膨胀土滑坡形成及治理的系统分析法

林武翀　查俊

摘要：文章通过对某膨胀土滑坡过程、滑坡特征的现场测绘，总结出膨胀土滑坡机制：风化、干湿循环、冷热交替作用产生胀缩裂缝、温差裂縫、风化裂缝，填土、下滑力等外部荷载形成拉张、压剪裂缝，两者在以上间接裂缝的帮助下最终贯通，产生滑动破坏，其中水发挥了重要的催化作用。根据机制分析成果，制定了减少直接荷载作用，控制风化、干湿循环、冷热交替等间接荷载作用，截断、防止水的催化作用等综合治理方案。

关键词：膨胀土;间接荷载作用;直接荷载作用;裂缝;综合治理

中国分类号：U418.5+5文献标识码：A

0 引言

膨胀土是一种粒度高分散，成分以亲水性黏土矿物为主，对湿热变化敏感的高塑性黏土，具有吸水膨胀、失水收缩特性[1]，也是一种常危及人类工程活动并造成灾害的特殊性土质[2]。随着城镇化的推进，膨胀土地区滑坡问题屡见不鲜，给社会造成了巨大的财产损失。目前的研究方向主要集中于膨胀滑坡的外界影响分析[3-4]、内部组成特性及影响分析[5-6]、滑动机制[7-8]及治理方案[9-10]的研究，而将滑坡看成一个系统，将其细分为系统环境、系统组成、系统行为、系统治理四个子系统，按各系统相互作用去研究的则比较少。

本文通过百东高速互通与百色水上乐园间膨胀土滑坡案例，从滑坡系统分析的角度详细论述了滑坡系统环境、滑坡系统组成、滑坡系统行为及滑坡系统治理方案。该分析方法在工程实际中进行应用，取得良好效果，希望能为类似滑坡工程治理提供参考。

1 滑坡系统环境概况

滑坡位于新建的百色市百东新区与南百高速公路互通收费站与新建的百色水上乐园间的山坡上。如图1所示。2015年底及2016年初，两地块相继施工。

滑坡区整体位于百色盆地中部，属垄岗与沟谷相间地貌，自然坡度为20°～30°，山脚沟谷较宽，与右江那吉水库库尾相连，汛期时沟谷部分被淹没。

2 滑坡系统组成

（1）物质组成：滑坡大致由以下三层组成：表层为南百高速2005—2007年间弃土，厚4.7～8.0 m;中间层为更新统三级阶地的混少量圆砾黏土，厚1.2～2.0 m，胀缩参数如表1所示;底部为古近系那读组泥岩半成岩，厚度大，三层均具强膨胀性。

（2）空间组成：南百高速公路互通A匝道、收费大棚及收费站均位于坡顶，收费站位于边坡最外侧，呈长方形布置，占地面积9亩，场坪标高136.5 m，坡顶现状标高为132.15～133.08 m，坡顶需填土3.4～4.4 m。山坡中部为水上乐园的一条拟建道路，宽3.5 m。坡面植被在水上乐园施工时被清除。

3 滑坡系统行为：滑坡过程与滑坡特征

3.1 初次滑动

2015年11月，南百高速公路互通项目进行A匝道边坡开挖与收费大棚、收费站场地平整工作。当收费站往原地面填土至133.8 m高程时，外侧坡顶往下出现两道相距约6～10 m的圈椅状贯通性裂缝，坡体先后产生滑移、下挫。两处滑壁均呈陡倾斜面，斜面粗糙，倾角为50°～70°，张开10～40 cm，顶部裂缝宽于下部裂缝5～10 cm，滑体下错30～100 cm，形成多个宽约4～10 m的平台。平面上第一次形成的滑坡顶宽约115 m，底宽约170 m，长约30 m，平均厚5.5 m，体积约5.4×104 m3，本次滑坡属填土荷载引起的推移式滑动。

3.2 后续滑动

2016年6月百色地区连降暴雨加之在坡上开挖基坑，造成第一次滑坡段中下部又出现多次滑动，滑体顶部形成贯通性圈椅状。这次滑动使得滑坡长度增加30～50 m，宽度也增加10～30 m，总滑坡体积达10×104 m3。

