土体强度恢复对边坡稳定性影响分析

曹 越，许宝田，周 洋，雷泉龙，张 腾

(1.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023；2.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

在项目施工中，工期短、质量优、造价低无疑是所有建设单位追求的最大目标。尤其在后疫情时代，基建成为国家工作的重要抓手。在市场竞争激烈的大环境下，保障施工质量的前提下，如何最大程度地节约施工成本缩短施工工期，成为所有建设单位追寻的目标。

近年来，南京市高淳区胥河段汛期出现了多次滑坡，给地区水利工程的实施造成了极大的影响。工程中对滑动后的土体进行加固设计时，一般会取土的残余强度参数(一般远低于天然强度)作为稳定性分析和加固设计的依据，这使得工程建设成本大为增加。已有研究成果表明，滑坡后，边坡的滑动面强度会在稳定时期内不断恢复[1]。因此，对于众多建设单位而言，在滑坡后找出质量安全以及施工成本的关系及最佳结合点是至关重要的。

Stark[2]等专家通过环剪试验揭示了土体剪切面的自愈合现象，具体体现为土体抗剪强度的增加。Ramiah[3]等专家也在1973年通过对膨胀土进行了4天时间的强度恢复研究发现，高塑性土在短期内也可以产生较大的强度恢复。因此，从长期视角可以看出，充足的恢复时间足以对滑坡后土体的施工建设产生巨大的影响。

本文基于高淳区某膨胀土边坡工程，从土体强度恢复角度入手，对滑动后的膨胀土边坡稳定性情况以及需要采取的相应支护结构进行分析与评价，最后考虑各方案的安全性、经济性等因素得出土体滑坡后施工的最佳经验方案，对于同类型工程的实施具有一定程度的参考意义。

1 工程概况

高淳区属北亚热带南部季风气候类型，降水量充沛，全年中约60%的降水量集中在5—9月。该地区膨胀土分布广泛，由于富含蒙脱石、伊利石等亲水性矿物，对气候变化和人类工程活动等外部因素极为敏感[4]。

某新建泵站基坑工程位于胥河南岸坡底，河岸坡顶标高23.0m，坡度约为15°，勘察期间水位高程约7.80m，基坑长25m，宽约20m，坑底标高5.0m，基坑深度约4.6m，拟采用悬壁桩支护。

场区勘探深度内地层为第四系松散堆积物及白垩系沉积岩，根据钻探资料，按其成因类型及土的性状自上而下如图1所示：

图1 工程地质剖面图

③全风化(砂质)泥岩(K2p)：广泛揭露，灰黄色，局部为灰褐色，微透水，风化成粘土状，锤击易碎，局部夹泥质粉砂岩。该层未揭穿，最大揭露厚度27.40m，顶板埋深3.50～25.20m，强度高，工程性质较好。

土体基本物理力学性质指标见表1。

表1 土体物理力学参数

结合邻近胥河沿岸滑坡历史和水利工程施工中的问题，发现该地区引渠、泵站等建筑结构由于边坡滑坡出现过多次的破坏问题(如图2所示)。对该工程而言，滑坡问题必须引起足够的重视。保守起见，一般在滑坡区进行基坑支护设计时应取相对于土体天然强度较低的残余值做基坑变形和稳定性分析的依据，计算得支护桩长、直径必然大为增加，间距必然减小(甚至要考虑必要的支撑)，导致支护成本急剧加大。

图2 胥河沿岸滑坡现象

土体滑坡导致土体性质弱化[3-4]，对基坑工程的实施带来了一定的难度。滑坡后土体强度如何变化、何时复工、支护结构如何调整等，在确保施工进展顺利的同时尽可能降低施工成本是一个值得探讨的问题。

滑坡后滑块与滑床发生相对错动进而产生剪切面，而宏观层面上滑坡土体恢复的本质就是剪切面的愈合，剪切面的愈合相较于土体本身承受竖向荷载的大小更依赖于恢复状态的保持时间[5]。对于以上现象，国内外专家研究得出了不同的观点：Mc Laskey等[6]探究断层愈合恢复机制时提出断层自身的蠕变机制造就了愈合现象的产生(剪切面发生蠕变同时剪切面的愈合现象随时间增长而逐渐增强)，Pluymakers等[7]认为愈合取决于剪切面塑性颗粒的变形与颗粒相对位置的重新排列。

