膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析與設(shè)計技術(shù)研究

相林杰，賈紅巖，熊 健

(中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘 062550)

0 引言

膨脹土在我國廣泛分布，遍及20余個省、市、自治區(qū)。隨著我國油氣資源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，油氣管道工程的建設(shè)難免會處在膨脹土地區(qū)。作為一類特殊的非飽和土，除具有一般黏性土的巖土性質(zhì)之外，膨脹土所具有的強脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)性、快速崩解性、強度衰減性以及風化分帶性等，使得其工程特性較為復(fù)雜。因此，膨脹土地區(qū)的工程建筑地基變形、基礎(chǔ)破壞、管道破裂、路面開裂隆起等病害情況也普遍發(fā)生。膨脹土地區(qū)邊坡病害也同樣十分嚴重，一度有“壞土”“逢塹必崩，無堤不塌”之說[1]。

自21世紀以來，工程界對膨脹土的認識從最早的判斷、識別、測試、處治，到開展大規(guī)模試驗和理論研究，在膨脹土邊坡破壞機理、膨脹土的強度理論、膨脹變形及其穩(wěn)定性分析方法以及處治技術(shù)等方面均取得了大量豐碩的研究成果[2-5]。然而目前，工程界對膨脹土脹縮機理的研究和認識仍然處于逐步提高、統(tǒng)一認識階段[6]，且對于膨脹土地基挖方邊坡工程的認識與工程實踐較為豐富，處治技術(shù)相對比較成熟，而對于膨脹土地基填方邊坡工程的設(shè)計及處治技術(shù)尚未有成熟及系統(tǒng)性的研究結(jié)論。

本文依托膨脹土地區(qū)某天然氣站場邊坡工程，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗，重點對膨脹土地基填方邊坡設(shè)計及防護技術(shù)措施進行探討總結(jié)，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 總平面及豎向布置

某天然氣站場位于廣西柳城境內(nèi)，沙埔鎮(zhèn)西側(cè)。場地位于丘陵的斜坡地段，大致呈單傾、淺凹形狀。地表為樹林，以桉樹和松樹為主。整體地勢北面高，南面低，地形起伏較大。

站內(nèi)主要建(構(gòu))筑物包括EIT集成裝置、橇裝發(fā)電機、工藝設(shè)備區(qū)、清管設(shè)備區(qū)、排污池、放空立管等。建筑物均為單層，擬采用獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約1.0 m，荷載120 kPa。站場圍墻內(nèi)用地面積為3 852.8 m2。場區(qū)擬整平高程：北側(cè)為138.60 m，南側(cè)為138.00 m；自然標高：北側(cè)約146.60 m，南側(cè)約131.50 m。進站路由西南側(cè)接入，道路凈寬4 m，路肩1 m，長度160.40 m，道路縱坡i=7.61%。進站道路起點高程為125.00 m，終點接場地南側(cè)處高程為137.70 m。站場總平面如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)特征

根據(jù)場區(qū)總平面及豎向布置方案，場區(qū)整平后，將在場區(qū)四周形成人工填挖方邊坡。場地北側(cè)將形成最大約14 m高的挖方邊坡，場地西側(cè)、南側(cè)暨新建進場道路的邊緣段將形成最大約9.35 m高的填方邊坡，填方用土暫定來源于本場區(qū)挖方區(qū)。依據(jù)現(xiàn)行國家建筑標準GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范第3.2.1條的規(guī)定，確定該工程的邊坡安全等級為二級。

