靜力觸探推測滑裂面技術(shù)在滑坡治理中的應用

詹旺林，雷 聲，高 鴻

(1.江西省九江市水利電力規(guī)劃設計院，江西 九江 332000;2.江西省水利科學院，江西 南昌 330000)

當滑坡發(fā)生時，通過各種方法找出滑裂面的位置，對分析滑坡產(chǎn)生的原因，及時制定行之有效的治理方案是十分重要的。有關滑裂面識別及推測的方法不少，但系統(tǒng)的論述不多。2010年中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學院工程地質(zhì)力學重點實驗室的胡瑞林、王珊珊，在工程地質(zhì)學報上發(fā)表《滑坡滑面(帶)的辨識》。論文從方法的確定性將滑裂面的辨識方法分為2類:一類為確定性方法，包括野外地質(zhì)判識法、勘探識別法和位移觀測法;另一類為非確定性方法，包括簡易力學識別法、地球物理勘探法和數(shù)值模擬法[1]。

由于位移觀測法、地球物理勘探法和數(shù)值模擬法對設備及人員的要求較高，在小型滑坡現(xiàn)場往往較難實現(xiàn)。因此，在實際應用中，對于不存在明顯結(jié)構(gòu)面的土質(zhì)邊坡，非確定性方法主要是采用邊坡穩(wěn)定計算軟件尋找滑裂面的力學識別法。確定性的方法主要是采用野外地質(zhì)識別和勘探識別法，其中挖探坑或鉆孔取芯是最常用的勘探識別法[2]。但是在軟土地層上修建大壩或堤防時，往往容易發(fā)生沿最大剪應力帶的剪切破壞。此種破壞形式，滑坡發(fā)展迅速、滑動帶層厚較薄、滑裂面較深。由于滑裂面深，因此探坑工作量較大；又由于滑動帶層厚較薄，地質(zhì)鉆孔往往很難準確找到滑裂面的位置。本文根據(jù)滑裂面土體產(chǎn)生了剪切破壞、土體發(fā)生重塑的特點，提出了利用靜力觸探尋找滑裂面的勘探識別法。

1 滑坡險情概況

1.1 險情概況

某城區(qū)3級堤防，堤頂高程21.75m，堤頂寬6.0m，上游設0.8m高鋼筋砼防浪墻，上、下游邊坡均為1∶3，下游15.0m高程處設25m寬二坡臺。

為了緩解城區(qū)交通壓力，需要在下游二坡臺處修建市政道路。由于路基為淤泥質(zhì)土，需進行開挖置換，以滿足承載力要求。在路基開挖過程中，大堤下游邊坡發(fā)生滑坡險情，滑坡平面呈圓弧形，縱向長160m，橫向?qū)挾?5m，分布面積4000m2，估算滑坡體積約2.0萬m3。

1.2 地質(zhì)情況

堤身填土：磚紅色，主要由粉質(zhì)黏土組成，見灰白色黏土團塊，局部含少量碎石，土質(zhì)較均勻，干燥-稍濕，揭露層厚2.5～8.2m。現(xiàn)場注水試驗滲透系數(shù)K=8.33×10-5cm/s。

堤基填土：上層為粉質(zhì)黏土，灰黑色，硬可塑狀，槽壁面光滑，韌性較好，干強度較高，具輕微腐臭味，稍濕，現(xiàn)場注水試驗滲透系數(shù)K=4.52×10-5cm/s；下層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰色、灰黑色，含水量高，軟塑-軟可塑狀，承載力低[3]。各土層力學指標見表1。

表1 各土層物理力學指標建議值表

1.3 原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場實地勘察及查閱相關設計、施工資料，認為產(chǎn)生滑坡的原因有以下幾個方面：

(1)路基開挖及下游堤腳水塘被快速排干導致下游坡腳阻滑力減小。

(2)在堤坡上堆填開挖土料，加大了邊坡荷載，增加了下滑力。

(3)路基基坑邊坡開挖成直立臨空面，造成基坑邊坡局部失穩(wěn)坍塌，邊坡坍塌導致堤坡土體應力調(diào)整，土體的力學指標下降。

(4)堤腳開挖路基后，堤坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，施工機械震動造成的擾動加速了滑坡的發(fā)展。

