填土滑坡成因机制分析

2014-07-25蒙发强麻荣广丁坚平

铁道勘察 2014年6期

关键词：后缘坡体状元

蒙发强麻荣广丁坚平黄姗

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025；2.广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁 530001)

填土滑坡成因机制分析

蒙发强1麻荣广2丁坚平1黄姗1

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025；2.广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁 530001)

以南宁市状元泉路段填土滑坡为例，通过现场勘察和土工试验成果，结合滑坡结构特征、物质组成成分、影响因素分析，研究填土滑坡的成因机制。结果表明，状元泉路段填土滑坡为推移式滑坡，降雨为滑坡形成主要诱发因素，其变形破坏机制属于蠕滑-拉裂型。在以上研究基础上，对滑坡的演化发展地质力学模式分三个阶段进行阐述分析。

填土滑坡成因机制推移式滑坡蠕滑-拉裂

填土边坡失稳的影响因素较多，以下主要从地形地貌、岩土体性质、地下水、地震、工程影响及边坡形状等方面进行研究分析[1]。回填土与其他土质边坡不同，其土体的工程性质差、强度低，沉降大且不均匀；压密度、相对密度、孔隙率、承载比等值受压实的影响，边坡失稳现象常有发生[2]。降雨是造成填土滑坡的主要因素，在填土滑坡成因机理的研究上，有些研究人员建立了与现场相似的物理模型进行模拟实验，王钊等[3]分别对膨胀土挖方和填方渠坡进行了3个月的监测，在比较热传导探头、张力计和滤纸法的测量结果基础上，分析了降雨等气象条件的影响；文高原等[4]通过室内大型试验箱试验，模拟了7 d强降雨条件下夯实填土边坡的变形、破坏特性，得出边坡破坏模式：降雨前为平面-凸弧面组合破坏模式，降雨后为平面-悬链面组合破坏模式；为了研究降雨条件下入渗量、含水量和孔隙水压力的变化规律；贺国京等[5]对湖南岳阳长岭炼油厂五垄西沟高填土边坡建立有限元模型，利用强度折减法计算分析边坡的容重、黏聚力、内摩擦角、坡率等。目前，系统研究填土滑坡的文献较少，以状元泉路段填土滑坡为例，在现场勘察和试验基础上，进一步对填土滑坡成因机制及演化发展的地质力学模式进行分析。

1 研究区概况

滑坡位于广西南宁市青秀山景区状元泉景点处，景区两大主干道之一的状元泉路从该景点的西侧通过(见图1)，该路段外侧边坡为填土边坡，土质较为松散，局部坡脚设有挡土墙。根据调查，状元泉路段外侧自1998年以来不断堆填土。2000年6月份曾经出现滑坡。2013年8月14日，状元泉路段路边出现裂缝。 2013年8月中旬，受台风“尤特”影响，南宁及周边地区出现连续降雨，其中8月15日～18日为强降雨。在雨水作用下，状元泉路段于2013年8月19日发生滑坡，路边的路灯、亭、廊、厕所及停车场等全部滑落，错落高差约20 m，滑坡后缘紧靠道路人行道，前缘直接从下方坡脚剪出，所幸无人员伤亡。

图1 状元泉路段滑坡位置示意

2 滑坡区地质条件

研究区所在区域受到古近系地壳升降构造运动影响，地层受到轻微的褶皱、隆起，产状平缓，第四系沉积层位轻微错动而产生小断裂，第四纪以来无构造运动迹象，对滑坡区稳定性无影响。地形地貌特征为高丘陵山谷地貌，总体呈东边高西边低，坡度17°～35°。滑坡区出露的岩层有第四系人工填土层(Q4ml)、第四系残积土层(Qel)及下伏基岩古近系凤凰山组粉砂岩与泥质粉砂岩互层(E1-2d)。滑坡区水文地质条件比较简单，地下水类型为孔隙水、裂隙水。孔隙水赋存于第四系人工填土和残积土层中，接受大气降雨补给；裂隙水赋存于古近系基岩中，接受大气降水及上覆松散物孔隙水补给。降雨沿松散沉积物孔隙下渗，成为地下水，并顺着地形向冲沟及邕江排泄。

3 滑坡特征

3.1 滑坡形态与规模

填土滑坡上宽下窄，类似一个“勺子”形状。滑坡后缘位于状元泉外侧道路的人行道，前缘位于坡脚原水塘处，水塘被完全掩埋，塘中淤泥被挤出、隆起，滑坡主方向约285°。以滑坡主滑方向为前方，两侧剪切面平直，树木歪斜。滑坡后壁见滑坡泉流出，汇集于滑坡洼地，形成一方水塘。该滑坡为土质滑坡，滑坡长约300 m，宽约130 m，厚度约10 m，体积约42万m3，属中型滑坡。