場區(qū)填方地段典型地質(zhì)斷面如圖2所示。根據(jù)邊坡工程地質(zhì)勘察成果，結(jié)合室內(nèi)土工試驗及地質(zhì)調(diào)查，邊坡原始地層情況如下：①耕植土：灰褐色，含大量植物根系，厚度0.30 m～1.00 m。②黏土：殘坡積成因，黃色，硬塑，土質(zhì)較均勻，韌性中等，干強度中等，稍有光澤。該層局部地段分布，厚度0.50 m～1.20 m。③全風化泥巖：青灰色，灰綠色為主，完全風化，風化呈黏土狀，偶見原巖結(jié)構(gòu)，巖心呈土柱狀，土石等級為Ⅲ級。該層大部分地段分布，厚度0.80 m～2.70 m。④強風化泥巖：灰綠色、灰色為主，風化強烈，風化裂隙發(fā)育，破碎，巖心呈碎片、碎塊狀，土石等級Ⅴ級，屬于極軟巖，厚度0.50 m～4.00 m。⑤中等風化泥巖：灰色為主，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體較完整～完整，飽和單軸抗壓強度值一般小于5 MPa，屬于極軟巖，錘擊聲啞易碎，巖心呈短柱及柱狀，RQD值90%左右，土石等級6級。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及巖心橫斷面判斷，巖石主要為水平層理。根據(jù)后期開挖斷面，現(xiàn)場羅盤實測巖層產(chǎn)狀為125°∠15°。其中②黏土、③全風化泥巖具膨脹性，自由膨脹率為36%～48%，50 kPa，下膨脹率為0.03%～0.52%，收縮系數(shù)0.25～0.36，脹縮總率2.29%～3.25%，屬中等脹縮土，膨脹潛勢為弱。

1.3 工程問題分析

由上所述，該工程填方區(qū)為典型的膨脹土地基填方建筑邊坡，且為填筑于天然斜坡地段的填方邊坡工程。依據(jù)現(xiàn)行《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》第3.0.3條及《廣西壯族自治區(qū)膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計施工技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)條款的規(guī)定，建造于斜坡及其鄰近的建筑物及擋土結(jié)構(gòu)，應(yīng)進行穩(wěn)定性驗算。同時，對于膨脹土坡底，應(yīng)采取一定措施考慮坡體內(nèi)土的含水量變化對建筑物的影響[7-8]，其原因主要有以下兩個方面：

1)建造于斜坡及其鄰近的建筑物及擋土結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生失穩(wěn)則是災(zāi)難性的。建筑地基和擋土結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，一方面是由于荷載過大，土中應(yīng)力超過土體的抗剪強度引起的，必須通過在設(shè)計階段進行穩(wěn)定性分析驗算；另一方面，土中水的作用是主要的外因，所謂“十滑九水”對于膨脹土地基來說更為貼切。水不但導(dǎo)致土體膨脹而使其抗剪強度降低，同時也產(chǎn)生附加的水平膨脹力，設(shè)計時應(yīng)考慮其影響，并采取防水保濕措施，保持土中水分的相對平衡。

2)對于非膨脹土坡地只需驗算坡體穩(wěn)定性，但對膨脹土坡地，僅滿足坡體穩(wěn)定要求，還不足以保證場地及其上建構(gòu)筑物的正常使用。應(yīng)充分考慮坡體內(nèi)土的含水量變化對建筑物的影響，這種影響主要來自以下幾點：a.挖填方過大時，土體原來的含水量狀態(tài)會發(fā)生變化，需經(jīng)過一段時間后，地基土中的水分才能達到新的平衡；b.由于平整場地破壞了原有地貌、自然排水系統(tǒng)及植被，土的含水量將因蒸發(fā)而大量減少，如果降雨，局部土質(zhì)又會發(fā)生膨脹；c.坡面附近土層受多向蒸發(fā)的作用，大氣影響深度將大于坡肩較遠的土層；d.坡比較陡時，旱季會出現(xiàn)裂縫、崩坍。遇雨后，雨水順裂隙滲入坡體，又可能出現(xiàn)淺層滑動。久旱之后的降雨，往往造成坡體滑動，這是坡地建筑設(shè)計中至關(guān)重要的問題。

為此，對于膨脹土填方邊坡，其設(shè)計技術(shù)工作應(yīng)主要圍繞穩(wěn)定性分析及綜合防護治理兩個方面開展。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡破壞模式分析

本工程位于膨脹土地區(qū)，膨脹土等級屬弱～中膨脹性。結(jié)合現(xiàn)有研究成果及當?shù)亟?jīng)驗，該邊坡從破壞的深度方面考慮，其破壞模式可分為淺層破壞和深層破壞兩種形式。深層破壞主要指邊坡的整體失穩(wěn)，應(yīng)結(jié)合邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果與工程經(jīng)驗，確定合適的坡形、坡比以及填筑技術(shù)措施等，以保證邊坡整體穩(wěn)定；淺層破壞主要是指發(fā)生在大氣影響層內(nèi)的膨脹土邊坡淺層變形破壞，需要針對其具體的特征及影響因素，采用合理的邊坡防護措施來消除淺層破壞的危害。

