摘要：文章基于現(xiàn)場大型剪切強(qiáng)度等原位物理力學(xué)特性試驗(yàn)，開展城市大型棄土類滑坡基本物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究，揭示棄土類滑坡體內(nèi)不同區(qū)域的基本物理力學(xué)特征差異，以及棄土在浸水前后的抗剪強(qiáng)度特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：棄土類滑坡的中、后緣區(qū)域表現(xiàn)為含水率高、抗剪強(qiáng)度衰減快及變形破壞強(qiáng)烈等特征；浸水后，棄土的黏聚力降低了34.3%，內(nèi)摩擦角降低了23.0%。綜合多種試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，針對南寧市青秀城區(qū)類似地質(zhì)成因與物質(zhì)成分的棄土，建議將其在飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cb和φb分別設(shè)置為8.9 kPa和7.4°。

關(guān)鍵詞：原位直剪試驗(yàn)；棄土類滑坡；抗剪強(qiáng)度

中圖分類號：P319.56" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）08-0061-05

0 引言

近年來，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市棄土類滑坡的發(fā)生頻率不斷增高，造成了嚴(yán)重的社會(huì)危害。因此，研究城市棄土類滑坡的基本物理力學(xué)特征及其變化規(guī)律，對于提高城市棄土類滑坡的防治水平具有重要意義。鄭潔等［1］為了準(zhǔn)確測試滑坡體的水力傳導(dǎo)函數(shù)，以三峽庫區(qū)黃土滑坡體為研究對象，提出一種基于鉆孔原位滲流試驗(yàn)與數(shù)值反演相結(jié)合的測試及計(jì)算方法，獲得了滑坡土體物質(zhì)水力傳導(dǎo)函數(shù)模型的參數(shù)，為滑坡的穩(wěn)定性分析及防治提供了科學(xué)依據(jù)。朱本珍等［2］通過原位試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)地研究了微型樁群在加固堆積層滑坡中的受力特性及效果，并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議，為微型樁群在邊坡加固中的應(yīng)用提供了參考。吳慶全等［3］以廣西南寧市城區(qū)內(nèi)某深厚人工堆填土滑坡為例，分析該滑坡體物質(zhì)組成的特殊性，指出傳統(tǒng)抗滑樁支擋、挖方卸載等措施難以達(dá)到有效且經(jīng)濟(jì)的治理效果。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，首先開展了一系列的勘測與試驗(yàn)，如遙感成像、現(xiàn)場工程地質(zhì)測繪、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場原位試驗(yàn)等，旨在解決城市大型棄土類滑坡在設(shè)計(jì)前無法獲取設(shè)計(jì)參數(shù)的問題。其次，基于現(xiàn)場大型剪切強(qiáng)度等原位物理力學(xué)特性試驗(yàn)，開展城市大型棄土類滑坡基本物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究，揭示棄土類滑坡體內(nèi)不同部位的基本物理力學(xué)特征以及浸水前后棄土的抗剪強(qiáng)度特征，以期為提高城市建設(shè)的安全性提供重要的理論依據(jù)。

1 滑坡概況

本文以南寧市青秀區(qū)一處大型堆填棄土為研究案例，該棄土高邊坡在強(qiáng)降雨影響下發(fā)生了滑坡地質(zhì)災(zāi)害?；掳l(fā)生后，其后緣形成高陡錯(cuò)臺(tái)［見圖1（a）］，其前緣造成南廣鐵路的護(hù)欄、擋墻、電線桿、排水溝等附屬構(gòu)筑物被嚴(yán)重毀壞［見圖1（b）］，對南廣鐵路的正常運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。根據(jù)棄土分布及其變形破壞特征，將該棄土類滑坡分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。Ⅰ區(qū)位于邊坡左部，滑坡形態(tài)呈簸箕狀，后緣發(fā)育數(shù)十條寬1～4 cm、延伸長度約20 m的拉張裂隙，此區(qū)域作為滑坡主體，其潛在滑體縱向軸長約265 m，前緣寬度約100 m，潛在滑坡平面面積約33 400 m2；Ⅱ區(qū)位于邊坡右部，滑坡形態(tài)呈“弓”字形，潛在滑體縱向軸長約140 m，前緣寬度約40 m，估計(jì)滑坡平面面積為5 600 m2。從總體上看，該棄土滑坡的主要物質(zhì)組分為工程棄土堆積，其中夾雜少量建筑垃圾，潛在滑體總體積約406 600 m3，屬中層中型推移式棄土類滑坡。

