吉图珲高速铁路GDK283段膨胀土深路堑工程滑坡分析

王德文，姚瑞珽

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)



吉图珲高速铁路GDK283段膨胀土深路堑工程滑坡分析

王德文，姚瑞珽

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

吉图珲高速铁路所经延吉盆地一带的膨胀土成因复杂，受地形条件、地质条件及自然气候环境影响大，工程地质条件极差，对路堑工程影响严重，定量评价边坡稳定性困难。以GDK283段膨胀土深路堑工程滑坡为实例，通过分析研究工程滑坡发生的机理，总结延吉地区膨胀土的工程地质特征，充分利用勘察试验数据，综合考虑各种影响因素和边界条件，进行膨胀土的边坡稳定性分析验算，并在工程实践中予以验证。

吉图珲高速铁路；延吉盆地；膨胀土；边坡稳定性分析

膨胀岩土号称岩土工程界的“癌症”， 由于其较强的地域特征，是其成为当今岩土工程界最复杂的研究课题之一。吉图珲高速铁路所经延吉盆地一带的中～强膨胀岩土成因复杂，受地形条件、地质条件及自然气候环境影响大，工程地质条件极差，是深路堑边坡的强敌。GDK283段膨胀土深路堑边坡在开挖过程中形成了规模较大的工程滑坡，给项目建设带来了重大不利影响和经济损失。本文通过研究该工点滑坡发生的机理，总结延吉地区膨胀土的工程地质特征，进而探讨膨胀岩土地区的边坡稳定性分析及设计验算问题，为边坡治理设计方案的选择提供依据。

1　工程地质条件

线路所经延吉盆地位于长白山脉北麓，属中温带半湿润区。最冷月平均气温为-16.5 ℃，为严寒地区；年平均降雨量528 mm，最大年降水量852 mm，年平均蒸发量达1 058 mm，土壤最大冻结深度为1.68 m。盆地呈现东西向展布，布尔哈通河自西向东流过盆地。盆地四周为剥蚀丘陵地貌，地势平缓，地表多辟为耕地，海拔200～500 m，相对高差50～100 m，山坡自然坡度为5°～12°，自然边坡处于稳定状态。地层主要为白垩系上统龙井组全～强风化泥岩、泥质砂岩、砂岩；上覆第四系坡洪积堆积层，以黏性土为主，夹有角砾、碎石、块石及零星孤石(成分以玄武岩为主)。其中黏性土、泥岩具有遇水膨胀、失水收缩、低强度、易崩解的特性，为中～强膨胀岩土：黏性土自由膨胀率50%～85%，蒙脱石含量28%～35%，阳离子交换量310～397 mmol/kg；泥岩自由膨胀率60%～70%，蒙脱石含量36%～45%，阳离子交换量280～320 mmol/kg。区内地质构造简单，地层稳定，岩层产状近似水平。本区地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度为Ⅵ度。

2　工程滑坡分析

吉图珲高铁GDK283段膨胀土深路堑边坡在开挖过程中均形成了规模较大的工程滑坡。GDK283工程滑坡地层为第四系坡洪积堆积层，以黏性土为主，夹有角砾、碎石、块石及零星孤石(成分以玄武岩为主)，下伏白垩系泥岩和泥质砂岩，滑带分布于堆积层内，属于堆积层滑坡。

2.1滑坡形成过程

该滑坡为牵引式三级滑坡，开始变形为2012年5月19日下午至5月20日，在开挖原设计二级半边坡时，GDK283+453～GDK283+490段产生滑坍，滑坍高度从路堑顶至开挖坡脚，高约14 m，整个滑体呈舌形，堑顶张拉裂缝宽0.5～1.0 m，滑体前缘翘起，同时GDK283+385～+453和GDK283+490～+580段堑顶和边坡坡面出现张拉裂缝，裂缝宽度10～30 cm，局部坡面鼓起，最远处裂缝位于堑顶以外30 m，为滑坡变形的初始启动变形。后期发展为前中后三级滑坡，呈现出了完整清晰的“簸箕状”，滑坡变形特征典型，后缘及两侧裂缝已连续贯通发育。滑坡前缘深层剪出口处于明洞顶以下。滑坡影响路线里程为GDK283+169～+550。