本節(jié)重點對深層破壞方面進行分析。依據(jù)現(xiàn)行《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》《廣西壯族自治區(qū)膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計施工技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)條款的規(guī)定:“位于坡地場地上的建筑物，驗算其地基穩(wěn)定性時，必須考慮建筑物和堆料的荷載，抗剪強度應(yīng)為土體沿滑動面的抗剪強度，安全系數(shù)取1.3，且應(yīng)符合下列規(guī)定：1)土質(zhì)較均勻時，可按圓弧滑動法驗算；2)土層較薄，土層與巖層間存在軟弱層時，應(yīng)取軟弱層面為滑動面進行驗算；3)層狀構(gòu)造的膨脹土，層面與坡面為同向傾斜，且交角小于45°時，應(yīng)驗算層面的穩(wěn)定性。”

由此，確定該填方邊坡穩(wěn)定性破壞的模式及分析應(yīng)包括以下幾個方面：

1)填筑坡體沿下伏膨脹土巖層層面滑動的穩(wěn)定性分析。

2)上覆填土自身穩(wěn)定性分析。

3)上覆土層與巖層間存在軟弱層時，沿軟弱土層滑動的穩(wěn)定性分析。

2.2 邊坡坡高、坡比設(shè)計

對本填方邊坡，結(jié)合進站路由、站場填挖方平衡及用地界線等情況，初步擬定采用直線型邊坡，坡率1∶1.5，分層回填、碾壓進行放坡支護，坡腳澆筑1 m高混凝土擋土墻。

2.3 邊坡穩(wěn)定性計算

2.3.1 計算模型及參數(shù)

計算選取的地質(zhì)斷面如圖2所示。實際工程實施中，須對地表植被、耕植土進行清除。斷面計算模型如圖3所示。

結(jié)合工程地勘報告及地區(qū)經(jīng)驗，天然狀態(tài)下邊坡各層巖土物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學性能參數(shù)(一)

2.3.2 坡體沿下伏巖層層面滑動的穩(wěn)定性分析

由地勘報告結(jié)論及后期開挖實測數(shù)據(jù)可知，下伏巖層主要產(chǎn)狀為125°∠15°，坡面產(chǎn)狀為180°∠33.69°，采用極射赤平投影法分析，如圖4所示。巖層傾向與邊坡坡向大角度相交，為切向坡，對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

對場地下伏基巖穩(wěn)定性進行分析。由定性分析可知，下伏基巖無外傾結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面的不利組合，如巖體要向邊坡傾向滑動，那么潛在滑動面的下滑力需要克服巖體本身的抗剪強度，剪斷巖體面出現(xiàn)破裂面。場地下伏基巖巖面坡度較緩，從下伏基巖的形態(tài)分析，無角度較大的臨空面，最大角度約為15°，該臨空面處于中風化巖內(nèi)，如不考慮巖體黏聚力，僅考慮巖體摩擦角，則沿該面滑動的穩(wěn)定性系數(shù)為：Fs=tan33.69°/tan15°=2.5。考慮巖體抗剪強度還存在較大的黏聚力，則下伏基巖沿該臨空面的滑動穩(wěn)定性系數(shù)大于2.5，滿足規(guī)范要求。

2.3.3 天然狀態(tài)下，上覆填土自身穩(wěn)定性分析

采用理正巖土軟件簡化Bishop法進行驗算分析，天然狀態(tài)下邊坡滑動面形狀如圖5所示，邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.566>1.3，滿足規(guī)范[9-10]要求。

2.3.4 降雨入滲條件下，邊坡沿軟化土層穩(wěn)定性分析

假定邊坡在旱季施工，已填筑完畢后進入雨季，上部場區(qū)場地防排水措施尚未形成，雨水沿原始斜坡下滲，膨脹土地基(③全風化泥巖)浸水軟化，土體抗剪強度參數(shù)下降，參考文獻[11]的巖土體參數(shù)，則此時邊坡巖土計算參數(shù)如表2所示。

表2 巖土體物理力學性能參數(shù)(二)

此時，邊坡穩(wěn)定性計算分析結(jié)果如圖6所示，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)急劇下降到0.939，遠遠不滿足規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定性要求。

