膨胀土地区临时边坡破坏特征及主要影响因素研究

彭义峰, 江 妤, 方 平, 陈汉宝, 黄定强

(湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430064)

膨胀土地区临时边坡破坏特征及主要影响因素研究

彭义峰, 江 妤, 方 平, 陈汉宝, 黄定强

(湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430064)

鄂北地区水资源配置工程孟楼—七方段倒虹吸长72.08 km,开挖高度7～15 m。该段临时边坡主要由弱膨胀性粘性土组成,其开挖临时边坡坡比大小直接决定开挖回填工程量和临时占地面积大小,从而影响工程造价。通过现场开挖试验研究,总结膨胀土边坡破坏特征,分析影响边坡稳定因素,主要有边坡坡高、边坡坡率、降雨、地表水及附近坡顶荷载等因素,其中降雨是控制变形、破坏的最为重要的因素。通过稳定性评价分析,提出临时开挖边坡设计优化的建议和安全防护措施。

膨胀土;临时边坡;破坏特征;影响因素

膨胀土系指土中粘土矿物成分主要由亲水矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩干裂两种特性，且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘土[1]。因其吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特性，常常导致工程边坡失稳，而影响工程的正常运行总体来看，在膨胀土地区的永久性边坡支护方面研究颇多，临时边坡稳定研究很少。而鄂北地区水资源配置工程存在大量临时开挖边坡，因此，对膨胀土临时边坡破坏形态影响因素进行研究是非常必要的。

1 工程概况

鄂北地区水资源配置工程是以丹江口水库为水源,向鄂北地区供水,解决该地区干旱缺水问题的大型水资源配置工程。渠首设计引水流量为38 m3/s,线路总长度269.34 km;其中孟楼—七方倒虹吸长72.08 km,开挖高度7～15 m,土方开挖工程量约1 600万m3。主要分布弱膨胀土。该段主要设计为三根同槽内径3.8 mPCCP管供水(倒虹吸),管道埋深一般为7 m左右,最大埋深15 m,设计边坡高度<8.0 m的临时开挖边坡坡比为1∶1;开挖深度>8 m的开挖边坡坡比为1∶1.5,>8 m每8.0 m设一级2.0 m宽马道。

为了研究膨胀土地区临时边坡破坏类型、影响因素及稳定性评价,本次选定桩号55+340～55+500、55+860～56+020、56+940～57+000三段进行生产性开挖试验研究。

2 试验段地质概况

试验段位于襄枣盆地腹地,微地貌单元属岗、波状平原地貌,相对高差一般<20 m。地面高程136.3～120.1 m。

试验段内的膨胀土裂隙不发育,开挖过程中粘土均呈团块状。开挖暴晒一个星期,局部可见垂直失水的裂隙,深度25～30 cm不等,主要分布于边坡顶部边缘地带。

开挖后在有地表水试验段的边坡局部有水渗出,其中在安装多点位移计时,南侧的多点位移计的孔位有大量水流。开挖后,边坡表层局部出现干燥垂直裂隙,在裂隙处有地下水流出。由于本区地势低洼,试验段形成后,该处更是地表及地下水汇集处。因此在坑底东侧排水沟长期有水汇集,需要时刻抽排。根据一个水文年的观测数据显示,地下水位埋深一般5～6 m,受周边水体影响明显。

3 边坡变形(破坏)特征

通过本次试验观测,本试验段内边坡变形(破坏)的特点如下:

3.1 浅层性破坏特征

通过观测,边坡的破坏模式均为浅层性破坏,破坏首先出现在桩号55+860～56+020高边坡段,出现部位为一级马道处,第一次破坏的后缘宽度(水平)最大30～40 cm(照片1),破坏范围仅限于临时边坡马道的上部,坡下部处于稳定状态,属于典型浅层边坡破坏类型。从实测最终的破坏坡面来看,垂直于坡面的最大厚度2.0 m左右,其多点位移计最浅埋深距离坡面5 m,其观测数据未受到影响。

照片1 膨胀土破坏特征照片Photo 1 Photographs of failure characteristics of expansive soils

3.2 破坏规模特征

通过40多天的现场观测,其边坡经过了多个降雨周期,脱坡主要分布在坡肩或马道边缘,其脱坡范围较小,滑塌体方量有限,从>8 m边坡的1∶0.75坡比的破坏实测结果显示,其破坏最严重段的单位长度滑坡体体积不超过3.0 m3,其坡脚堆积宽度一般未超过2.0 m。实际安装管道时,仅需要稍微清理即可安装。总体上边坡破坏的规模特征较小。