2.2滑坡特征

GDK283滑坡地貌形态明显，裂缝贯通，右侧界线为一流向近南北向的自然排水沟，左侧界线为一连续错动带，最大下错量接近2 m，滑坡最后缘呈“M”形状发育，地形上呈现出了两个凹洼地。可明显看出裂缝贯通呈圈椅状的前、中、后三级后缘，滑动方向与线路走向正交，为牵引式滑坡。滑坡沿线路方向最大宽度约381 m。中、前级变形区滑体最大厚度约17.8 m，体积约为94.7×104m3，后级牵引滑坡最大厚度约10 m，体积约为33.6×104m3，滑坡总体积为128.3×104m3，属于巨型滑坡。如图1、图2所示。

2.3工程滑坡发生的机理研究

2.3.1影响边坡稳定的内外因素

内因：膨胀岩土自身的特性。含有大量的亲水矿物，具有湿胀干缩的特性；遇水软化，导致岩土体自身的抗剪强度随含水量的变化而衰减；超固结性，边坡开挖后应力释放，形成卸荷裂隙； GDK283滑坡物质的成因复杂、孔隙大、结构疏松，易存储地下水。

外因：人工切坡破坏原有的自然平衡系统；降雨改变了土体的含水状态。

2.3.2滑坡变形机理

(1)初级胀裂破坏：路堑开挖后，原有地貌、自然排水系统及植被遭到破坏，边坡岩土体暴露于大气当中，雨季降水较多，蒸发量大，频繁干湿循环导致坡面大气影响深度加大，产生了大量的细小胀缩裂缝，雨水入渗导致土体抗剪强度衰减，在开挖卸荷应力、自重应力和膨胀力的作用下， 堑顶附近的土体向临空面发生蠕滑， 堑顶上方自然坡面出现了大量的张拉裂隙。

图1　GDK283滑坡工点平面

图2　Ⅲ-Ⅲ滑坡主轴工程地质断面

(2)剪切面扩张：由于强膨胀土具有初始变形快的特点，如不及时进行防护，坡体的一部分出现小规模溜坍。紧接着，变形裂隙向坡体纵深发展，到一定程度，又发生局部小规模滑塌，依此类推，坡体上各种力学性质的变形裂隙向纵深扩展、逐渐闭合， 形成圈椅状滑坡后壁，局部产生微小错台。但此时滑动面尚未贯通，坡体前缘尚未受压。

(3)滑体位移：降雨持续作用下，大气降水沿着圈椅状裂隙入渗到坡体中，使得孔隙水压持续升高、土体抗剪强度进一步衰减，膨胀潜势得以充分发挥作用，滑坡前缘受压隆起或剪切破坏，滑动面贯通，滑体形成并产生侧向位移，最终导致滑坡的发生。

由于内外因素的综合作用，形成延吉盆地膨胀岩(土)特有的“蠕滑拉裂， 梯级牵引， 大雨大动， 无雨微动”[5]的独特病害特征。

2.4滑坡形成区工程地质特征

滑坡的形成与延吉盆地内特殊的地形、地质条件及自然气候环境关系密切： GDK283滑坡为堆积层滑坡，结构疏松、均匀性差、具有中～强膨胀性的黏性土夹角砾、碎石、块石及零星玄武岩孤石是其形成的物质基础。延吉盆地北部丘陵地带宽缓的地形，径流条件差，雨水易下渗，特别是边坡开挖时临空面因卸荷应力、自重应力和膨胀力的作用下而产生的裂隙更加剧了地表雨水的下渗，软化下部岩土体，使其强度急剧降低。本地区属严寒地区，春季积雪融化下渗更加剧了其工程性质恶化。

3　膨胀岩土边坡稳定性分析

3.1膨胀岩土边坡稳定性分析方法

边坡稳定分析之前，应根据岩土工程地质条件对边坡的可能破坏方式及相应的破坏方向、破坏范围、影响范围等作出判断，应同时考虑到受岩土体强度控制的破坏和受结构面控制的破坏。不同的滑面形态应选择不同的边坡稳定性计算方法。

(1)土质较均匀时，可按圆弧滑动法验算。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)建议采用简化毕肖普法进行计算

(1)

(2)

