静力触探推测滑裂面技术在滑坡治理中的应用

詹旺林，雷 声，高 鸿

(1.江西省九江市水利电力规划设计院，江西 九江 332000;2.江西省水利科学院，江西 南昌 330000)

当滑坡发生时，通过各种方法找出滑裂面的位置，对分析滑坡产生的原因，及时制定行之有效的治理方案是十分重要的。有关滑裂面识别及推测的方法不少，但系统的论述不多。2010年中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院工程地质力学重点实验室的胡瑞林、王珊珊，在工程地质学报上发表《滑坡滑面(带)的辨识》。论文从方法的确定性将滑裂面的辨识方法分为2类:一类为确定性方法，包括野外地质判识法、勘探识别法和位移观测法;另一类为非确定性方法，包括简易力学识别法、地球物理勘探法和数值模拟法[1]。

由于位移观测法、地球物理勘探法和数值模拟法对设备及人员的要求较高，在小型滑坡现场往往较难实现。因此，在实际应用中，对于不存在明显结构面的土质边坡，非确定性方法主要是采用边坡稳定计算软件寻找滑裂面的力学识别法。确定性的方法主要是采用野外地质识别和勘探识别法，其中挖探坑或钻孔取芯是最常用的勘探识别法[2]。但是在软土地层上修建大坝或堤防时，往往容易发生沿最大剪应力带的剪切破坏。此种破坏形式，滑坡发展迅速、滑动带层厚较薄、滑裂面较深。由于滑裂面深，因此探坑工作量较大；又由于滑动带层厚较薄，地质钻孔往往很难准确找到滑裂面的位置。本文根据滑裂面土体产生了剪切破坏、土体发生重塑的特点，提出了利用静力触探寻找滑裂面的勘探识别法。

1 滑坡险情概况

1.1 险情概况

某城区3级堤防，堤顶高程21.75m，堤顶宽6.0m，上游设0.8m高钢筋砼防浪墙，上、下游边坡均为1∶3，下游15.0m高程处设25m宽二坡台。

为了缓解城区交通压力，需要在下游二坡台处修建市政道路。由于路基为淤泥质土，需进行开挖置换，以满足承载力要求。在路基开挖过程中，大堤下游边坡发生滑坡险情，滑坡平面呈圆弧形，纵向长160m，横向宽度25m，分布面积4000m2，估算滑坡体积约2.0万m3。

1.2 地质情况

堤身填土：砖红色，主要由粉质黏土组成，见灰白色黏土团块，局部含少量碎石，土质较均匀，干燥-稍湿，揭露层厚2.5～8.2m。现场注水试验渗透系数K=8.33×10-5cm/s。

堤基填土：上层为粉质黏土，灰黑色，硬可塑状，槽壁面光滑，韧性较好，干强度较高，具轻微腐臭味，稍湿，现场注水试验渗透系数K=4.52×10-5cm/s；下层为淤泥质粉质黏土，灰色、灰黑色，含水量高，软塑-软可塑状，承载力低[3]。各土层力学指标见表1。

表1 各土层物理力学指标建议值表

1.3 原因分析

经过现场实地勘察及查阅相关设计、施工资料，认为产生滑坡的原因有以下几个方面：

(1)路基开挖及下游堤脚水塘被快速排干导致下游坡脚阻滑力减小。

(2)在堤坡上堆填开挖土料，加大了边坡荷载，增加了下滑力。

(3)路基基坑边坡开挖成直立临空面，造成基坑边坡局部失稳坍塌，边坡坍塌导致堤坡土体应力调整，土体的力学指标下降。

(4)堤脚开挖路基后，堤坡处于临界稳定状态，施工机械震动造成的扰动加速了滑坡的发展。

2 滑裂面分析与推测

为了制定切实可行的加固措施，必须要查清本次滑坡险情的滑裂面位置，以便对滑裂面采取有针对性的加固措施。在滑坡现场一般可通过滑坡体前、后缘的地形地貌特征来推测滑裂面大致位置，但此种推测方法受个人经验限制，特别是当坡脚前缘(剪出口)不明显时，误差较大。

另外也可以进行坑探来寻找滑裂面，但当发生深层滑动时，勘探工作量较大，且在滑坡体上进行坑探作业，对滑坡体扰动较大，极易造成滑坡险情的加剧。

钻孔取芯也是寻找滑裂面经常采用的方法。但当滑动带层厚较薄时，地质钻孔往往很难准确找到滑裂面的位置。

1932年荷兰工程师P.Barentsen首先将内径19mm、外径36mm的空心探杆与直径15mm、锥角为60°的圆锥相连接，并进行手动灌入试验。我国于1954年陈宗基教授自荷兰引进静力触探技术。1964年王钟琦教授等成功研制我国第一台电测式触探仪。1965年原建设工业部综合勘察研究所自行设计、制造了电阻应变式静力触探仪，并通过近百组对比试验建立了灌入阻力与天然地基承载力的统计公式，为我国推广静力触探打下基础[4]。

静力触探的基本原理是将一个内部装有传感器的触探头匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，因此探头所受的阻力也不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号传输到记录仪表中记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得各土层的厚度及其分界线、土层的承载力等地质参数的目的。

在土体滑动过程中，滑坡带受剪切破坏，土体重塑，重塑土的物理力学性质降低。根据这一特性，利用静力触探的方法沿着滑床找出同一土层内土体的物理力学性质显著下降位置，将此位置进行连线即可推测出滑裂面的位置。

2.1 理论计算成果

采用理正边坡稳定计算软件，根据各层的渗透系数、上下游水位、堤身断面形式，计算得出流网。再根据渗流的流网计算成果、各土层的物理力学参数，结合滑坡体上、下缘的位置，计算得出符合本次滑裂面特征的最不利滑裂面[5- 6]。