3.3 边坡破坏的滑动面形态特征

临时边坡在发生破坏后,其所有的破坏处的后缘上部多呈垂直状。前缘多位于第二层与第三层分界点处,边坡下部未破坏;这些现象说明边坡破坏属于土的膨胀作用控制下的浅层破坏模式,多次降雨后,由表及里逐渐破坏。其破坏的机理是雨水渗入风化裂隙,导致土体含水量增大,从而吸水膨胀,并反复胀缩变形,使土体的强度降低;此时在坡体裂缝内产生静水压力和边坡土体自重作用下,边坡产生了浅层滑动[2]。

4 影响边坡稳定的主要因素

4.1 边坡地质结构

4.1.1 地质结构

本段临时边坡均为弱膨胀性土层,根据对试验段边坡的素描,其边坡从上至下可分为3个层。

第①层:颜色多呈灰黄色、黑褐色。裂隙不发育,但是失水后表层局部偶见张开裂隙,宽度1～2 mm,深度较浅。厚度1.5～2.5 m。自由膨胀率40%～50%。

第②层:黄色夹灰白色,厚度2～4 m,裂隙不发育,被雨水淋湿后极其明显灰白色。局部含有灰白姜结石,自由膨胀率45%～55%。

第③层:黄色粘土,局部夹较多白色姜结石,局部每平方米可见10～20个,姜结石直径1.5～3.0 cm,成分主要为泥钙质。厚度>5 m(未揭穿),裂隙不发育。自由膨胀率40%～50%。

4.1.2 土层膨胀性

本次对各个土层进行了取样,其分层基本相似,其含水量、膨胀性等指标统计见表1,从其结果来看其自由膨胀率最小值31%,最大值54%,平均值都是44%～47%左右,属于弱膨胀土。含水量一般16.9%～26.5%之间,其中第三层平均值17.6%,第一、二层平均值21.0%～22.5%;说明其下部含水量低于上部。

表1 试验段主要土层物理力学指标统计表Table 1 Physical and mechanical indexes of soil layer in test section

总体上试验段的地层均属于弱膨胀性土层,具有膨胀土的特征,其第二层膨胀土的膨胀性略大于第一层和第三层。根据试验段边坡观测情况,边坡破坏主要分布在第二层膨胀土,表明土体的膨胀性是控制边坡稳定的内在因素之一[3]。

4.2 降雨对边坡影响

通过本次试验观测,边坡破坏与降雨、降雨量大小、降雨时间等都相关,具体情况如下:

4.2.1 边坡破坏与降雨相关

通过对三个试验段的观测,其边坡的破坏均与降雨有关,均发生在降雨期或降雨后,例如6月16日2#边坡南侧首先出现破坏,到后期3个试验段均出现了破坏等。

4.2.2 边坡破坏与降雨量大小相关

选取桩号55+980地表观测数据和降雨量的数据叠加(图1),从其变形曲线来看,在6月16日,其变形数据突然增加,降雨量达到25.8 mm,属于大雨范畴,也观测到该段边坡马道边缘开始出现边坡破坏。7月15日降雨量达到85.6 mm,属于暴雨范畴,其变形突然剧增,观测到边坡全面破坏,即位于马道的观测墩遭到破坏,当时终止了观测。

图1 2#边坡55+980处断面监测数据与降雨量关系Fig.1 Relationship between monitoring data and rainfall in 2# slope,55+980 section

4.2.3 土层深部变形与持续降雨相关较大

多点位移计观测成果如图2。从变形曲线上来看,其特征如下:①在6月14—17日降雨后期有一个相对较大变形。②6月23—30日降雨期间,由于持续了一个星期阴雨天气,其观测到变形数据持续增大,而到雨停了,后面变形一直延续到7月4日。③7月5日暴雨后,未观测到明显变形。

综上所述,持续的降雨能导致膨胀土内部的变形且变形有一定持续性和滞后性,而暴雨对其深部变形的影响不大,主要原因是持续降雨导致雨水更容易渗入到土层深部,从而导致变形趋势明显。

