黄土路堑边坡的失稳破坏因素与变形模式分析

陈 波

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075)

黄土路堑边坡的失稳破坏因素与变形模式分析

陈 波

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075)

针对黄土路堑高边坡的失稳滑塌现象，文章深入研究了黄土路堑高边坡的各种诱发因素，主要通过对黄土本身的结构、性质、黄土湿陷性和水的影响进行分析，得出黄土路堑边坡失稳滑塌的四种破坏机理与变形模式，即开挖后缘拉裂模式，地表水或雨水入渗沿裂隙灌入形成薄弱面的模式，坡脚掏空致使坡体失去支撑而使黄土裂隙张开的模式，坡面冲刷、湿陷、剥落的模式等。

黄土;路堑边坡;失稳滑塌;变形模式

我国是世界上黄土分布最广的国家，约占国土面积的6.6%。黄土主要分布在北方干旱区和半干旱区。在西北及晋西地区，黄土地层最厚，发育最好，地层较为全面，且分布连续，其中湿陷性黄土分布面积为黄土总面积的3/4左右，其中黄河中下游的陕西北部，甘肃中部和东部、宁夏南部和山西西部，是我国黄土分布最集中的地区，不仅分布面积广，而且厚度大。

近年来，我国黄土地区高速公路建设迅猛发展，在这些工程建设中，出现了大量的高边坡失稳现象，由于黄土地区的地形、地貌、地质条件复杂，边坡工程设计不当以及投资规模控制等多种原因，造成工程中时有垮塌事故和浪费现象，这对公路交通的正常运营及国计民生构成潜在的危害和威胁。在工程实践过程中，主要存在对黄土地区高边坡工程病害特征和性质认识不清，治理工程措施不力等诸多因素，常常造成高边坡工程变形和破坏，且其危害严重，损失极大，或因治理方案过于保守，造成不必要的浪费。为了满足安全可靠和经济合理双重目标，对黄土地区高边坡病害特征的深入分析和对其工程治理方案的慎重选择显得十分重要。

1 黄土高边坡失稳滑塌的影响因素

通过调研山西省某黄土区域，做大量的收集调查，从该区域黄土路堑边坡失稳滑塌的形态，分析研究其影响因素。主要影响因素为:由于受黄土特性、坡面土体中含水量的变化以及外荷载的作用，当这些影响条件达到一定值时，黄土路堑高边坡将发生失稳滑塌。

1.1 区域黄土特性

在调查沿线区域，黄土由于其形成时代及所处的环境不同，常处于三种状态:欠压密状态、正常固结状态和超固结状态。各时期黄土层的固结状态明显不同，马兰黄土通常处于欠固结状态，路堑坡体内最大主应力方向基本与重力方向一致，靠近边坡边缘受近垂直的最大主应力影响，其位移出现在压缩及临空两个方向，形成最小主应力变小，一旦该位移足够大，近水平向的最小主应力出现负值，坡顶将出现拉张裂缝。在随着坡面开挖加深时，由于裂缝的存在，坡体内的应力在进行调整，坡体的连续性沿着裂缝遭到破坏，且不断地向坡体深部发展。坡体黄土成分对黄土的特性及变形性质有着很重要的影响，调查区域的路堑黄土高边坡所处区域黄土为粉质黄土，其产生的破坏为脆性破坏，而粘性黄土产生的破坏为塑性破坏。

1.2 区域中黄土湿陷性

通过室内试验，分析研究得知，颗粒对湿陷性的影响与其在黄土中所起的作用有关.根据颗粒在土中所承担的作用可划分为三个层次的粒径界限:＞0.01 mm，0.002～0.01 mm，＜0.002 mm。黄土中粒径＞0.01 mm的颗粒在黄土中起骨架作用，粒径在0.002～0.01 mm范围的粉粒只能充填在大颗粒之间。高粉粒含量是决定黄土湿陷性的主要标志之一。

研究区域取样筛分试验得到，黄土基本上由0.25 mm以下的颗粒组成，且以粉土颗粒(0.05～0.005 mm)为主，其含量均值多大于50%。

图1 颗粒组成

由于研究区黄土高边坡的大孔隙分布较多，主要是黄土中的次生根洞、节理、裂隙等，这些大孔隙的孔壁上的颗粒基本上已为碳酸钙胶结成筒状，黄土湿陷后仍然存在，使土中的水得以迅速的渗透，破坏土体中所存在的不稳定结构，造成黄土的湿陷在极短的时间内发生。

