膨脹土邊坡穩(wěn)定性與治理

鄭永飛

（中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司　四川　成都　610031）

膨脹土邊坡穩(wěn)定性與治理

鄭永飛

（中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司四川成都610031）

在我國(guó)，廣西、云南地區(qū)膨脹土危害最為嚴(yán)重。在膨脹土區(qū)域，不論是路堤、路塹，抑或是嚴(yán)重且普遍的基床變形及邊坡溜塌，在其他類型土質(zhì)基礎(chǔ)中均較為罕見。對(duì)于膨脹土區(qū)域的路基基床，因受干縮濕脹及大氣物理風(fēng)化等影響，使邊坡塊土解析分崩，并使土體抗剪性能降低，進(jìn)而引起邊坡滑坡、溜塌、路基不均勻沉降、冒泥和翻漿等非常嚴(yán)重的災(zāi)害狀況，以致基礎(chǔ)穩(wěn)定性與強(qiáng)度受到破壞，引起失穩(wěn)，從而影響路基正常使用。本文基于以往對(duì)膨脹土邊坡的研究，分析了滲透飽和系數(shù)、降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)及裂縫深度等因素對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響，同時(shí)也相應(yīng)提出了治理措施。

膨脹土；邊坡穩(wěn)定性；治理措施

引言

我國(guó)為膨脹土形成因素最為復(fù)雜且分布面最為廣泛的一個(gè)國(guó)家。對(duì)于膨脹土而言，其土質(zhì)較為特殊，有較強(qiáng)的持水特性與親水特性，同時(shí)也有較高的黏聚性與可塑性。土遇水會(huì)快速膨脹，而失水便將嚴(yán)重收縮，并且脹與縮通常都為不可逆的過程，而該類土質(zhì)在潤(rùn)濕時(shí)將具有較強(qiáng)塑性，但干燥時(shí)會(huì)發(fā)生開裂，從而對(duì)路基工程結(jié)構(gòu)造成重大災(zāi)害。在我國(guó)廣西、云南地區(qū)，膨脹土分部廣泛，使得線路無法全部繞過膨脹土地區(qū)，因此，研究膨脹土體基礎(chǔ)改性處理和防護(hù)加固從而滿足其填筑需求便顯得十分關(guān)鍵。本文通過對(duì)路基膨脹土邊坡穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行研究，并提出膨脹土的處理措施，以使得邊坡穩(wěn)定性得到整體加強(qiáng)，從而為今后的路基工程以及其他工程建筑實(shí)施提供一定的借鑒。

1　膨脹土的工程特性分析

1.1強(qiáng)烈的縮脹性

膨脹土強(qiáng)烈的縮脹性是由其內(nèi)所含一定數(shù)量的伊利石、蒙脫石等因素所引起，而蒙脫石含量的大小會(huì)對(duì)膨脹土縮脹性起決定性作用，使其縮脹變形將具備可逆特性，失水時(shí)干縮，而吸水時(shí)則會(huì)膨脹，再次失水時(shí)再次干縮，如此循環(huán)。土體水含量變化為引發(fā)膨脹土縮脹形變的外在原因，隨著膨脹土水含量的不同而出現(xiàn)不同的縮脹性質(zhì)，在膨脹土保持干燥時(shí)便具備了較高的膨脹能力，而當(dāng)其水含量較高，處在將近飽和之時(shí)便具備了很高的收縮能力。

1.2多裂隙性

在產(chǎn)生膨脹土過程之中，因受濕度、溫度及壓縮等的影響，將引發(fā)膨脹土的體積出現(xiàn)改變，而這將決定其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的力學(xué)與物理作用，此類因素均會(huì)造成膨脹土內(nèi)出現(xiàn)裂隙，此時(shí)土體會(huì)被開裂縫隙分割成板形、鱗片形或柱形，縫隙間通常夾雜軟弱性填充物，因此，會(huì)使土體強(qiáng)度降低，易使其沿裂隙發(fā)生形變。

1.3強(qiáng)度差異特性

相較于普通粘土而言，膨脹土強(qiáng)度會(huì)更為復(fù)雜。一般狀況下，膨脹土抗剪強(qiáng)度峰值非常高，然而由失穩(wěn)膨脹土的邊坡計(jì)算所得抗剪強(qiáng)度卻會(huì)比其峰值低出很多，主要原因是因受到土體縮脹形變和裂隙發(fā)育等因素作用，使土體強(qiáng)度也會(huì)隨著裂縫發(fā)育的不同方向而出現(xiàn)差異，反復(fù)的濕干條件也易造成土體強(qiáng)度急速減弱，以致路塹和路堤邊發(fā)生邊坡失穩(wěn)狀況。