后续滑坡特征：（1）滑体后缘滑壁呈上部平直下部圆弧形光滑斜面，坡度约50°～70°，滑壁明显呈剪切光面;（2）在两主滑壁间分布与重力反向呈45°的剪切滑动面，滑面平直，张开度上大下小，往坡体内延伸时趋于微张并过渡为弧形;（3）滑坡中前部滑动面及剪出口大面积清晰分布，呈平直缓倾状，与岩土分界面极为吻合。由于后续滑动的牵引，第一次滑动范围（已清除滑体）及服务区侧坡顶又出现大量贯通性裂缝，并不断发展，部分缓慢滑动。后续滑动属因开挖卸载及降雨的共同作用下产生的牵引式滑坡。

4 膨胀土滑坡形成机制的系统分析

滑坡的形成受滑坡系统组成控制，在不同的系统环境下将产生与之对应的滑坡系统行为，包括荷载作用、裂缝形成、张开、贯通、滑动及停止。外部环境除风化、干湿交替、冷热交替等间接作用外，还有重力及填土、机械荷载等与施工工序有关的人为直接荷载等，而水既是直接荷载也是间接荷载，它对膨胀土来说是一种极敏感的催化剂。总体来说滑坡的形成是间接荷载、直接荷载及水共同作用的结果，随着施工过程变化，滑坡系统行为从间接裂缝到直接裂缝到滑面贯通破坏。

4.1 间接荷载作用

清表是施工的第一道工序，清表后滑坡系统的外部环境发生改变，坡体裸露，风化、干湿交替、冷热交替等间接作用发生于坡面。本滑坡表层为较厚的强膨胀性弃土，其对这些间接作用敏感，易产生风化裂缝、胀缩裂缝及温差裂缝。间接裂缝有自己的规律：如裂缝形状以龟裂状、漫射状为主，裂缝会往内部发展，但受上部土体保护，发展深度有限，且发展变缓。间接裂缝的产生为水和其他作用提供了空间，导致了直接荷载作用下裂缝范围出现应力集中，加剧破坏。

4.2 直接荷载作用

直接荷载作用包括外部直接荷载、重力、堆载及下滑力等。对第一次滑坡直接荷载为坡顶填土堆载和重力。直接荷载通过土体将荷载传递到边坡上，形成挤压应力，作用力与边坡斜面夹角约60°～70°。在力的作用下，土体被挤压，边坡表层土体受挤拉隆起，部分土体受挤产生剪应力。这种荷载随着深度增加不断消散，挤压作用逐渐变弱。竖向荷载首先使得坡肩部或受挤压弯矩最大处产生拉张主裂缝，与竖向应力约45°土体内产生剪切效应。当拉张裂缝往下和剪切裂缝向空间发展到一定规模时，荷载作用大于土体内部强度（比如抗拉、抗剪强度），土体即产生滑动。滑动产生的下滑力又继续作用在相邻的土体上，使其产生挤压破坏，即推动式破坏。在直接荷载作用过程中，干湿循环、风化、冷热交替等间接作用加剧，土体间接裂缝也在不同维度扩展，为主裂缝贯通和水的入渗提供通道。

4.3 水的作用

水是膨胀土边坡破坏的催化剂，它具有以下3種催化效应：

（1）膨胀土中含有大量亲水矿物，故土体极易吸水，吸水后矿物晶体体积增加，产生膨胀压力，在膨胀力和表面张力共同作用下，使得土体中的缺陷处产生挤压裂缝;土体失水晶体体积收缩，产生负压，形成基质吸力，在基质吸力和表面张力共同作用下，在土体缺陷处产生拉张裂缝。这些裂缝不断切割土体，使土体强度降低。

（2）水的润滑作用使得土体粘聚力降低。

（3）地表水流、降雨对土体产生水压和渗流压力，加剧土体的破坏。

5 滑坡系统处治技术研究

本文通过对膨胀土滑坡的系统环境、系统组成及系统行为的分析，找出了造成破坏的关键子系统，即特殊的岩土性质、降雨、外部荷载、裂缝、滑动面，这些系统的相互作用最终导致了边坡破坏。基于滑坡系统的处治技术应有针对性地控制主滑因子，并防止滑坡继续破坏，使得处治方案经济有效。

