典型膨脹土滑坡變形機制分析與綜合治理設計

黃澤斌，孟繁賀，陳云生，查 俊

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

廣西南寧市是膨脹土發育的典型地區之一，分布有大量的古近系及新近系黏土巖及其風化殘積土，這些巖土多具有中等-強脹縮性。近年來隨著城市建設的快速發展，帶來了許多與膨脹土相關的工程問題。作為一種特殊性巖土，膨脹土含有大量親水礦物，特有的礦物組成決定了其具有吸水顯著膨脹、軟化，失水急劇收縮、開裂、強度大幅衰減的特性[1]。這些特性使得由膨脹土組成的邊坡經常遭受破壞，由人工開挖邊坡引起的膨脹土滑坡屢見不鮮，給工程建設帶來了巨大的經濟損失，嚴重威脅著國家財產和人民的生命安全。而城市建設中一旦出現滑坡，受限于復雜的場地環境，加之膨脹土本身極不“友好”的工程特性，如何有效地治理，成為擺在工程技術人員面前的一道難題。本文結合南寧市一個典型的工程案例來介紹膨脹土滑坡的成因機制、發展過程及綜合治理措施。

1 滑坡工程地質條件

圖1 滑坡工程地質平面圖

根據滑坡區勘察成果[2]，滑坡區地質構造較簡單，未分布大型斷裂構造，地質鉆孔亦未揭示斷層破碎帶。場地分布的地層主要為：

(1)第四系全新統人工堆積層素填土，呈松散狀，成分為軟-可塑狀黏性土，局部夾少量建筑垃圾、卵石及混凝土碎塊，為新近填土，尚未完成自重固結。該層廣泛分布于滑坡表層。

(2)第四系上更新統殘坡積層粉質黏土，局部為黏土、粉土，褐黃、灰黃、紅黃色，以可塑為主，局部硬塑狀，土質不均勻，韌性及干強度中等。該層廣泛分布于滑坡區范圍內，勘察鉆孔揭示厚度為1.00～2.80 m。

(3)古近系漸新統強-中風化泥巖夾粉砂巖，泥巖為泥質結構，粉砂巖為粉砂狀結構，中厚-厚層狀構造，巖石成巖作用差，屬半成巖，巖石具遇水易軟化、崩解特點，泥巖還具風干易開裂特點。巖層產狀74°∠3°，近水平分布。

滑坡區為廣西典型的膨脹土地層，即古近系和新近系泥質巖及其風化物。根據勘察脹縮試驗成果，場地素填土具有中等膨脹性，粉質黏土具有弱膨脹性，風化泥巖具有強膨脹性。

2 滑坡形態分布特征

該滑坡在平面上呈半橢圓形，空間上呈明顯的臺階狀，滑坡軸方向為72°，與邊坡坡向基本相同，垂直于在建的快環道路，軸長約40 m。滑坡后緣拉張裂縫及錯臺明顯，后緣斷壁陡峭，壁高最大約3 m，滑坡兩側邊界出現不連續縱向剪切裂縫，與主滑方向基本相同，坡腳剪出口清晰可見呈近水平狀。滑坡體前緣寬度約150 m，后緣寬度約120 m，滑體厚度變化較大，前緣較薄，最小厚度約1.5 m，中后部滑體較厚，最大厚度約8 m，平均厚度約5.5 m，整個滑體體積約2.4萬m3。

3 滑坡變形發展過程分析

從滑坡的形成發展過程來看，邊坡在施工開挖后首先于坡面及坡頂出現少量拉張裂縫，后由于降雨入滲造成邊坡土體強度下降，裂縫不斷延伸擴大，并逐漸向坡體后緣發展，當后緣裂縫與坡體內部形成的軟弱結構面貫通后，最終產生整體滑動形成滑坡。

(1)初始穩定階段：施工開挖刷坡后，邊坡內部初始應力平衡狀態遭到破壞，為達到新的平衡，應力進行重新分布，并于局部出現應力集中，此時邊坡尚處于自然穩定狀態(見圖2)。

圖2 施工刷坡后的邊坡結構圖

(2)緩慢變形階段：人工邊坡形成后，坡體膨脹土直接暴露于大氣中，受蒸發作用影響，淺表層土體含水量開始降低，由于膨脹土的脹縮特性，土體首先發生收縮變形，在邊坡坡面出現裂隙，接著出現的降雨導致地表水通過坡面裂隙滲入坡體內部，膨脹巖土體吸水后發生膨脹變形，使坡面裂隙進一步變大，局部出現開裂形成裂縫(見圖3)。

