云南省膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算及成因分析

沈 旺

（中建材（昆明）勘測設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明）

概述

云南省膨脹土分布較廣，近年來在膨脹土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，基本上逢挖必滑。目前膨脹土邊坡失穩(wěn)機(jī)理尚在研究中，國內(nèi)現(xiàn)行相關(guān)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，沒有明確膨脹力如何考慮和抗剪指標(biāo)取值原則，給膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)帶來不便。若勘察設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足，會(huì)出現(xiàn)膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算不合理、邊坡防護(hù)方案不適宜的現(xiàn)象。有時(shí)會(huì)因防護(hù)不合理而導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑坡，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤。本文對(duì)膨脹土邊坡失穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行全面分析，并給出膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)抗剪參數(shù)取值和膨脹力計(jì)算原則，供勘察與設(shè)計(jì)人員參考。

1 膨脹力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

1.1 膨脹力作用

膨脹力是膨脹土中親水礦物吸水膨脹后產(chǎn)生的一種體積內(nèi)應(yīng)力，以礦物顆粒為中心向空間各方向產(chǎn)生擠壓作用。邊坡蠕動(dòng)變形階段早期在膨脹內(nèi)力擠壓作用下，邊坡土體逐漸向約束較弱的邊坡面方向變形位移，導(dǎo)致土體內(nèi)形成較多網(wǎng)狀破裂面，隨著后期雨水沿破面隙入滲降低土體強(qiáng)度、同時(shí)土體再次吸水膨脹產(chǎn)生膨脹力擠壓邊坡，多反復(fù)迭加導(dǎo)致邊坡變形位移加劇，最終導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑坡。膨脹力是一種接觸力，當(dāng)土體內(nèi)部產(chǎn)生了較多張裂隙和剪裂面、地表滑坡后緣出張裂縫時(shí)，在滑坡后緣滑床陡傾段（滑體錯(cuò)落段）由于滑體與滑床間有裂隙膨脹力便消失。滑坡中前部滑床緩傾段（滑體滑動(dòng)段）隨著雨水沿剪切破裂面入滲，滑動(dòng)面附近滑體和滑床土體吸水膨脹產(chǎn)生膨脹力，使滑體有背離滑床運(yùn)動(dòng)的趨勢，可理解為滑體與滑床間產(chǎn)生了一種排斥力，減小了滑體對(duì)滑床法向壓力，從而降低滑坡的抗滑力。在滑坡中前部滑床緩傾段任選一個(gè)底邊長為li、傾角為θi的單位寬度滑塊i（如圖1 所示）進(jìn)行受力分析。

圖1 單條膨脹力分布圖

由圖1（a）可知：作用在滑塊i 的力有滑塊重力（Gi）、豎向附加荷載（Gbi）、水平荷載（Qi）及滑坡間作用力（Ei、Ei-1、Yi、Yi-1）、滑塊底部水壓力（Ui）和膨脹力（Pexi、Peyi）。

由圖1（b）和（c）可得如下公式。

式中：Pexi——水平膨脹力（kN/m）；

Peyi——垂直膨脹力（kN/m）；

σexi——水平膨脹應(yīng)力（kPa）；

σeyi——垂直膨脹應(yīng)力（kPa）；

Li——滑坡底邊長度（m）；

θi——滑面傾角（°）;

Nei——滑床單位寬度膨脹力引起支撐反力（kN/m）；

Tei——滑體單位寬度膨脹力引起的下滑力（kN/m）。

由于膨脹應(yīng)力是一種體積力，可以假設(shè)膨脹應(yīng)力在各方向上大小相等，即σexi=σeyi=σei（膨脹內(nèi)應(yīng)力），代入公式（3）中可得：

代入公式（4）中可得：

由公式（5）和（6）可知：當(dāng)膨脹內(nèi)應(yīng)力各方向大小相等時(shí)，膨脹力全部轉(zhuǎn)為垂直滑動(dòng)面的支撐反力減小了滑體對(duì)滑床的正壓力，從而降低滑坡抗滑力；而平行滑動(dòng)面的切向分力為零。

1.2 膨脹力約束條件

膨脹力大小與邊界約束有關(guān)。在土體自身強(qiáng)度和自重約束下，土體膨長力隨著其濕度增高而增大。但自然地面和邊坡面是自由面，當(dāng)土體膨脹力大于上覆土壓力時(shí)，土體開始發(fā)生位移，此時(shí)膨脹力將明顯降低，可見土體的膨脹應(yīng)力（σei）小于等于上覆土壓力（σcz）。

1.3 穩(wěn)定性計(jì)算抗剪參數(shù)選取

膨脹土邊坡失穩(wěn)是土體增濕膨脹產(chǎn)生膨脹力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破裂→水體入滲土體增濕膨脹和土體軟化強(qiáng)度衰減循環(huán)積累的過程。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及賀偉明等人的研究成果[1]，建議邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，抗剪參數(shù)選用飽和殘余剪切試驗(yàn)值。

2 膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算公式

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB50330-2013[2]，圓弧形滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用簡化Bishop 法，折線形滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用傳遞系數(shù)法隱式解。本文對(duì)于膨脹土邊坡考慮膨脹力作用，將簡化Bishop 法和傳遞系數(shù)法隱式解兩個(gè)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算公式改進(jìn)如下：

2.1 改進(jìn)簡化Bishop 法（滑動(dòng)面呈圓弧形）

2.2 改進(jìn)傳遞系數(shù)法隱式解（滑動(dòng)面呈折線形）

注：在用折線形滑面計(jì)算滑坡推力時(shí)，應(yīng)將公式（11）和公式（12）中的穩(wěn)定系數(shù)Fs替換為安全系數(shù)Fst，以此計(jì)算的Pn，即為滑坡的推力。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

