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1、地下水在弱膨胀性土边坡稳定中的影响第24卷2010正第5期1O月岩土工程技术GeotechnicalEngineeringTechniqueVo1.24NO.5OCt,2010文章编号:10072993(2010)05023104地下水在弱膨胀性土边坡稳定中的影响董柱毛勇赖正发(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院,云南昆明650051)【摘要】地下水是影响边坡稳定一个重要因素,主要体现为内,外两个方面的影响.经常考虑的地下水对边坡地层重度,强度等方面的影响属于内的方面;地下水还可能对边坡岩土体产生如浮托力,静水压力,动水压力,渗透力等附加力属于外的方面.通过对一弱膨胀性土边坡失稳各阶段,各影响
2、因素下的分析,阐述了地下水在弱膨胀性土边坡稳定分析中内,外方面的不利影响.并得出结论:在边坡稳定分析时,仅考虑地下水对地层重度,抗剪强度等指标的影响,其分析结果偏于不安全;尤其是边坡地层为弱膨胀性土时,浸水后强度大幅下降,应采用浸水试验指标进行边坡稳定性复核;其次还应考虑地下水渗流排泄对边坡产生的附加荷载.【关键词】边坡稳定;地下水;弱膨胀性土;内,外影响;附加荷载;渗透力【中图分类号】TU441.35【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.10072993.2010.05.004ResearchontheAffectofGroundwaterontheStabilityofth
3、eSlightly.expansiveSoilSlopeDongZhuMaoYongLaiZhengfa(KunmingProspectingDesignInstituteofChinaNonferrousMetalsIndustry,Kunming650051Yannan,China)AbstractThegroundwaterisanimportantfactorfortheslopestability;theinfluenceincludestheintrinsicfactorandtheextrinsicfactor.Generallyspeaking,theaffectofintri
4、nsicfactorincludesthegravitydensityandstrengthofthesoillayerintheslope.Groundwateralsomayproduceanotheradditionalforceinslopesoil,suchasBuoyancypressure,HydrostaticPressure,Hydrodynamicpressure,PenetrationandSOon,whicharetheextrinsicfactor.Basedonthestudyofeveryinstabilitystageandeveryinfluencefacto
5、rofaslightly-expansivesoilslope,theconclusionsareshownasbelow.Theresultisunsafefortheslopestability,iftheanalysisonlyincludestheinfluencesofgroundwateronweightdensityofsoilandshearstrength.Especially,whentheslopesoilisaslightly-expansivesoil,itsstrengthwillbereducedifitiswet.ItshouldusetheindexofWat
