某膨胀岩土边坡失稳机理分析及工程防治措施

张 勐， 伍 洪， 宋学乾

(1.四川省公路工程咨询监理事务所有限责任公司， 成都 610041； 2.中国华西工程设计建设有限公司， 成都 610031)

膨胀性岩土在我国大部分低缓丘陵地区均有不同程度的分布，该类岩土体常含较多的蒙脱石、伊利石等粘土矿物，其亲水性很强，遇水后极其不稳定，具有吸水显著膨胀、软化，失水急剧收缩、开裂，强度大幅度衰减等特性。因其力学性质的特殊性，往往给工程建设造成较大危害[1-2]。

在膨胀土地区的公路工程建设中，路基通常会避免高路堤和深路堑方式[3]，若无法避免时，通常会选用预加固支挡工程，并辅以防水、控湿、防风化等措施，以确保膨胀性岩土边坡的稳定[4-5]。本文以四川金堂某在建公路路堑边坡为例，在充分查明岩土体工程特性、变形历程、破坏特征的基础上，分析了边坡失稳机理，通过构建科学的计算模型，定量计算和评价了边坡稳定性，并参考国内外类似工程的防治经验，提出了以坡脚桩板墙结构支护为主，辅以坡体防水控湿和防风化的综合防治措施。

1 地质概况

1.1 地形地貌

边坡区场地总体地势西北高南东低，相对高差较小，属构造剥蚀丘陵地貌。边坡位于公路右侧，最大切坡高度19.11 m，坡向129°，边坡坡面形态呈上陡下缓，整体坡度约20°。坡顶植被覆盖率高，多以果树和灌木为主，如图1所示。

图1 边坡全貌

1.2 工程地质条件

场区附近未见明显的地表水和地下水出露迹象，地下水以第四系松散层孔隙潜水和基岩裂隙水为主，总体较贫乏。项目区地震动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度为Ⅶ度。

2 边坡变形历程及破坏特征

2.1 变形历程

2021年初，该路堑边坡开始进行路基施工，施工过程中曾多次发生失稳变形和设计变更。3月，该段路基左侧基本开挖至设计标高，右侧约7 m尚未开挖，边坡顶部外侧坡体出现轻微开裂和下挫，边坡发生浅表层溜塌。第1次变更采用缓坡清方+坡脚挡墙的方式进行处治。

4月，在完成边坡中上部的清方施工后，边坡中部及平台处产生新的溜塌变形。第2次变更采用在边坡坡面增加锚杆+框架梁方案。

6月，基本完成上部坡面的锚杆+框架梁施工，但边坡中上部及平台处又出现裂缝与变形，因此决定对局部溜塌区域进行清理嵌补后，按原处治方案采用清方+护脚挡墙+锚杆框架梁进行处治。而后至9月初，完成了边坡的清理嵌补工作，并浇筑完成了锚杆框架梁，现场边坡中部及平台处却再次出现裂缝变形。经各参建方现场察勘并商议后，确定对边坡进行第3次变更。

2022年2月，边坡在经历短时降雨后，后缘顶部产生了新的裂缝，并伴有明显下挫现象，整体滑动迹象明显。在采取应急反压措施后，为确保后续变更设计的安全性与有效性，对该段边坡进行了补充勘察。

2.2 破坏特征

边坡失稳区域主要为公路右侧路堑边坡，边坡轴线长约40 m，面积约0.3×104m2，坡体平均厚度约8.0 m，总方量约2.4×104m3，为小型牵引式滑坡。

边坡变形迹象明显，坡体出现2条主要的张拉裂缝，裂缝形态在平面上呈圈椅状，如图2所示。其中1#主裂缝长约100 m，位于公路中线右侧约50 m处；2#主裂缝长约60 m，位于公路中线右侧约38 m处；2条主裂缝宽度约20 cm～50 cm，深度均大于3 m，并相交贯穿于整个坡面。

