土體強度恢復對邊坡穩定性影響分析

曹 越，許寶田，周 洋，雷泉龍，張 騰

(1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023；2.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

在項目施工中，工期短、質量優、造價低無疑是所有建設單位追求的最大目標。尤其在后疫情時代，基建成為國家工作的重要抓手。在市場競爭激烈的大環境下，保障施工質量的前提下，如何最大程度地節約施工成本縮短施工工期，成為所有建設單位追尋的目標。

近年來，南京市高淳區胥河段汛期出現了多次滑坡，給地區水利工程的實施造成了極大的影響。工程中對滑動后的土體進行加固設計時，一般會取土的殘余強度參數(一般遠低于天然強度)作為穩定性分析和加固設計的依據，這使得工程建設成本大為增加。已有研究成果表明，滑坡后，邊坡的滑動面強度會在穩定時期內不斷恢復[1]。因此，對于眾多建設單位而言，在滑坡后找出質量安全以及施工成本的關系及最佳結合點是至關重要的。

Stark[2]等專家通過環剪試驗揭示了土體剪切面的自愈合現象，具體體現為土體抗剪強度的增加。Ramiah[3]等專家也在1973年通過對膨脹土進行了4天時間的強度恢復研究發現，高塑性土在短期內也可以產生較大的強度恢復。因此，從長期視角可以看出，充足的恢復時間足以對滑坡后土體的施工建設產生巨大的影響。

本文基于高淳區某膨脹土邊坡工程，從土體強度恢復角度入手，對滑動后的膨脹土邊坡穩定性情況以及需要采取的相應支護結構進行分析與評價，最后考慮各方案的安全性、經濟性等因素得出土體滑坡后施工的最佳經驗方案，對于同類型工程的實施具有一定程度的參考意義。

1 工程概況

高淳區屬北亞熱帶南部季風氣候類型，降水量充沛，全年中約60%的降水量集中在5—9月。該地區膨脹土分布廣泛，由于富含蒙脫石、伊利石等親水性礦物，對氣候變化和人類工程活動等外部因素極為敏感[4]。

某新建泵站基坑工程位于胥河南岸坡底，河岸坡頂標高23.0m，坡度約為15°，勘察期間水位高程約7.80m，基坑長25m，寬約20m，坑底標高5.0m，基坑深度約4.6m，擬采用懸壁樁支護。

場區勘探深度內地層為第四系松散堆積物及白堊系沉積巖，根據鉆探資料，按其成因類型及土的性狀自上而下如圖1所示：

圖1 工程地質剖面圖

③全風化(砂質)泥巖(K2p)：廣泛揭露，灰黃色，局部為灰褐色，微透水，風化成粘土狀，錘擊易碎，局部夾泥質粉砂巖。該層未揭穿，最大揭露厚度27.40m，頂板埋深3.50～25.20m，強度高，工程性質較好。

土體基本物理力學性質指標見表1。

表1 土體物理力學參數

結合鄰近胥河沿岸滑坡歷史和水利工程施工中的問題，發現該地區引渠、泵站等建筑結構由于邊坡滑坡出現過多次的破壞問題(如圖2所示)。對該工程而言，滑坡問題必須引起足夠的重視。保守起見，一般在滑坡區進行基坑支護設計時應取相對于土體天然強度較低的殘余值做基坑變形和穩定性分析的依據，計算得支護樁長、直徑必然大為增加，間距必然減小(甚至要考慮必要的支撐)，導致支護成本急劇加大。

圖2 胥河沿岸滑坡現象

土體滑坡導致土體性質弱化[3-4]，對基坑工程的實施帶來了一定的難度。滑坡后土體強度如何變化、何時復工、支護結構如何調整等，在確保施工進展順利的同時盡可能降低施工成本是一個值得探討的問題。

滑坡后滑塊與滑床發生相對錯動進而產生剪切面，而宏觀層面上滑坡土體恢復的本質就是剪切面的愈合，剪切面的愈合相較于土體本身承受豎向荷載的大小更依賴于恢復狀態的保持時間[5]。對于以上現象，國內外專家研究得出了不同的觀點：Mc Laskey等[6]探究斷層愈合恢復機制時提出斷層自身的蠕變機制造就了愈合現象的產生(剪切面發生蠕變同時剪切面的愈合現象隨時間增長而逐漸增強)，Pluymakers等[7]認為愈合取決于剪切面塑性顆粒的變形與顆粒相對位置的重新排列。