通过计算可得，道路开挖施工期间，最不利的滑裂面半径83.2m，抗滑稳定安全系数1.02。根据计算结果可以认为，堤坡处于临界状态，在外界不利因素的作用下，堤坡极易产生滑动破坏。

2.2 静力触探成果

2.2.1试验成果

根据滑坡体的形态，在滑坡体上布置JT1、JT2、JT3、JT4号4个静力触探孔。

在试验深度范围内涉及的地层主要有堤身填土层、粉质黏土层以及淤泥质粉质黏土层。各层静力触探锥尖阻力qc见表2。

表2 各土层锥尖阻力成果表

2.2.2滑裂面推测

根据试验数据分析，堤身填土层物理力学性质最好，qc平均值为1.40MPa；其下粉质黏土层为硬可塑状，土体的物理力学性质较好，qc平均值为1.13MPa；淤泥质土层物理力学性质较差，qc平均值仅为0.67MPa。

由于滑坡发生时，滑裂面土体产生了剪切破坏，因此土体必然发生重塑。淤泥质土为高灵敏土，重塑土抗剪强度比原状土显著降低，因此淤泥质土层qc最小值所在点的位置即可认为是滑裂面的位置。在JT1、JT2、JT3、JT4号试验孔中分别在深度6.7、8.3、7.4、7.2m处出现最小值，故将这些点组成的面作为滑裂面。

2.2.3滑裂面抗剪强度

如果使三向应力状态下的软黏土不固结不排水，即土样在剪切过程中保持天然含水率不变，由此所得的抗剪强度Cu，被定义为不排水剪强度，不排水抗剪强度能客观反映滑裂面土体的性状[7]。

用静力触探求饱和黏土的不排水综合抗剪强度(Cu)，目前是用静力触探成果与十字板剪切试验成果对比，建立qc和Cu的相关关系，以求得Cu值[8]。

在4个试验孔中，qc的最小值分别为0.28、0.32、0.29、0.27MPa，平均值为0.29MPa。

根据《工程地质手册》(第五版)经验公式Cu=71qc，计算得出滑裂面不排水综合抗剪强度Cu=20.59KPa。

淤泥质粉质黏土的灵敏度St为：

(1)

2.3 两种成果的比较

两种方法得出的滑裂面如图1所示。根据图1可知，根据现场试验得出的滑裂面和理论计算得出的滑裂面基本吻合，说明理论计算所采用的土体的物理力学指标基本合理，得出的结论可信。从偏于工程安全考虑，滑坡治理深度参考2种计算成果的下包线。

图1 理论计算滑裂面及静力触探推测滑裂面

3 滑坡治理

3.1 治理措施

3.1.1削坡减载

为了避免道路施工过程中，滑坡的进一步发展，必须对滑坡体顶部削坡减载，17.5m高程处开挖2.5m宽减载平台，平台以上1∶2.0削坡至堤顶。

3.1.2滑裂面加固

滑坡体在下滑过程中，土体产生重塑，特别是滑裂面周边土粒及水、气所组成的平衡体系受到破坏，强度降低，压缩性加大。因此必须对滑裂面进行加固处理。由于滑裂面深入堤基淤泥质黏土层，而深层搅拌对处理淤泥质土效果较好[9]。深层搅拌法是一种用搅拌机翼片旋转，将石灰或水泥等固化剂与软土搅拌混合，使水泥浆与土体产生一定的物理和化学反应，经过一定时间凝结成圆柱状加固土体，提高土体的抗剪性能[10]。

在拟建道路人行道位置布置3排深层搅拌抗滑桩，梅花形布置，间距和排距均为1m。搅拌桩深入滑裂面下包线深度不小于3.0m，深层搅拌桩布置如图2所示。

图2 深层搅拌桩加固

3.1.3增加下游压重

原设计下游堤脚路面高程为14.6m。为了增加堤坡的抗滑力，提高堤防的抗滑安全系数，在道路纵坡的允许下，建议路面高程提高到15.5m。

3.2 稳定计算分析

3.2.1道路施工期

按照施工期外湖水位18.5m，堤脚道路基础开挖深度2.0m，堤身17.5m高程以上1∶2.0削坡减载，计算得抗滑稳定安全系数1.02，不满足规范要求。

当增加深层搅拌措施对滑裂面进行加固处理时，深搅桩的水泥土抗剪强度根据经验取0.5MPa，桩径选用0.6m，计算得单位堤段长度内深搅桩可提供的抗滑力为423.9kN。计算可得堤坡的抗滑稳定安全系数为1.21，满足规范要求。

3.2.2堤防正常运行期

下游堤脚道路施工完成，路面高程15.5m，堤身恢复至原始断面，堤顶宽6m，上、下游边坡1∶2.5。按照上游设计水位21.06m工况，计算得出堤坡的抗滑稳定安全系数为1.30，满足规范要求。

4 实施效果

滑坡治理完成后，经过几个汛期，特别是2020年特大洪水的考验，堤身稳定，未出现裂缝、沉陷、渗透、滑坡等险情，说明根据所采用的滑裂面位置和其力学指标进行滑坡治理的方案是安全可靠的。

5 结语

静力触探是一种原位测试手段，具有快速、准确、经济的特点。在制定滑坡治理方案时，治理深度参考静力触探和理论计算2种方法所得滑裂面的下包线，并利用现场试验成果得出滑裂面的不排水剪强度，显著提高了滑坡治理的时效性和安全性。因此利用静力触探技术在小型滑坡现场快速寻找滑裂面，具有一定的技术适用性和经济可行性，可为类似的小型滑坡治理工程提供一定的参考和借鉴。