從滑坡形態(tài)特征來看（見圖2），滑帶整體較平緩，傾角為6°～8°?；录舫隹谖挥阼F路路路基所在的T1級平臺(tái)，高程約99.0 m，滑帶向后延伸將近200 m；滑坡后緣位于T2級平臺(tái)后壁，形成高度達(dá)8 m的垂直位移，并呈“L”形向前折曲，出露高程約為127 m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和軟件滑面搜索分析，該滑坡潛在后緣位于T3級平臺(tái)，高程約為138 m。

2 研究方法

本文綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)等手段研究了該區(qū)域棄土類滑坡的物理力學(xué)特性。根據(jù)滑坡發(fā)生前的遙感影像資料及現(xiàn)場工程地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)，該區(qū)域的堆填棄土體展現(xiàn)出以下地形特征：后緣高程達(dá)138.8 m，前緣堆積棄土區(qū)高程為90.1 m，前、后緣高差約50 m，整體邊坡坡度約為12°，坡面主要呈3級臺(tái)階狀，其中T3與T2臺(tái)階之間的高差達(dá)10 m。棄土邊坡坡面填土完全裸露，未見任何覆蓋措施。本研究在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪變形等物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，揭示棄土的基本物理力學(xué)特征；在施工現(xiàn)場則進(jìn)行了剪切強(qiáng)度等原位物理力學(xué)特性試驗(yàn)，揭示棄土類滑坡中不同區(qū)域部位的基本物理力學(xué)特征。此外，本研究還對棄土類滑坡的不同區(qū)域和部位的基本物理力學(xué)特征以及浸水前后的抗剪強(qiáng)度特征進(jìn)行了試驗(yàn)分析?；诙喾N試驗(yàn)研究成果，提出了針對南寧市青秀城區(qū)具有類似地質(zhì)成因與物質(zhì)成分的棄土，在飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值。

3 棄土類滑坡物理力學(xué)試驗(yàn)

3.1 基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

現(xiàn)場提取6組棄土滑坡的巖土層試樣進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。棄土孔隙比平均值為0.62～0.63，說明棄土土體松散。土樣的塑性指數(shù)（Ip）范圍在8.30%～28.20%內(nèi)，比重（Gs）為2.61～2.67，表明這些以雜填土為主的棄土屬于中等塑性的粉質(zhì)黏土或砂質(zhì)黏土。在含水量方面，素填土和雜填土的天然含水量的平均值分別為16.70%和22.75%，雜填土的含水量略高于素填土，表明棄土滑坡的巖土體自上而下處于稍濕至濕的狀態(tài)，具有一定的富水性，利于雨水下滲并長時(shí)間浸潤軟化下部土層。粉質(zhì)黏土的天然含水量平均值約為22.85%，進(jìn)一步證實(shí)了土體的濕潤狀態(tài)。

3.1.1 含水率試驗(yàn)結(jié)果分析

表2為滑坡各臺(tái)階棄土含水率、比重和密度試驗(yàn)結(jié)果，其中T1級臺(tái)階棄土含水率平均值為21.93%～24.05%，T3級臺(tái)階含水率平均值為15.43%～22.15%，而T2級臺(tái)階含水率平均值達(dá)18.63%～27.00%，其飽和度平均值處于81.17%～100%。由表2的數(shù)據(jù)可知，T2級臺(tái)階棄土天然含水率明顯高于T1與T3級臺(tái)階。