圖3 邊坡坡面局部裂縫分布圖

(3)加劇變形階段：持續的降雨造成雨水不斷下滲使坡體處于飽和狀態，坡體內部形成滲流，地下水滲流產生的滲透力及裂隙充水后的靜水壓力加大了邊坡的下滑力，邊坡膨脹巖土在飽水情況下變形進一步發展，坡面裂縫開始增多并逐漸擴大，坡面的變形開裂使坡頂土體受到牽引，導致坡頂出現較多縱向拉張裂縫(見圖4)，為滑動面自上而下的貫通提供了條件。

圖4 裂縫擴大增多、變形加劇示意圖

(4)整體失穩階段：由于土體飽水和脹縮變形造成巖土體的重度增加及抗剪強度大幅降低，邊坡的下滑力增加而抗滑力減小。隨著降雨的持續，變形裂縫不斷擴大并向坡體內部發展延伸，與風化泥巖的軟弱結構面貫通連接，最終在邊坡中后部坡體強大的推力下發生整體滑動而形成滑坡(見圖5)。

圖5 裂隙面與軟弱結構面貫通出現整體下滑示意圖

4 滑坡成因機制分析

(1)滑坡區為廣西典型的古近系膨脹土地層，構成該邊坡的主要巖土層具有弱-強脹縮性，由于含有大量親水礦物成分，其工程特征表現為失水收縮、吸水膨脹。在長時間的干濕循環條件下，脹縮變形使巖土體結構遭受破壞，抗剪強度也隨之大幅度下降。膨脹土為滑坡的形成提供了基本的物質條件，也是滑坡產生的內在因素。

(2)滑坡所在區域為在建高速公路改擴建城市快速路工程段，由于道路拓寬，需要對原有的邊坡進行開挖，邊坡施工將原有的坡面植被破壞清除，并形成了大面積的臨空面，使邊坡應力失衡。因此，人類工程活動為本滑坡的產生提供了外在條件。

(3)施工期間正值雨季，邊坡開挖后，由于臺風影響，持續了近一個月的陰雨天氣，使尚未來得及防護的邊坡遭受了大量雨水沖刷，而雨水通過坡面豎向裂縫很快進入土體內部，不僅使非飽和的土體變成飽和土，增加了土體重度，飽水后的膨脹土產生膨脹變形，降低了土體抗剪強度，更重要的是在裂隙之間形成大致順著邊坡的滲流，這種滲透力所產生的滑動力，也大大增加了滑動破壞的可能性。因此，降雨在引起邊坡抗滑力大幅減小的同時也增加了下滑力，導致最終形成滑坡。因此，連續的降雨是本滑坡最關鍵的誘發因素。

從上述分析可以得出，本次滑坡是由人類工程活動及降雨因素引發的膨脹土滑坡，從滑坡整個發展過程及滑動的力學性質來看，本次滑坡是在牽引和推移聯合作用下產生的。

5 滑坡綜合治理設計

由于滑坡坡腳位于在建高速公路改擴建為城市快速道路工程區域，滑坡頂部為一處足球訓練場，球場附近尚有一座高壓電塔，因此，滑坡的治理設計需綜合考慮各方面因素。根據該滑坡體形態特征、形成機制、變形發展規律及目前穩定狀況，考慮恢復滑坡頂部的足球訓練場的需要，對比分析各項工程的適宜性、經濟性、可操作性以及工期等方面因素，針對膨脹土的特性，最終采用在滑坡中后部設置加筋土柔性擋墻，并于坡腳采用抗滑樁支擋的治理方案。滑坡治理設計斷面見圖6。

圖6 滑坡治理設計斷面圖

5.1 滑坡推力計算

選取主滑坡剖面，按設置抗滑樁及恢復足球場之后進行建模，采用傳遞系數法對滑坡的剩余推力進行計算，滑坡體各巖土層重度根據巖土試驗參數統計及經驗類比綜合取值(見表1)，滑帶力學參數采用反算法獲得(見表2)。

表1 滑坡體巖土層重度取值表

表2 滑帶抗剪強度參數取值表

根據規范要求[3]，正常工況下穩定安全系數Fst應≥1.20；非正常工況Ⅰ暴雨或連續降雨條件下穩定安全系數Fst應≥1.10；南寧市抗震設防烈度為7度，尚需滿足地震工況下的穩定性要求，非正常工況Ⅱ地震荷載作用下穩定安全系數Fst應≥1.05。考慮到本滑坡由膨脹土組成，滑坡土體工程性質較差，且坡頂坡腳均有重要設施及構筑物，出于安全考慮，各工況計算滑坡推力采用的穩定安全系數均取最大值。抗滑樁位置處推力計算結果見表3。

