高填方对红黏土地基力学性质影响及坡体稳定性_高盛翔.pdf

第 47 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.4 2019 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Southwest Pipeline Branch of PetroChina Co. Ltd., Chengdu 610041, China; 3. School of Resource and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China Abstract This paper takes a highfill slope in Anning in Yunnan Province as a case, using investigation, monitoring and other s, on the basis of the distribution characteristics of red clay, the physical and mechanical proper- ties of red clay before and after filling were analyzed, then the stability of slope was studied by numerical simula- tion software. The results show that the physical and mechanical inds of the red clay foundation decrease first and then increase before and after the fill project, the stability of the fill slope shows the trend of decrease first and then increase. The ground fissures in the upper part of the slope resulted from the uneven deation of the slope body were caused by the filling body and the foundation soil consolidation under the unfavorable combination of the foundation soil of the original topography and the uneven thickness of the filling soil, and the slope body is stable in general. Research result has certain reference value and guiding significance to the highfill slope project design of red clay foundation, the study on the influence to slope stability by physical and mechanical index of red clay foundation, the control of inhomogeneous deation during the construction, crack hazard in the upper part of slope. Keywords red clay; highfill slope; slope body stability; slope crack; numerical simulation; Anning City in Yunnan Province 红黏土是覆盖于碳酸盐岩系之上的高塑性黏 土，是红土的一个亚类，是碳酸盐类岩石经过红土 化作用后所形成，我国的红黏土主要分布在南方， 以贵州、广西和云南最为典型。红黏土的主要成分 为高岭石、伊利石和绿泥石，其黏土矿物具有稳定 的结晶格架，加之其稳固的团里结构及结合水，使 得红黏土具有较好的水稳定性、结构强度及力学特 性，常作为天然地基使用[1]。但由于分布不均、裂 隙发育以及胀缩性等特点，常常引起地基的不均匀 变形，边坡失稳等工程问题[2]。 ChaoXing 132 煤田地质与勘探 第 47 卷 随着中国西部发展，大型工程逐渐增多，在 山谷、沟壑区域往往存在高填方的情况，高填方 区域的地基土在受到上部较大荷载下，其物理力 学性质在填筑过程中会逐渐发生改变，填方体以 及地基土体的不均匀变形可能引起高填方坡体失 稳，导致高填方工程失败[3-4]。目前针对红黏土区 域的高填方工程，国内外学者开展了大量的研究 工作，工作多是针对高填方区域填筑期间的不均 匀沉降、工后沉降、堆填边坡的稳定性等方向展 开[5-8]。研究结果表明，高填方填筑体的变形由地 基土和填筑体变形构成， 填筑体变形量为主要变形 量， 填筑体的变形速率随着填筑体高度的增加而逐 渐减缓[8-9]。