2 滑裂面分析與推測

為了制定切實可行的加固措施，必須要查清本次滑坡險情的滑裂面位置，以便對滑裂面采取有針對性的加固措施。在滑坡現(xiàn)場一般可通過滑坡體前、后緣的地形地貌特征來推測滑裂面大致位置，但此種推測方法受個人經(jīng)驗限制，特別是當坡腳前緣(剪出口)不明顯時，誤差較大。

另外也可以進行坑探來尋找滑裂面，但當發(fā)生深層滑動時，勘探工作量較大，且在滑坡體上進行坑探作業(yè)，對滑坡體擾動較大，極易造成滑坡險情的加劇。

鉆孔取芯也是尋找滑裂面經(jīng)常采用的方法。但當滑動帶層厚較薄時，地質(zhì)鉆孔往往很難準確找到滑裂面的位置。

1932年荷蘭工程師P.Barentsen首先將內(nèi)徑19mm、外徑36mm的空心探桿與直徑15mm、錐角為60°的圓錐相連接，并進行手動灌入試驗。我國于1954年陳宗基教授自荷蘭引進靜力觸探技術(shù)。1964年王鐘琦教授等成功研制我國第一臺電測式觸探儀。1965年原建設工業(yè)部綜合勘察研究所自行設計、制造了電阻應變式靜力觸探儀，并通過近百組對比試驗建立了灌入阻力與天然地基承載力的統(tǒng)計公式，為我國推廣靜力觸探打下基礎[4]。

靜力觸探的基本原理是將一個內(nèi)部裝有傳感器的觸探頭勻速壓入土中，由于地層中各種土的軟硬不同，因此探頭所受的阻力也不一樣，傳感器將這種大小不同的貫入阻力通過電信號傳輸?shù)接涗泝x表中記錄下來，再通過貫入阻力與土的工程地質(zhì)特征之間的定性關系和統(tǒng)計相關關系，來實現(xiàn)取得各土層的厚度及其分界線、土層的承載力等地質(zhì)參數(shù)的目的。

在土體滑動過程中，滑坡帶受剪切破壞，土體重塑，重塑土的物理力學性質(zhì)降低。根據(jù)這一特性，利用靜力觸探的方法沿著滑床找出同一土層內(nèi)土體的物理力學性質(zhì)顯著下降位置，將此位置進行連線即可推測出滑裂面的位置。

2.1 理論計算成果

采用理正邊坡穩(wěn)定計算軟件，根據(jù)各層的滲透系數(shù)、上下游水位、堤身斷面形式，計算得出流網(wǎng)。再根據(jù)滲流的流網(wǎng)計算成果、各土層的物理力學參數(shù)，結(jié)合滑坡體上、下緣的位置，計算得出符合本次滑裂面特征的最不利滑裂面[5- 6]。

通過計算可得，道路開挖施工期間，最不利的滑裂面半徑83.2m，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.02。根據(jù)計算結(jié)果可以認為，堤坡處于臨界狀態(tài)，在外界不利因素的作用下，堤坡極易產(chǎn)生滑動破壞。

2.2 靜力觸探成果

2.2.1試驗成果

根據(jù)滑坡體的形態(tài)，在滑坡體上布置JT1、JT2、JT3、JT4號4個靜力觸探孔。

在試驗深度范圍內(nèi)涉及的地層主要有堤身填土層、粉質(zhì)黏土層以及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。各層靜力觸探錐尖阻力qc見表2。

表2 各土層錐尖阻力成果表

2.2.2滑裂面推測

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，堤身填土層物理力學性質(zhì)最好，qc平均值為1.40MPa；其下粉質(zhì)黏土層為硬可塑狀，土體的物理力學性質(zhì)較好，qc平均值為1.13MPa；淤泥質(zhì)土層物理力學性質(zhì)較差，qc平均值僅為0.67MPa。

由于滑坡發(fā)生時，滑裂面土體產(chǎn)生了剪切破壞，因此土體必然發(fā)生重塑。淤泥質(zhì)土為高靈敏土，重塑土抗剪強度比原狀土顯著降低，因此淤泥質(zhì)土層qc最小值所在點的位置即可認為是滑裂面的位置。在JT1、JT2、JT3、JT4號試驗孔中分別在深度6.7、8.3、7.4、7.2m處出現(xiàn)最小值，故將這些點組成的面作為滑裂面。

2.2.3滑裂面抗剪強度

如果使三向應力狀態(tài)下的軟黏土不固結(jié)不排水，即土樣在剪切過程中保持天然含水率不變，由此所得的抗剪強度Cu，被定義為不排水剪強度，不排水抗剪強度能客觀反映滑裂面土體的性狀[7]。