5.1 调整建筑布置、减少坡顶侧直接荷载

变更坡顶服务区的布置形式：将100 m×60 m长方形调整为135 m×44.4 m，压缩短边宽度，服务区往远离坡面的方向平移。调整收费站内建筑布置，将荷载较大的建筑移至收费大棚侧，远离坡面。此措施主要针对坡顶直接荷载，让直接荷载远离坡顶，让靠近坡顶的直接荷载减小，能有效提高边坡稳定性。

5.2 清除滑体+柔性防护体反压

对滑体进行清除，由于滑体已破坏，滑床以下土体对它的作用迅速降低，滑体的重力及下滑力直接作用到下部土体上，这是造成下部土体变形破坏的主要原因，因此滑体能有效减少对下部土体的直接荷载。滑体应清除至滑动面以下约0.5 m，底部换填好土，交界面开挖反向台阶，台阶宽度>2 m。为节省成本，在坡脚设置挡墙段直接采用粗粒土分层回填（如图1所示），桩板墙段滑体深厚，增加土格格栅，形成柔性防护体，同时对上部坡体进行反压。

5.3 挡土墙+桩板墙联合支挡

百东服务区西侧、北侧有百色水上乐园的园内道路和水上大型游乐设施，道路直接位于滑坡内，且大型设施使得服务区填土边坡放坡空间受限，因此填土边坡较高，坡度较陡，加上清除滑体后分层回填合格土层，这些措施都使得填土边坡土压力增大，稳定性变差。为保护坡底水上乐园的安全，需设置支挡结构来承载上部土压。根据场地地形条件，在滑坡范围内纵横向布置三道路肩挡土墙（1号、2号挡墙及过渡段挡墙），墙高以5～8 m居多。正北侧2号挡墙中间段为滑坡主滑方向，填土较高，造成挡墙高度过大，采用桩板式挡墙与挡墙顺接，桩板墙中抗滑桩桩径为1.8 m，桩长为14 m，桩间距为4 m，桩间采用挡土板相连，桩顶用冠梁使之连成一体，分布桩号QK0+030～QK0+090。以上措施都是用来减少或者抵抗坡体的直接荷载作用。

5.4 坡面防护

坡顶至服务区围墙处先采用黏土封闭，再采用20 cm厚的C15素混凝土抹面。服务区与水上乐园的坡面先采用两布一膜进行坡面封闭，再采用M7.5浆砌片石拱形骨架进行坡面防护，骨架间喷播植草。坡面防护主要是阻止坡顶及坡面的风化作用、干湿循环、热冷交替及地表水流下渗。

5.5 盲沟、截水沟与泄水孔联合截排水

（1）在坡顶距坡口约5 m处设置坡顶截水沟。使得来自A匝道及服务区的地表水流直接通过坡顶截水沟排走。在拟建道路坡脚平台设截水沟排走坡面汇水，使地表水流不流入墙后土体。

（2）为迅速排出地表入渗水流，在桩板墙段设置两处排水盲沟。盲沟断面采用60 cm×60 cm，填料选用5～8 cm碎石，过滤层采用土工布反包，防止堵塞，沟顶采用15 cm加劲软式透水管。

（3）挡墙及桩板墙墙壁均设置反滤层，墙体及挡土板上均梅花形布置泄水孔，以排除坡体中的地下水。若坡体某处地下水较发育，可根据情况设置支撑渗沟来兼顾排水和坡面加固。

6 结语

（1）滑坡是一个较复杂的系统，它包括滑坡系统环境、滑坡系统组成、滑坡系统行为及滑坡系统治理四个子系统。滑坡系统组成是主控因素，滑坡系统行为及滑坡系统治理随滑坡系统环境变化而变化。

（2）滑坡系统受间接作用产生间接裂缝，直接作用产生拉张及剪切裂缝，是主要裂缝，水对滑坡起催化作用。在其共同作用下，滑坡系统行为从裂缝开展到贯通、到破坏、到最终停止。

（3）根据减少和支挡直接荷载的思路，制定出调整建筑布置、清除滑体+柔性防护体反压、挡土墙+桩板墙联合支挡等处治措施。根据减少间接裂缝的思路，制定坡顶封闭，坡面拱形骨架防护的处治措施。根据减少水的作用思路，设置坡顶与平台内侧截水沟、坡体盲沟、挡墙与桩板墙墙后反滤、墙面泄水及地下水发育区，还可增设支撑渗沟。

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