图2 平面变形特征

坡体受逐级牵引作用，后缘形成多级下挫陡坎，下挫高度0.5 m～1.5 m不等，最高达2.5 m。第2次变更后施作的锚杆框架梁出现明显挫断及下部垮空现象，坡脚已形成明显鼓胀、隆起，坡体前缘未见地下水露头形成的泉点。坡体变形破坏如图3所示。

(a) 后缘下挫陡坎

3 边坡失稳机理分析

根据补充勘察资料，边坡变形主要发生在残坡积层的含砾粉质粘土中，该层厚3.0 m～9.4 m，土质不均，一般情况下为硬塑状，遇水粘滑细腻，呈软塑状，经分析取样试验结果，其自由膨胀率为46%，膨胀力为13.3 kPa，塑性指数为15.68，属弱膨胀土。

根据补充勘察成果与开挖情况，该膨胀土母岩为下伏白龙组粉砂岩与粉砂质泥岩，岩体颜色呈紫红色、棕红色，但明显可见间夹灰白色团块状亲水矿物。土体内部裂隙发育，呈网纹状，裂面光滑，遇水沿裂隙崩解呈碎块状现象严重，如图4所示。对原状土土样取样后，进行了多次室内干湿循坏试验，结果表明该土样干湿循环的次数越多，土样裂隙扩展越剧烈。初始2次的循环试验对土样强度的影响最为明显，其中粘聚力指标反应最为敏感，在经历4～5次干湿循环后，粘聚力指标降幅可达55%以上，而内摩擦角指标降低幅度较小，受干湿循环影响不显著[6]。

图4 膨胀土崩解

结合边坡变形历程、破坏特征和相关试验结果，对该边坡的失稳机理做出以下分析：

坡体开挖后形成侧向临空面并暴露于自然环境中，当时未及时施作坡面防护和截排水措施，致使上级边坡产生浅表层的溜塌，边坡表层土体正处于干湿循环的第1阶段，边坡开始受卸荷影响和湿胀干缩特性导致表层范围内土体裂隙逐步扩张，岩土性质开始出现大幅衰减[7]。

在第1次设计变更时，由于未准确认识到岩土体的弱膨胀性，设计仅采取缓坡清方+坡脚挡墙的方式，这不仅未能达到防水、控湿的效果，清方放缓坡率还使得弱膨胀性岩土大面积暴露在自然环境中，加剧了边坡表层土体崩解及裂隙的发展，更加剧了边坡整体稳定性的恶化。该阶段的破坏属大气影响范围内干湿循环作用下强度衰减导致的浅层土体失稳，在降雨发生时，边坡顶部出现溜滑式破坏，深层未产生贯通裂缝，边坡属于局部欠稳定而整体稳定的状态。

而后，路基的继续开挖为边坡的整体性滑动提供了有利的临空条件。第2次变更虽采取了锚杆+框架梁形式进行坡面防护，且在此期间没有长时间、高强度降雨，但因边坡“新鲜面”暴露时间过久，表层土体经历多次干湿循环后，裂隙正逐步向坡体深部发展，降水入渗的情况加重。伴随日晒雨淋的反复作用，深层裂隙开始逐步贯通，前部土体出现沿滑面整体滑动的趋势，边坡历经渐进变形阶段向滑体破裂到滑动面贯通的发展阶段。

由于边坡岩土体经受干湿循环的反复作用，土体性质持续恶化。在2022年2月短时集中降雨后，下渗雨水在贯通性较好的坡体裂隙内滞留集聚，在坡体内形成了一定的水力梯度，岩土体裂隙底部积水相互连通，雨水在坡底很快充满裂隙形成积水，坡脚岩体达到饱和状态。随着坡脚入渗水体的集聚，坡脚土体形成塑性软化区，坡体的整体抗剪强度持续衰减，前缘出现大范围滑移现象。膨胀性岩土滑坡前缘一旦出现整体失稳，就极易产生不断牵引后缘土体滑移的多级牵引式滑坡，且土体的裂隙将导致各级滑坡体的滑面相互贯通，由此该膨胀土边坡由浅表层溜塌最终发展为不断牵引后缘滑体整体滑移的牵引式滑坡[8-11]。

