某膨胀土地区滑坡原因分析及处治方案研究

王亚奇，黄宁，马瑞光

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450000）

1 工程概况

该滑坡位于三门峡市陕州区原店镇，滑塌范围ZK93+375~ZK93+560，左幅路线的左侧边坡中心最大挖深26 m，边坡最大开挖深度29.8 m；第一级边坡高度10 m，坡率1∶0.5，第二级、第三级边坡高度8 m，坡率1∶0.5，第四级边坡高度2~3 m，坡率1∶0.75，第一级边坡采用2 m浆砌片石护脚，最上一级采用植草灌，2017年11月开挖至一级平台处，边坡发生滑塌。

2 工程地质特征

2.1 地貌特征

滑坡总体南高北低，滑坡后缘最大高程582 m，前缘最低高程为540 m，上部陡中间缓，下部由于路堑开挖地形变陡，滑坡坡度在13°~51°。坡体中上部为附近村民修建的果园，滑坡形状为扇形，南北长100~130 m，东西宽80~214 m，滑体平均厚度约为15 m，滑体体积约23万m3，属中型滑坡。边坡南侧坡顶发育有弧形裂缝，距离左幅中心线103 m，裂缝长度约170 m，宽20~30 cm，错台高度最大100 cm；沿边坡走向东西侧位置，接近开挖路基位置各发现一处小型滑塌；路堑边坡中部距左幅中线20~60 m位置出现多条剪切裂缝，裂缝宽度10~40 cm，裂缝走向基本与滑坡前缘平行；右幅开挖路基距坡顶贯穿裂缝后缘约130 m位置出现鼓胀裂缝；在路堑开挖底部位置发现岩土层明显滑出错动，并见明显擦痕；在后缘裂缝南部分水岭附近，发现多处落水洞，直径2~3 m，最大直径可达5 m。经过现场调查，发现该滑坡平面周界呈典型圈椅状，周边存在明显剪切裂缝和鼓胀裂缝，并在前缘发现明显剪出位置，主滑方向约为17°。

2.2 水文特征

场地周围未分布明显地表径流，场地地下水受大气降水补给，以蒸发和深层入渗为主要排泄方式。坡脚位置地下水位埋深较浅，埋深1.0~5.0 m，坡体上部地下水埋深16.2~23.0 m，在开挖路堑底面处，发现大小11处地表积水处和坡面渗水，经历大气降水后，渗流量会增大，积水范围会扩大。结合钻探资料及路堑开挖揭示，场区地表降水通过落水洞、滑坡体裂隙和陷穴进入下部岩层，沿着透水层和土岩界面顺坡渗流，汇聚于边坡体弱胶结砂岩层，形成稳定地下水位，且在下部砂岩和黏土岩层中，形成微承压水含水层，稳定水位一般较初见稳定水位高1~3 m。

2.3 地层特征

边坡岩土层变化复杂，路堑临空面出露岩性多变，主要为上更新统黄土层、中更新统粉质黏土层及第三系弱胶结黏土岩和砂岩。上部黄土具湿陷性，湿陷性系数为0.016~0.032，湿陷等级Ⅰ级，属非自重湿陷；下部第三系黏土岩，具弱膨胀性，其自由膨胀率在40%~58%，遇水易软化，抗剪指标迅速降低，易发生变形破坏[1]，场地具体地层信息见表1。

表1 场地地层空间分布及工程特性

2.4 滑坡要素特征

该滑坡周界以后缘裂缝、沿边坡走向东西侧滑塌和开挖路堑右侧路基地表鼓胀裂缝为边界；根据物探及开挖面揭露情况，滑床为第三系黏土岩层；滑体分为土体和岩体两部分，土体为第四系上更新统粉质黏土、粉土层，具湿陷性，遇水力学性能降低，下部黏土岩具弱膨胀性，遇水易发生变形破坏，沿土岩接触面处软弱带发生浅层滑坡；下部基岩为弱胶结黏土岩、全风化砂岩，其中全风化砂岩在地下水渗流作用下，易形成饱和砂土层，且黏土岩为相对隔水层，受上部土体滑坡的牵引影响，在饱和砂土层中形成深层滑动带；根据坡体前缘地形地貌、地层岩性以及地面变形特征，确定黏土岩区剪出口位置在路堑开挖面下部塌落处，已被滑塌的土体覆盖，滑坡路堑中间核心土出现剪切裂缝，前缘有鼓胀裂缝，为中部粉质黏土区的前缘剪出口。

3 滑坡成因分析

根据现场野外调绘，并结合滑坡勘察查明的场地内岩土体分布特征，认为该滑坡的形成原因主要有以下几点：

1）该滑坡体地层下部为弱胶结黏土岩，较上部第四系土层为相对隔水层，易在土岩界面形成富水区域。且黏土岩具有弱膨胀性遇水软化后发生胀缩破坏，强度降低，进一步形成过水通道，形成软弱带。