相对于取残余强度，在基坑支护设计时如考虑强度恢复效果，则可以大大节约支护成本。本文基于前人对土体强度恢复研究成果，针对胥河河岸土体发生滑坡后的强度恢复问题展开相关实验研究工作。

2 土体抗剪强度恢复试验

实验中一般通过反复剪切试验来探究边坡滑动后的土体本身的自愈机制[4-7]。

2.1 试验方法

对研究土体进行制样-剪切-恢复-二次剪切一系列操作，可以最直观地模拟滑坡后的土体强度随着时间表现出来的动态变化，进而探寻出在恢复过程中不同时刻土体的强度变化规律。

本试验采用四联等应变直剪仪进行，为得到不同恢复时间的强度参数，现场取原状样进行15组(1组4个)试验，以得到土体剪切破坏后强度恢复1～15d后的强度参数，试验的基本步骤如下：

(1)制样：实验前根据需要制作原状环刀样，并在50、100、200、400kPa的法向压力下固结。

(2)剪切：每组试样均在不排水条件下以等速率(0.8mm/min)推进剪切盒，总剪切位移达到4mm后停止推进(初次剪切)。实验结束得到土体的粘聚力和摩擦角。

(3)复位剪切盒：在初次剪切完成后复位剪切盒至未发生剪切变形前位置，确保恢复过程切实有效[8]。

(4)二次剪切：在与步骤(2)相同的条件下进行二次剪切，得到相当于土体滑动破坏后的强度。

(5)强度恢复：对15组土体重复步骤(2)、(3)后，对破坏后的土体进行不同时间(1～15d)的强度恢复后，根据步骤(2)进行剪切试验，得到不同恢复时间的强度指标。部分恢复时间后的剪切位移-应力关系曲线如图3所示。

图3 土样剪应力与剪切位移关系曲线

2.2 强度恢复试验结果

对比图3中不同恢复时间后的剪切实验结果，可以看出初次剪切后土体强度急剧下降(抗剪强度随恢复时间变化关系曲线如图4所示)，10d内随着恢复时间延长，土体强度逐渐上升较快，对比图3(c)(d)可以看出恢复10d后再次剪切得到的剪应力-剪切位移关系曲线变化不大，土体强度增长速率变缓。

图4 土样强度-恢复时间关系曲线(-1d对应原状土的强度)

根据反复剪试验结果，得到所研究土体的剪切特征如下：

(1)初次剪切后的试样抗剪强度指标内聚力c、内摩擦角Φ值均显著降低，这与前人研究结论一致[9]。剪切使得土样剪切面上粘结的较大团粒剪破，剪切面孔隙比减小，内部水分被挤出，进而导致在初次剪切后粘聚力以及内摩擦角急速下降。

(2)在对恢复后的土体进行再次剪切后，随着时间推移，土体的粘聚力及摩擦角不断恢复，增长速度先快后慢，于恢复后第7天达到极大值，这一现象与前人[10]通过研究三峡库区土体得出的土体恢复速率随着静止修复时间的增长而逐渐减弱的结论一致。

试验中的种种现象表明，随着试样剪切复位后的时间不断推移，对于土体粘聚力c值而言，初次剪切之后，土体剪切面微观结构破碎，孔隙体积增加，微小裂隙不断连接，逐渐形成新的裂隙，裂隙使得土颗粒之间的相互作用力逐渐减小，土体强度急剧减小，同时易溶盐随着水分运移到剪切面上，而随着时间的推移，游离于剪切面上的水分再次扩散至土体中，导致恢复之后剪切面上土颗粒的水化膜由厚变薄，阳离子也因此逐渐失去渗透斥力，电场力增强，同时由于水分子的扩散作用导致剪切面上的易溶盐发生结晶，进一步增加上下土体之间的结构连接力，从而表现出二次剪切后土体粘聚力随恢复时间的增加而增加的趋势；而对于内摩擦角而言，剪切盒复位后在上覆荷载的作用下，剪切面上的团粒不断压密，土颗粒重新排列，颗粒之间胶结程度不断增大，进而使得内摩擦角随着恢复时间不断增长而表现出不断增加的现象。

