膨胀土边坡稳定性分析与设计技术研究

相林杰，贾红岩，熊 健

(中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北 任丘 062550)

0 引言

膨胀土在我国广泛分布，遍及20余个省、市、自治区。随着我国油气资源产业的快速发展，油气管道工程的建设难免会处在膨胀土地区。作为一类特殊的非饱和土，除具有一般黏性土的岩土性质之外，膨胀土所具有的强胀缩性、多裂隙性、超固结性、快速崩解性、强度衰减性以及风化分带性等，使得其工程特性较为复杂。因此，膨胀土地区的工程建筑地基变形、基础破坏、管道破裂、路面开裂隆起等病害情况也普遍发生。膨胀土地区边坡病害也同样十分严重，一度有“坏土”“逢堑必崩，无堤不塌”之说[1]。

自21世纪以来，工程界对膨胀土的认识从最早的判断、识别、测试、处治，到开展大规模试验和理论研究，在膨胀土边坡破坏机理、膨胀土的强度理论、膨胀变形及其稳定性分析方法以及处治技术等方面均取得了大量丰硕的研究成果[2-5]。然而目前，工程界对膨胀土胀缩机理的研究和认识仍然处于逐步提高、统一认识阶段[6]，且对于膨胀土地基挖方边坡工程的认识与工程实践较为丰富，处治技术相对比较成熟，而对于膨胀土地基填方边坡工程的设计及处治技术尚未有成熟及系统性的研究结论。

本文依托膨胀土地区某天然气站场边坡工程，结合地区经验，重点对膨胀土地基填方边坡设计及防护技术措施进行探讨总结，以期为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

1.1 总平面及竖向布置

某天然气站场位于广西柳城境内，沙埔镇西侧。场地位于丘陵的斜坡地段，大致呈单倾、浅凹形状。地表为树林，以桉树和松树为主。整体地势北面高，南面低，地形起伏较大。

站内主要建(构)筑物包括EIT集成装置、橇装发电机、工艺设备区、清管设备区、排污池、放空立管等。建筑物均为单层，拟采用独立基础，基础埋深约1.0 m，荷载120 kPa。站场围墙内用地面积为3 852.8 m2。场区拟整平高程：北侧为138.60 m，南侧为138.00 m；自然标高：北侧约146.60 m，南侧约131.50 m。进站路由西南侧接入，道路净宽4 m，路肩1 m，长度160.40 m，道路纵坡i=7.61%。进站道路起点高程为125.00 m，终点接场地南侧处高程为137.70 m。站场总平面如图1所示。

1.2 工程地质特征

根据场区总平面及竖向布置方案，场区整平后，将在场区四周形成人工填挖方边坡。场地北侧将形成最大约14 m高的挖方边坡，场地西侧、南侧暨新建进场道路的边缘段将形成最大约9.35 m高的填方边坡，填方用土暂定来源于本场区挖方区。依据现行国家建筑标准GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范第3.2.1条的规定，确定该工程的边坡安全等级为二级。

场区填方地段典型地质断面如图2所示。根据边坡工程地质勘察成果，结合室内土工试验及地质调查，边坡原始地层情况如下：①耕植土：灰褐色，含大量植物根系，厚度0.30 m～1.00 m。②黏土：残坡积成因，黄色，硬塑，土质较均匀，韧性中等，干强度中等，稍有光泽。该层局部地段分布，厚度0.50 m～1.20 m。③全风化泥岩：青灰色，灰绿色为主，完全风化，风化呈黏土状，偶见原岩结构，岩心呈土柱状，土石等级为Ⅲ级。该层大部分地段分布，厚度0.80 m～2.70 m。④强风化泥岩：灰绿色、灰色为主，风化强烈，风化裂隙发育，破碎，岩心呈碎片、碎块状，土石等级Ⅴ级，属于极软岩，厚度0.50 m～4.00 m。⑤中等风化泥岩：灰色为主，泥质结构，块状构造，岩体较完整～完整，饱和单轴抗压强度值一般小于5 MPa，属于极软岩，锤击声哑易碎，岩心呈短柱及柱状，RQD值90%左右，土石等级6级。根据地质调查及岩心横断面判断，岩石主要为水平层理。根据后期开挖断面，现场罗盘实测岩层产状为125°∠15°。其中②黏土、③全风化泥岩具膨胀性，自由膨胀率为36%～48%，50 kPa，下膨胀率为0.03%～0.52%，收缩系数0.25～0.36，胀缩总率2.29%～3.25%，属中等胀缩土，膨胀潜势为弱。

1.3 工程问题分析

由上所述，该工程填方区为典型的膨胀土地基填方建筑边坡，且为填筑于天然斜坡地段的填方边坡工程。依据现行《膨胀土地区建筑技术规范》第3.0.3条及《广西壮族自治区膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》中相关条款的规定，建造于斜坡及其邻近的建筑物及挡土结构，应进行稳定性验算。同时，对于膨胀土坡底，应采取一定措施考虑坡体内土的含水量变化对建筑物的影响[7-8]，其原因主要有以下两个方面：

