干濕循環機理對弱膨脹性巖土工程邊坡穩定性影響程度的分析

林峰

（江西省地質局第三地質大隊 江西九江 332000）

在自然環境中，地質變化產生了裂隙豐富、膨脹性強的地質體，稱為膨脹土。它具有很強的塑性，主要是非飽和土，還具有兩個特點：多裂隙和過度固結。膨脹土在我國很常見，廣泛分布于山區。據調查，我國北方和西部只有少數地區沒有膨脹土，而且涉及膨脹土病害的項目很多，因此對膨脹土的研究非常有意義。中國西南地區地形地貌和地層巖性復雜。越來越多的電力工程建設需要開挖邊坡或填溝，不可避免地會形成許多工程邊坡，經常會遇到用弱膨脹土回填的泥巖開挖邊坡和填方邊坡。在施工或運營期間，邊坡的某些路段發生了一些邊坡失穩事件，影響了項目的施工或運營。干濕循環是一種自然現象，在實際工程中，邊坡是受其作用的。一般來說，在降雨條件下，邊坡吸水，巖土含水量增加，吸力減小；在干燥條件下，水分含量降低，吸力增加。在每個周期下，巖土體的性質都會發生變化，這將對邊坡的穩定性產生一定的影響。由于泥巖和弱膨脹土中含有較多的黏土礦物（如蒙脫石、伊利石和高嶺土），多次干濕循環下的累積效應對巖土體力學性質和邊坡穩定性的影響更為明顯。因此，研究干濕循環對泥巖和弱膨脹土邊坡穩定性的影響具有重要的理論和現實意義。

1 膨脹土概述

膨脹土是一種在自然地質作用下產生的特殊土體。它的主要成分是親水礦物蒙脫石和伊利石，它們都具有親水性。膨脹土體的吸水性和失水性收縮特性是可反復發生的。干濕循環氣候環境下，造成土壤中的隨機裂縫，破壞了土壤的整體結構，特別是輕質房屋；機場、航道的邊坡和堤壩都受到了很大的損害［1］。在水利水電建設中，膨脹（巖石）問題尤其嚴重。在建設和運行過程中，很多河道和水庫的邊坡都出現了嚴重的崩塌。在處理膨脹土方面，人們一直采用緩坡、打樁、改良土壤、換填等方法，但其效果并不理想，且費用較高。同時，因坡度較低而引起的大量挖坑，也會導致土壤侵蝕，對生態環境產生不良影響。膨脹土因其特殊和難以處理的特性，在巖土工程中被稱作“災害性土”。膨脹土是一類具有膨脹收縮、開裂、超固結的典型非飽和土。這是土力學的一個重要分支——“非飽和土力學”。氣候的變化是膨脹土不斷膨脹、收縮的外在動因。由于大量的次生裂縫和原始裂縫的不斷擴大，使得土壤中的裂縫快速發育。裂隙發育及土壤松散，為膨脹土的進一步風化提供了有利的條件。降雨侵蝕和水分的重復作用，使得裂縫向深層土壤延伸，從而形成了一種風化層。在剪切作用下，沿斜坡或水平方向的某些裂縫會逐漸相互結合，并在邊坡或水平方向上產生斷裂。由于長期的風化和淋溶作用，斷裂帶在斜坡上形成了一種軟弱的夾層，張性斷層的基底與其垂直，使其具備較好的儲水能力，因而可能產生滑動。

膨脹土是一種典型的非飽和土體，其主要特征為膨脹土的吸力。而吸力是影響邊坡穩定和強度的主要因素。在地下水持續升高的情況下，由于土壤的充分浸泡，土壤會發生膨脹、變軟，從而使其強度明顯下降。當外界載荷或地下水滲透壓時，會使邊坡的穩定性明顯下降，從而引起滑坡。另外膨脹土會因風化剝落、多次滑坡或人為開挖等原因而影響邊坡穩定和強度。而在地下水持續下降的情況下，膨脹土會過量固結，其會使得膨脹土邊坡的橫向應力比豎向應力要大得多，因此，在土的自重作用下，邊坡肩部向坡底的剪切強度也隨之增加。在剪切應力集中的區域，先達到塑性極限，而更大的變形也會導致剪切強度由峰值下降至殘余值。由此，邊坡從坡腳開始出現不穩定，然后出現應力再分配，應力集中區域向上運動，形成疊瓦式滑移[2]。

