某膨脹土地區滑坡原因分析及處治方案研究

王亞奇，黃寧，馬瑞光

（河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450000）

1 工程概況

該滑坡位于三門峽市陜州區原店鎮，滑塌范圍ZK93+375~ZK93+560，左幅路線的左側邊坡中心最大挖深26 m，邊坡最大開挖深度29.8 m；第一級邊坡高度10 m，坡率1∶0.5，第二級、第三級邊坡高度8 m，坡率1∶0.5，第四級邊坡高度2~3 m，坡率1∶0.75，第一級邊坡采用2 m漿砌片石護腳，最上一級采用植草灌，2017年11月開挖至一級平臺處，邊坡發生滑塌。

2 工程地質特征

2.1 地貌特征

滑坡總體南高北低，滑坡后緣最大高程582 m，前緣最低高程為540 m，上部陡中間緩，下部由于路塹開挖地形變陡，滑坡坡度在13°~51°。坡體中上部為附近村民修建的果園，滑坡形狀為扇形，南北長100~130 m，東西寬80~214 m，滑體平均厚度約為15 m，滑體體積約23萬m3，屬中型滑坡。邊坡南側坡頂發育有弧形裂縫，距離左幅中心線103 m，裂縫長度約170 m，寬20~30 cm，錯臺高度最大100 cm；沿邊坡走向東西側位置，接近開挖路基位置各發現一處小型滑塌；路塹邊坡中部距左幅中線20~60 m位置出現多條剪切裂縫，裂縫寬度10~40 cm，裂縫走向基本與滑坡前緣平行；右幅開挖路基距坡頂貫穿裂縫后緣約130 m位置出現鼓脹裂縫；在路塹開挖底部位置發現巖土層明顯滑出錯動，并見明顯擦痕；在后緣裂縫南部分水嶺附近，發現多處落水洞，直徑2~3 m，最大直徑可達5 m。經過現場調查，發現該滑坡平面周界呈典型圈椅狀，周邊存在明顯剪切裂縫和鼓脹裂縫，并在前緣發現明顯剪出位置，主滑方向約為17°。

2.2 水文特征

場地周圍未分布明顯地表徑流，場地地下水受大氣降水補給，以蒸發和深層入滲為主要排泄方式。坡腳位置地下水位埋深較淺，埋深1.0~5.0 m，坡體上部地下水埋深16.2~23.0 m，在開挖路塹底面處，發現大小11處地表積水處和坡面滲水，經歷大氣降水后，滲流量會增大，積水范圍會擴大。結合鉆探資料及路塹開挖揭示，場區地表降水通過落水洞、滑坡體裂隙和陷穴進入下部巖層，沿著透水層和土巖界面順坡滲流，匯聚于邊坡體弱膠結砂巖層，形成穩定地下水位，且在下部砂巖和黏土巖層中，形成微承壓水含水層，穩定水位一般較初見穩定水位高1~3 m。

2.3 地層特征

邊坡巖土層變化復雜，路塹臨空面出露巖性多變，主要為上更新統黃土層、中更新統粉質黏土層及第三系弱膠結黏土巖和砂巖。上部黃土具濕陷性，濕陷性系數為0.016~0.032，濕陷等級Ⅰ級，屬非自重濕陷；下部第三系黏土巖，具弱膨脹性，其自由膨脹率在40%~58%，遇水易軟化，抗剪指標迅速降低，易發生變形破壞[1]，場地具體地層信息見表1。

表1 場地地層空間分布及工程特性

2.4 滑坡要素特征

該滑坡周界以后緣裂縫、沿邊坡走向東西側滑塌和開挖路塹右側路基地表鼓脹裂縫為邊界；根據物探及開挖面揭露情況，滑床為第三系黏土巖層；滑體分為土體和巖體兩部分，土體為第四系上更新統粉質黏土、粉土層，具濕陷性，遇水力學性能降低，下部黏土巖具弱膨脹性，遇水易發生變形破壞，沿土巖接觸面處軟弱帶發生淺層滑坡；下部基巖為弱膠結黏土巖、全風化砂巖，其中全風化砂巖在地下水滲流作用下，易形成飽和砂土層，且黏土巖為相對隔水層，受上部土體滑坡的牽引影響，在飽和砂土層中形成深層滑動帶；根據坡體前緣地形地貌、地層巖性以及地面變形特征，確定黏土巖區剪出口位置在路塹開挖面下部塌落處，已被滑塌的土體覆蓋，滑坡路塹中間核心土出現剪切裂縫，前緣有鼓脹裂縫，為中部粉質黏土區的前緣剪出口。

3 滑坡成因分析

根據現場野外調繪，并結合滑坡勘察查明的場地內巖土體分布特征，認為該滑坡的形成原因主要有以下幾點：

1）該滑坡體地層下部為弱膠結黏土巖，較上部第四系土層為相對隔水層，易在土巖界面形成富水區域。且黏土巖具有弱膨脹性遇水軟化后發生脹縮破壞，強度降低，進一步形成過水通道，形成軟弱帶。