由此可知，在具有膨脹性地基土上進行邊坡土體填筑時，應(yīng)充分考慮地表及地下水對膨脹性地基土的軟化作用。干旱及少雨季節(jié)，土中含水量較低，膨脹土強度高，邊坡穩(wěn)定性較高；但進入雨季或上部水體下滲到地基后，膨脹土一旦浸水其強度將大幅度降低，尤其是填筑邊坡工程，填筑坡體猶如坐落在軟弱土層上，此時再加上原場地若有一定傾斜坡度，邊坡將有極大的整體失穩(wěn)風險。因此，在膨脹土地區(qū)進行填筑邊坡的設(shè)計和施工時，均應(yīng)給予足夠的重視，采取有效的措施，確保原始場地及填筑邊坡工程穩(wěn)定安全。

3 膨脹土邊坡防護技術(shù)措施

根據(jù)以上分析，同時鑒于膨脹土邊坡所具有的“逢塹必滑，無堤不塌”特性，必須積極貫徹“先發(fā)治坡，以防為主”的設(shè)計原則，在滿足邊坡整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程區(qū)域的具體特點，采取主動防護技術(shù)措施，有針對性的進行邊坡綜合治理，防止膨脹土邊坡淺層失穩(wěn)破壞[12]。

主動防護的總體設(shè)計思路是采取相應(yīng)措施，控制邊坡內(nèi)部土體含水率的變化，使其避免與周圍環(huán)境進行水分交換，一方面可以防止土體因失水引起的裂隙發(fā)展，另一方面可以設(shè)置防滲、截排水設(shè)施，將匯集到坡體的地表水及時截排導(dǎo)流，避免降雨等地表水持續(xù)入滲，防止邊坡失穩(wěn)[13]。

針對此工程，填方邊坡采用如下防護技術(shù)措施：

1)采用漿砌片石護面+坡腳設(shè)置護腳擋墻+排水溝的方式進行防護，漿砌石護面后設(shè)砂礫石反濾層，并設(shè)置泄水孔，以利于邊坡土體中水的排出。

2)為了隔絕大氣對邊坡的不良影響，隔離水分進入邊坡內(nèi)部，對具有膨脹性巖土作為填料的土體采用摻生石灰的方式進行改良，以消除巖土體膨脹性。

3)對場區(qū)地面進行硬化，并設(shè)置完善的地表截排水系統(tǒng)，以防止地表水下滲，影響填方邊坡穩(wěn)定性。

4)在分層填筑前，對填筑區(qū)原始場地將斜坡的坡面進行臺階式開挖處理，使壓實填土與斜坡面緊密接觸，加強邊坡沿原始斜坡滑移穩(wěn)定性的安全儲備。

5)膨脹土施工時，宜避開雨期施工，同時做好場地排水系統(tǒng)，防止浸泡和曝曬，各道工序銜接緊密，分段快速、連續(xù)作業(yè)，填筑體、邊坡以及基坑(槽)應(yīng)及時做好防護及封閉工作，減少施工期的暴露時間。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文以廣西某天然氣站場膨脹土地基填方邊坡工程實踐為依托，對膨脹土邊坡穩(wěn)定性進行了一定的研究分析，并采用主動防護的措施對地表水入滲等進行了邊坡防護處治，提出適用于膨脹土地基邊坡穩(wěn)定性分析方法及填方邊坡填筑技術(shù)。主要結(jié)論如下：

1)在膨脹土坡地建筑地區(qū)，在驗算坡體穩(wěn)定性的同時，還應(yīng)考慮水對坡體位移及邊坡巖土參數(shù)的影響，并應(yīng)采取一定措施。

2)在膨脹土地基上進行邊坡填筑時，應(yīng)充分考慮水對膨脹土地基的軟化作用。在膨脹土區(qū)域進行邊坡設(shè)計和施工時應(yīng)該引起足夠的重視，采取有效防水、排水措施，確保工程安全。

4.2 展望

本文通過工程實踐對膨脹土邊坡穩(wěn)定性進行了一定的研究分析，但由于該課題實踐性較強，尚存在以下不足：并未對地表水下滲或降雨條件下的膨脹土邊坡力學特性及破壞機理[14-15]進行深入探討；同時，由于依托工程尚未竣工，工程實施效果有待工后進一步驗證。今后將對膨脹土邊坡設(shè)計技術(shù)進行多元多維深入研究，加強工程應(yīng)用。