1)建造于斜坡及其邻近的建筑物及挡土结构，一旦发生失稳则是灾难性的。建筑地基和挡土结构的失稳，一方面是由于荷载过大，土中应力超过土体的抗剪强度引起的，必须通过在设计阶段进行稳定性分析验算；另一方面，土中水的作用是主要的外因，所谓“十滑九水”对于膨胀土地基来说更为贴切。水不但导致土体膨胀而使其抗剪强度降低，同时也产生附加的水平膨胀力，设计时应考虑其影响，并采取防水保湿措施，保持土中水分的相对平衡。

2)对于非膨胀土坡地只需验算坡体稳定性，但对膨胀土坡地，仅满足坡体稳定要求，还不足以保证场地及其上建构筑物的正常使用。应充分考虑坡体内土的含水量变化对建筑物的影响，这种影响主要来自以下几点：a.挖填方过大时，土体原来的含水量状态会发生变化，需经过一段时间后，地基土中的水分才能达到新的平衡；b.由于平整场地破坏了原有地貌、自然排水系统及植被，土的含水量将因蒸发而大量减少，如果降雨，局部土质又会发生膨胀；c.坡面附近土层受多向蒸发的作用，大气影响深度将大于坡肩较远的土层；d.坡比较陡时，旱季会出现裂缝、崩坍。遇雨后，雨水顺裂隙渗入坡体，又可能出现浅层滑动。久旱之后的降雨，往往造成坡体滑动，这是坡地建筑设计中至关重要的问题。

为此，对于膨胀土填方边坡，其设计技术工作应主要围绕稳定性分析及综合防护治理两个方面开展。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡破坏模式分析

本工程位于膨胀土地区，膨胀土等级属弱～中膨胀性。结合现有研究成果及当地经验，该边坡从破坏的深度方面考虑，其破坏模式可分为浅层破坏和深层破坏两种形式。深层破坏主要指边坡的整体失稳，应结合边坡稳定计算结果与工程经验，确定合适的坡形、坡比以及填筑技术措施等，以保证边坡整体稳定；浅层破坏主要是指发生在大气影响层内的膨胀土边坡浅层变形破坏，需要针对其具体的特征及影响因素，采用合理的边坡防护措施来消除浅层破坏的危害。

本节重点对深层破坏方面进行分析。依据现行《膨胀土地区建筑技术规范》《广西壮族自治区膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》中相关条款的规定:“位于坡地场地上的建筑物，验算其地基稳定性时，必须考虑建筑物和堆料的荷载，抗剪强度应为土体沿滑动面的抗剪强度，安全系数取1.3，且应符合下列规定：1)土质较均匀时，可按圆弧滑动法验算；2)土层较薄，土层与岩层间存在软弱层时，应取软弱层面为滑动面进行验算；3)层状构造的膨胀土，层面与坡面为同向倾斜，且交角小于45°时，应验算层面的稳定性。”

由此，确定该填方边坡稳定性破坏的模式及分析应包括以下几个方面：

1)填筑坡体沿下伏膨胀土岩层层面滑动的稳定性分析。

2)上覆填土自身稳定性分析。

3)上覆土层与岩层间存在软弱层时，沿软弱土层滑动的稳定性分析。

2.2 边坡坡高、坡比设计

对本填方边坡，结合进站路由、站场填挖方平衡及用地界线等情况，初步拟定采用直线型边坡，坡率1∶1.5，分层回填、碾压进行放坡支护，坡脚浇筑1 m高混凝土挡土墙。

2.3 边坡稳定性计算

2.3.1 计算模型及参数

计算选取的地质断面如图2所示。实际工程实施中，须对地表植被、耕植土进行清除。断面计算模型如图3所示。

结合工程地勘报告及地区经验，天然状态下边坡各层岩土物理力学参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学性能参数(一)

2.3.2 坡体沿下伏岩层层面滑动的稳定性分析

由地勘报告结论及后期开挖实测数据可知，下伏岩层主要产状为125°∠15°，坡面产状为180°∠33.69°，采用极射赤平投影法分析，如图4所示。岩层倾向与边坡坡向大角度相交，为切向坡，对边坡稳定性影响较小。

对场地下伏基岩稳定性进行分析。由定性分析可知，下伏基岩无外倾结构面及结构面的不利组合，如岩体要向边坡倾向滑动，那么潜在滑动面的下滑力需要克服岩体本身的抗剪强度，剪断岩体面出现破裂面。场地下伏基岩岩面坡度较缓，从下伏基岩的形态分析，无角度较大的临空面，最大角度约为15°，该临空面处于中风化岩内，如不考虑岩体黏聚力，仅考虑岩体摩擦角，则沿该面滑动的稳定性系数为：Fs=tan33.69°/tan15°=2.5。考虑岩体抗剪强度还存在较大的黏聚力，则下伏基岩沿该临空面的滑动稳定性系数大于2.5，满足规范要求。