4 边坡稳定性分析

4.1 计算模型

该滑坡边界清晰，后缘发育长大张拉裂缝，前缘在岩土分界处鼓胀剪出，为典型的覆盖层土体沿岩土界面的整体滑动模式，故采用圆弧形滑面传递系数法对边坡天然工况、暴雨工况及地震工况下的稳定性进行计算，考虑暴雨+地震叠加工况的出现概率极低，为节约建设成本，本案例不考虑该工况。条分法计算模型如图5所示[12-13]。

图5 边坡稳定性计算模型

4.2 参数选取

滑带土物理力学参数的选取是滑坡稳定性计算分析的关键，主要指标粘聚力c值和内摩擦角φ值，多通过反演计算、地区经验值类比及取样试验综合确定。

根据边坡变形历程及破坏特征，天然工况下坡体在未出现强降雨时即出现蠕动变形，但并未发生整体滑移，判定该工况下边坡稳定系数Fs应小于1.0，且接近临界稳定状态，因此，取天然工况下稳定系数Fs=0.99。由于边坡在降雨后已出现整体滑动迹象，并伴有明显下挫，判定边坡已处于不稳定状态，结合本区域滑坡经验类比，并考虑本边坡岩土体的膨胀性，通过专家多轮论证，最终选取暴雨工况下边坡稳定系数Fs=0.92，并选取2个典型断面作为计算断面来反演计算滑动面的抗剪指标c、φ值，反算结果如表1所示。

表1 反算c、φ值

结合补勘取样试验成果及反算c、φ值，二者均接近于残剪指标(天然残剪c=16.2 kPa、φ=10.0°，饱和残剪c=10.5 kPa、φ=8.5°)，经工程类比本区域同一地层的边坡计算参数，与上述反算值基本相当。为此，最终确定天然工况采用反算天然状态下的c、φ值；暴雨工况采用反算饱和状态下的c、φ值；地震工况因仅考虑天然状态下地震力的影响，不考虑暴雨+地震的叠加效应，因此地震工况也采用反算天然状态下的c、φ值。通过室内试验修正后的土体容重为：天然容重γ=20.0 kN/m3，饱和容重γ=21.0 kN/m3。

4.3 下滑力计算

该边坡在各工况条件下均处于不稳定状态(Fs<1.0)，由于边坡土体的遇水强敏感性，若遇到更大的暴雨，边坡稳定性将进一步恶化。

由于该项目公路路线无调线绕避滑坡的可能性，需对该边坡进行永久性治理。为此结合公路路基设计情况选取2个变形较严重、挖方较高的主滑断面进行下滑力计算。考虑公路的重要性等级和滑坡的危害性，根据规范要求，选取天然工况下安全系数K=1.20、暴雨工况及地震工况下安全系数K=1.15计算各主滑断面拟设支挡处(对应计算模型的第⑨条块)的剩余下滑力，计算结果如表2所示。

表2 各断面(拟设支挡处)剩余下滑力计算

通过表2三种工况下2个主滑断面拟设支挡结构物处的剩余下滑力计算，结果表明K40+982主滑断面在暴雨工况下拟设支挡结构物处所受剩余下滑推力最大，为743 kN/m，以此作为支挡工程设计的依据。由于下滑力较大，需采取强支挡措施进行防护。

5 边坡治理措施

考虑到边坡土体的弱膨胀性，计算的剩余下滑推力较大且之前已进行过多次变更设计，本次治理宜采取强支挡性工程为主，疏排水为辅的工程措施，如图6所示。

(a) 平面布置

具体治理措施如下：

1) 支挡工程

K40+898～K41+006段共长108 m，设置抗滑桩进行前缘坡脚加固。抗滑桩桩径分为1.5 m×2.0 m和1.75 m×2.5 m两种，桩间距为6 m，共计19根，设置于路基挖方边沟内壁外1 m处。桩间采用挂板防护，桩背边坡采用1∶2.0缓坡率分级回填。