表3 抗滑樁位置滑坡推力計算結果表

由于3號剖面相比2號剖面滑動面稍長稍深一些，因此3號剖面剩余推力要大于2號剖面。受下滑牽引力影響，2號剖面在滑坡后壁錯臺以外仍有縱向拉張裂縫，存在潛在不穩定體，一旦裂縫貫通將再次滑動并加大滑動面，按最不利原則考慮，在進行抗滑樁內力驗算時采用滑坡推力最大值。

5.2 抗滑樁內力計算及配筋

根據滑坡區地形地貌、周邊設施及推力大小情況，選取樁徑為1.8 m的懸臂式圓形抗滑樁，樁中心距為4.5 m，樁間設置0.4 m厚鋼筋混凝土擋土板。抗滑樁樁長16 m，其中懸臂段為7 m、嵌固端段為9 m，樁底邊界條件按自由端設計。根據前述滑坡剩余推力計算結果，取2號剖面和3號剖面三種工況計算的抗滑樁位置剩余推力最大值進行抗滑樁內力計算，即為415.207 kN/m，推力水平分力為414.7 kN/m，按矩形分布形式，背側最大彎矩為11 736.885 kN/m，最大剪力為2 896.426 kN。彎矩、剪力計算結果分布如圖7、圖8所示。

圖7 抗滑樁彎矩分布曲線圖

圖8 抗滑樁剪力分布曲線圖

抗滑樁按受彎構件考慮，鋼筋保護層厚度按100 mm計，主筋采用HRB400螺紋鋼筋，箍筋采用HPB300光圓鋼筋。經計算，縱向受拉鋼筋最大截面積As為49 362 mm2，斜截面受剪鋼筋截面積為201 mm2。根據上述樁身受彎強度及斜截面抗剪強度驗算結果，結合滑動面埋深情況，距樁頂3～14 m段范圍主筋配63φ32 mmHRB400鋼筋，其余段范圍主筋配36φ32 mmHRB400鋼筋，箍筋配φ12 mm@100HPB300鋼筋。

5.3 加筋土柔性擋墻設計

為恢復滑坡后緣頂部足球訓練場，針對滑坡體為膨脹性巖土的特點，于滑坡中后部采用加筋土柔性擋墻支護，即將中后部滑體開挖至滑動面后，利用開挖滑體土方作為填料再分層碾壓回填，填筑壓實度≥90%，回填時每隔0.5 m厚度加鋪一層土工格柵并向上反包連接，形成加筋土柔性擋墻，墻面坡率為1:2，并采用噴播植草進行綠化防護。這樣既充分利用了滑坡體的膨脹土料，大大減少圬工支護數量，又極大地縮短了施工工期，且景觀綠化效果好。

5.4 防排水工程

滑坡治理要取得成效，治水很關鍵，且由于本滑坡巖土體具有膨脹性，水對其穩定性影響極大，如何有效地防排水顯得尤為重要。為此，在該滑坡治理措施中采取了針對性的設計：(1)對抗滑樁后空隙采用透水性較好的粗粒土回填壓實，并在樁間擋土板設置泄水孔引排坡體地下水；(2)于加筋土柔性擋墻頂部鋪設復合土工膜，然后再回填1 m厚黏土并分層壓實，對足球場范圍內地表進行10 cm厚度C15素混凝土硬化處理，以基本阻斷降雨及地表水在坡頂地表的下滲；(3)在樁頂平臺及坡頂均設置M7.5漿砌片石截水溝，與路基排水系統順接，將地表水引排至滑坡體以外。

6 結語

(1)南寧市人才公寓球場滑坡發育于膨脹性巖土中，連續的降水下滲引起膨脹土的脹縮變形，降低了巖土體的抗剪強度，加之施工開挖破壞了原有邊坡的應力分布，在內因和外因共同作用下最終形成了大規模的滑坡。

(2)從滑坡整個發展形成過程及滑動的力學性質來看，先是經過牽引式的變形，最終在中后部滑體巨大的推力作用下發生推移式滑動，因此本滑坡是在牽引和推移聯合作用下產生的。

(3)針對該滑坡的膨脹土特性，綜合考慮周邊道路及構筑物設施分布情況，于坡腳設置抗滑樁支擋，采用傳遞系數法計算得出滑坡剩余推力，以此對抗滑樁進行內力及配筋計算。

(4)在滑坡中后部采用加筋土柔性擋墻對已被滑坡破壞的足球場進行恢復，充分利用了滑坡體膨脹土料，在節約工程造價及縮短工期的同時也滿足了市政道路的景觀需求。施工完成后，經過近兩年的運行監測，未再發現該滑坡變形，綜合治理取得了良好的效果。