用靜力觸探求飽和黏土的不排水綜合抗剪強度(Cu)，目前是用靜力觸探成果與十字板剪切試驗成果對比，建立qc和Cu的相關關系，以求得Cu值[8]。

在4個試驗孔中，qc的最小值分別為0.28、0.32、0.29、0.27MPa，平均值為0.29MPa。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》(第五版)經(jīng)驗公式Cu=71qc，計算得出滑裂面不排水綜合抗剪強度Cu=20.59KPa。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的靈敏度St為：

(1)

2.3 兩種成果的比較

兩種方法得出的滑裂面如圖1所示。根據(jù)圖1可知，根據(jù)現(xiàn)場試驗得出的滑裂面和理論計算得出的滑裂面基本吻合，說明理論計算所采用的土體的物理力學指標基本合理，得出的結(jié)論可信。從偏于工程安全考慮，滑坡治理深度參考2種計算成果的下包線。

圖1 理論計算滑裂面及靜力觸探推測滑裂面

3 滑坡治理

3.1 治理措施

3.1.1削坡減載

為了避免道路施工過程中，滑坡的進一步發(fā)展，必須對滑坡體頂部削坡減載，17.5m高程處開挖2.5m寬減載平臺，平臺以上1∶2.0削坡至堤頂。

3.1.2滑裂面加固

滑坡體在下滑過程中，土體產(chǎn)生重塑，特別是滑裂面周邊土粒及水、氣所組成的平衡體系受到破壞，強度降低，壓縮性加大。因此必須對滑裂面進行加固處理。由于滑裂面深入堤基淤泥質(zhì)黏土層，而深層攪拌對處理淤泥質(zhì)土效果較好[9]。深層攪拌法是一種用攪拌機翼片旋轉(zhuǎn)，將石灰或水泥等固化劑與軟土攪拌混合，使水泥漿與土體產(chǎn)生一定的物理和化學反應，經(jīng)過一定時間凝結(jié)成圓柱狀加固土體，提高土體的抗剪性能[10]。

在擬建道路人行道位置布置3排深層攪拌抗滑樁，梅花形布置，間距和排距均為1m。攪拌樁深入滑裂面下包線深度不小于3.0m，深層攪拌樁布置如圖2所示。

圖2 深層攪拌樁加固

3.1.3增加下游壓重

原設計下游堤腳路面高程為14.6m。為了增加堤坡的抗滑力，提高堤防的抗滑安全系數(shù)，在道路縱坡的允許下，建議路面高程提高到15.5m。

3.2 穩(wěn)定計算分析

3.2.1道路施工期

按照施工期外湖水位18.5m，堤腳道路基礎開挖深度2.0m，堤身17.5m高程以上1∶2.0削坡減載，計算得抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.02，不滿足規(guī)范要求。

當增加深層攪拌措施對滑裂面進行加固處理時，深攪樁的水泥土抗剪強度根據(jù)經(jīng)驗取0.5MPa，樁徑選用0.6m，計算得單位堤段長度內(nèi)深攪樁可提供的抗滑力為423.9kN。計算可得堤坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.21，滿足規(guī)范要求。

3.2.2堤防正常運行期

下游堤腳道路施工完成，路面高程15.5m，堤身恢復至原始斷面，堤頂寬6m，上、下游邊坡1∶2.5。按照上游設計水位21.06m工況，計算得出堤坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.30，滿足規(guī)范要求。

4 實施效果

滑坡治理完成后，經(jīng)過幾個汛期，特別是2020年特大洪水的考驗，堤身穩(wěn)定，未出現(xiàn)裂縫、沉陷、滲透、滑坡等險情，說明根據(jù)所采用的滑裂面位置和其力學指標進行滑坡治理的方案是安全可靠的。

5 結(jié)語

靜力觸探是一種原位測試手段，具有快速、準確、經(jīng)濟的特點。在制定滑坡治理方案時，治理深度參考靜力觸探和理論計算2種方法所得滑裂面的下包線，并利用現(xiàn)場試驗成果得出滑裂面的不排水剪強度，顯著提高了滑坡治理的時效性和安全性。因此利用靜力觸探技術(shù)在小型滑坡現(xiàn)場快速尋找滑裂面，具有一定的技術(shù)適用性和經(jīng)濟可行性，可為類似的小型滑坡治理工程提供一定的參考和借鑒。