松散堆积体边坡稳定性分析及治理措施

田剑龙 曾小刚

摘  要：随着城市发展，中石化重庆公司市区新建加油站的地块存在大量的松散堆积体边坡，加油站的建设工程中开挖扰动和自然降雨此类坡体极易垮塌，给加油站的建设和使用带来了巨大的风险。

在广泛调研和大量参考同类文献的基础上，对堆积体边坡的物理力学性质进行归纳和总结，对堆积体的结构特征、渗透变形特性以及失稳破坏模式等进行了介绍。

通过室内大型直剪试验，对堆积体的抗剪强度各因素进行分析，表明堆积体具有很强的水敏感性，堆积体的抗剪强度在饱水情况下急剧下降。

采用seep/w和slope/w对模拟松散堆积体边坡的稳定性在降雨强度、延时以及裂隙情况等因素发生变化的变化规律。同样的降雨条件下，渗透系数对边坡的稳定性影响较大，渗透系数越大，边坡安全系数降低越快，渗透系数越小，边坡越不易失稳。裂隙的存在降雨对边坡的稳定性影响极大，裂隙开裂深度越深，影响越大，边坡的安全系数随降雨持续降低得越明显。

结合前述情况得出坡体表面封闭，开挖坡体上方加抗滑桩，设置伸入坡体内一定深度泄水孔是松散堆积体边坡治理的联合有效措施。

关键词：堆积体，滑坡，稳定性

随着城市发展，中石化重庆公司市区新建加油站的地块基本上都是高边坡地形、不适合建其他建筑的边角地块。又因加油站的建设落后周围其他建筑的建设，等到加油站建设时，地块被陆续的倾倒了大量的弃土、弃渣，顺坡面形成厚度深、坡度大、稳定性差的松散堆积体边坡。修建时不论是挖还是填都会扰动松散堆积体边坡。扰动后的堆积体边坡在自然降雨的作用下极易发生滑坍，为了确保加油站的建设顺利进行和以后的安全使用，有必要对松散堆积体边坡滑坡的发生規律进行研究，作出相应的治理措施，确保边坡长久稳定。

一、松散堆积体边坡的特点

松散堆积体边坡的堆积体是土和石的混合体，属各向异性的散体介质。在重庆地区，一种是侏罗系泥岩经过长期的外力风化作用形成的残积层;另一种是位于边坡及自然坡表层的坡积物、坡麓的冲积物，或者人工坡积物。

松散堆积体，岩土颗粒的直径变化幅度很大，从小于1mm到超过1m;松散堆积体属孔隙型介质，孔隙率大且有较大的压缩性，孔隙率与岩土颗粒的大小、形状、均匀程度及其排列相关;岩土颗粒越大越均匀其间的孔隙愈大;同样的材质因颗粒排列不同，得到的孔隙率或孔隙比差别大;堆积体的力学特征与其密实度密切相关，密实度越大，力学特征越好。

松散堆积体具有渗透性，在一定的条件下，松散堆积体颗粒骨架间的水会产生流动、渗流，会引起松散堆积体颗粒的移动，从而造成边坡渗透变形。

堆积体在荷载作用下具有较大的压缩性。在荷载作用下松散堆积体颗粒破碎后产生的小颗粒充填到孔隙中去，减小空隙体积;颗粒克服颗粒间的摩擦阻力后，产生滑动和滚动，移动到较为密实的更稳定的平衡位置上去，使堆积体的孔隙体积被压缩减小。

松散堆积体的变形具有应变滞后和蠕变性质，松散堆积体的变形可分为两部分，一部分是在荷载作用下松散堆积体的颗粒位移、孔隙体积减小，变形立即发生;另一部分是因荷载作用下颗粒棱角破碎，在较长时间内应力持续转移，逐步产生变形。

松散堆积体具有相似性，虽然不同条件下形成的松散堆积体，其结构、强度与应力应变性质各异;但级配决定着松散堆积体的力学性质。母岩相同且颗粒形状相似的两组级配料，只要其级配曲线相似（即级配曲线平移获得的两组松散堆积体），透水性相似，该料的抗剪强度、变形参数和应力—应变参数是相似的。

松散堆积体属散体颗粒介质，内聚力几乎为零，基本上不具有抗拉的能力，在外力作用下产生剪切破坏。因此，要维持松散堆积体边坡的稳定，实际工程中应尽量使边坡的土体处于受压状态，避免承受拉应力。工程实际中在开挖的松散堆积体边坡的上方作抗滑桩或者在填方区下方作挡土墙是一个很有效的措施。