3.1.2 密度試驗(yàn)結(jié)果分析

密度試驗(yàn)結(jié)果分析表明，現(xiàn)場試坑取樣與環(huán)刀法所測得的密度值接近。T1～T3級臺(tái)階棄土干密度范圍為1.50～1.74 g/cm–3，相對密實(shí)度為35%～61%。干密度的總體變化趨勢隨臺(tái)階高程增高而增大；T1與T3級臺(tái)階的干密度及相對密度相近，這2級臺(tái)階的相對密度為50%，而T2級臺(tái)階僅為35%，反映出T2級臺(tái)階的密實(shí)程度明顯低于T1與T3級臺(tái)階。

3.1.3 比重試驗(yàn)結(jié)果分析

T1～T3級臺(tái)階棄土比重為2.46～2.69，其中T2級臺(tái)階雜填土的比重明顯低于T1與T3級臺(tái)階。這是由于T3臺(tái)階中黏土礦物、有機(jī)質(zhì)及膠體含量較高，這些成分隨坡體下滲，促進(jìn)了土水之間的物理化學(xué)作用，造成可溶性鹽或游離態(tài)氧化物的損失，進(jìn)一步降低了T2臺(tái)階的土體比重。土體比重受土水物理化學(xué)作用影響較大，與含水量直接相關(guān)。這也從細(xì)微觀角度解釋了為何T2級臺(tái)階后壁至T3級臺(tái)階前緣之間土體宏觀變形破壞強(qiáng)于其他部位。

3.2 原位試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在棄土滑坡現(xiàn)場采用平推法進(jìn)行大型剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，其原理與室內(nèi)剪切試驗(yàn)相同，即施加垂直正應(yīng)力和水平剪應(yīng)力至試樣，直至試樣在預(yù)定剪切面上發(fā)生破壞，達(dá)到極限平衡狀態(tài)，然后利用庫侖定律求取土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。本次試驗(yàn)點(diǎn)選擇在滑坡剪出口處的同一滑坡區(qū)域內(nèi)進(jìn)行天然狀態(tài)與浸水飽和狀態(tài)下的大型剪切試驗(yàn)，目的是確保剪切樣品顆粒物質(zhì)的組分相近，使試驗(yàn)結(jié)果具有一定的可比性。飽和狀態(tài)試樣采用現(xiàn)場成型后直接進(jìn)行灌水飽和的方法制備，通過浸泡處理使試樣達(dá)到完全飽和狀態(tài)。每組設(shè)定3個(gè)試樣，每個(gè)試樣的尺寸為70 cm×70 cm×50 cm［4］。試驗(yàn)過程中，設(shè)定了40 kPa、100 kPa、140 kPa 三級恒定的垂向應(yīng)力。

