考虑滑带土膨胀力作用的某滑坡稳定性研究

2021-07-15熊扬福吕盛华

资源环境与工程 2021年3期

熊扬福，吕盛华，肖霞

(湖北省地质局第六地质大队，湖北孝感 432000)

滑带土是在滑坡的发生和发展过程中遭受挤压、剪切、搓揉、研磨，于滑带处在特定的物理化学条件下所形成的呈可塑状、软塑状甚至流塑状的岩土体[1]，通常由碎屑矿物(石英、长石、云母、方解石、石膏等)、粘土矿物(伊利石、高岭石、蒙脱石和绿石泥等)以及一些非晶物质组成[2-4]。发育在粘土层地区的滑坡，其滑带土中粘土矿物含量更高。众所周知，含有大量粘土矿物的岩土体一般称为膨胀土，膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩、易风化与崩解、多裂隙、超固结和强度衰减等特性[5]。因此，在季节性降雨期间，当滑坡的变形受到抑制时，其滑带土会沿滑面方向反向产生膨胀力，会在水平方向上产生一个水平推力，不利于滑坡的稳定。

目前，对于膨胀土边坡研究较多，但前提是采用一定的手段探讨膨胀土的力学相关性质。膨胀土的膨胀性在实际工程中一直颇受重视，主要是采用自由膨胀率试验、侧向约束膨胀率试验及膨胀力试验等试验手段来进行研究。目前的研究结论基本一致，认为上覆荷载、含水率以及干密度等因素对膨胀特性的影响较大[6-10]。同时，研究人员对于膨胀土边坡稳定性的求解也提出了多种方法，如杨文琦等[11]在传统的剩余推力法中引入膨胀力项，推导出了适用于膨胀土边坡的滑坡稳定性系数计算公式；周炳生等[12]以秦淮东河膨胀土边坡为实例，推导出基于整体刚体的静力平衡的边坡安全系数求解公式；郑长安通过室内试验，将非饱和状态下的强度参数及膨胀力表示为土体含水率的函数，提出考虑多种因素的膨胀土稳定性分析方法[13]。

本文以宜昌市猇亭区某滑坡为例，在不同含水率条件下进行滑带土的膨胀力试验，基于条分法推导出考虑膨胀力作用的稳定系数表达式，对滑坡的稳定系数进行计算，并与同种工况下不考虑膨胀力作用时计算出的稳定系数进行比较，进而研究滑带土对滑坡稳定性的影响。

1 滑坡概况

研究区滑坡位于湖北省宜昌市猇亭区，该滑坡在平面上呈“舌形”，顺坡向长319 m，宽165 m，主滑方向为292°，主要为人工填土形成的推移式土质滑坡。滑坡后缘高程为148 m，前缘高程为120 m，坡高为28 m，地形坡度约为8°。滑坡厚度为7.5～21.0 m，面积为4.35×104m2，总体积为50.3×104m3。

该滑坡位于宜昌斜坡老第三系、第四系分布区，地貌上位于长江河谷Ⅳ级阶地之上。滑坡处原为冲沟，后规划为厂区用地。自2010年开始对冲沟进行了大量土方回填，最大回填厚度达30 m，滑体主要为卵砾石夹粘土(照片1)，结构松散。

照片1 滑体物质成分Photo 1 Material composition of sliding body

该滑坡整体沿人工填土底界面滑动，滑移面剖面形态总体呈弧型，滑面倾角约6°～12°，向前缘呈平缓局部反翘，沿下部粘土层剪出。滑带土为黄褐色、灰白色粘土，夹少量砾石，一般呈软塑状(照片2)。粘土主要物质来源为老第三系上部的具有膨胀性的粘土岩风化而成，含有高岭土、蒙脱石、伊利石等矿物，在滑坡前缘可清晰看到剪出的灰白色粘土层(照片3)。人工填土下伏岩层为老第三系粘土岩层和砂泥岩互层，局部为第四系粉质粘土夹卵石层。