填筑体变形整体分为施工期变形和工 后变形 2 个阶段，变形时间可持续几十年，主要变 形量发生在施工期间， 工后变形主要以缓慢的蠕动 变形为主[10-13]。 堆填边坡的稳定性计算多以填方体 本身为研究对象，采用有限元法、极限平衡法等方 法进行评价[14-15]，较少考虑原始地表、填方体地基 土分布不均、 地基土在填方后物理力学指标变化对 填方体稳定性的影响。因此，研究红黏土地基的不 均匀分布以及其物理力学性质在填筑后的变化对 坡体稳定性的影响、填方体堆填时间的控制、填方 体上部裂缝病害的防治具有重要意义[16]。 本文以云南安宁市一高填方边坡为例[10-11]，根 据现场勘察、试验、监测、检测成果，对填土前后 红黏土地基物理力学性质的变化进行分析，建立三 维地质模型对潜在滑动面进行预测，对典型断面坡 体稳定性进行分析，为今后在红黏土区域高填方的 边坡工程设计、施工、监测提供参考。 1 研究概述 1.1 工程概况 在建项目位于山前缓坡地带，整体坡度较小， 根据原坡度，自上而下分为 1 9551 957 m1995 1957 平台，1 9481 950 m19481950 平台，1 944 1 946 m 19441946 平台3 个平台进行填筑，每个 平台设不同罐组，如图 1 所示。 该平台整体分为 3 个阶段回填，最外侧为加筋 土边坡， 根据施工场地周围的建筑材料及气候条件， 填筑体采用全风化白云岩掺水泥及混合料掺水泥进 行分层碾压。 根据规范要求， 填筑体施工采取 0.25 m 的碾厚度进行分层碾压，碾压后的填土压实系数为 0.940.97，整个填筑工程历时 6 个月。回填工程施 工顺序如图 2 所示。 在建场地自西向东，填筑体厚度逐渐增大， 19441946 平台的最大回填厚度约 30 m。 图 1 建设场地平面布置示意图 Fig.1 Planar layout of construction site 图 2 回填时序剖面图11′ Fig.2 Time series profile11′ of backfill 1.2 工程地质及水文地质条件 研究区岩土体自上而下由填土、第四系残坡积 层Q4 eldl红黏土、震旦系上统陡山沱组Z bd白云岩 组成，根据各层工程地质性质，将研究区岩土体划 分为 8 层，研究区工程地质剖面如图 3 所示。 图 3 工程地质剖面图AA′ Fig.3 Engineering geological profileAA′ 研究区域内地下水类型主要是松散层孔隙水及 碳酸盐溶洞裂隙水。 根据已有勘察资料，结合场地下岩土体层位， 在评价区内共布置 6 个地下水水位监测孔图 4， 对 评价区域地下水进行分层监测，其中，T1、T2、T3 监测层位为填土及填土底界面处，孔深 27.0 m；H1 监测层位为红黏土，孔深 32.0 m；H2 监测层位为全 ChaoXing 第 4 期 高盛翔等 高填方对红黏土地基力学性质影响及坡体稳定性 133 风化白云岩，孔深 44.0 m；B1 监测层位为强风化– 中风化白云岩，孔深 51.0 m，通过在雨季对研究区 域地下水的监测，监测期间孔内未见地下水。 图 4 监测孔工作量布置图 Fig.4 Layout of the observation boreholes workload 1.3 坡体裂缝特征 加筋土边坡回填至设计标高后，罐区东侧出现 了一条长约 195 m，方向与边坡走向呈近乎平行的 地裂缝图 4。裂缝最宽处可达 4 cm，探槽显示该处 裂缝最大深度小于 2 m，且裂缝随深度逐渐尖灭。 2 填土与红黏土分布特征 2.1 填土分布特征 评价区域原始地形为缓坡梯田，坡体自上而下共 有 4 级台坎，呈“圆弧”状，较大一级台坎从罐区中 部穿过， “圆弧”台坎中心与地付罐组区中心重合，评 价区域原始地形与地付罐组区位置关系见图 5 所示。 图 5 原始地形三维效果图 Fig.5 Three-dimensional rendering of original terrain 施工后地形如图 6 所示。通过对比回填前后地 形特征，填土厚度自西向东，自南向北逐渐增大， 填土最大厚度为 29.4 m，位于研究区东北侧。 2.2 红黏土分布特征 研究区高填方边坡下伏地基土为红黏土，其物 理力学性质、分布厚度对坡体的稳定性有着较大影 响。综合已有勘察资料，通过对钻孔所揭露的红黏 土与白云岩全风化分界面高程进行插值，建立红 黏土底板三维趋势图，如图 7 所示。 图 6 现状地形三维立体图 Fig. 6 Three-dimensional map of current terrain 图 7 红黏土底面三维效果图 Fig.7 Three-dimensional rendering of the bottom of red clay 基岩面高低起伏不平，整体呈现西高东低的 趋势，溶蚀坑分布较多，33′剖面东侧位于最深 溶蚀坑区域图 7。受基岩面起伏影响，研究区 域红黏土厚度相差较大，通过对钻孔所揭露的红 黏土厚度进行插值，绘制红黏土厚度等值线，见 图 8a。 研究区域内的红黏土总厚度整体自西向东逐渐 增大，北侧红黏土平均厚度较小，22′剖面东侧所 在区域的红黏土厚度最大。坡顶地裂缝出现于红黏 土厚度变化较大区域。 