3.2.2 試驗(yàn)過程

現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)步驟如下：選定試驗(yàn)點(diǎn)→挖坑直至滑帶位置→安裝地錨等反壓裝置→制樣、安放剪切盒→浸泡試樣（天然樣不參與本步驟）→安裝儀器設(shè)備→施加控制垂向應(yīng)力→施加控制剪切應(yīng)力→現(xiàn)場記錄→拆卸設(shè)備→進(jìn)行地質(zhì)掃描。試驗(yàn)過程采用平推法，垂向應(yīng)力為上述設(shè)定的三級恒定正應(yīng)力，以0.1 kPa為增量逐級施加剪應(yīng)力，每30 s施加一級，直至試件發(fā)生剪切破壞，隨即停止試驗(yàn)［5-6］。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）剪應(yīng)力-位移曲線特征。圖3和圖4分別為天然狀態(tài)和浸泡狀態(tài)下的剪應(yīng)力—位移曲線。棄土在剪切過程中的剪應(yīng)力—位移曲線呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特征，當(dāng)剪切位移小于2.5 mm時(shí)，剪應(yīng)力隨位移增大而急劇增大，呈線性增長；當(dāng)剪切位移超過2.5 mm后，剪應(yīng)力增幅逐漸減小。對比分析表明，天然狀態(tài)試樣的極限荷載明顯高于浸泡狀態(tài)，并且上覆荷載越大，曲線越陡峭，低壓條件下表現(xiàn)出一定程度的弱應(yīng)變硬化特征；浸泡后的試樣在剪切初期即表現(xiàn)出曲線斜率減緩的趨勢，隨著剪切過程的不斷推進(jìn)，剪應(yīng)力有所降低，無論低壓還是高壓條件下均呈現(xiàn)出弱應(yīng)變硬化特征。出現(xiàn)上述結(jié)果主要是因?yàn)榧羟谐跗诘拇瓜驊?yīng)力促使土體顆粒發(fā)生了壓縮變形，土?？紫稖p小而接觸面積驟增，增強(qiáng)了顆粒間的咬合作用，導(dǎo)致土體在剪切應(yīng)力快速上升過程中發(fā)生彈性變形。然而在試樣浸水后，水分子通過浸入、滲出方式潤滑、軟化礦物顆粒間的接觸面，降低了土體的內(nèi)摩阻力并引發(fā)體積膨脹，促使顆粒發(fā)生定向排列，從而削弱了粗顆粒間的咬合效應(yīng)，這一系列土水物理作用導(dǎo)致了應(yīng)變?nèi)趸c軟化特征的出現(xiàn)。

（2）水對抗剪強(qiáng)度的影響。以剪應(yīng)力-位移曲線的峰值點(diǎn)作為強(qiáng)度點(diǎn)，天然狀態(tài)和浸泡狀態(tài)下原位大型剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度的擬合曲線見圖5。棄土在天然狀態(tài)下的黏聚力ct為16.9～18.1 kPa，內(nèi)摩擦角φt為14.3°～17.3°，而在浸泡狀態(tài)下，黏聚力cq降低至11.9～13.7 kPa，降幅達(dá)到34.3%，內(nèi)摩擦角φq 也減小至12.3°～14.1°，降幅為23.0%。棄土遇水后抗剪強(qiáng)度衰減的主要原因如下：浸水導(dǎo)致土顆粒間發(fā)生物理潤滑與軟化，促使土顆粒微細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生定向排列，進(jìn)而削弱了顆粒間的咬合作用；此外，外部水分子沿顆粒間的孔隙或裂隙浸入，不僅增厚了顆粒之間結(jié)合水膜，使顆粒之間的距離變大，還溶解了鈣鎂質(zhì)膠結(jié)物，使孔隙尺寸增大且充填變得疏松，減弱了顆粒間的膠結(jié)作用。這些由水土物理和化學(xué)作用引起的土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷、鈣鎂膠結(jié)物溶解以及陽離子置換等現(xiàn)象，共同導(dǎo)致了土體內(nèi)部強(qiáng)度的降低。

（3）試樣變形破壞特征。圖6為天然狀態(tài)及浸水后，試樣的剪切破壞形式。對多組試樣的變形破壞特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，天然狀態(tài)下的大部分試樣在壓剪作用下，其破裂面沿試樣地面以上或以下的某一處軟弱面形成，僅少部分試樣沿底部發(fā)生剪切破壞；浸水后試樣的破裂面主要沿試件底面發(fā)生剪切破壞。這表明在壓剪過程中，未浸水的試樣內(nèi)部顆粒間的咬合力較強(qiáng)，受擠壓的粗顆粒發(fā)生滾動(dòng)、翻滾甚至破碎重排，促使粗顆粒向上或向下移動(dòng)，從而形成沿不同方向軟弱面的剪脹破壞模式；相比之下，浸水后的試樣在水的潤滑與軟化作用下，顯著降低了試樣底面的阻力并加劇了剪應(yīng)力的集中，使試樣更容易沿著底面發(fā)生剪切破裂運(yùn)動(dòng)。