图2 内部多点位移数据与降雨量关系曲线Fig.2 Relationship between internal displacement data and rainfall

4.3 地表水对边坡的影响

地表水对边坡的影响主要为原地表长期存在地表水和降雨形成的临时地表水。

4.3.1 原地表水体对临时边坡影响

根据开挖过程中的观察,试验段其东段边坡局部有水渗入,但是无明显地表水流,只是渗水点的边坡面长期呈现湿润状态。在安装多点位移计时,其孔内有水流出,流量约0.5 L/min,说明该试验段土层中地下水较为丰富;本次实验测定其土层含水量一般23%～26%,也略高于1#和2#试验段。经历了6月14—17日降雨周期,然后进行地质素描,素描时,本次降雨致使其边坡出现局部破坏现象,但是规模不大。

4.3.2 暴雨形成地表水对边坡的影响

从现场3#试验观测来看,该段属于地势低洼地带,降雨过程中附近地表汇流沿着坡顶向试验段内排泄,冲刷导致边坡破坏,雨水冲刷处边坡出现滑坡,规模相对较大。

另外在从1#和2#试验来看,其试验段的临时边坡在暴雨后也全面出现破坏,其破坏范围较大,破坏深度受雨水冲刷深度影响,但均为浅层破坏,基本属于雨水渗透深度和冲刷深度范围内的浅层破坏(照片2)。虽然降雨期间其基坑有很多积水,但是未观测到,因为坑底积水导致边坡深层滑动。

照片2 暴雨中淹水及冲刷照片Photo 2 Photographs of flooding and washout in rainstorms

4.4 边坡坡率影响

边坡的设计坡率对临时边坡影响十分明显,一般来说,边坡坡率越陡越容易破坏。本次对3个试验段均选择了三种坡率进行对比试验。其观测主要成果如下:

(1) 坡高<8 m无水试验段,坡比1∶1、1∶0.75及1∶0.5边坡总体稳定,观测期未见明显脱坡现象,观测数据显示,其变形量也相对较小。局部有浅层冲刷破坏是由暴雨所致。

(2) 坡高<8 m有水试验段,坡比1∶0.5边坡在施工完成又经历了第一个降雨周期后,素描时出现局部破坏问题。而坡比1∶1和1∶0.75的边坡未出现。

(3) 坡高>8 m无地表水边坡试验段中,1∶0.75和1∶1边坡的马道均出现浅层边坡破坏。1∶1.5边坡北侧彩条布覆盖边缘,桩号55+860～55+880段由于坡顶水流集中从此处汇流冲刷,导致该处边坡出现破坏。彩条布覆盖段未出现破坏,1∶1.5边坡南侧自然状态未出现破坏。

总之,坡高<8 m的临时边坡,设计坡比1∶1.0的边坡基本稳定,>8 m设计1∶1.5边坡也基本稳定,但是坡顶必须做好排水,坡面在雨季最好进行覆盖保护,防止暴雨冲刷破坏。

4.5 边坡高度影响

由于3#试验段位置特殊,且受地表水影响较大,因此研究坡高影响选择1#和2#试验段进行对比。

(1) 1#和2#试验段一般刚开挖完成后,没有遭遇降雨情况下,未观测到边坡破坏。

(2) 第一次相对较大降雨(6月14—16日降雨)后,仅2#高边坡试验段1∶1边坡率先出现破坏,而其余边坡未出现破坏。

(3) 在随后的几场降雨中,1#和2#试验段坡率较陡边坡均出现破坏,但是其破坏规模2#明显大于1#边坡。

从以上观测到的现象说明,高边坡更容易出现破坏现象,且破坏规模也相对较大。

4.6 坡顶荷载影响

本试验段一侧紧邻施工区,其中2#试验段正位于交通要道的路口,施工道路位于试验段南侧。试验段观测期间施工道路上有运土车、挖掘机及震动碾压机等重型机械施工。因此在6月16日降雨后,首先出现边坡破坏的地方就是2#试验段南侧紧邻施工道路的1∶1边坡,而不是北侧更陡的1∶0.75的边坡。