根据勘察资料，红黏土可塑状态在纵向、横 向分布上无明显规律性，可塑、硬塑交替分布。 可塑红黏土厚度较大区域主要分布在地付储罐区 域的中部，22′剖面从可塑红黏土厚度最大区域 穿过图 8b。 3 红黏土地基力学性质变化规律 评价区域勘察时序共分为 2 次勘察、3 个时段， 第一次勘察为边坡填土前对场地的详细勘察，第二 次勘察为填方体施工至设计标高，坡体上部出现裂 缝后进行的边坡稳定性专项勘察，第二次勘察按时 间分为 2 个阶段。 在详勘期间，评价区域周边进行了大量的勘探 工作，通过边坡稳定性专项勘察钻孔与附近已有详 勘钻孔资料对比发现，地下岩土体的物理力学特征 在详勘与专项勘察中发生了变化，其中，可塑红黏 ChaoXing 134 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 8 红黏土及可塑红黏土厚度等值线图 Fig.8 Contour map of total thickness of red clay and plastic red clay 土的指标变化最为明显。详勘期间所揭露的可塑红 黏土在专项勘察中已变为硬塑状态，边坡稳定性专 项勘察中所揭露的红黏土均为硬塑状态，未表现出 明显的可塑、硬塑分界，其物理力学指标随回填时 间发生了一定的变化，见表 1。 通过对比 2 次勘察 3 个时段所取红黏土的土工 试验指标，随着时间的推移红黏土物理力学性质发 生了改变，孔隙比、含水量降低，饱和度提高；压 缩系数降低、压缩模量提高，黏聚力、摩擦角先降 低后增加。 结合评价区的施工特点及变形特征，分析填筑 体地基土发生变化的主要原因是由于在堆填过程 中，地基土的上覆荷载逐渐增大，导致地基土产生 了排水固结，从而使土体表现出含水量降低，压缩 模量提高的特征。 在填筑过程中，由于施工工期较短，上覆加 荷速度较快，地基土发生了一定的剪切破坏，致 使其强度指标在施工过程中发生了一定的降低， 但随着填筑工程的完成，地基土土体结构的恢复， 加之土体逐渐完成固结过程，其强度逐渐恢复并 有所提高。 表 1 红黏土土工试验结果对比表 Table 1 Contrast table of geotechnical test results of red clay 勘察阶段 红黏土 饱和度/ 含水率/ 孔隙比 压缩系数/MPa–1 压缩模量/MPa 黏聚力/kPa摩擦角/ 可塑 84.14 35.47 0.95 0.30 8.15 45.75 11.18 详勘 硬塑 82.52 32.90 0.95 0.25 11.42 55.32 12.62 可塑 92.15 34.10 0.86 0.25 8.57 35.03 9.83 专项勘察第一阶段 硬塑 91.71 34.53 0.89 0.24 9.38 39.02 10.14 专项勘察第二阶段 可塑 95.88 33.52 0.82 0.21 9.98 51.02 11.06 4 坡体稳定性 评价区高填方边坡最大堆填高度为 29.40 m， 地基土工程地质性质不均，在高填方荷载作用下， 地基土工程地质性质发了一定的变化，堆填方土 体内部的应力、应变随着堆填量的增加也逐渐发 生改变。 针对高填方边坡特点，采用 FLAC3D和 Slide 软 件模拟了整个填土过程， 对边坡稳定性进行了计算。 模拟过程中，分别按设计阶段和工后阶段 2 个阶段 建立计算模型，在选用的岩土体物理力学参数上， 分别按详细勘察阶段和边坡稳定性专项勘察阶段岩 土体的物理力学参数进行计算。 4.1 坡体滑动面模拟计算 采用 FLAC3D软件对填土各时间点工况进行模 拟，建立三维地质模型，通过计算坡体内的最大剪 应变增量以预测滑坡裂缝及滑面的位置。 从预测结果图 9 可知，剪应变增量出现区域紧 邻储罐东侧，1–1′、2–2′剖面剪应变增量及分布范围 均明显大于 3–3′、4–4′剖面。图 9 所反映的剪应变 增量出现位置与坡顶裂缝位置一致，在坡体内发生 剪切破坏区域未贯通，未形成潜在滑动面。 图 9 剪应变增量云图 Fig.9 Cloud map of shear strain increment 4.2 坡体稳定性系数计算 坡体稳定性计算采用Slide软件对4个工程地质 ChaoXing 第 4 期 高盛翔等 高填方对红黏土地基力学性质影响及坡体稳定性 135 剖面进行计算，设计阶段坡体稳定性岩土体参数采 用详勘报告中建议的参数；工后阶段计算参数按边 坡稳定性专项勘察阶段一、二阶段中岩土体的物 理力学参数进行计算表 1。 根据软件计算结果图 10、表 2可知，设计阶 段与工后阶段在一般工况条件下，坡体稳定。2–2′ 剖面稳定性系数整体上小于 11′、33′、44′剖 面所在区域，根据填土与红黏土分布特征可知，各 剖面上覆填土厚度差异较小，且填土压实度较为均 一，对坡体整体稳定性影响较小，22′剖面下伏红 黏土厚度明显大于 11′、33′、44′剖面所在区 域，因此，致使 22′剖面稳定性系数降低的主要原 因是其下伏有较厚的红黏土。 在时间梯度上，填土边坡的稳定性呈现出先降 低后提高的趋势，分析其原因是由于填土边坡的基 底红黏土物理力学性质指标随着其上覆填土厚度的 逐渐增加发生了先降低后增加的特征。 