2）雨季集中降水對坡體進行沖刷、侵蝕，破壞了土體的完整性。另外，雨水下滲后進一步降低了土體強度指標。

3）公路施工過程中路塹開挖形成了高陡臨空面，坡體中的主應力方向發生明顯偏轉，超出巖土體抗剪強度后，在重力作用下失穩破壞。

4）兩層黏土層中的全風化砂巖層在相對隔水層的作用下，易形成松散巖類孔隙水飽水帶，工程開挖施工擾動后存在深層滑動的趨勢。

4 滑坡穩定性驗算

根據目前邊坡破壞形態及勘察資料分析，該邊坡存在2層滑動面：（1）淺層滑動面為目前已破壞的邊坡滑動面；（2）深層潛在滑動面，目前邊坡仍未開挖至設計標高，根據邊坡下部巖土體結構及含水狀態，在邊坡繼續開挖時將產生深層滑動的可能性。分別對淺層和深層進行穩定性驗算[2]，通過選取典型模型斷面，采用極限平衡法，設定與其對應的穩定系數值，反算滑面抗剪強度指標黏聚力c、內摩擦角φ值，計算滑坡剩余下滑力[3]。

選取主滑方向（樁號ZK93+450）斷面，主滑方向斷面左側50 m（樁號ZK93+500）斷面，主滑方向斷面右側50 m（樁號ZK93+400）斷面，反算滑體力學參數，3個斷面的安全系數分別為0.934、0.987、0.901時反算得到滑動面力學參數為c=14.0 kPa、φ=9.0°，與地勘報告中提供的實驗室內殘余強度平均值c=17.7 kPa、φ=9.3°相接近。以反算的c值、φ值作為滑坡體淺層滑動下滑力計算依據，3個計算斷面安全系數Fs=1.25時，淺層滑動面剩余下滑力分別為1 820 kN/m、1 120 kN/m、870 kN/m。深層潛在滑動面位于地下水位以下，結合勘察資料粉質黏土飽和剪切試驗取值c=15.7 kPa，φ=10.8°，不同地下深度的黏土巖飽和剪切試驗分別為c=19.5 kPa，φ=11.7°以及c=24.1 kPa，φ=10.7°，砂巖飽和剪切試驗c=10.2 kPa，φ=12.5°。按照開挖至設計標高后的坡面線建模，參數選取飽和剪切試驗c、φ值，安全系數Fs=1.25時，深層潛在滑動面的剩余下滑力分別為1 950 kN/m、2 437 kN/m、1 080 kN/m。

5 滑坡治理方案

根據滑坡勘察及穩定性計算，目前邊坡不僅存在淺層滑動面，且在路基進一步開挖后還存在潛在深層滑動面，因此，加固措施應考慮淺層滑動面及深層滑動面。根據淺層、深層滑動面下滑力，最終確定采用樁板式擋土墻進行支護。同時，根據滑坡體后緣巖土體特性，在不破壞后緣邊坡穩定性的前提下，在后緣裂縫處進行部分卸載，以起到削頭固腳的作用[4-5]。

5.1 坡體支擋加固

在碎落臺設一排抗滑樁，樁間距為5.0 m，共設40根抗滑樁；滑坡周界范圍內抗滑樁樁徑為2.25 m×4.0 m，樁長25~34 m，懸臂段為10~13 m，錨固段18~20 m，保證樁體進入深層滑面以下；周界范圍外抗滑樁樁徑為2.0 m×3.0 m，樁長25~33 m，懸臂段為10~13 m，錨固段為15~20 m。

5.2 完善截、排、封水設置

邊坡表面產生的裂縫，深度在2 m以上時采用擴孔素土填塞、夯實，深度小于2 m時采用素土直接填筑，壓實度不小于80%；落水洞采用擴孔素土回填處理，直徑＜1 m的落水洞采用沿落水洞周圍向外水平開挖0.5 m回填處理；直徑＞1 m的落水洞采用沿落水洞周圍向外水平開挖1.0 m回填處理；采用小型機械夯實，壓實度不小于85%。坡體表面采用平臺截水溝和坡頂截水溝相結合的排水形式，每級平臺設置40 cm×40 cm平臺截水溝，坡頂外5 m處設置60 cm×60 cm截水溝，形成完善的排水系統；二級邊坡淺層滑面以下1 m，間隔10 m設置一道1.5 m寬的支撐滲溝，滲溝底設置排水管，位于深層的地下水采用預制DN1 500 mm鋼筋混凝土管組成的水平導洞滲出，進巖體端頭部1.5 m范圍內設置反濾層，并采用干砌片石封填，防止土體中細小顆粒流失，水平導洞長度10~20 m、間距10 m。

5.3 坡體防護

坡體變形穩定后，二級及以上邊坡采用M7.5漿砌片石拱形骨架+植草灌防護形式，進行坡體防護。

5.4 加強邊坡位移監測

坡體表面布設11處監測點，進行2年的邊坡監測，主要對抗滑樁位移、滑坡深層位移、邊坡表面位移、地下水位進行監測。

6 結語

該段高速已于2020年年底通車運營，結合運營期監測數據，治理方案達到了預期的效果。通過該滑坡原因分析、穩定計算和方案實施效果，得出以下結論：

1）滑坡勘察必須采取綜合勘察手段，結合場地地質調繪、地球物理勘探和鉆探室內試驗數據分析，相互印證，從而發現滑坡的各個要素特征，并預計、提示相關工程地質風險。

2）滑坡穩定分析抗剪強度參數的取值，應考慮場地的實際情況，并結合室內試驗數據反算求得，不宜直接采用室內試驗結果，參數取值對計算結果影響較大。

3）對于特殊膨脹性巖土地區，公路路塹邊坡特別要注意地下水作用引起的邊坡失穩問題，在類似地區進行工程設計時，需加強截排水措施設計，并按照“緩邊坡、寬平臺、固坡腳”的原則，加強邊坡設計。

4）地下水豐富、膨脹巖土等復雜地質條件下的公路路塹滑坡，應采用抗滑樁進行坡體加固、完善截排水措施、加強坡體防護和邊坡位移監測等治理措施。