6、erImmersionTesttocheckthestabilityoftheslope,andtheadditionalloadshouldbeconsidered,whichisgeneratedbytheseepofgroundwater.Keywordsslopestability;groundwater;slightly-expansivesoil;intrinsicfactorandextrinsicfactor;additionalload;Penetrati0引言随着我国经济建设的发展,尤其是近几年中国西部大开发的进行,西南地区山地建设工程越来越多,其中涉及到很多挖,填方边坡需
7、进行分析,治理.影响工程边坡稳定的因素很多,其中地下水是不可忽视的一个因素.地下水对边坡稳定的影响体现在多个方面,除了我们经常考虑到的地下水对边坡地层重度,强度等方面的影响外,地下水还可能产生如浮托力,静水压力,动水压力,渗透力等对边坡的附加作用力,在工程若考虑不够周全,则有可能引发工程事故.本文以一弱膨胀性土边坡失稳的具体工程为例,通过对该失稳边坡各阶段,各影响因素下的稳定性的分析,介绍了地下水在弱膨胀性土边坡稳定分析中内(增大地层重度,降低地层强度),外(浮托力,静水压力,动水压力,渗透力等)方面的不利影响,为今后类似工程的分析,设计提供有益的借鉴和参考.1工程概况某焦化公司拟在云南省曲靖
8、市师宗县城东北部新建一生产厂区,占地面积约1.25X0.52kn7.场地位于师宗盆地北东部边缘,属构造剥蚀中一低山地貌.地势北作者简介:董柱,1975年生,男,汉族,云南个旧人,1996年毕业于东南大学土木工程系,高级工程师,一级注册结构师,注册土木(岩土)工程师,主要从事岩土工程的研究与设计工作.E-mail:d-zlO232岩土工程技术2010年第5期高南低,自然坡度15.20.根据总图规划进行场地整平后,形成南部填方,北部高约20.0rn,坡度l:1左右的挖方边坡.2009年4月底进入雨季后,该挖方边坡局部地段发生滑移,滑体宽30.01TI,高20.013+1,后缘陡坎高差约1.0m,滑
9、体后缘坡面上阶梯状发育有多条张拉裂缝(见图1).业主在发现滑动迹象后,立即组织了对滑坡体的削坡卸载处理,但在削坡一段时间后,后缘坡面上逐渐有新的裂缝产生,说明该滑坡的规模,范围及周界仍在继续发展,严重影响工程建设.业主即组织了针对该滑坡的专项勘察及治理.图1平面图2场地工程地质条件2.1地形地貌拟建场地位于云南省曲靖市师宗县,师宗盆地北东部边缘,为山地,低山丘陵.地势北高南低,相对高差约56m,自然坡度15.20.,植被良好,地貌上属于剥蚀中低山丘陵地带.2.2地质构造场地区域地质构造比较复杂,主要由南北向构造系,人字型构造系,华夏构造系,棋盘格式构造系,山字型构造五大构造系组成.受场区外区域
10、构造的影响,岩体张性和扭性结构面(节理裂隙)较发育.2.3地层岩性场地地层主要由第四系植物层(Q)耕土,第四系坡残积(Q4d)粘土以及三叠系中统法郎组(Tf)页岩组成.粘土,褐黄,褐灰色,硬塑状态,稍湿;强风化页岩,深灰色,黑色,薄层状构造,钙泥质胶结,显层理,层面倾角50.60.,节理裂隙发育,倾角多分别约为30.,5O.75.和近于垂直三组,裂面平直较光滑;中等风化页岩,深灰色,黑色,薄层状构造,钙质胶结,显层理,层面倾角50.60.,节理裂隙较发育一不甚发育,倾角多分别约为3O.,50.75.和近于垂直三组,裂面平直较光滑.2.4水文地质场地地处南盘江流域篆长河水系的上游九龙河及牛街河的
11、分水岭地带,南东有溪沟水系分布,自西向东斜穿而过,属季节性河流,场地汇集的地表水,地下水均排泄于此溪沟中.场地内地下水主要由大气降水补给,赋存于粘土孔隙及基岩裂隙中,属第四系潜水及基岩裂隙水,受水力坡度影响以地下迳流的形式由北向南排泄.2.5不良地质作用粘土层,强风化页岩自由膨胀率3552,部分地段具有弱膨胀性.3滑坡基本特征及成因分析3.1滑坡形态特征根据滑坡勘察,滑坡体宽约30.01TI,高20.0m,后缘有明显的滑坡壁陡坎高约1.0m,周界清晰.滑坡后缘坡面上阶梯状发育有多条长1.512.0m,宽530cm的张拉裂隙,前缘处明显可见大块鼓胀和隆起地形.滑坡滑面主要位于粘土,强风化页岩内,