照片2 钻孔中滑带土Photo 2 Sliding zone soil in borehole

照片3 滑坡前缘剪出口物质Photo 3 Material at shear exit of landslide front

目前该滑坡的变形主要表现为人工填土下座变形，并形成多级下座，目前仅在后缘附近保留有局部下座平台(照片4)。滑坡变形导致滑体不断向西推移，沿途房屋、挡墙、公路路面等基础设施均遭到破坏，残留物随滑体一并西移。自2010年以来，随着后缘不断填土加载，滑体已逐渐向西推移300 m，并造成20余户民房倒塌和大量农田、公路被毁。

照片4 魏家湾滑坡局部土体下座变形Photo 4 Deformation of local soil mass in Weijiawan landslide

2 滑带土膨胀力试验

2.1 滑带土基本物理指标

土体基本物理指标一般包含比重、天然含水率、饱和含水率、塑限、液限、塑性指数等，取不同钻孔中3组滑带土试样，通过室内常规试验，得到其基本物理指标(表1)。

表1 滑带土基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of sliding zone soil

另取部分样品进行X射线粉晶衍射实验，分析其矿物组成成分，分析结果表明，滑带土矿物组成为：蒙脱石(70%)、长石(15%)、伊利石(10%)、石英(2%)、绿泥石(2%)及其它(1%)。

2.2 试验方案及方法

根据基本物理试验，滑带土的天然含水率为17.1%～32.3%，饱和含水率为36.0%～40.7%。为了研究初始含水率对膨胀性的影响，在制样时控制其干密度为1.6 g/cm3，制备含水率分别为15%、20%、25%、30%、35%的环刀样，试样直径为76 mm，高20 mm。

根据规范[14]，采用平衡加压法测量膨胀力的大小，试验装置如图1所示，具体操作步骤详述如下：

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

(1) 将试样放入内壁涂有凡士林的膨胀室内，在试验装置底部放置透水石，上部加盖圆形透水板。

(2) 在透水板上安装力传感器，连接数显仪和电脑，实现数据的自动采集；在力传感器顶部加盖荷载板，当荷载板与重量传感器顶部完全接触时，旋转下方限位螺丝使两者固定在同一平面上；然后旋转上方限位螺丝，固定荷载板的位置来达到试验恒体积的目的。

(3) 由于上方初始荷载使力传感器受到力的作用，需通过数显仪实现归零。

(4) 打开电脑数据采集软件，调整量程。

(5) 缓慢地向圆形积水槽中注入水，直至淹没上部透水板。

(6) 点击数据采集软件开始按钮，进行数据采集。

2.3 试验结果

对试验结果进行整理，绘制了不同初始含水率试样的膨胀力时程曲线(图2)。试样的膨胀力随着时间的增长而变大，最终达到一个稳定值。膨胀变形曲线可以分为三个阶段：①等速膨胀阶段，该阶段膨胀力迅速增大，持续时间较短；②减速膨胀阶段，此阶段试样膨胀力的增大趋缓；③稳定阶段，此阶段膨胀力时程曲线接近水平，膨胀力基本不发生变化。以上三个阶段分别对应图2中的0—2 h、2—10 h、10—24 h。随着初始含水率的增大，膨胀力逐渐减小，当含水率为15%、20%、25%、30%、35%时，在24 h膨胀力已基本达到稳定，分别为115.3 kPa、82.5 kPa、63.2 kPa、41.2 kPa、17.6 kPa。

膨胀力是土体吸水时导致土体内部粘土矿物体积增大所产生的内应力，影响其大小的因素很多，主要有土体的矿物成分、内部结构、初始含水量、干密度等。基于试验数据，对膨胀土的最大膨胀力与初始含水率的关系进行了研究(图3)，发现膨胀力随着初始含水率的增加呈线性减小，当含水率由15%增至35%时，膨胀力由115.8 kPa减小至17.6 kPa，降幅为84.80%。

图3 膨胀力与初始含水率关系图Fig.3 Relationship between expansion force and initial moisture content

3 滑坡稳定性研究

基于上述试验可知，滑带土最大膨胀力随初始含水率的增加而逐渐降低，在客观条件下会对滑坡的稳定性有所影响，但影响到底多大是一个值得研究的问题。本文采用极限平衡法，研究滑坡滑带土在不同初始含水率条件下，膨胀力对其稳定系数的影响。