一般来说，土体粘聚力受控于颗粒形状和大小、孔隙水和气体、表面吸附剂等因素，而内摩擦角主要受控于土体本身的成分、含水率、密实度以及颗粒大小分布，土体粘聚力的恢复速率大于内摩擦角。

3 强度恢复对边坡影响分析

3.1 边坡稳定性

从高淳区胥河沿线屡次滑坡与治理情况分析，所研究基坑地处胥河南岸，该处土体具有一定的涨缩性、裂隙性和超固结性，对气候变化和人类工程活动等极为敏感，汛期坡脚雍水，坡面雨水入渗等外部因素极大程度上加大了滑坡的可能；基坑开挖对于土体的二次扰动、边坡后缘的堆载也会对边坡的稳定性造成影响。综合判断该处边坡存在较多不利因素，易发生浅层滑坡[11]。

本文基于Phase有限元软件，模型计算时基于摩尔库伦屈服准则的理想弹塑性本构模型，采用强度折减法[2]对基坑开挖前边坡天然以及滑坡后强度恢复条件下的基坑边坡稳定性进行分析。

建立的边坡模型如图5所示，长度为73.0m，高度为23.0m。最终得出的边坡稳定性系数随时间变化关系曲线如图6所示。由稳定性分析结果可知，天然条件下边坡稳定性系数为1.198，接近于SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》所规定的安全系数下限值1.20，而根据滑坡后土体残余强度计算得边坡稳定性系数下降至0.23，边坡极不稳定。

图5 边坡几何模型

图6 稳定性系数-时间关系曲线

随着时间变化，边坡稳定性系数随着土体强度的恢复呈现出不断上升的趋势，最终在恢复15d后提升至至1.01，同时土体直接进行二次剪切后的稳定性系数略高于恢复1d时。这一现象的发生可能是由于膨胀土本身黏粒(高岭石、蒙脱石、伊利石)含量相对较高，土颗粒本身强度较高，在反复剪切过程中不易剪破，在剪切面上保持一定的咬合作用(由于团粒咬合作用，剪切后各组土样往往会出现一定程度的剪胀现象)，同时初次剪切使得土样剪切面上的团粒发生剪破，剪切面孔隙比减小，内部水分被挤出，而由于未保留一定的恢复时间导致被挤出的部分自由水徘徊于剪切面之上，在二次剪切时增强了剪切面颗粒之间的粘性，进而导致产生的变形增大。

3.2 基坑变形分析

首先，模拟初始状态下的边坡开挖工况，得到滑坡前天然状态下土体边坡的最大剪切位移云图(如图7所示)，考虑到基坑开挖的安全性，在施工时应对其采取相应的支护结构进行加固，最终将边坡最大位移控制在30mm之内。

图7 初始状态下基坑开挖的剪切位移云图

在结构设计方面，针对该基坑工程，拟采用桩锚支护结构进行支护。考虑采用抗滑桩进行加固，桩径800mm、桩长10m、桩间距3m；锚杆长10m，沿水平方向15°打入，锚杆水平间距3m，研究不同恢复时间内采用该支护结构的不同效果，具体结果如图8所示。

图8 支护效果-土体恢复时间关系曲线

由图8可以看出，土体在强度恢复至第12天时，粘聚力恢复至14.81kPa，内摩擦角恢复至8.9°，此时支护结构满足稳定性要求及变形要求，综合质量安全(边坡稳定性及变形)以及施工成本两者因素达到最佳结合点。

4 结论

本文通过室内剪切试验和数值分析，研究了南京市高淳区胥河土体边坡滑坡后的强度恢复规律，同时进一步探索了在土体强度恢复过程中的边坡稳定性和开挖基坑施工的最佳方案，得到以下结论：

(1)对所取土样进行初次剪切后，强度急剧降低，而随着恢复时间推移，土体的粘聚力、内摩擦角逐渐增加，增长速度先快后慢，恢复速率在第7天达到极大值。

(2)对于所研究边坡工程而言，在无降雨条件下，土体在滑动后第12天，粘聚力恢复至14.81kPa，内摩擦角恢复至8.9°，此时综合质量安全与支护成本两者达到最佳结合点。

(3)分析结果表明，考虑土体的强度恢复效应可为基坑支护设计方案优化提供依据，大大节约施工成本，为该地区水利工程实施起到参考作用。