3.3 室內(nèi)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

在各臺(tái)階的不同深度處，分別采集棄土、粉質(zhì)黏土及泥巖等的原狀樣試件，每類采集6份。在室內(nèi)環(huán)境下，對這些試件進(jìn)行天然和飽和兩種工況下的剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，棄土在天然工況下的黏聚力ct為12.1～23.9 kPa，內(nèi)摩擦角φt為5.1°～15.1°；而在飽和工況下，黏聚力cb為7.1～16.7 kPa，內(nèi)摩擦角φb為5.1°～7.4°。

3.4 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

在滑坡防治中，精確選取強(qiáng)度參數(shù)對于評估棄土類滑坡的穩(wěn)定性及制定治理方案尤為關(guān)鍵，尤其是滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)?；瑤量辜魪?qiáng)度參數(shù)通常由現(xiàn)場與室內(nèi)試驗(yàn)、反演分析及工程類比法綜合確定。然而，各類方法均存在一定的局限性，試驗(yàn)法受限于礫石含量及含水量的差異，反演分析則易受設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)判斷的影響，最終導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取出現(xiàn)偏差；而工程類比法僅能提供一個(gè)大致的強(qiáng)度范圍，需基于已竣工且效果良好的防治工程進(jìn)行。反演分析和工程類比法通常作為試驗(yàn)法的校核。

對于降雨誘發(fā)的棄土邊坡滑坡問題，原位大尺寸剪切試驗(yàn)是獲取巖土體力學(xué)參數(shù)的有效方法，能直接反映天然與飽和狀態(tài)下滑坡滑帶土的剪切特征，為類似滑坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)選擇提供有價(jià)值的參考。在綜合考慮基本物理力學(xué)性質(zhì)對剪切試驗(yàn)影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場與室內(nèi)試驗(yàn)、反演分析及工程類比法等，對滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行綜合評估。以浸泡狀態(tài)下的參數(shù)cq=11.9 kPa和φq=12.3°為基準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)折減，cb按峰值的0.75倍折減，φb按峰值的0.60倍折減，由此確定滑面抗剪強(qiáng)度參數(shù)分別為黏聚力cb=8.9 kPa，內(nèi)摩擦角φb=7.4°。

4 結(jié)論

本研究以南寧市青秀城區(qū)為研究區(qū)域，基于現(xiàn)場大型剪切強(qiáng)度等原位物理力學(xué)特性試驗(yàn)，對城市大型棄土類滑坡的基本物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

（1）常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于T1與T3級臺(tái)階的棄土，T2級臺(tái)階的棄土質(zhì)量含水率較高，而干密度、相對密度及比重較低。推測是由地形排水不暢及堆載壓實(shí)不足所致，進(jìn)而造成T2級臺(tái)階的棄土含水量偏高，加速了其抗剪強(qiáng)度的衰減，最終誘發(fā)了坡體的劇烈變形與破壞。

（2）現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，天然狀態(tài)下的棄土具備一定抗剪強(qiáng)度，但經(jīng)水浸泡后，其強(qiáng)度大幅下降，黏聚力降低了34.3%，內(nèi)摩擦角縮小了23.0%。

（3）依據(jù)物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用綜合法確定飽和狀態(tài)下滑帶土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。其中，黏聚力cb建議取峰值強(qiáng)度的0.75倍折減值，內(nèi)摩擦角φb則取峰值強(qiáng)度的0.60倍折減值。因此，針對南寧地區(qū)類似物質(zhì)成分的棄土，在飽和狀態(tài)下，建議cb和φb的取值分別為8.9 kPa和7.4°。

（4）基于物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，對棄土滑坡實(shí)施了“抗滑樁+削坡+坡體內(nèi)部排水+坡面截排水及植物綠化” 的綜合治理方案，特別針對T2級臺(tái)階以上的土方進(jìn)行重點(diǎn)削坡和截排水處理。后續(xù)監(jiān)控結(jié)果表明，該滑坡治理工程取得了較好的治理效果，為南寧地區(qū)類似滑坡的防治提供了參考案例。

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