膨脹土是一種天然的土體，其干濕循環對其穩定性有很大的影響。降水條件下，土壤水分含量升高，土壤吸收能力下降；在干燥條件下，水分含量降低，吸力增加。在干濕交替的條件下，巖土的特性會發生改變，從而影響到邊坡的穩定。在干濕交替條件下，大量的黏土礦物將會對土體的性質產生變化，從而對邊坡的穩定性產生一定的影響。

2 斜坡的穩定性和變形特性的研究

2.1 滑動面的深度特性

通過對有關數據的分析，發現該滑坡的滑坡深度比較淺，多為淺層，并伴有一定的滑坡，但都不超過1m。淺滑動問題是由于裂縫發育深度不大而產生的。土壤中存在大量的水分蒸發，但形成的河流長度不大，不利于裂縫的發育［3］。如果下雨，就會重新進行蒸發。由于裂縫的發育不是無限的，所以干濕循環一般都集中在3m深處。

2.2 早期天氣特點

滑坡以雨季為主，降水是邊坡穩定性的重要外在原因。通過對邊坡日最高溫度、降雨等數據的分析，得出了斜坡在暴雨后發生的特定時期，也就是在暴雨后的溫升階段。在連續的暴雨中，土壤已接近飽和狀態，其物理機械性能也隨之降低；降水后，該區的溫度上升速率加快，使表層巖石土層產生了裂隙，有利于后期地表水的持續加深。這樣，邊坡的穩定性就會變得更為突出。在干、濕交替作用下，邊坡巖土的穩定性已出現了明顯的破壞，達到了一個臨界失效。而在某些邊坡巖土地區，如果采用了相應的支護措施，則往往要經歷10個以上的干濕循環，才能達到臨界失效。

2.3 斷裂持續特性

從該區域的氣候特征來看，該區域的溫度、降水量都比較低，不存在顯著的干、濕交替現象。盡管地表巖土有蒸騰作用，但其發展速率很慢，其力學性能也有逐步降低的趨勢。從坡面的形成到崩塌，是一個漫長的過程。分析其原因與填方邊坡路面施工技術有關，即在不膨脹土層0.3～0.5m的基礎上，采用碾壓、覆蓋等措施，以抑制干、濕循環。在長期的裂縫發展階段，裂縫深度低，深層土壤強度高，沒有顯著的滑移破壞。滑移是在裂縫繼續發展、裂縫深度很大的情況下進行的。在若干年后，膨脹土的邊坡失穩［4］。

2.4 有淺層的緩坡

滑動面的發育與裂縫的發育程度基本吻合，而大氣的風化作用作用深度通常在6m以下；與普通土坡相比，邊坡的穩定性坡角要小。

2.5 分步牽引

先是坡底的局部斷裂，再由斜坡向上拉出，從而形成多級滑動面。

3 巖土在干濕交替作用下的強度變化

在干濕循環條件下，巖石的機械性能發生變化。其特點是：裂縫增多，使巖土結構整體性能下降；裂縫的持續發展，會造成滲透通道，造成地表地下水的持續滲透，進而導致巖石力學性能受到損害。

3.1 巖土裂隙的形成

許多學者從膨脹土的干濕循環入手，探討了膨脹土體的裂縫發育過程。有關的研究與實驗結果顯示，在高地表溫度下，在強降雨作用下，可能發生顯著的風化剝離；在不同的干燥條件下，水分-空氣干燥周期也會對泥巖的干燥產生影響。當水分-空氣干燥循環次數增多時，會產生更多的裂紋和空洞，使試樣破裂。另外，在膨脹土中，隨著干、濕循環次數的增大，微裂紋變得更為顯著，但大裂紋則比較少見。巖體裂縫的密度、寬度都有顯著的增大。