表1 沿线黄土湿陷性

图2 湿陷性与土层深度关系

1.3 区域中黄土路堑边坡受水影响

该区域黄土在干燥状态下强度甚高，当含水量达到一定程度时，强度就会显著降低。水在湿陷过程中所起的作用相当复杂，是一个物理化学作用过程。而原始状态下的黄土含水量较小，孔隙基本被土体三相体系中的空气填充，骨架结构中土粒表面吸附的水膜很薄，该水膜具有固体的某些特征，吸力＞10Mpa(即100个大气压)，吸附水膜在土体骨架中起强化结构作用。土颗粒接触点处起胶结作用的结晶盐在吸附大量水分后，溶解分离，失去连结作用，发生湿陷。大量的水使土体骨架中的固体颗粒间连结力减弱，起到润滑作用。

通过现场试验得知，当黄土由于地表径流条件被破坏而在局部范围内积水时，积水的入渗使土体含水量逐渐增加而达到饱和，导致土的抗剪强度降低。如果表层土的湿陷起始压力大于土的饱和自重应力，则土层不会产生湿陷。当水渗入地表下某一处时，该处黄土层的湿陷起始压力小于上覆土的饱和自重应力时，则土层将下沉，但由于周围未浸湿土体仍具有较高的抗剪强度，它对中间浸水饱和土体的下沉有约束作用。因此，只有当浸水范围较大时，饱和土体的自重足以克服周围未浸湿土体的摩擦力，才能产生湿陷。土层下沉后，上下土层间形成空隙，上部土层将失去支托，产生自重湿陷。

表2 沿线典型黄土的渗透试验结果

2 黄土路堑高边坡变形破坏模式

2.1 黄土路堑高边坡形式

黄土高边坡的断面形式，即设计及施工完成后的实际形状，总的可按以下两种来分:

(1)单级边坡:单级边坡主要为高度小于20 m的边坡类型，其坡率一般为 1∶0.5 ～1∶0.75。一坡到顶。

(2)多级边坡:多级坡面是指由多级平台和斜坡组成的边坡，该种坡型的边坡是设计部门根据坡高和坡面地层结构不同而设计的，在调查区可见到边坡类型一般为每8m～10 m高设平台宽1～2 m，边坡形式按下陡上缓设计，单级边坡坡率为 1∶0.5 ～1∶1.5。

2.2 黄土路堑高边坡变形破坏模式

通过对调查区黄土路堑边坡的调查分析，其变形破坏主要表现在以下几个方面:

(1)黄土路堑高边坡开挖过程中的后缘拉裂

黄土路堑高边坡黄土中的天然应力场主要为垂直方向的自重应力，由于人工迅速开挖，形成高陡临空面，其应力要进行调整，调整的结果是应力的偏转，原来垂直方向的自重应力分解成平行于坡面的最大主应力和与之垂直相交的最小主应力。坡高越高越陡，剪应力在坡脚越集中，同时在坡脚形成较高的压应力集中，当开挖边坡时，随着下挖深度加大，坡率逐渐变陡，最下部坡脚处或开挖外露坡底的黄土时有明显的压裂痕迹，使得土体成鳞片状，平行于坡面开裂，局部已沿开裂面产生剥落，而在各级设计和施工中每8 m～10 m设有平台的坡面能够明显消除了这种影响。大平台设计是保持黄土高边坡稳定的最保守方案。

(2)地表水、雨水入渗或沿裂隙灌入产生滑塌

通常坡脚处的地层多为一些相对隔水的砂岩、泥岩、泥质砂岩或风化剥蚀面等，其相对于黄土为相对隔水层，这些地层的渗透系数很小，如果层位较低，同时又有适当的水源补给，则有可能在这些相对隔水层之上形成黄土饱和层。由于黄土的渗透系数较小，一般为10－4～10－5cm/s之间，当黄土的覆盖较厚时，在有坡面水或降雨过程中，不可能入渗到下部相对隔水层，但是由于裂隙及一些大的孔洞存在，水将会沿这些裂隙、孔洞直接灌入到达一定深度，加之地下水的侧向补给就会在该处形成地下潜水或上层滞水，使黄土呈现流塑或软塑状态。这样在坡体重力作用下就会沿着薄弱面产生滑动，使边坡破坏。