式中，Fs为边坡稳定性系数；Gi为第i计算条块单位宽度自重，kN/m；Ui为第i计算条块滑面单位宽度总水压，kN/m；Gbi为第i计算条块单位宽度竖向附加荷载，kN/m；Qi为第i计算条块单位宽度水平荷载，kN/m，方向指向坡外取正值，指向坡内时取负值；Φi为第i计算条块滑面内摩擦角，(°)；θi为第i计算条块滑面倾角，(°)，与滑动方向一致取正值，相反取负值；ci为第i计算条块滑面黏聚力，kPa；li为第i计算条块滑面长度，m；hwi、hw，i-1为第i及i-1计算条块滑面前端水头高度，m；γw为水重度，取10 kN/m3；i为计算条块号，从后方起编；n为条块数量。

(2)土层或岩层间存在软弱层时，应取软弱层面为滑动面进行验算，可按平面滑动公式计算。

(3)折线形滑动面建议采用传递系数隐式解法计算。

3.2膨胀土边坡稳定性计算的参数选择3.2.1采用简化毕肖普法计算

(1)在膨胀土边坡顶的张拉裂缝密布区，滑裂面按竖直线计算，忽略土的抗剪强度，只把这一深度的土体作为坡顶均布荷载计算；应计算边坡顶部的附加荷载(堆料荷载、机械设备的临时荷载等)。按简化毕肖普法计算时，以上两项均计入条块单位宽度竖向附加荷载Gib中。

(2)当边坡裂缝内有积水存在，裂缝内积水与滑带内地下水不连通时，按沿裂缝深度分布的静水压力计算，计入条块单位宽度水平荷载(Qi)，裂缝深度无实测资料时可取大气影响急剧层深度；若裂缝内积水与滑带内地下水连通，抗滑力需考虑按公式(2)计算的地下水浮力，下滑力可以忽略地下水浮力的影响，如公式(1)所示。

(3)水平膨胀力的取值方法

①膨胀力的作用深度：应取大气影响急剧层深度，可按大气影响深度值乘以0.45取用[3]。大气影响深度可根据湿度系数查表确定。

②水平膨胀力在大气影响急剧层内是随深度增加而增大的，在浸水过程的初期水平膨胀力达到一峰值后，随着士体的膨胀其密度和强度降低，压力逐渐减小至稳定值。根据前苏联的索洛昌的研究成果，在工程应用时，建议可不考虑水平膨胀力随深度的变化，取0.8倍的最大值进行设计计算。(水平膨胀力可以实测取得，若无实测资料也可根据有关研究成果取其竖向膨胀力的0.50～0.65倍。)

(4)应根据试验数据和当地经验考虑削坡卸荷应力释放、土体吸水膨胀后土体及结构面抗剪强度的衰减。c值应乘以折减系数n(n=0.6～0.8或根据地区经验)[2]。

(5)边坡稳定性安全系数可取1.2[4]。

3.2.2计算实例

以GDK283滑坡首次滑动为例进行：滑坡在GDK283+450～GDK283+493段左侧边坡开挖至两级半时发生，滑塌体宽约43 m，高约14 m，整个滑体呈舌形，滑体前缘翘起，滑动面出露。滑体由坡洪积黏性土夹玄武岩碎石、角砾构成。同时堑顶和坡面出现张拉裂缝，堑顶张拉裂缝宽0.5～1.0 m，坡面裂缝宽度10～30 cm，局部坡面鼓起，最远处裂缝位于堑顶以外30 m。

图3　边坡稳定性计算简图

根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)[4]采用简化的毕肖普法进行滑坡稳定性验算(图3)：坡洪积的土夹石地层分层困难，按圆弧滑动法验算；边坡顶的张拉裂缝密布区，把裂缝影响深度的土体作为坡顶均布荷载计算，计入条块单位宽度竖向附加荷载Gib中；水平膨胀力、裂隙中的静水压力计入条块单位宽度水平荷载(Qi)；应根据试验数据和当地经验考虑削坡卸荷应力释放、土体吸水膨胀后土体及结构面抗剪强度的衰减。c值应乘以折减系数n(n=0.6～0.8或根据地区经验)；边坡稳定性安全系数可取1.2。

根据勘察阶段试验资料，土的重度为19 kN/m3，竖向试验膨胀力为125 kPa，岩土快剪指标：黏聚力c=61.8 kPa，φ=9.5°。边坡顶部均布荷载取值Gbi=19×1.6 kPa，(裂缝深度1.6 m)；水平向外荷载包括水平膨胀力0.8×0.5×125 kPa和裂隙内积水的静水压力0.5×1.62×10 kPa，Qi=50 kPa。由于滑坡已经发生，滑动面已知，取边坡稳定安全系数为1，内摩擦角φ=9.5°，经反演法推算得到黏聚力c=48.5 kPa，约等于快剪指标61.8×0.8 kPa。与上述稳定性验算方法吻合。