3.2 剪切破壞的衰減規律

由于干濕循環作用，出現了大量的裂縫，對巖土整體結構和抗剪強度產生不利影響。（1）強度指標隨干濕循環次數的增大而下降，早期衰減率明顯大于后期。（2）干濕循環可以使粘附力發生變化，但對內摩擦角的影響比較小。在干濕交替作用下，大量的應力釋放會對開挖后的邊坡結構造成嚴重的破壞，從而導致結構整體強度下降。同時，隨著孔隙率的增大，受力范圍的縮小，結構表面的強度明顯下降。在此作用下，膨脹土邊坡的總體狀況也發生了改變：非飽和土層的表層收縮；由于滲透系數較低，而下部的總水量比較穩定，因此收縮不均勻，從而產生了裂縫；反復加載后，土壤的疲勞強度會有所改變，但其內部結構不會改變。隨著大量的裂縫出現，地表水流會不斷向深層滲透，導致巖石和土壤的軟化。在靜水力作用下，邊坡抗滑能力下降，從而引起滑坡［5］。

4 建立邊坡模型并分析其穩定性

4.1 邊坡模型建立

以膨脹土邊坡設計參考值為基礎，綜合考慮實測邊坡數據，建立了長24.5m、高12m 的膨脹土邊坡模型結構。具體內容如圖1所示。根據給定內容的分析，I型為平均膨脹土邊坡，II 型為具有層狀特征的膨脹土邊坡；大氣是一個重要的影響因素，在0～1.4m 的范圍內最為明顯，在1.4～3.2m 的范圍內形成一個弱大氣影響層，相應的周期振幅在15%～30%；此外，3.2m以下區域為非大氣影響層，含水量相對穩定，強度取初始值。

圖1 弱膨脹土邊坡模型（單位：m）

4.2 邊坡穩定性分析

4.2.1 膨脹土高填方邊坡破壞模式分析

某機場建設場地位于膨脹土區，膨脹土等級多為弱至中膨脹土。根據已有的研究成果，膨脹土邊坡的破壞形式多種多樣，但從破壞深度來看，可以概括為淺層破壞和深度破壞。深部破壞主要是指邊坡的整體失穩或破壞，而淺部破壞是指大面積發生的破壞氣層的變形受到影響，超過氣層厚度的邊坡變形為深層破壞。在考慮邊坡穩定性時，這兩種損傷是分開處理的。根據某機場工程的水文地質條件，結合已有的膨脹土工程研究成果和相關結論，針對某機場高填方邊坡的深層破壞，需要根據邊坡穩定性計算結果和工程經驗，確定合適的邊坡形式和坡率；對于淺層破壞，根據其特點和影響因素，采取合理的邊坡防護措施，消除膨脹土邊坡淺層破壞的危害［6］。

4.2.2 膨脹土高填方邊坡穩定性分析方法

膨脹土高填方邊坡穩定性分析方法目前最常用的是極限平衡法與數值分析法（強度折減法），針對模擬的Ⅰ與Ⅱ兩類模型邊坡利用上述兩種分析方法進行了安全系數的分析，其對比如表1所示。

由表1可得，在自然工況下，邊坡Ⅰ通過極限平衡法中簡化Bishop法所得安全系數大于數值分析法的結果，邊坡Ⅱ通過簡化Bishop 法所得安全系數小于數值分析的結果；在連續降雨條件下，邊坡Ⅰ和邊坡Ⅱ通過簡化Bishop 法所得安全系數均小于數值分析的結果，在地震工況下，邊坡Ⅰ和邊坡Ⅱ通過極限平衡法所得安全系數均大于數值分析的結果。

表1 兩種分析方法的安全系數對比

5 結語

巖土工程是一種十分復雜的工程，特別是膨脹土工程，是影響膨脹土邊坡穩定性的重要因素，極易發生崩塌等工程事故。因此，有關部門要根據項目的具體情況，從干濕循環的機理出發，探討其影響的規律與機理，并提出行之有效的防治措施，以保證工程建設的安全。