二、松散堆积体边坡的失稳模式

边坡失稳滑坍是指一部分坡体相对于另一部分坡体沿某一分界面产生滑移。对厚度不大的堆积层边坡，常常是沿堆积体边坡与下覆基岩接触面进行滑移，因为此面为堆积体的第一不连续面，力学强度指标通常较低;对于此类坡体的治理可以直接卸载或者注浆加强该薄弱面的粘结强度提高边坡的稳定性。

较大型堆积层边坡的失稳，常产生多级滑移或解体现象，有的还产生双层平行滑移和多层滑移。土的蠕滑在边坡失稳过程中发挥了重要作用，决定了大型堆积层边坡失稳模式、失稳规模、失稳频率近似土质边坡的破坏特点。但就非均质各向异性介质的堆积体而言，其边坡稳定性除受堆积体基覆界面、边界条件影响外，还与其物理结构等有关，如堆积体内的孤石、漂石一般能够增加滑体的强度和密度，故其失稳又不同于土质边坡。

由于松散堆积体属散体颗粒介质，内聚力几乎为零，基本上不具有抗拉的能力，松散堆积体边坡失稳滑坍是因剪切力超过了松散堆积体本身的抗剪能力而引起的一部分坡体相对于另一部分坡体沿某一分界面产生滑移，是一个剪切破坏。故松散堆积体的抗剪强度对堆积体边坡的稳定、安全有着重要的意义，是决定其稳定性的一个重要的力学指标。

三、松散堆积体抗剪强度特点

由于松散堆积体属散体颗粒介质，为非连续材料，其抗剪切强度与传统材料有所不同，主要表现在：

1、当松散堆积体达到剪切破坏以后，其抗剪强度并不消失，依其密实程度的不同，仍维持原值或略有降低，如图1所示。也就是说，对于松散堆积体，即使发生剪切破坏，它仍具有一定的抵抗外荷载能力。

2、松散堆积体抗剪强度不仅与反映堆石材料自身的特性有关，而且也与外荷载在剪切滑移面上引起的正应力有关。

如图2所示，松散堆积体受剪切时，剪切面A-A上的松散堆积体颗粒起阻挡作用。理想剪切面只有松散堆积体A-A线上颗粒剪切破坏面的摩擦力，如图2（a）;实际上剪切面并非平面，需绕过松散堆积体颗粒形成新的剪切面如图2（b），否则需把A-A面上的松散堆积体颗粒剪断，才能发生剪切破坏。

3、松散堆积体的抗剪强度主要受其结构特征所控制。松散堆积体的内摩擦角可用汉森和朗德包恩提出的公式来确定。

式中：φ1……φ4——内摩擦角修正值，与松散堆积体颗粒的浑圆度、颗粒大小、结构的均匀程度和颗粒的堆集密度等结构因素有关。故抗剪强度与堆积体的密实度和颗粒的排列有关，抗剪强度取决于最弱面的抗剪强度。松散堆积体的抗剪强度符合摩尔—库仑定律，抗剪强度由松散堆积体颗粒间的内摩擦力和嵌合阻力（咬合力）组成，内聚力c≈0。在实际工程中可以通过调整回填料的级配来增加密实度，通过填料的混合改变颗粒的排列顺序得到较高的抗剪强度。

四、堆积体抗剪强度的影响因素

虽然不同条件下形成的松散堆积体，其结构、强度与应力应变性质各异;但级配决定着松散堆积体的力学性质。母岩相同且颗粒形状相似的两组级配料，只要其級配曲线相似，透水性相似，该料的抗剪强度、变形参数和应力—应变参数是相似的特征。通过室内大型直剪实验得到松散堆积体抗剪破坏的影响因素就可以用于实际工程。通过松散堆积体的相似级配曲线制作实验试件，进行大型直剪实验得出：

堆积体的内摩擦角开始随含水量增大缓慢的增大，在最佳含水量10%附近达到最大值;含水量超过10%后，随着含水量的增加，内摩擦角急剧降低。而粘聚力的变化呈抛物线走向，在最佳含水量10%达到最大，天然含水量和高含水量下的粘聚力均小于最佳含水量状态，变化曲线基本对称的。说明水对松散堆积体强度指标内聚力影响很大。在实际工程中为保持松散堆积体坡体的稳定，应保持坡体土体的含水率不超10%，相应的措施一是在坡体顶部作截水沟，防止地表的流水渗入坡体;对坡体表面进行覆盖，防止雨水渗入坡体;另外作好坡体内部的排水，增加泄水孔，及时排除坡体内部的积水。

松散堆积体在相同含水量（6.85%接近自然含水量），随含石量逐渐增大其内聚力基本上是逐渐减小，内摩擦角逐渐增大。增加边坡的稳定性应当适当的提高含石量，但也不能过于的提高。对既有的坡体可以通过注浆的方式增加含石量和内聚力，对填方的松散堆积体边坡在回填时可以适当的增加含石量。