3.2.3结论

铁路勘察设计阶段膨胀土稳定性评价，首先应对边坡可能的破坏方式及相应的破坏方向、破坏范围、影响范围等作出判断，并根据预测的滑动面形态选择合适的稳定性计算方法和计算公式；其次是综合考虑工程所处地区的工程地质与水文地质条件、环境气象条件与工程施工影响等因素，对勘察成果中的岩土强度参数进行修正；最后，依据计算的边坡稳定系数(Fs)，判断边坡的稳定性。

由于膨胀岩土的地域性很强、成因复杂、工程地质特性多变，在具体的工程实践中，尤其应分级及时支护，避免逐级牵引破坏演变为大滑坡，增加治理难度和工程投资。对于膨胀岩土高边坡应采用信息法施工、动态设计：建立监控网，根据边坡变形监测数据，预测边坡稳定状态，及时调整设计参数、设计方案和施工措施，是保证边坡工程设计施工质量与安全的重要环节；另可根据同一地区相同地层中已经发生的滑坡反算抗剪强度指标，以便用于边坡的稳定性分析和支护结构设计验算。

4　结语

延吉地区的膨胀岩土既有以白垩系泥岩及风化物为物质基础的膨胀岩，也有以黏性土夹角砾、碎石、块石及零星玄武岩孤石为物质基础的第四系堆积层。二者均具有中～强膨胀性，但堆积层结构疏松、均匀性差、含水量高、边坡稳定性更差，工程地质条件更为复杂。

GDK283工程滑坡形成原因除复杂的地质条件外，与工程施工息息相关，由于施工中未能分级开挖及时支护，浅层边坡蠕动滑塌破坏后长期处于无支护状态，堑顶边坡排水天沟排水不畅等原因，也是其逐渐牵引演变为大滑坡的重要原因。由于滑坡规模大、滑面深，控制了珲春方向桥梁工程的架梁工期，施工中采用围护桩加明洞、滑坡体上布置2排抗滑桩加泄水隧道的综合治理方案，工程实施完毕近1年以来滑坡体稳定，隧道工程运营安全。通过研究这些工程滑坡发生的机理，总结膨胀岩土的工程地质特征。考虑路堑顶部裂缝区的强度损失，水平膨胀力、裂缝内的静水压力，以及削坡卸荷应力释放、土体吸水膨胀后土体及结构面抗剪强度的衰减，充分利用勘察试验数据，综合考虑各种影响因素和边界条件，进行膨胀土的边坡稳定性分析验算，并在工程实践中予以验证。

[1]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].修订版.北京:中国铁道出版社，1999.

[2]铁道部第一勘测设计院.铁路工程设计技术手册·路基[M]. 修订版.北京:中国铁道出版社，1992.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50112—2013膨胀土地区建筑技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50330—2013建筑边坡工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

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Analysis of Landslide of Deep Expansive Soil Cutting in GDK283 Section on Jilin-Tumen-Hunchun High-speed Railway

WANG De-wen， YAO Rui-ting

(China Railway Engineering Design Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

The causes of the expansive soil of Jilin-Tumen-Hunchun high-speed railway in Yanji basin area are complicated， which makes it very difficult to evaluate slop stability due to the effects of terrain and geological conditions and natural climate environment， the poor engineering geological condition and the their serious impacts on deep cutting. In view of the engineering landslide of the deep expansive soil cutting in GDK283 section， this paper calculates expansive soil slope stability in consideration of various influencing factors and boundary conditions and based on the analysis of the mechanism of the engineering landslide， the summary of the engineering geological characteristics of expansive soil in Yanji area， and the full use of the survey and test data. The results are verified in engineering practice.

Jilin-Tumen-Hunchun high-speed railway; Yanji basin; Expansive soil; Stability analysis of slope

2016-03-07；

2016-04-27

王德文(1973—)，男，高级工程师，1995年毕业于河北地质学院水文地质与工程地质系，工学学士，E-mail：bskl936@163.com。

1004-2954(2016)08-0025-05

U213.1+4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.006