2）雨季集中降水对坡体进行冲刷、侵蚀，破坏了土体的完整性。另外，雨水下渗后进一步降低了土体强度指标。

3）公路施工过程中路堑开挖形成了高陡临空面，坡体中的主应力方向发生明显偏转，超出岩土体抗剪强度后，在重力作用下失稳破坏。

4）两层黏土层中的全风化砂岩层在相对隔水层的作用下，易形成松散岩类孔隙水饱水带，工程开挖施工扰动后存在深层滑动的趋势。

4 滑坡稳定性验算

根据目前边坡破坏形态及勘察资料分析，该边坡存在2层滑动面：（1）浅层滑动面为目前已破坏的边坡滑动面；（2）深层潜在滑动面，目前边坡仍未开挖至设计标高，根据边坡下部岩土体结构及含水状态，在边坡继续开挖时将产生深层滑动的可能性。分别对浅层和深层进行稳定性验算[2]，通过选取典型模型断面，采用极限平衡法，设定与其对应的稳定系数值，反算滑面抗剪强度指标黏聚力c、内摩擦角φ值，计算滑坡剩余下滑力[3]。

选取主滑方向（桩号ZK93+450）断面，主滑方向断面左侧50 m（桩号ZK93+500）断面，主滑方向断面右侧50 m（桩号ZK93+400）断面，反算滑体力学参数，3个断面的安全系数分别为0.934、0.987、0.901时反算得到滑动面力学参数为c=14.0 kPa、φ=9.0°，与地勘报告中提供的实验室内残余强度平均值c=17.7 kPa、φ=9.3°相接近。以反算的c值、φ值作为滑坡体浅层滑动下滑力计算依据，3个计算断面安全系数Fs=1.25时，浅层滑动面剩余下滑力分别为1 820 kN/m、1 120 kN/m、870 kN/m。深层潜在滑动面位于地下水位以下，结合勘察资料粉质黏土饱和剪切试验取值c=15.7 kPa，φ=10.8°，不同地下深度的黏土岩饱和剪切试验分别为c=19.5 kPa，φ=11.7°以及c=24.1 kPa，φ=10.7°，砂岩饱和剪切试验c=10.2 kPa，φ=12.5°。按照开挖至设计标高后的坡面线建模，参数选取饱和剪切试验c、φ值，安全系数Fs=1.25时，深层潜在滑动面的剩余下滑力分别为1 950 kN/m、2 437 kN/m、1 080 kN/m。

5 滑坡治理方案

根据滑坡勘察及稳定性计算，目前边坡不仅存在浅层滑动面，且在路基进一步开挖后还存在潜在深层滑动面，因此，加固措施应考虑浅层滑动面及深层滑动面。根据浅层、深层滑动面下滑力，最终确定采用桩板式挡土墙进行支护。同时，根据滑坡体后缘岩土体特性，在不破坏后缘边坡稳定性的前提下，在后缘裂缝处进行部分卸载，以起到削头固脚的作用[4-5]。

5.1 坡体支挡加固

在碎落台设一排抗滑桩，桩间距为5.0 m，共设40根抗滑桩；滑坡周界范围内抗滑桩桩径为2.25 m×4.0 m，桩长25~34 m，悬臂段为10~13 m，锚固段18~20 m，保证桩体进入深层滑面以下；周界范围外抗滑桩桩径为2.0 m×3.0 m，桩长25~33 m，悬臂段为10~13 m，锚固段为15~20 m。

5.2 完善截、排、封水设置

边坡表面产生的裂缝，深度在2 m以上时采用扩孔素土填塞、夯实，深度小于2 m时采用素土直接填筑，压实度不小于80%；落水洞采用扩孔素土回填处理，直径＜1 m的落水洞采用沿落水洞周围向外水平开挖0.5 m回填处理；直径＞1 m的落水洞采用沿落水洞周围向外水平开挖1.0 m回填处理；采用小型机械夯实，压实度不小于85%。坡体表面采用平台截水沟和坡顶截水沟相结合的排水形式，每级平台设置40 cm×40 cm平台截水沟，坡顶外5 m处设置60 cm×60 cm截水沟，形成完善的排水系统；二级边坡浅层滑面以下1 m，间隔10 m设置一道1.5 m宽的支撑渗沟，渗沟底设置排水管，位于深层的地下水采用预制DN1 500 mm钢筋混凝土管组成的水平导洞渗出，进岩体端头部1.5 m范围内设置反滤层，并采用干砌片石封填，防止土体中细小颗粒流失，水平导洞长度10~20 m、间距10 m。

5.3 坡体防护

坡体变形稳定后，二级及以上边坡采用M7.5浆砌片石拱形骨架+植草灌防护形式，进行坡体防护。

5.4 加强边坡位移监测

坡体表面布设11处监测点，进行2年的边坡监测，主要对抗滑桩位移、滑坡深层位移、边坡表面位移、地下水位进行监测。

6 结语

该段高速已于2020年年底通车运营，结合运营期监测数据，治理方案达到了预期的效果。通过该滑坡原因分析、稳定计算和方案实施效果，得出以下结论：

1）滑坡勘察必须采取综合勘察手段，结合场地地质调绘、地球物理勘探和钻探室内试验数据分析，相互印证，从而发现滑坡的各个要素特征，并预计、提示相关工程地质风险。

2）滑坡稳定分析抗剪强度参数的取值，应考虑场地的实际情况，并结合室内试验数据反算求得，不宜直接采用室内试验结果，参数取值对计算结果影响较大。

3）对于特殊膨胀性岩土地区，公路路堑边坡特别要注意地下水作用引起的边坡失稳问题，在类似地区进行工程设计时，需加强截排水措施设计，并按照“缓边坡、宽平台、固坡脚”的原则，加强边坡设计。

4）地下水丰富、膨胀岩土等复杂地质条件下的公路路堑滑坡，应采用抗滑桩进行坡体加固、完善截排水措施、加强坡体防护和边坡位移监测等治理措施。