由于施工道路的重型车辆的自重荷载和动荷载的作用,致使2#试验段南侧边坡的土层被震动松弛,产生了微小裂隙,导致雨水更容易入渗。因此该段率先出现滑坡现象。因此坡顶荷载也影响边坡的稳定问题[4]。但是一般在晴好天气,施工车辆运行过程中并未观测到边坡破坏现象发生,因此对于临时边坡,其中坡顶荷载首先导致边坡先产生裂隙,使得雨水更容易入渗,由于雨水的渗入,其膨胀土迅速吸水膨胀,从而导致边坡的破坏。

5 临时边坡稳定性分析评价及优化建议

5.1 临时边坡破坏特征对比分析

根据设计本试验段管槽基底开挖深度<8.0 m的管段临时开挖边坡为1∶1,开挖深度>8 m的管段临时开挖边坡1∶1.5,每8.0 m设一级2.0 m宽马道。其各段破坏状况见表2。

从观测成果对比来看,边坡破坏主要特征如下:

(1) 从最终结束试验的整体破坏情况来看,破坏规模是3#>2#>1#,其中3#主要受地表汇流冲刷原因导致,不考虑雨水冲刷原因,表现为高边坡破坏大于低边坡。

(2) 三个试验段边坡比设计坡比更陡的临时边坡在未经历降雨时,均未出现边坡的破坏,说明比设计边坡更陡的临时边坡也具有一定的临时稳定性。

(3) 通过对各个覆盖彩条布临时边坡的观测,1#试验段的三种边坡均稳定;2#试验段的1∶1.5和1∶0.75边坡也基本稳定(局部由于暴雨冲刷出现破坏);3#试验段1∶1.0、1∶0.75边坡也基本稳定。其北侧1∶0.5临时边坡在暴雨后被雨水冲刷,导致覆盖段失效从而出现破坏。总体上覆盖彩条布的临时边坡在短时间内是基本稳定的。

表2 边坡破坏情况一览表Table 2 List of slope failure conditions

5.2 稳定性评价

5.2.1 计算模型及参数取值

(1) 参数取值:参数选用分为三组,分别为室内试验参数,按南水北调中线膨胀土参数取用标准选用折减残余强度参数,初步设计阶段试验残余强度参数,参数取值见表3。

(2) 地质结构:地层的计算分层根据本次素描,初步划分为3层计算,其中表层厚度按2～3 m厚左右,第二层为2～4 m,以下为第三层。

(3) 地下水位:地下水位取表层涨缩裂隙发育带中的自由水位埋深计算,根据鄂北初步设计阶段的长观资料显示,地下水位埋深一般2～8 m,地势高的水位埋深稍大于地势低洼的地段,所以本次计算模型的地下水位取值为:边坡高12 m的取4 m水位埋深,边坡高15 m的取5 m水位埋深。

表3 稳定计算取值参数表Table 3 List of stability calculation parameter

注:1) 表中折减系数,弱膨胀土C值取室内峰值55%,φ取峰值70%进行折减;2) 表中*参数为原设计报告的小值平均值—平均值的中间取值参数。

采用理正边坡分析软件及瑞典圆弧法进行计算,计算模式采用自动搜索滑动面,不考虑地震等条件,计算结果见表4。

5.2.2 稳定性评价

通过计算其安全系数见表4。

表4 理论计算安全系数Table 4 Safety factor of theoretical calculation

从计算成果来看,主要有以下特征:

(1) 采用现场取样的试验值和折减值计算边坡安全系数均满足临时边坡安全系数要求。

(2) 边坡坡高12 m的安全系数略大于坡高15 m的安全系数。

(3) 全部采用室内试验的残余强度进行计算,均不满足临时边坡安全系数要求。从实际施工周期来看,其边坡地层为粘性土,属于不透水层,雨水入渗强度较低,实际上都用残余强度来计算边坡稳定性不合理,从5 km长的管槽开挖来看,其临时边坡多采用1∶1边坡开挖,也未出现重大边坡失稳问题,说明采用残余强度来分析评价临时边坡稳定性是不合理的。

(4) 根据规范要求,施工期临时边坡稳定计算参数一般采用快剪试验指标,根据南水北调中线经验,以及本次观测成果,建议膨胀土临时边坡稳定分析采用折减参数进行分析与实际较为吻合。