图3 坡体位移沿坡高分布图

图4 坡面水平位移与虚拟力关系图

表3 单级坡高计算表

(3)坡脚掏空，坡体失去支撑产生裂隙张开滑塌

造成研究区域坡角掏空现象的主要原因有很三点，一是边坡坡脚附近为古土壤层。由于古土壤粘粒含量较高，与相同条件下的黄土相比.其含水量偏大，在开挖暴露地表后，由于失水干缩古土壤形成块径0.5～3 cm的块状或片状，产生剥落，如在坡脚或毛细水上升高度内，这种饱水、失水过程反复进行，则不断剥落变陡，最终多形成凹进坡里的掏空区，其深度可达 0.5 ～1.5 m。

形成反坡的第二种作用是冻融。在坡脚附近，由于其处于饱水带或潮湿带，在冬季冻结，春季消融，反复进行，并最终致使坡脚被掏空。

另外，地表水的冲刷、坡脚的风化等都有可能造成坡角被掏空，使坡体失去支撑，但这种情况较少，主要是设置于坡脚的路堑边沟或护面墙的保护缘故。

(4)坡面冲刷、湿陷、剥落

坡面冲刷、湿陷、剥落破坏对路堑边坡的稳定性有着重要的影响，在连续降雨和暴雨出现时，组成坡体的黄土疏松、具大孔隙、欠压密、具中等湿陷性，因此在连阴雨和强降雨时，由于溅击作用，会使土粒与坡面失去联系，形成的面流就会沿着节理、裂隙冲蚀或潜蚀，形成小型冲沟。由于其具有湿陷性，在水的作用下，坡面上形成了陷穴和整体下沉，破坏了坡面的整体性最终失稳。

坡面破坏的另一影响因素是坡率。坡率直接控制着汇水面积和地表面流的流速，坡面土体的移动与水的厚度、流速及土粒的抗剪强度等。因此，坡率似乎与坡面冲刷和稳定相互矛盾，也就是说设计合理的坡率是决定坡面冲刷的关键。

除坡脚附近由于压应力作用产生鳞片状和层状剥落外，古土壤反复饱水，干裂剥落也是主要原因。另外，坡面上的水分变化开裂也可产生剥落。

3 结论

本研究主要阐明了黄土路堑高边坡的失稳滑塌机理。(1)坡体黄土成分对黄土的特性及变形性质有着很重要的影响。(2)黄土高边坡的大孔隙分布较多，使土中的水得以迅速的渗透，破坏土体中所存在的不稳定结构，造成黄土的湿陷在极短的时间内发生。(3)黄土在干燥状态下强度甚高，当含水量达到一定程度时，大量的水不仅使土体骨架中的固体颗粒间连结力减弱，破坏土体原始结构，而且在土粒相对位移时起润滑作用。

处于天然状态下的黄土经过开挖后形成高陡边坡，由于其应力的调整，导致发生一系列的变形。如果边坡设计和施工合理，则变形趋于稳定，即减速变形;如果其设计值不能满足黄土自身稳定的要求，或边坡中存在诸如不利结构面，地下水、其它外在因素等，变形将进一步发展，其结果会使边坡处于不稳定状态，甚至直接失稳。

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The Instability dam age factors and Deformation modes Analysis of the Cutting slope

CHEN Bo

(CCCC First Highway Consultants Co.，LTD Xi’an Shannxi710075)

Aiming at the appraise of high slope instability slump phenomenon，this article made a deep research on the appraise of the high slope of inducing factors，mainly through analysing the structure of the loess itself，properties，collapsibility and water influence.From that，it get four kinds ofmodes of loess slumping failuremechanism and deformation:Excavation edgemodel，surface water or rainy water ripping infiltration into the weak form along the fracture mode，tunneling the slope toe，so that slope body losing supportand making the loess fissure openmode，slope surface erosion ollapsible lake mode，etc.

Loess;Cutting slope;Instability slump Deformation mode

P642.13+1

B

1004－1184(2011)04－0102－03

2011－06－10

陈波(1973－)，男，河南新乡人，高级工程师，主要从事公路工程勘察、设计等工作。