2　影響膨脹土其邊坡穩(wěn)定性的因素分析

2.1裂隙對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響

裂隙性為膨脹土中十分典型的一種工程地質(zhì)特性。因膨脹土內(nèi)含有豐富的親水黏土礦物質(zhì)，使其失水干縮、吸水膨脹作用較為明顯，當(dāng)受到反復(fù)的循環(huán)濕干環(huán)境影響時(shí)，會(huì)在土體內(nèi)產(chǎn)生大量橫縱交錯(cuò)的縮脹裂縫，加上應(yīng)力卸荷與構(gòu)造等因素引起卸荷縫隙和構(gòu)造縫隙等，終將致使膨脹土其邊坡滿布裂縫的宏觀狀態(tài)。裂縫會(huì)對(duì)膨脹土邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，其使得膨脹土內(nèi)結(jié)構(gòu)特性較為特殊，且存在裂縫也對(duì)土體整體特性造成破壞，以致試驗(yàn)與評(píng)價(jià)土體強(qiáng)度難度增大；另外，因裂縫的隨機(jī)性和不均勻，會(huì)使各向土體強(qiáng)度出現(xiàn)不同，而開裂面和填充夾層也是影響膨脹土其邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵宏觀構(gòu)成。深層滑動(dòng)是土體邊坡失穩(wěn)最嚴(yán)重、負(fù)面作用也最明顯的一種破壞形式，其多是因邊坡中縫隙張開、貫通和發(fā)展，并結(jié)合水入滲、移運(yùn)作用從而形成土體縮脹形變所致。

2.2表層土體內(nèi)垂直裂隙的影響

在具體工程中，膨脹土的邊坡大多于坡頂接近地表處分布著一層垂直縫隙發(fā)育土層。該土層垂直裂縫發(fā)育是因長(zhǎng)時(shí)期經(jīng)受周期性濕干循環(huán)作用，產(chǎn)生下窄上寬的垂直縮脹縫隙。一般該土層裂縫保持閉合形態(tài)，在開挖完邊坡后，因其喪失側(cè)邊支撐而出現(xiàn)張開。從宏觀來看，該土層是丟失了整體性的柱形垂直土的集合層，在邊坡坡度較陡時(shí)，或邊坡其中部與下部遭受水泡軟化之后，因其下部支撐強(qiáng)度衰減，使此層土體垂直縫隙發(fā)育更加明顯。地下水位增高及發(fā)生久強(qiáng)降雨，均會(huì)使該裂縫充滿水，同時(shí)形成靜水壓力，由實(shí)際邊坡失穩(wěn)案例也可發(fā)現(xiàn)，在該土層發(fā)育的垂直縫隙大多會(huì)形成滑動(dòng)面后緣，而使得邊坡于本層形成很大的垂直下錯(cuò)形變。所以，為了表現(xiàn)實(shí)際邊坡工程狀況，需對(duì)該土層采取適宜手法進(jìn)行處理。當(dāng)降雨或有地下水時(shí)，還應(yīng)考慮靜水壓力載荷的影響（如圖1）。

2.3膨脹土邊坡中、下部黏土物質(zhì)填充裂隙的影響

原生裂縫或裂隙構(gòu)成主要是膨脹土內(nèi)部層面和成巖時(shí)所產(chǎn)生的收縮縫隙，其主要包含層面、層理、原生縫隙層面與不整合層面。實(shí)際查探膨脹土?xí)r，較光滑具備蠟狀光澤且填充灰綠黏土物質(zhì)或錳、鐵質(zhì)薄膜的縫隙較為多見。此類縫隙大多在沉積時(shí)，土體受膨脹影響向此部位收縮中心和反向進(jìn)行反復(fù)蠕滑造成的，因蠕滑效應(yīng)有著磨圓、分選土顆粒的作用，所以裂縫面通常較光滑，且呈現(xiàn)蠟狀光澤，為土體的天然弱面。另外，該特殊受力形變特性致使此類縫隙一般都為水運(yùn)動(dòng)的活躍部位，土體大多歷經(jīng)淋濾呈現(xiàn)灰綠、灰白色。此類弱面大多具備一定延伸限制，當(dāng)坡中或坡腳發(fā)育該類含有填充物的縫隙，同時(shí)傾向與渠坡一致時(shí)，會(huì)對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著作用。大量實(shí)際滑坡資料表明，膨脹土前緣滑坡大多是沿該類裂縫剪出，以構(gòu)成滑坡面下部。把該類縫隙納進(jìn)邊坡穩(wěn)定行研究中，會(huì)對(duì)客觀反映邊坡實(shí)際受力情況，及滑坡形態(tài)預(yù)測(cè)有重要意義。

圖1　膨脹土邊坡土層滑動(dòng)破壞模型圖

3　膨脹土邊坡失穩(wěn)治理措施分析

3.1膨脹土邊坡滑動(dòng)的預(yù)防措施

在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合工程地質(zhì)材料，并配合已有工程的邊坡穩(wěn)定性狀況實(shí)施設(shè)計(jì)，要盡可能降低滑坡的發(fā)生。①要選取正確的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)深挖長(zhǎng)路塹和隧道進(jìn)行對(duì)比，以及對(duì)高填長(zhǎng)路堤和橋進(jìn)行對(duì)比；②擇取適宜膨脹土性質(zhì)的合理性邊坡模型、高度和坡度；③要選用必要性的工程實(shí)施措施。