松散堆积体的密度愈高，其颗粒间的嵌合阻力也就愈大，摩擦角φ值越大。抗剪强度越大，同样与密实度相关的不均匀系数和颗粒的排列均影响堆积体的强度。受堆积体不均匀系数、颗粒排列、压实度影响较大，强度受含水量的影响甚至会出现相反的变化规律。因此在实际工程中对松散堆积体边坡进行注浆增加密实度，同样通过注浆固结松散颗粒改变颗粒的排列顺序，是保证松散堆积体边坡的稳定的一个有效措施。

五、降雨对堆积体边坡稳定的影响

诱发堆积体边坡失稳的因素很多，有自然原因，如地震、地质构造、降雨等;也有人为因素对边坡的干扰，如不合理开挖等因素;降雨是诱发滑坡的主要因素，人们早已发现，在雨季或紧跟着大的降雨或融雪之后，常发生边坡破坏。据资料统计，宝成铁路沿线滑坡80%发生在降雨季（6-9月），且和雨量及连续降雨时间呈正相关。此外，由降雨诱发的滑坡和崩塌占很大部分。研究降雨因素对边坡稳定性影响是边坡治理的基础。

采用seep/w和slope/w对模拟松散堆积体边坡的稳定性在降雨强度、延时以及裂隙情况等因素发生变化的变化规律分析得出：

渗透系数大小决定降雨对边坡稳定性影响的大小。边坡渗透系数较低时，降雨对边坡影响较小。渗透系数较大时，随着持续降雨，边坡的稳定性急剧下降，但降雨对松散堆积体边坡的稳定的影响存在一个极限，随着降雨延时增加，雨水持续入渗，当边坡土体吸水完全饱和时，基质吸力完全丧失，边坡的稳定的安全系数降至最低，坡体不再吸水，后面的雨水都会随坡体表面流走，降雨不再影响边坡的稳定性。

对于存在裂隙的情况，降雨对边坡稳定系数降低相对较快，在相同的降雨强度下裂隙深度越大，其稳定性系数降低越快，边坡越不安全。堆积体边坡的坡顶裂隙也是引起边坡在降雨情况下失稳的重要因素，实际工程中对松散堆积体边坡表面裂隙的封堵和压实是提高边坡稳定的措施之一。

降雨入渗导致边坡破坏分为两个阶段：第一个阶段是雨水入渗使土体含水量增加，使其达到饱和状态，造成基质吸力消失，进而使抗剪强度丧失;第二阶段是再持续的降雨，使得饱和土体之孔隙水压力上升，有效应力减小，进而发生破坏。在实际工程中及时的排除坡体内部的孔隙水，防止孔隙水压力上升是维持松散堆积体边坡失稳破坏的重要措施。

降雨对边坡的破坏大都为浅层的破坏，雨水入渗后先在边坡表面形成一浸润层，降雨强度大于堆积体边坡的入渗率时，边坡的表面将形成水膜，只有少量的雨水渗入坡体，大部分的雨水会随坡面流走，降雨强度的增加对边坡稳定性影响不再变大;因此降雨对松散堆积体边坡坡体稳定的影响，主要取决于松散堆积体坡体表面的渗透系数。在实际工程中可以用低渗透系数的混凝土进行覆盖，或者对坡体表面的夯实降低表面的渗透系数减低降雨对松散堆积体边坡稳定的影响。

六、松散堆积体边坡治理的处置措施

通过松散堆积体边坡的结构特征、抗剪强度特征、抗剪强度的影响因素和边坡破坏的验收分析得出松散堆积体边坡的处置措施如下：

松散堆积体边坡属松散的土石体，基本没有内聚力，无抗拉能力。在松散堆积体边坡的挖方区的上部位置设置抗滑桩或者在填方区的下部位置设置挡墙使松散堆积体边坡坡体处于受压状态是松散堆积体边坡治理的根治措施。

松散堆积体边坡抗剪强度高水敏感性以及雨水入渗对松散堆积体边坡稳定强影响性决定了防止雨水的入渗是确保松散堆积体边坡的稳定的重点。在松散堆积体边坡的坡顶设置排水沟和对坡体表面进行覆盖、封堵是松散堆积体边坡治理的重要措施。

松散堆积体达到剪切破坏以后，其抗剪强度并不消失，仍维持原值或略有降低;坡体饱和土体的孔隙水压力上升，是导致松散堆积体坡体破坏最直接的因素。及时排除坡体内的孔隙积水是维持松散堆积体边坡稳定的直接措施，在对坡体表面覆盖、封堵时作好有一定深度、排水流畅的泄水孔是边坡治理的必要措施。

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