華麗高速公路賓川立交連接線K1+230～+300 段以路塹形式從賓川盆地西南邊緣緩坡上通過，原始地形傾向北東，坡度約5～10°，地形較緩。公路修建時(shí)開挖路塹，右側(cè)形成高度約8 m、坡比1:1.5 的人工邊坡。坡面采用擋墻+拱形格+三維網(wǎng)植草護(hù)坡，坡腳設(shè)有高約2.3 m 混凝土擋墻，擋墻基礎(chǔ)埋深0.6 m。邊坡主要由上第三系（N）膨脹土組成，2023 年3 月該段路塹人工邊坡發(fā)生了滑坡，主滑方向約30°。

3.2 滑坡特征及成因

據(jù)《華麗高速公路賓川立交連接K1+200～+300右邊坡滑坡勘察報(bào)告》顯示：滑坡體主要由上第三系（N）褐黃色夾褐灰色硬塑狀粉質(zhì)組成，偶夾厚度不足3 cm 黑色褐煤層。試驗(yàn)資料顯示區(qū)內(nèi)膨脹土自由膨脹率90%，膨脹力43.8 kPa，為具強(qiáng)膨脹潛勢膨脹土。滑坡發(fā)生前1 年以來，坡頂氣象站經(jīng)常給其院內(nèi)草皮和樹灌溉，灌溉水入滲至邊坡土體中致土體濕度增大膨脹產(chǎn)生膨脹力，擠壓土體向約束較弱的邊坡面方向變形位移而產(chǎn)生破裂面；灌溉停歇期間土體日曬失水收縮產(chǎn)生拉裂縫；擠壓破裂面和收縮裂縫為下次水體入滲提供了通道。如此不斷的脹縮作用使邊坡土體內(nèi)部產(chǎn)生了大量破裂面和裂隙，土體結(jié)構(gòu)遭到了破壞、強(qiáng)度發(fā)生了衰減；另外水體入滲土體強(qiáng)度也會(huì)降低。由此可見：邊坡土體在膨脹力擠壓和灌溉水軟化雙重作用下發(fā)生了滑坡。滑坡周界明顯，滑坡后緣位于坡頂氣象站北側(cè)圍墻附近，滑體已明顯錯(cuò)落，最大下錯(cuò)高度約30 cm，兩側(cè)剪切裂縫貫通，前緣擋土墻傾覆明顯。滑坡沿公路方向長約70 m，滑動(dòng)方向長約22 m，厚約4 m 左右，體積約0.62×104m3，屬小型淺層推移式膨脹土滑坡。

3.3 穩(wěn)定性計(jì)及分析討論

3.3.1 穩(wěn)定性計(jì)算

滑動(dòng)面近弧形（如圖2 所示），采用本文改進(jìn)后的簡化Bishop 法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算;擋墻的抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性根據(jù)《滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T38509-2020[3]第13.1.2.4 條和第13.1.2.5 條中公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 穩(wěn)定計(jì)算主要參數(shù)及計(jì)算結(jié)果一覽表

圖2 滑坡及擋墻穩(wěn)定性計(jì)算圖

3.3.2 分析討論

① γset=17.8 kN/m3、Cr=13.2 kPa、φr=5.6° 、σe=0.0 kPa 時(shí)，計(jì)算結(jié)果F's=1.07，Tn=0；表明邊坡基本穩(wěn)定、擋墻穩(wěn)定，與邊坡已發(fā)生滑坡、坡腳擋墻已傾覆的情況不吻合。

②γset=17.8 kN/m3、Cr=13.2 kPa、φr=5.6°、σe=34 kPa 時(shí)，F(xiàn)'s=0.89，Tn=34，F(xiàn)s=1.79，F(xiàn)t=0.99；表明邊坡發(fā)生滑坡、擋墻已傾覆但未滑動(dòng)，與邊坡現(xiàn)狀一致。

③直快剪C=35 kPa、φ=21°，可見膨脹力致裂和水滲入軟化使土體強(qiáng)度大幅衰減，減幅度達(dá)70%左右。

④膨脹力在邊坡失穩(wěn)全過程持續(xù)作用，蠕動(dòng)變形階段使土體強(qiáng)度衰減，滑動(dòng)破壞階段降低了滑坡抗滑力，降低值=72.6，降幅達(dá)16%。

⑤計(jì)算時(shí)膨脹應(yīng)力取34 kPa，僅為試驗(yàn)結(jié)果（43.8 kPa）78%，這是約束條件不相同所致。試驗(yàn)是在完全約束下進(jìn)行，而邊坡的約束是非完全約束，這與工程實(shí)際相符。

4 結(jié)論

（1） 膨脹力在邊坡失穩(wěn)全過程持續(xù)作用，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大。膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮膨脹力，計(jì)算公式可選用本文改進(jìn)后的簡化Bishop 法和傳遞系數(shù)法隱式解。

（2） 膨脹力致裂和水體入滲軟化循環(huán)作用，使膨脹土強(qiáng)度發(fā)生衰減，膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)抗剪參數(shù)選用飽和殘余抗剪強(qiáng)度值。

本文初步探討了膨脹力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響及抗剪指標(biāo)的選取原則，因受工程實(shí)例和試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本數(shù)所限，本文沒有給出膨脹力的取值原則，后續(xù)會(huì)進(jìn)行膨脹力與土體含水量、孔隙比、變形模量之間相關(guān)性的研究，完善膨脹力取值原則。