3.2 滑坡变形破坏特征

对填土滑坡变形破坏特征的研究是分析其形成机制的关键所在，根据滑坡变形的大小，将其分为滑坡区和变形区两部分(见图2)。

图2 滑坡平面形态特征

(1)滑坡区

滑坡后缘高程约142 m，以现有状元泉路人行道为边界，后缘壁陡峭，原路灯和路边景观树木倾倒于后缘壁，管线被拉断，下方形成滑坡洼地，错落高差约25 m，原景区建筑物被淹于内。左侧边界位于青秀山公安局所在山梁，距离其建筑约20 m，侧缘壁较为平直，错落高差最大约5 m，见树木倒伏于土层中，推测为之前滑坡所致。在滑坡中部至前缘区段，众多树木、竹子受推而往前倾倒。右侧边界基本以冲沟为界，部分滑体被推挤越过原水沟，树木倾倒、枯死。右侧侧缘壁在中部至后缘明显，较为平直，中部至前缘侧缘壁不明显，前缘土体隆起，坡脚处池塘被推挤、铲出，滑坡剪出口高程约85.0 m。

(2)变形区

变形区位于滑坡区北面，原冲沟位置，填土为研究区最厚。其南侧与滑坡区以原有挡土墙位置为界，在变形区见滑坡擦痕，北侧以现有冲沟为界，后缘以在建道路为界，前缘变形不明显。该区变形有两个方向，一个为往原有坡面，即西面变形，后缘裂缝也大致平行临空面，呈南北走向，后缘位于在建道路边缘，裂缝长20 m，宽5～10 cm，错落约10 cm。在滑坡区发生滑坡后，变形区形成了新的临空面，变形区往该方向变形，已局部破坏滑塌，后缘见弧形裂缝，长约10 m，宽约10～30 cm，错落约30～70 cm。变形区坡面见裂缝，但不连续，缝长0.5～5 m不等，宽5 cm左右。坡顶的状元泉排水管出口处变形较大，局部失稳，水管断裂，竹子倾倒。局部受冲沟水流的冲刷，坡脚出现小范围塌滑。

3.3 滑坡物质组成特征

滑体成分主要为原人工填土，以黏土、粉质黏土为主。局部区段黏土黏粒含量高，黏性好，切面光滑，含水量高，呈软塑—可塑状态，干强度高。粉质黏土含水量较高，砂感较强，有摇震反应。研究区勘察工作开始时滑体含水量高，强度低，土软易陷，随着土体含水量变低，滑体强度有所升高，土体易散。

4 状元泉路段填土滑坡形成机制分析

4.1 滑坡影响因素分析

填土滑坡形成机制受诸多因素共同作用产生，可分为外因和内因两部分。外因包括降雨入渗、地下水升降、人类工程活动，而降雨是路基边坡稳定性中影响非常重要的因素[6]。降雨使土体力学强度指标降低，引起滑坡；内因包括地形地貌、地层岩性、地质构造，也是填土滑坡演化的地质基础。

(1)坡体结构特征

滑体物质为填土，土质多为黏土、粉质黏土和粉土，含圆砾、块石碎石和泥岩团块，部分填土含有膨胀性岩土成分。滑坡区原为一冲沟，地形相对低洼，填土直接堆积于原斜坡坡面，所填土体未经碾压等处理，力学强度低，结构松散，雨水易入渗。

滑床：填土下面的残积层及下伏基岩往往为相对不透水层，地下水下渗至原状土层面受阻后沿层面渗流，使接触界面为剪应变集中带，形成软弱面，容易进一步发育成滑动面。

(2)人类工程活动

滑坡区人类工程活动主要有坡体上部修建建筑物和排水管道铺设两个方面。建筑物修建导致坡体上部荷载增加，排水管道铺设与建筑物修建的基坑开挖及施工会扰动坡体，降低坡体稳定性。滑坡后缘的状元泉流出后，汇入状元池，溢满后通过水管往西侧滑坡体排泄。由于原填土未经处理，长年累月的土体固结变形和浅层滑坡使刚性水泥管破坏，排水直接进入填土边坡，促进滑坡演化。

(3)降雨的影响

滑坡发生时正是南宁雨季，2013年8月中旬，受台风“尤特”的影响，南宁及周边地区出现连续降雨，其中8月14日～18日为强降雨，降雨量达70.9mm/h。雨水入渗后，导致地下水位上升。雨水对滑坡有以下作用：

①土体自重增加

降雨入渗后，滑坡体含水量逐渐增大，滑坡体岩土体中空气被挤出，导致土体自重增加。岩土体孔隙率越大，吸水能力就越强，自重增加就越明显。状元泉路段滑坡物质主要为未经压实填土，室内土工试验测定，土体孔隙比为0.528～0.855，结构疏松，吸水能力强，土体自重增加导致坡体下滑力增大。

