膨脹土邊坡穩定性分析

李鵬飛

摘 要：特殊土邊坡工程是工程建設中經常遇到的問題，膨脹土具有明顯的脹縮性，導致膨脹土邊坡的穩定性較差，失穩破壞的概率較普通土質邊坡要大。本文介紹了膨脹土邊坡的研究新進展，膨脹土邊坡穩定性評價的相關方法。

關鍵詞：膨脹土；邊坡工程；失穩破壞

中圖分類號： TU23 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）20-69-2

0 引言

膨脹土屬于特殊土，分布較為廣泛并且對工程建筑物危害較大。大量的粘土礦物是膨脹土具有膨脹結構的根本原因，其中蒙脫石的存在會使得土體易于開裂、親水性強、脹縮性高，同時膨脹土的液限也很高。判斷一種土是否為膨脹土的依據就是液限和自由膨脹率，當液限和自由膨脹率均大于40%時，判別為膨脹土[1]。

膨脹土的破壞特性是復雜的，具有潛在性、反復性和長期性，全世界由膨脹土造成的損失很大，甚至超過了洪水、颶風、地震和龍卷風所造成破壞的總和[2]。美國專門組織召開膨脹土大會，國際工程地質大會、國際土力學及基礎工程大會以及地區性的會議都會針對膨脹土的研究進行交流探討，在此的背景下，國際上制定了一些相關的規范。我國在20世紀五六十年代開始注重膨脹土帶來的一系列問題。當時的研究程度不夠深入，在膨脹量和膨脹力以及引起膨脹的相關因素方面的研究成果很少[3]。

1 膨脹土邊坡穩定性研究現狀

1.1 強度準則

傳統的摩爾庫倫準則是應用最廣泛、認可度最高的強度理論，后續的很多新理論都是在摩爾庫倫理論的基礎上建立起來的。由于自然條件下膨脹土邊坡為非飽和土，故目前研究的熱點集中在非飽和土力學。Bishop等于1960年提出了非飽和土抗剪強度的有效應力公式[4]：

以上學者提出的公式雖然得到了國際上很多轉接學者的認可，但是還是存在缺陷，Bishop法ua-uw數值難以測定，Fredlund法？漬″的測定非常復雜，都未能在工程中大量應用，應用最廣的依然是摩爾庫倫強度準則。

1.2 膨脹土邊坡裂隙開展深度

膨脹土裂隙開展深度對土體穩定性影響非常的大。膨脹土在不同的溫度、含水量等作用影響下產生應力不均勻分布，于是產生相應的應變。膨脹土形成的眾多裂隙致使其結構穩定性降低，導致膨脹土體工程性質變得極差。因此研究其裂隙擴展深度極其重要。由于膨脹土裂隙深度并非受單一因素影響，它與風化卸荷、地應力、工程地質條件密切相關，要精確求解比較困難。

易順民和袁俊平對裂隙的分布進行了研究，并依據統計法建立了裂隙度的概念，但并未針對某一具體裂隙深度進行求解。在工程實際中，很多時候都是根據當地的地質勘察資料和當前氣候條件進行經驗估算得到裂隙深度。根據經驗統計分析，膨脹土體的穩定性系數隨著裂縫深度的變化幅度基本在10%以下，就可以在進行穩定性計算時取穩定性系數為最小時的深度。

1.3 膨脹土的滲透性

非裂隙性的膨脹土滲透系數很小，對邊坡土體的穩定性影響很小，因此關于非裂隙性的邊坡滲流問題研究的文獻也比較少，只有少部分文獻研究了裂隙生成后的滲流問題。對于邊坡表層的膨脹土受風化應力改造比較嚴重，裂隙發育較多，大小不一，根據不同的工程地質條件，邊坡形態，雨水入滲對邊坡會產生不同程度的影響，對邊坡穩定性造成一定的威脅。袁俊平初步建立了非飽和膨脹土邊坡裂隙網絡的入滲模型。

1.4 膨脹力與含水率的關系

膨脹土遇水后會產生膨脹力，而大氣條件下膨脹土吸水后產生膨脹力的情況要比室內膨脹力測試實驗復雜得多，室內試驗膨脹土試樣完全浸入在水中，并且在測試過程當中完全沒有變形，這與大氣條件下差別較大，因此準確測定膨脹力困難比較大。盧肇鈞定義膨脹土的的膨脹力為土體積不變的情況下測定的，現在土工試驗規程也使用了這種方法。Asuri Sridharan設計了三種方法來測定膨脹力，包括自由膨脹法、線性求解法和定體積法，從不同的角度，通過大量實驗對比分析三種方法的不同特點，測定膨脹力以獲得更加合理的方法，同時還總結出了膨脹力與初始含水率和干密度的關系。