12、属小型浅层工程滑坡.滑坡经削坡卸载处理后,受各种因素影响,后缘坡面出现新的裂缝,滑坡仍在继续发展,严重影响工程建设.3.2滑坡成因分析1)人为因素:该处原始地貌为一斜坡地带,自然坡度15.2O.,坡度相对较缓.场地在按规划整平过程中,开挖山体形成了新的,较陡的临空面.力之开挖后,表面植被层被剥离,有利于地表水的下渗,边坡稳定性有所降低.2)地层因素:边坡主要地层为粘土层,强风化页岩,自由膨胀率35529/6,具弱膨胀潜势,遇水后强度下降.3)降雨因素:雨季丰富的地表水易沿地表裂隙下渗,渗水后既增加了坡体的荷载,又降低了岩土体的强度,同时顺坡向可能形成水力坡度,给滑坡的形成创造了有利的条件.综上
13、所述,该滑坡是在不利的地质条件下,由人为切方,强降雨等不利因素引发的边坡失稳.4边坡稳定性分析4.1边坡分析方法采用瑞典条分法:K一(cl+Woos0tan)/(Wsin)式中:K为整个滑体的安全系数;C为土的粘聚力,董柱等:地下水在弱膨胀性土边坡稳定中的影响233kPa;为土的内摩擦角,(.);Z为单个土条的滑动面长度,m;W为条块重力,kN,浸润线以上取重度,以下取饱和重度;为条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角(.).鑫4.2场地开挖整平后,形成坡度1:1左右的边坡分析2009年初场地根据总图规划进行整平后,场地北部形成了高20.Om,坡度1:1左右的挖方边坡.进入雨季后,该挖
14、方边坡局部地段发生滑移.(见图2)用地红线18381图2典型剖面图(初步整平后)根据地质勘察报告所提主要地层参数指标(见表1),进行边坡稳定性分析.表1主要地层参数采用地层固结快剪强度指标计算,边坡稳定系数为1.225,边坡处于稳定状态.进入雨季后,由于边坡开挖后未进行封闭处理,降雨能够直接渗入坡体,浸润地层,导致边坡重度增加,抗剪强度降低,采用地层浸水快剪强度指标计算,边坡稳定系数为0.772,边坡早应产生滑动,与实际不符.根据实际情况反演分析,当地层抗剪强度指标取值为:粘土(c=30kPa,=:=8.),强风化页岩(c=40kPa,16.)时,边坡稳定系数为0.98.该抗剪强度取值介于地层
15、固结快剪与浸水快剪指标之间,表明边坡开挖后,在雨季初期,降雨下渗,浸润,尚未使边坡土体达到饱和,但已使其强度有所降低,边坡产生失稳的趋势.4.3边坡削坡卸载后的稳定性分析在发现边坡局部的滑动迹象后,立即组织了对边坡的削坡卸载处理(见图3).削坡卸载完成后,按地层浸水快剪强度指标进行卸载后的边坡稳定性复核,其稳定系数为1.405,理论上边坡处于稳定状态.图3典型剖面图(削坡减载后)但事实上,由于仍处雨季,在一段时间后,卸载后的边坡后缘坡面上仍然出现了张拉裂缝,说明卸载后的边坡并未稳定,变形在继续发展,有可能成为新的滑坡.边坡实际情况与理论分析不符,理论分析尚有不合理,不全面的地方.4.4边坡稳定
16、的进一步分析1)边坡在发现滑动迹象后,仅作了简单的削坡卸载处理,未进行任何加固,坡面封闭及截排水治理,降雨仍能直接下渗浸润地层.边坡主要地层为具弱膨胀潜势,遇水饱和后强度下降.2)场地地处中低山丘陵地带,大气降水下渗后,赋存于粘土孔隙及基岩裂隙中,受水力坡度影响由北向南渗流排泄.所以,在边坡稳定分析中应进一步考虑水的作用:对地层的影响及地下水渗流排泄过程中对边坡的不利影响.4.5边坡稳定分析中地下水附加力的考虑在边坡分析中,除了考虑地下水对地层指标的直接影响外,还应考虑地下水对边坡可能产生的几种附加力:浮力,在滑带附近有承压地下水活动时应考虑;动水压力,若滑体底部有一部分饱水并与滑带水连通且自
17、滑坡出口不断渗出时应考虑;静水压力,若滑体后部有贯通至滑带的裂缝,且充水来不及排出时应考虑;渗透力,在坡体内地下水受水力坡度影响向下渗流排泄时应考虑.结合本工程边坡的具体情况,在分析雨季边坡的稳定性时,尚应考虑地下水向坡脚渗流排泄时产生的渗透力影响.按照边坡稳定有效应力分析方法的基本理论,取土骨架为隔离体,渗透力按下式计算:T=Dsin(a-O)tan(对抗滑力的贡献)P=Dcos(口一)(对下滑力的贡献)D=Wff2Wi/一(w1一w2)/Ax式中:Di为第i个土条中的渗透力,kN;a为渗透力作234岩土工程技术2010年第5期用方向与水平面夹角;为水的重度,kN/m3;为第i个条块的饱水面