2.3.3 天然状态下，上覆填土自身稳定性分析

采用理正岩土软件简化Bishop法进行验算分析，天然状态下边坡滑动面形状如图5所示，边坡稳定系数Fs=1.566>1.3，满足规范[9-10]要求。

2.3.4 降雨入渗条件下，边坡沿软化土层稳定性分析

假定边坡在旱季施工，已填筑完毕后进入雨季，上部场区场地防排水措施尚未形成，雨水沿原始斜坡下渗，膨胀土地基(③全风化泥岩)浸水软化，土体抗剪强度参数下降，参考文献[11]的岩土体参数，则此时边坡岩土计算参数如表2所示。

表2 岩土体物理力学性能参数(二)

此时，边坡稳定性计算分析结果如图6所示，边坡稳定安全系数急剧下降到0.939，远远不满足规范规定的稳定性要求。

由此可知，在具有膨胀性地基土上进行边坡土体填筑时，应充分考虑地表及地下水对膨胀性地基土的软化作用。干旱及少雨季节，土中含水量较低，膨胀土强度高，边坡稳定性较高；但进入雨季或上部水体下渗到地基后，膨胀土一旦浸水其强度将大幅度降低，尤其是填筑边坡工程，填筑坡体犹如坐落在软弱土层上，此时再加上原场地若有一定倾斜坡度，边坡将有极大的整体失稳风险。因此，在膨胀土地区进行填筑边坡的设计和施工时，均应给予足够的重视，采取有效的措施，确保原始场地及填筑边坡工程稳定安全。

3 膨胀土边坡防护技术措施

根据以上分析，同时鉴于膨胀土边坡所具有的“逢堑必滑，无堤不塌”特性，必须积极贯彻“先发治坡，以防为主”的设计原则，在满足边坡整体稳定性的基础上，结合具体工程区域的具体特点，采取主动防护技术措施，有针对性的进行边坡综合治理，防止膨胀土边坡浅层失稳破坏[12]。

主动防护的总体设计思路是采取相应措施，控制边坡内部土体含水率的变化，使其避免与周围环境进行水分交换，一方面可以防止土体因失水引起的裂隙发展，另一方面可以设置防渗、截排水设施，将汇集到坡体的地表水及时截排导流，避免降雨等地表水持续入渗，防止边坡失稳[13]。

针对此工程，填方边坡采用如下防护技术措施：

1)采用浆砌片石护面+坡脚设置护脚挡墙+排水沟的方式进行防护，浆砌石护面后设砂砾石反滤层，并设置泄水孔，以利于边坡土体中水的排出。

2)为了隔绝大气对边坡的不良影响，隔离水分进入边坡内部，对具有膨胀性岩土作为填料的土体采用掺生石灰的方式进行改良，以消除岩土体膨胀性。

3)对场区地面进行硬化，并设置完善的地表截排水系统，以防止地表水下渗，影响填方边坡稳定性。

4)在分层填筑前，对填筑区原始场地将斜坡的坡面进行台阶式开挖处理，使压实填土与斜坡面紧密接触，加强边坡沿原始斜坡滑移稳定性的安全储备。

5)膨胀土施工时，宜避开雨期施工，同时做好场地排水系统，防止浸泡和曝晒，各道工序衔接紧密，分段快速、连续作业，填筑体、边坡以及基坑(槽)应及时做好防护及封闭工作，减少施工期的暴露时间。

4 结论与展望

4.1 结论

本文以广西某天然气站场膨胀土地基填方边坡工程实践为依托，对膨胀土边坡稳定性进行了一定的研究分析，并采用主动防护的措施对地表水入渗等进行了边坡防护处治，提出适用于膨胀土地基边坡稳定性分析方法及填方边坡填筑技术。主要结论如下：

1)在膨胀土坡地建筑地区，在验算坡体稳定性的同时，还应考虑水对坡体位移及边坡岩土参数的影响，并应采取一定措施。

2)在膨胀土地基上进行边坡填筑时，应充分考虑水对膨胀土地基的软化作用。在膨胀土区域进行边坡设计和施工时应该引起足够的重视，采取有效防水、排水措施，确保工程安全。

4.2 展望

本文通过工程实践对膨胀土边坡稳定性进行了一定的研究分析，但由于该课题实践性较强，尚存在以下不足：并未对地表水下渗或降雨条件下的膨胀土边坡力学特性及破坏机理[14-15]进行深入探讨；同时，由于依托工程尚未竣工，工程实施效果有待工后进一步验证。今后将对膨胀土边坡设计技术进行多元多维深入研究，加强工程应用。