2 膨脹土邊坡穩定性分析

2.1 室內試驗研究

目前室內試驗是獲取膨脹土的膨脹力和強度參數的主要方法，在進行穩定性計算時往往要先做室內試驗。

2.1.1 膨脹力試驗

膨脹力試驗測量的是膨脹土試樣在不同初始含水率試樣達到或接近試樣的最大干密度條件下的膨脹力，分析了膨脹力與含水率之間的關系并且實現了定量化，能夠為極限平衡計通過研究以往試驗可以發現，試樣在實驗前雖然含水率相差很大，膨脹力試驗結束后發現含水率都接近塑限。膨脹速度呈現先快后慢的趨勢。在實驗過程中，當膨脹力趨于穩定的并且接近末尾階段，不同試樣表現出了不一樣的變形差別，含水率大于等于最優含水率的試樣完全限制試樣變形，在實際條件下，膨脹土邊坡的變形是不可能被完全限制住的，因此在進行極限平衡計算時需要選擇一個合理的折減系數來平衡實驗室與實際間的差別。

2.1.2 壓實性膨脹土的抗剪強度試驗

壓實性膨脹土的抗剪強度試驗測定了膨脹土抗剪強度隨含水率的變化情況而變化的規律，為膨脹土邊坡穩定性計算提供定量數據。

在做固結慢剪試驗時，需要制備不同含水率的試樣，并且固定一個壓實度作為基準，在制備試樣時，分別將試樣壓實到相對于試樣的最大干密度。當固定一個含水率的值的時候，制備不同壓實度的試樣，來考察最優含水率附近壓實度對強度的影響。還可以控制含水率，制備不同壓實度的試樣來進行快剪試驗。

2.2 大氣作用下的試驗研究

孔令偉[6]研究了大氣作用下膨脹土邊坡的現場響應試驗研究。試驗場地選在了廣西南寧郊外，屬于亞熱帶季風氣候，日照充足，降水量大，雨季旱季分界明顯。多年平均降雨量約為1318mm，其中雨季的降水量達到全年降水的80%，年平均蒸發量約為1220mm。地形地貌屬于壟狀地貌，選在一塊面西向的緩坡上，坡度較小，10°-14.5°，邊坡上安裝相關檢測設備，包括小型氣象站、TDR土壤含水率測量系統、測斜管、沉降傳感器等。

通過試驗數據分析得出：降雨量、蒸發量、凈輻射量、濕度等都會對膨脹土的含水率有影響，但是降雨和蒸發兩個參數是影響程度最大的，進而影響膨脹土邊坡穩定性；土壤溫度是與凈輻射量有關系，在一定程度上可以間接性的反映邊坡不同溫度區域的含水率情況；植被覆蓋對膨脹土邊坡的變形有一定影響，植被可以保持水分、固定土壤、控制徑流，進而影響邊坡的穩定性。

3 總結

膨脹土的特殊性使得膨脹土坡穩定性變差，膨脹土工程邊坡經常發生滑坡等地質災害。影響膨脹土邊坡穩定性的最重要因素為裂縫的開裂情況，裂縫即降低了土體強度，又為雨水入滲提供通道，加劇土體抗剪強度的降低，最終導致土體變形失穩。

對于膨脹土的研究日漸成熟，但也存在很多尚待解決的問題，在理論研究結合生產實踐的基礎上，對膨脹土的認識會進一步，為實際工程帶來幫助。

參 考 文 獻

[1] JTJ033一95公路路基施工技術規范.

[2] 孫志偉.裂隙膨脹土切嶺滑坡形成機理及發育階段分析[J].中國地質災害與防治學報.1994，6（5）：60-65.

[3] Huang X L.Problems of buildings on slopes of expansive soils[A].Proc of the Inter Conf on Engineering Problems of Regional Soils[C].Beijing，China，1998.67-110.

[4] 林魯生，蔣剛.考慮降雨入滲影響的邊坡穩定分析方法探討[J].武漢大學學報（工學版），2001，34（1）：42-44.

[5] 中華人民共和國行業標準，公路土工試驗規程（JTJO51-93）.人民交通出版社，1993.

[6] 孔令偉，陳建斌，郭愛國，趙艷林，呂海波.大氣作用下膨脹土邊坡的現場響應試驗研究[J].巖土工程學報，2007，07：1065-1073.