相對于取殘余強度，在基坑支護設計時如考慮強度恢復效果，則可以大大節約支護成本。本文基于前人對土體強度恢復研究成果，針對胥河河岸土體發生滑坡后的強度恢復問題展開相關實驗研究工作。

2 土體抗剪強度恢復試驗

實驗中一般通過反復剪切試驗來探究邊坡滑動后的土體本身的自愈機制[4-7]。

2.1 試驗方法

對研究土體進行制樣-剪切-恢復-二次剪切一系列操作，可以最直觀地模擬滑坡后的土體強度隨著時間表現出來的動態變化，進而探尋出在恢復過程中不同時刻土體的強度變化規律。

本試驗采用四聯等應變直剪儀進行，為得到不同恢復時間的強度參數，現場取原狀樣進行15組(1組4個)試驗，以得到土體剪切破壞后強度恢復1～15d后的強度參數，試驗的基本步驟如下：

(1)制樣：實驗前根據需要制作原狀環刀樣，并在50、100、200、400kPa的法向壓力下固結。

(2)剪切：每組試樣均在不排水條件下以等速率(0.8mm/min)推進剪切盒，總剪切位移達到4mm后停止推進(初次剪切)。實驗結束得到土體的粘聚力和摩擦角。

(3)復位剪切盒：在初次剪切完成后復位剪切盒至未發生剪切變形前位置，確保恢復過程切實有效[8]。

(4)二次剪切：在與步驟(2)相同的條件下進行二次剪切，得到相當于土體滑動破壞后的強度。

(5)強度恢復：對15組土體重復步驟(2)、(3)后，對破壞后的土體進行不同時間(1～15d)的強度恢復后，根據步驟(2)進行剪切試驗，得到不同恢復時間的強度指標。部分恢復時間后的剪切位移-應力關系曲線如圖3所示。

圖3 土樣剪應力與剪切位移關系曲線

2.2 強度恢復試驗結果

對比圖3中不同恢復時間后的剪切實驗結果，可以看出初次剪切后土體強度急劇下降(抗剪強度隨恢復時間變化關系曲線如圖4所示)，10d內隨著恢復時間延長，土體強度逐漸上升較快，對比圖3(c)(d)可以看出恢復10d后再次剪切得到的剪應力-剪切位移關系曲線變化不大，土體強度增長速率變緩。

圖4 土樣強度-恢復時間關系曲線(-1d對應原狀土的強度)

根據反復剪試驗結果，得到所研究土體的剪切特征如下：

(1)初次剪切后的試樣抗剪強度指標內聚力c、內摩擦角Φ值均顯著降低，這與前人研究結論一致[9]。剪切使得土樣剪切面上粘結的較大團粒剪破，剪切面孔隙比減小，內部水分被擠出，進而導致在初次剪切后粘聚力以及內摩擦角急速下降。

(2)在對恢復后的土體進行再次剪切后，隨著時間推移，土體的粘聚力及摩擦角不斷恢復，增長速度先快后慢，于恢復后第7天達到極大值，這一現象與前人[10]通過研究三峽庫區土體得出的土體恢復速率隨著靜止修復時間的增長而逐漸減弱的結論一致。

試驗中的種種現象表明，隨著試樣剪切復位后的時間不斷推移，對于土體粘聚力c值而言，初次剪切之后，土體剪切面微觀結構破碎，孔隙體積增加，微小裂隙不斷連接，逐漸形成新的裂隙，裂隙使得土顆粒之間的相互作用力逐漸減小，土體強度急劇減小，同時易溶鹽隨著水分運移到剪切面上，而隨著時間的推移，游離于剪切面上的水分再次擴散至土體中，導致恢復之后剪切面上土顆粒的水化膜由厚變薄，陽離子也因此逐漸失去滲透斥力，電場力增強，同時由于水分子的擴散作用導致剪切面上的易溶鹽發生結晶，進一步增加上下土體之間的結構連接力，從而表現出二次剪切后土體粘聚力隨恢復時間的增加而增加的趨勢；而對于內摩擦角而言，剪切盒復位后在上覆荷載的作用下，剪切面上的團粒不斷壓密，土顆粒重新排列，顆粒之間膠結程度不斷增大，進而使得內摩擦角隨著恢復時間不斷增長而表現出不斷增加的現象。