②土体软化

根据有效应力原理：σ=σ′+u，作用在饱和土上的总应力由土中两种介质承担，一种是孔隙中的孔隙水压力，另一种是土颗粒形成的骨架上的有效应力，土的抗剪强度中摩擦力是由作用在颗粒上的法向应力决定的，降雨入渗土体吸水过程使得孔隙水压力u增加，必然导致有效应力σ′减小，导致土体抗剪强度降低[7，8]。室内抗剪试验、现场直剪试验测定结果表明，吸水后土体抗剪强度大幅降低，改变了原有边坡应力平衡，导致滑坡发生。可见，土体遇水软化是导致滑坡失稳的重要因素(见表1)。

表1 依据室内试验成果确定岩土参数

③坡体动水压力

降雨入渗坡体中，使其下滑力增大，还会产生动水压力，动水压力的大小与流动水体的体积和水力梯度有关，渗流动水压力作用使得土体结构会产生一定的变形或破坏，不利于边坡的稳定[9]。由于填土体未经碾压等处理，结构松散，透水性强，而填土下面的残积层及下伏基岩往往又为相对不透水层，地下水下渗至原状土层面受阻后沿层面渗流，产生动水压力和浮托力，减弱阻滑段的抗滑作用，降低边坡的稳定性。

4.2 滑坡形成机制分析

综上所述，状元泉滑坡主要是在不利的地质条件、不合理的人类工程活动和降雨条件下共同作用形成的。结合滑坡变形破坏特征，其演化发展机制为蠕滑-拉裂，分为三个演化阶段。

表层蠕滑(第一阶段)：滑坡后缘坡体上修建建筑物与植树，导致后缘土体受到扰动，上部荷载增大，降低边坡稳定性；由于填土未经压实，土体固结导致排水管道破裂渗漏，在降雨条件下土体软化，两者共同作用下使得坡体向坡下弯曲，后缘产生拉应力。

后缘拉裂(第二阶段)：2013年8月中旬，受台风“尤特”的影响，出现连续降雨，在不利的地质条件下，导致雨水迅速入渗，滑坡体内渗流产生动水压力，土体吸水后自重增加，导致下滑力增加。随着时间的推移，持续雨水入渗导致地下水位逐渐升高，由于滑坡体内与基岩接触面处存在相对隔水的黏土，形成局部承压水，产生浮托力，滑带吸水膨胀、软化，在它们的共同作用下导致坡体抗滑力下降。2013年8月14日，道路边缘出现裂缝，与边坡临空面方向垂直，其变形方向为往临空面变形。 8月14日～18日为强降雨，降雨量达70.9 mm/h。雨水沿着裂缝快速入渗，加快坡体蠕滑变形，进一步降低抗滑力，滑面形成(见图3)。

图3 滑坡蠕滑变形阶段

滑移失稳(第三阶段)：2013年8月19日，滑坡演化发展进入滑移失稳阶段。由于滑面后缘较陡，在地下水作用下，后部先失稳滑移，推动滑坡中段、前段整体下滑，由于滑坡体中段及前段下伏基岩界面变浅，具有较强的抗力，所以滑坡停止滑动后的滑移距离较短(见图4)。

图4 滑移失稳阶段

推移式滑坡的滑动面一般呈前缓后陡的形态特点，滑坡中、前段为阻滑段，后段为下滑段，后段为下滑段，促使斜坡变形的破坏的“力源”主要来自于滑坡后缘的下滑段[10]。根据状元泉路段滑坡失稳特征，其为推移式滑坡。

5 结束语

状元泉路段边坡原填土结构松散，加上坡体上部建筑修建对其进行扰动，透水性强，为雨水入渗提供便利通道，导致滑坡发生蠕动变形，后缘产生拉应力。降雨沿坡面裂缝入渗，进入残积层或基岩面相对不透水层，汇流贯通或形成滞水，土体吸水自重增加，土体软化，局部土具有吸水膨胀性，导致滑动面的力学性质降低。随着降雨的补给，地下水产生浮托力、静水压力和动水压力，导致滑坡下滑力增大，而抗滑力减小，从而导致滑坡失稳。因此，状元泉路段填土滑坡是在降雨、不利的地质基础条件与不合理人类工程活动共同作用下形成的，根据滑坡变形破坏特征分析，其具有推移式滑坡力学特征，演化发展的地质力学模式为蠕滑-拉裂。

本文只考虑填土滑坡演化发展的地质力学模型的定性分析，如何进行填土滑坡成因机制的力学演绎及建立三维模型模拟实际情况下变形破坏成因机制，将是以后进一步研究的方向。

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