在施工時(shí)，對(duì)于膨脹土區(qū)域，因施工手法不合理會(huì)引發(fā)滑坡，所以，施工時(shí)需充分了解膨脹土具備的風(fēng)化、遇水及卸荷等膨脹形式的關(guān)鍵工程地質(zhì)因素，選用適宜膨脹土地質(zhì)特性的有效施工手法與時(shí)期。施工支擋建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，要由兩端起始，然后跳槽對(duì)其基坑進(jìn)行開挖，采用邊開挖邊砌路基邊修建的辦法，及時(shí)使力平衡形態(tài)得以恢復(fù)，以增大坡腳的支撐強(qiáng)度。

養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，出現(xiàn)膨脹土邊坡滑動(dòng)，其發(fā)育多是由量變積累到質(zhì)變的過程。當(dāng)邊坡發(fā)生形變，及排水溝出現(xiàn)破壞時(shí)，如果無法及時(shí)維修和處理，則將使邊坡形變逐步擴(kuò)大。所以，必須常常關(guān)注邊坡和防護(hù)設(shè)備的工作情況，一旦有問題出現(xiàn)，要及時(shí)開展維修和養(yǎng)護(hù)工作，從而避免滑坡的發(fā)生。

3.2膨脹土邊坡的防護(hù)和加固措施

表面水的防護(hù)，需配設(shè)各類排水溝，并構(gòu)建地表排水系統(tǒng)，以排截坡面流水，從而不致使地表水沖蝕坡面或滲進(jìn)土體。因膨脹土的特殊水文地質(zhì)性質(zhì)，便決定其內(nèi)部地下水大多是淺土層縫隙水，且極其不均勻，在處理膨脹土滑坡時(shí)，通常采取綜合排水方法，能收到較好功效。處理膨脹土滑坡的工程設(shè)施包含截水與防滲的吊溝、天溝、側(cè)溝及排水溝等；其疏導(dǎo)性設(shè)施有支撐滲溝、滲水暗溝和滲水井、擋墻后盲溝及排水隧洞等。邊坡表層的加固防護(hù)方式有很多，氣主要是要按照膨脹土邊坡類型和風(fēng)化度特征等來合理?yè)袢　９羌苄推旅娣雷o(hù)主要用來防范坡表面土被風(fēng)化，并強(qiáng)化風(fēng)化土層的穩(wěn)固支撐功能；片石坡面防護(hù)主要是用來處理膨脹土體邊坡已經(jīng)出現(xiàn)的局部塌溜等形變狀況（如圖2）。

3.3支擋結(jié)構(gòu)

支擋結(jié)構(gòu)設(shè)施是為避免邊坡出現(xiàn)溜踏失穩(wěn)，并保證坡面穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)物，在對(duì)中到強(qiáng)膨脹性的膨脹土（巖）邊坡進(jìn)行開挖時(shí)，采用支擋防護(hù)方法，以避免滑坡的產(chǎn)生；在對(duì)已出現(xiàn)滑動(dòng)邊坡實(shí)施整治時(shí)，采用支擋結(jié)構(gòu)，以使得工程正常運(yùn)行。對(duì)于支擋結(jié)構(gòu)類別的選取，需按照邊坡滑動(dòng)推力計(jì)算及滑面和軟弱性結(jié)構(gòu)的部位來決定。或是依據(jù)地貌地形、土層特性與構(gòu)造、邊坡高度、滑坡厚度和尺寸，及危害狀況與受力狀態(tài)而選擇相應(yīng)方式來實(shí)施處理。

圖2　浸水膨脹土邊坡示意圖

4　結(jié)論

在膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析中，要充分考慮具體工程中的實(shí)際狀況，同時(shí)結(jié)合該區(qū)域工程經(jīng)驗(yàn)，從而使邊坡穩(wěn)定性分析更為準(zhǔn)確。在處理邊坡失穩(wěn)時(shí)，要盡可能保證邊坡坡率的減緩，且強(qiáng)化對(duì)坡腳的防護(hù)和支擋，同時(shí)要強(qiáng)化膨脹土邊坡較淺土層的支撐和防護(hù)，以防止發(fā)生淺土層邊坡滑動(dòng)而引發(fā)深土層滑動(dòng)，坡率相同時(shí)，要合理設(shè)置邊坡平臺(tái)寬和部位，以使得邊坡穩(wěn)定性得到提升，從而極大提高路基工程建設(shè)使用時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。

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U416.1+67

A

1673-0038（2015）17-0214-02

2015-3-10

鄭永飛（1983-），男，工程師，本科，主要從事鐵路路基勘察設(shè)計(jì)工作。