層產(chǎn)狀來看，與邊坡傾向相反，具有逆層邊坡的特征，因此穩(wěn)定性較好。剖面1、3屬于凸形邊坡，滑面位置在邊坡中下部；剖面2滑面位置沿整體坡高。

圖7 剖面1～6號安全系數(shù)計算結(jié)果Fig.7 Calculation results of safety factor of section 1～6

正常工況下的南側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可見，安全系數(shù)均大于1.25的安全系數(shù)要求；特殊工況下的安全系數(shù)降低程度較之北坡剖面更為顯著，相應安全系數(shù)均在1.25附近；特別是剖面5安全系數(shù)已略小于1.25的限值，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。這3個剖面的地層產(chǎn)狀與邊坡傾向相同但傾角不大，具有一定順層邊坡的特征，因此穩(wěn)定性相對較差；剖面5有順傾較陡的3條斷層，剖面6有順傾較陡的1條斷層，控制了可能的滑面位置，降低了安全系數(shù)。南坡3個剖面的滑面位置均位于邊坡中下部區(qū)域。

各剖面的垂直應力和水平應力均具有從開挖坡面逐漸向坡內(nèi)增加的特點，呈現(xiàn)與坡表面平行的層狀分布，模擬數(shù)值隨降深增加呈近似線性正比例關系，應力總體分布較均勻，呈現(xiàn)受重力場控制的分布規(guī)律。兩種工況對比：各剖面垂直應力狀態(tài)變化不大，說明它主要由自重引起，受降雨和膨脹性的影響不大。北側(cè)邊坡各剖面水平應力狀態(tài)變化明顯，增加約1倍；正常工況下的最大水平和垂直位移計算結(jié)果多為毫米量級，而在特殊工況下的位移值變化很大，增加了1～2個數(shù)量級，說明由于降雨和巖土膨脹性的共同作用，導致邊坡位移增加明顯，邊坡穩(wěn)定性大大降低。南側(cè)邊坡各剖面水平應力狀態(tài)變化明顯，增加大1/3～2/3倍。特殊工況下的位移值變化很大，較之正常工況下的計算結(jié)果增加1～2個數(shù)量級，說明由于降雨和巖土膨脹性的共同作用，導致邊坡位移增加明顯，邊坡穩(wěn)定性大大降低。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)場坡頂及上部坡面的降雨入滲主要發(fā)生在表層，深部巖土體受降雨入滲影響不大。降雨入滲使地下水位的高度和形態(tài)都發(fā)生了改變，增加了邊坡的飽和區(qū)和非飽和區(qū)范圍。根據(jù)孔隙水壓力分布和邊坡分層結(jié)構特征可以推斷，在強降雨工況下，邊坡淺層基質(zhì)吸力下降要快得多，容易表現(xiàn)為表層隨著坡面流的局部滑塌。

(2)北側(cè)邊坡體現(xiàn)一定的逆層分布特征，特殊工況(有降雨殘余強度)下的安全系數(shù)較之正常工況(無降雨峰值強度)有較大降低，但可以滿足安全系數(shù)要求。垂直應力和水平應力均具有從開挖坡面逐漸向坡內(nèi)增加的特點，呈現(xiàn)與坡表面平行的層狀分布，呈現(xiàn)受重力場控制的分布規(guī)律。特殊工況下，各剖面垂直應力較正常工況變化不大，而水平應力狀態(tài)變化明顯；位移值增加顯著，較之正常狀態(tài)增加了1～2個數(shù)量級，也說明了邊坡穩(wěn)定性大大降低。

(3)基于以上邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果，建議在邊坡表層，特別是坡頂設置防滲措施，隔絕降雨入滲的不利影響；在南側(cè)邊坡坡腳，采用抗滑樁或錨索加固方案，增加邊坡的穩(wěn)定性，減小相應的水平位移；在兩側(cè)邊坡的中部坡腰，增設泄水孔，及時排出坡體內(nèi)地下水，減少巖土膨脹性、提高巖土強度；在坡底的路塹基床，采取硬覆蓋防滲地基處理措施，消除隆起回彈效應，確保鐵路行車安全。