一般來說，土體粘聚力受控于顆粒形狀和大小、孔隙水和氣體、表面吸附劑等因素，而內摩擦角主要受控于土體本身的成分、含水率、密實度以及顆粒大小分布，土體粘聚力的恢復速率大于內摩擦角。

3 強度恢復對邊坡影響分析

3.1 邊坡穩定性

從高淳區胥河沿線屢次滑坡與治理情況分析，所研究基坑地處胥河南岸，該處土體具有一定的漲縮性、裂隙性和超固結性，對氣候變化和人類工程活動等極為敏感，汛期坡腳雍水，坡面雨水入滲等外部因素極大程度上加大了滑坡的可能；基坑開挖對于土體的二次擾動、邊坡后緣的堆載也會對邊坡的穩定性造成影響。綜合判斷該處邊坡存在較多不利因素，易發生淺層滑坡[11]。

本文基于Phase有限元軟件，模型計算時基于摩爾庫倫屈服準則的理想彈塑性本構模型，采用強度折減法[2]對基坑開挖前邊坡天然以及滑坡后強度恢復條件下的基坑邊坡穩定性進行分析。

建立的邊坡模型如圖5所示，長度為73.0m，高度為23.0m。最終得出的邊坡穩定性系數隨時間變化關系曲線如圖6所示。由穩定性分析結果可知，天然條件下邊坡穩定性系數為1.198，接近于SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規范》所規定的安全系數下限值1.20，而根據滑坡后土體殘余強度計算得邊坡穩定性系數下降至0.23，邊坡極不穩定。

圖5 邊坡幾何模型

圖6 穩定性系數-時間關系曲線

隨著時間變化，邊坡穩定性系數隨著土體強度的恢復呈現出不斷上升的趨勢，最終在恢復15d后提升至至1.01，同時土體直接進行二次剪切后的穩定性系數略高于恢復1d時。這一現象的發生可能是由于膨脹土本身黏粒(高嶺石、蒙脫石、伊利石)含量相對較高，土顆粒本身強度較高，在反復剪切過程中不易剪破，在剪切面上保持一定的咬合作用(由于團粒咬合作用，剪切后各組土樣往往會出現一定程度的剪脹現象)，同時初次剪切使得土樣剪切面上的團粒發生剪破，剪切面孔隙比減小，內部水分被擠出，而由于未保留一定的恢復時間導致被擠出的部分自由水徘徊于剪切面之上，在二次剪切時增強了剪切面顆粒之間的粘性，進而導致產生的變形增大。

3.2 基坑變形分析

首先，模擬初始狀態下的邊坡開挖工況，得到滑坡前天然狀態下土體邊坡的最大剪切位移云圖(如圖7所示)，考慮到基坑開挖的安全性，在施工時應對其采取相應的支護結構進行加固，最終將邊坡最大位移控制在30mm之內。

圖7 初始狀態下基坑開挖的剪切位移云圖

在結構設計方面，針對該基坑工程，擬采用樁錨支護結構進行支護。考慮采用抗滑樁進行加固，樁徑800mm、樁長10m、樁間距3m；錨桿長10m，沿水平方向15°打入，錨桿水平間距3m，研究不同恢復時間內采用該支護結構的不同效果，具體結果如圖8所示。

圖8 支護效果-土體恢復時間關系曲線

由圖8可以看出，土體在強度恢復至第12天時，粘聚力恢復至14.81kPa，內摩擦角恢復至8.9°，此時支護結構滿足穩定性要求及變形要求，綜合質量安全(邊坡穩定性及變形)以及施工成本兩者因素達到最佳結合點。

4 結論

本文通過室內剪切試驗和數值分析，研究了南京市高淳區胥河土體邊坡滑坡后的強度恢復規律，同時進一步探索了在土體強度恢復過程中的邊坡穩定性和開挖基坑施工的最佳方案，得到以下結論：

(1)對所取土樣進行初次剪切后，強度急劇降低，而隨著恢復時間推移，土體的粘聚力、內摩擦角逐漸增加，增長速度先快后慢，恢復速率在第7天達到極大值。

(2)對于所研究邊坡工程而言，在無降雨條件下，土體在滑動后第12天，粘聚力恢復至14.81kPa，內摩擦角恢復至8.9°，此時綜合質量安全與支護成本兩者達到最佳結合點。

(3)分析結果表明，考慮土體的強度恢復效應可為基坑支護設計方案優化提供依據，大大節約施工成本，為該地區水利工程實施起到參考作用。