5.3 边坡优化的建议

通过试验段的长期观测和生产性试验项目的实施现状来看,原设计的临时边坡坡比能保证基坑安全和正常的施工作业。局部段有浅层脱坡现象均是降雨渗透或冲刷所致,而且这种局部坡坏不影响基坑边坡的总体稳定,对正常的施工也基本无影响。因此,在边坡高度小、地下水或地表水体对边坡无影响的区段,临时开挖边坡坡比的设计还有优化的空间。对于弱膨胀土段的基坑开挖建议如下:

(1) 对于膨胀土临时边坡的开挖试验来看,无地表水分布段的设计边坡均具有一定优化空间,一般来说坡高<8 m,开挖坡比不宜<1∶0.75;>8 m或<12 m时,不宜>1∶1.0。优化前置条件应结合现场开挖的地质条件与天气状况来确定,且PCCP安装的作业时间应不超过10 d。

(2) 对于附近存在地表水体或地下水位较高且水量较丰富的区段,临时开挖边坡坡比建议为1∶1.0,该类边坡不具备优化条件,且在该段施工中必须做好排水措施及临时边坡保护措施。

(3) 所有开挖边坡在晴天施工,可不采用彩条布覆盖;在雨季作业时坡顶做好截水、排水措施,防止地表水或大气降水对开挖边坡的渗透、冲刷,建议在坡顶一定范围内(5 m左右)及坡面采取彩条布覆盖等临时防护措施。

6 结论与建议

通过本次现场开挖试验研究,主要结论与建议如下:

(1) 三个试验段的地层均属于弱膨胀性土层,具有膨胀土的典型特征。第二层膨胀土的膨胀性略强于第一、三层,同时现场也观测到该土层首先出现破坏现象,因此膨胀性是导致临时边坡破坏的主要内在因素。

(2) 影响边坡稳定因素主要有边坡坡高、边坡坡率、降雨、地表水及附近坡顶荷载等。其中降雨是控制变形、破坏的最为重要的因素。

(3) 局部段边坡破坏类型为膨胀作用控制下的浅层破坏,规模较小,未发现深层滑坡。根据观测,边坡破坏最大垂直坡面的深度不超过2 m。不会出现深层滑动从而影响PCCP管的基础。

(4) 对于开挖边坡高度<8 m,且附近无地表水体、地下水不丰富的区段,设计时根据需要可进行坡比的优化,具体优化应根据施工开挖地质条件、坡高及天气条件确定,但附近存在地表水体或地下水位较高且水量较丰富的区段,不存在优化空间,且必要时要采取排水措施及坡面反滤保护措施。

(5) 采取简易成本低廉彩条布的覆盖措施是有效的,能提高施工效率和节约建设成本。

[1] 程展林,李青云,郭熙灵,等.膨胀土边坡稳定性研究[J].长江科学院院报,2011,28(10):102-111.

[2] 刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[3] 董忠萍,黄定强,陈汉宝.引江济汉工程区膨胀土工程特性研究[J].人民长江,2010,32(7):1071-1075.

[4] 廖世文.膨胀土与铁路工程[M].北京:中国铁道出版社,1984.

(责任编辑：陈姣霞)

Study on Failure Characteristics and Main Influencing Factors ofTemporary Slope in Expansive Soil Area

PENG Yifeng, JIANG Yu, FANG Ping, CHEN Hanbao, HUANG Dingqiang

(HubeiProvincialWaterResourcesandHydropowerPlanningSurveyandDesignInstitute,Wuhan,Hubei430064)

The length of inverted siphon is 72.08 km,and the excavation height is 7～15 m of Menglou-Qifang section in the project of water resources allocation in the Northern Hubei Province. The temporary slope is composed of weak expansive clay,the amount of excavation backfill and temporary floor spaces are directly determined by the size of the temporary slope ratio,thereby affecting the cost of the project. In this paper,the failure characteristics of expansive soil slope are summarized and the factors of slope stability are analyzed by on-site excavation test,slope height,slope ratio,rainfall,surface water and load near the top of slope is the important factors to control the deformation and failure,and the greatest influence factor is rainfall.Some optimization proposal and safety protection measures are mentioned in temporary excavation slope design through the analysis of stability evaluation.

expansive soil; temporary slope; failure characteristics; influence factors

2017-06-09;改回日期:2017-07-04

彭义峰(1973-),男,高级工程师,地质勘查专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:149264061@qq.com

TU443

A

1671-1211(2017)04-0436-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.018

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1325.012.html 数字出版日期:2017-06-20 13:25