3.1 基于条分法推导稳定系数公式

对于某一边坡，假设滑动面为圆弧状或近似圆弧状，将滑体划分为土条，任取某一土条i进行受力分析，如图4所示。土条的宽度为bi，左右两侧高度分别为Hi和Hi+1，土体的内摩擦角和粘聚力分别为φ和c。

图4 土条受力及膨胀力分析图Fig.4 Analysis chart of soil strip stress and expansion force

由图4可知，作用在土条上的有土条的自重Wi、土条底部的切向力Ti和法向力Ni、条件作用的竖直切向力Yi和Yi+1、水平法向力Ei和Ei+1。考虑滑带为膨胀土，则在滑体底部会产生切向力PTi和法向力PNi。在底部滑动面上取任一土单元体(如图5所示)，将均匀分布在土条底边上的膨胀力按应力分解得到切向分量pTi和pNi，其大小和方向由水平膨胀力集度pxi和竖向膨胀力集度pyi和滑面倾角αi来确定。即：

图5 土条底部膨胀力分解应力圆Fig.5 Stress circle of expansion stress decompositionat the bottom of soil strip

针对膨胀土边坡，诸多学者也考虑了膨胀力的边坡稳定性计算方法。司光武[15]等研究了含水率与土体重度、强度和膨胀力间的关系，基于条分法建立了计算模型，推导了稳定系数计算公式。

基于瑞典条分法的稳定系数计算公式为：

(1)

基于毕肖普条分法的稳定系数计算公式为：

(2)

基于简布条分法的稳定系数计算公式为：

(3)

式中：Fs为稳定系数；Wi为条块自重；φ为内摩擦角；c为粘聚力；bi为土条宽度；αi为土条底角度；Yi为土条两侧竖向切应力之差；PTi为土条底边膨胀力的切向分量；mαi=cosαi+tanφsinαi/Fs

3.2 滑坡稳定性计算过程

3.2.1计算模型

选用所研究的滑坡纵向剖面图，通过合并物理力学性质相近的岩层来简化剖面，以便于计算。基于Geo-Studio软件对滑体进行条分，一共划分为24个土条，土条最大宽度为18.755 m，最小宽度为3.46 m(图6)。

图6 滑体条分计算图Fig.6 Slice calculation diagram of sliding mass

3.2.2计算工况

结合上文的膨胀力试验方案，共开展了5种不同含水率的膨胀力试验。对该滑坡稳定系数进行计算时，其膨胀力的大小直接取膨胀力试验中最大膨胀力。因此，相对应的也设计了5种工况，不同工况下的膨胀力数值如表2所示。

表2 不同工况下膨胀力数值Table 2 Numerical simulation of expansion force underdifferent working conditions

3.2.3计算参数

根据勘察报告及地区经验，该滑坡的滑床及滑体材料参数如表3所示。而滑带的材料参数则根据室内的残余剪切试验得到，结果见表4。

表3 滑床及滑体材料参数Table 3 Material parameters of sliding bed and sliding body

表4 滑带土参数Table 4 Parameters of sliding zone soil

3.3 滑坡稳定性计算结果

根据基于瑞典条分法、毕肖普条分法、简布条分法推导出的稳定系数计算公式(1)-(3)，对滑坡的各条带进行求和计算。由于目前在Geo-Studio无法直接考虑滑带土的膨胀力来计算滑坡的稳定性，导出滑坡划分的25个土条的参数，在EXCEL表中进行统计计算，稳定系数计算结果如表5所示。

表5 稳定系数统计表Table 5 Statistical table of stability coefficient

将基于上述三种方法计算得到的稳定系数，绘制成稳定系数与滑带土初始含水率的关系图(图7)。由图7可知，在考虑膨胀力的作用下，滑坡的稳定系数随着滑带土初始含水率的增大而减小，且含水率<25%时，稳定系数减小明显；当初始含水率由15%增加到25%过程中，三种计算方法的稳定系数分别降低了1.187、1.340、0.787，降低幅度分别为48.21%、48.46%、31.08%；而初始含水率>25%后，稳定系数减小幅度变小，三种计算方法计算出的稳定系数的差距逐渐减小；在初始含水率为35%时，三种计算方法计算出的稳定系数分别为1.022、1.082、1.089，相差较小。