18、积,;I为第个条块中水的水力梯度;t,为第个条块右,左侧的水头高度,m.削坡卸载完成后,采用地层浸水快剪指标进行卸载后的边坡稳定性分析,同时考虑地下水渗透力的影响,其稳定系数为1.024,边坡处于极限平衡状态,与实际情况相符.4.6边坡各阶段分析结果汇总边坡各阶段稳定性分析结果汇总见表2.表2边坡各阶段稳定性分析结果1.0411.0241.080表中:工况1一场地按规划开挖整平后,形成高约20.01TI,坡度1:1的边坡;工况2一边坡削坡卸载后,形成高约21.01TI,坡度约1:2.0的边坡;固剪指标一地质报告所提的地层固结快剪强度;浸水指标一地质报告所提的地层浸水快剪强度;反演指标一根据滑坡
19、现状反算的地层抗剪强度;浸水+渗透力一采用地层浸水快剪强度,同时考虑地下水渗流排泄时渗透力的影响.5边坡治理设计受场地条件限制,边坡不具备进一步放缓坡的条件,故治理设计只能尽量考虑在现状坡面上进行,按削坡减载后边坡处于极限平衡状态,考虑一级边坡安全系数后,采用预应力锚索结构进行支挡,辅以疏干孔疏排坡体内水,坡顶截洪沟截排地表水,坡面封闭,坡脚排水沟排水(以免坡脚积水)等措施进行综合治理.治理后,经观测,边坡没有进一步变形,治理效果良好.(见图4)图4治理剖面图6结论本文通过对某一弱膨胀性土边坡工程各阶段变形,稳定的深入分析,阐述了在边坡分析中,地下水不仅对地层指标有较大影响,其渗流过程还会对边
20、坡产生不利的附加荷载,应加以重视.1)一般在边坡稳定分析时仅考虑地下水对地层重度,抗剪强度等指标的影响,其分析结果偏于不安全.2)尤其是边坡地层为弱膨胀性土时,由于弱膨胀性土含亲水矿物,浸水后强度大幅下降(抗剪强度降幅可达3O40),应采用浸水试验指标进行边坡稳定性复核.3)在边坡设计中,还应考虑由于边坡开挖,造成地下水渗流排泄途径的改变,而产生的地下水对边坡的附加荷载.边坡工程首先应对工程地质,水文地质等情况进行认识和分析,并分析边坡形成过程中地层结构,水文及周边环境可能产生的变化,预期这些变化对边坡稳定可能产生的不利影响,通过整体,局部,再整体的过程分析,认识影响边坡稳定的各种因素,充分考
21、虑边坡可能产生的破坏形式和可能,进行有针对性的治理设计,才能做到边坡治理既安全,又经济合理.参考文献1工程地质手册编委会.工程地质手册(第四版)M.北京:中国建筑工业出版社,2007.2交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册一路基(第二版)EM.北京:人民交通出版社,1997.3叶书麟,韩杰,叶观宝.地基处理与托换技术M.北京:中国建筑工业出版丰十,1994.4刘特洪.工程建设中的膨胀土问题M.北京:中国建筑工业出版社,1998.5廖济川,陶太江.膨胀土的工程特性对开挖边坡稳定性的影nEJ.工程勘察,1994(4):1822.6姚海林,郑少河,李文斌,等.降雨入渗对非饱和膨胀土边坡稳定性影响的
22、参数研究J.岩石力学与工程,2002,21(7):10341039.7詹良通.非饱和膨胀土边坡中土水相互作用机理J.浙江大学(32学版),2006,40(3):494500.8李智民,江亚鸣,杨宜军.引江济汉工程膨胀土渠道边坡稳定性及防治对策J.资源环境与工程,2007,21(2):144146.9黄志全,吴林峰,王安明,等.基于原位剪切试验的膨胀土边坡稳定性研究J.岩土力学,2008,29(7):17641768.1O刘洋,王国强,周健.降雨条件下膨胀土基坑边坡稳定性分析J.地下空间与工程,2005,1(2):296-299.11中华人民共和国建设部.GB50021-2001岩土工程勘察规范Es.北京:中国建筑工业出版社,2002.收稿日期:20100604