5 坡体开裂原因分析 5.1 原位测试、监测与检测 勘察期间，对填土进行动探试验以检测填土的 密实度；对填方体下伏红黏土地基进行标贯试验以 检测现状下红黏土的状态；在地面布设了沉降和水 平位移监测点，并在孔内安设了测斜管，对坡体进 行变形监测；对罐区桩体进行小应变检测以判断桩 体的完整性。 图 10 剖面 22′边坡稳定性计算图 Fig.10 Slope stability calculation of section 22′ 表 2 边坡稳定性系数F计算结果汇总表 Table 2 Calculation results of slope stability coefficient 稳定性系数 F 计算剖面 详勘参数 专项勘察第一阶段 专项勘察第二阶段 1–1′剖面 1.495 1.292 1.499 2–2′剖面 1.362 1.250 1.454 3–3′剖面 1.474 1.326 1.464 4–4′剖面 1.571 1.383 1.533 根据动探检测结果图 11，填土密实度在深度 上表现为上部小于下部；在区域上表现为罐区基础 区域填土密实度最大，加筋土区域次之，罐区与加 筋土之间区域最低的特征，符合设计罐区填土压实 系数大于边坡区域的设计要求。 图 11 评价区动探曲线剖面图2–2′ Fig.11 The dynamic curve profile2–2′ of uation area 红黏土区域的标贯试验表明， 红黏土地基土性质 在填筑施工期间发生了较大变化， 由填筑前的可塑状 态变为填筑后的硬塑状态。 现有监测成果显示，坡体整体变形以沉降为主 图 12， 最大位置出现在加筋土边坡顶部边缘区域， 坡脚外侧一定范围内仍有沉降变形，未有隆起变形 发生， 深部土体在填土范围内有略微的变形图 13， 变形量较小，现有监测成果未发现坡体内部有大的 滑移变形。 图 12 研究区累计沉降等值线单位mm Fig.12 Contours of the cumulative settlement of the study area 罐区桩身完整性检测过程中未发现桩身断裂、 裂缝等缺陷特征，桩身完整性好，均为Ⅰ类，所测 桩均可以作为工程桩使用图 14。 ChaoXing 136 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 13 深部土体侧向位移图法向11′ Fig.13 Deep soil lateral displacementnormal 图 14 桩基完整性检测桩位 Fig.14 Location of pile foundation integrity testing 5.2 开裂原因分析 通过对评价区域的勘察及监测，现状条件下， 填方体影响深度内的岩土体物理力学性质良好；裂 缝自出现至勘察结束期间未发现有明显扩大趋势， 填方体整体变形量较小，坡脚稳定；紧邻裂缝的桩 基完整性较好，裂缝出现后未对坡体稳定性产生进 一步的影响。Slide 软件计算结果显示坡体稳定，综 合勘探、监测、检测、数值计算结果，判断现状下 坡体稳定。 通过对已有勘探资料的统计分析，坡顶裂缝出 现于红黏土厚度变化较大区域，且该位置正与原地 貌陡坎位置一致。 FLAC3D软件模拟结果显示， 坡体剪应变增量集 中的位置及各指标量值均与裂缝出现位置及延伸方 向特征一致。 综上，评价区域下伏基岩面起伏不平，红黏土 厚度及性质变化较大，原始地形在罐区东侧形成自 然陡坎，加之分阶段回填土厚度不均，进一步加大 了评价区域地基土的不均匀变形量。地付罐区基础 附近地面裂缝是在地基土、原始地貌、填土不均的 不利组合下，由于填土后引起的填土与地基土固结 引起的坡体不均匀沉降从而在坡体内部产生拉应力 所致。 6 结 论 a. 基底土层性质的变化与填方密切相关。在填 方的重力作用下基底土层发生压密固结，导致孔隙 比降低、压缩模量提高、饱和度提高，但是填方的 快速加载也扰动了基底土层，导致抗剪强度降低， 随着填方作用时间的延长，基底土层强度逐步恢复 提高。 b. 评价区域内的红黏土总厚度整体由北向南、 自西向东逐渐增大；可塑红黏土分布在地付储罐区 域的南北、东西方向上，其厚度呈现出中间厚、两 侧薄的分布特征，地付罐区裂缝出现位置正位于红 黏土厚度变化较大区域。 c. 地付罐区基础附近地面裂缝是在地基土、原 始地貌、填土不均的不利组合下，由于填土后引起 的填土与地基土固结引起的坡体不均匀沉降，从而 在坡体内部产生拉应力所致。 d. 根据 FLAC3D和 Slide 软件对整个填土工况 进行模拟计算，坡体内未形成连续滑动面，综合勘 探、监测、检测、数值计算结果判断坡体稳定。 e. 针对红黏土地区的高填方边坡，查明不同性 质红黏土的分布特征，对差异沉降进行预测，以采 取有效的工程措施，减小不均匀沉降对坡体稳定性 的影响。对于高填方边坡，应根据基底岩土体性质， 按设计要求时间进行填筑， 不可擅自缩短填筑时间， 谨防基底岩土体在快速荷载作用下，土体发生塑性 变形引起坡体失稳破坏。 参考文献 [1] 李健，孙德安，陈波，等. 浙西饱和红黏土的物理力学特性试 验研究[J]. 水文地质工程地质，2017，44651–57. 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