K40+855～K40+898段、K41+006～K41+027.13段设置重力式路堑挡土墙收坡，兼作边坡防护。

2) 坡面防护工程

对已开挖的边坡、缓坡回填的边坡及时施作人字形骨架护坡，对表层土体进行防护与加固。

3) 坡体地表截排水工程

在边坡变形体后缘裂缝外侧及边坡平台处设置截水沟，边坡坡面设置骨架护坡作为截排水措施，以达到引排地表水的目的。

4) 坡体地下水排水工程

地下水排水工程考虑由未封闭的坡面及桩间挂板的泄水孔中排出，进入路基边沟排水系统。桩间挡土板及路堑挡土墙等坡面封闭范围内均设置反滤层与泄水孔，泄水孔进水口采用渗水土工布包裹，防止泥土堵塞泄水孔。同时在一、二级边坡坡脚处设置长度为10 m的仰斜式泄水孔，作为深层地下水的疏排措施。

5) 裂缝夯填及垮塌体翻挖回填

对边坡范围内及坡顶以外的裂缝采用M7.5水泥砂浆封补至缝口以下50 cm，其上铺设一层防渗土工布，并用粘土夯填平实，防止雨水下渗。

6) 滑坡区范围设置监测系统，对其稳定性进行长期监测，及时反馈变形数据。

6 边坡防治重点

膨胀性岩土由于其干强度较高，具有一定的隐蔽性，通常在勘察和实施阶段很容易被忽视。因此，通过对本案例膨胀性岩土边坡的分析与研究，结合类似边坡(滑坡)工程实例，总结该类边坡的防治重点如下，供今后类似边坡防治工程参考。

1) 重视地调及室内试验结果分析。膨胀性岩土地区，一要加强地质钻探及相关地质调绘工作，二要加强野外鉴别，三要加强取样室内试验及数据分析[14-15]。

2) 坡脚强支护，坡体重排水。针对此类膨胀性岩土的路堑边坡，坡脚防护措施应以预加固抗滑桩或桩板墙等“强力”支挡结构为主，强化地表水与地下水的疏排措施，重视水对岩土体的软化作用。过度放缓坡暴露坡面及忽视排水措施，极易导致治而无效。

3) 坡面防护宜采用框架、骨架护坡及柔性减胀生态护坡等非全封闭或柔性封闭的防护措施。

4) 膨胀性岩土边坡施工宜选择在枯水期进行，同时切勿采用大型机械全断面长拉槽方式施工。

5) 膨胀土较为发育的地区，修建公路路堑边坡应足够重视，否则随着变形裂缝的逐渐发展，变形范围扩大，不仅延误工期，还增加建设成本。

7 结束语

1) 含膨胀土边坡体在经历多次干湿循环后，表层裂隙不断扩展，并持续向坡体深部发展，为地表水入渗提供了极为有利的通道和富集条件，致使岩土体强度显著降低，形成贯通滑动面，由此该膨胀土边坡由浅表层溜塌最终发展为不断牵引后缘滑体整体滑移的牵引式滑坡。

2) 根据边坡变形历程及破坏特征，坡体在未出现强降雨时即出现蠕动变形，因此边坡在各工况下均已处于不稳定状态。通过构建边坡下滑力计算模型，采用圆弧形滑面传递系数法计算滑坡剩余下滑力，得出暴雨工况下的滑坡下滑力最大，需采取强支挡措施进行防护。

3) 综合考虑边坡岩土体的膨胀性和暴雨工况下较大的剩余下滑力，采用抗滑桩+桩间挂板支挡坡脚为主，辅以坡面人字形骨架护坡+地表与地下水疏排+裂缝夯填等防水控湿的综合处治措施进行边坡治理，工程完工后经历当年雨季，未出现变形，效果良好。

4) 膨胀性岩土在工程建设中具有一定的隐蔽性，尤其是斜坡地带的挖方边坡，施工时应足够重视。在充分查明其工程特性的基础上，在坡脚应以预加固抗滑桩等“强力”支挡结构为主，重视地表与地下水体综合疏排，坡面防护宜采用框架、骨架护坡及柔性减胀生态护坡等非全封闭或柔性封闭的防护措施，适时选择枯水季节施工，综合治理有效可行。