膨脹土邊坡失穩與防治研究*

張德輝，劉偉明，馮善周，郝獻省

（1.水泥基生態修復技術湖北省工程研究中心（三峽大學），湖北 宜昌 443002；2.三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，三峽大學，湖北 宜昌 443002；3.湖北省清江路橋建筑有限公司，湖北 宜昌 443000；4.河南叢林環境工程有限公司，河南 鄭州 450003）

膨脹土是在自然地質過程中形成的富含蒙脫石、伊利石等親水性礦物的特殊土，粒度多以粘粒為主，具有顯著的脹縮性、裂隙性及超固結性[1]。在我國，膨脹土分布廣泛，也因其特殊性，往往會帶來地基不均勻沉降、構筑物變形開裂等一系列的工程問題[2]。因此，總結膨脹土邊坡失穩的影響因素對膨脹土邊坡的防治意義重大。本文針對這些問題，主要研究總結了膨脹土脹縮性、裂隙性、超固結性及土體滲透性對膨脹土邊坡失穩的影響機理，歸納了現有的膨脹土邊坡防治措施，并提出了膨脹土邊坡生態防護的研究思路。

1 膨脹土邊坡失穩因素

導致膨脹土邊坡破壞失穩的影響因素主要包括土體的成因類型、礦物組成及地下水地表水作用、氣候作用等。膨脹土邊坡破壞失穩的本質原因有兩個，一是反復脹縮變化形成眾多不規則的裂隙破壞土體結構；二是其抗剪強度由于含水量的增加和干濕循環等外界因素的影響而衰減[3]。通過微觀分析還可以發現，膨脹土的“脹縮性、裂隙性、超固結性”對邊坡穩定而言，裂隙性是重要因素。另外，膨脹土滲透性與裂隙性息息相關，超固結性易引發開挖邊坡的失穩破壞。因此，本文膨脹土邊坡失穩因素主要圍繞脹縮性、裂隙性、超固結性、滲透性進行研究。

1.1 膨脹土的脹縮性

膨脹土的“吸水膨脹、失水皺縮”特性主要來源于土體中親水性礦物蒙脫石，可以說蒙脫石是膨脹土具有特殊性質的主要物質基礎[2]。通過脹縮試驗發現[4-5]，膨脹土產生脹縮變形的內因是土體中含有大量的黏土顆粒、親水性礦物以及顯著的微觀結構特征，而土體中原生裂隙的存在與發育，是膨脹土產生脹縮變形的外因。從晶格擴張理論、雙電層理論、滲透理論以及滲透壓理論及吸力勢等10 種理論也可以解釋膨脹土的脹縮機理[6-7]。

1.2 膨脹土的裂隙性

膨脹土裂隙的產生主要與其內在因素和外在因素有關。內在因素主要包括土體的礦物組成、結構組成；外在因素主要受到自然環境條件、人為條件的影響。膨脹土在嚴重失水時，其表面會逐漸產生大量相互交錯的裂紋。另外，由于膨脹土強烈的收縮特性和較低的土體滲透系數，使得膨脹土收縮時不同位置處的土體含水率不均勻，從而產生裂縫，正是往復多次的不均勻收縮導致了膨脹土多裂隙的產生[8]。

1.3 膨脹土的超固結性

膨脹土的超固結性是土體在地質歷史演化過程中，曾經承受過比目前土體上覆土層壓力更大的地質荷載壓力作用，并已經達到完全或部分固結的一種特性[9]。超固結性使膨脹土具有較大結構強度和水平應力，易在開挖過程中引起較強的卸荷效應，是促進邊坡失穩的重要因素[7]。膨脹土由于其特殊的超固結性，邊坡一經開挖，超固結應力將會釋放，從而引起開挖工程的變形破壞[10]。對于膨脹土的超固結性質，目前仍需大量試驗研究。

1.4 膨脹土的滲透性

膨脹土的滲透系數影響因素較多，主要與粘土礦物含量、干濕循環開展次數、土樣干密度、原生裂隙等有關。滲透性在很大程度上受裂隙的控制，但目前關于兩者之間的定量關系還缺少系統研究[7]。通過室內土體滲透試驗和現場試驗可以發現[11-15]，滲透系數隨土樣干濕循環次數、重塑土樣高度、原生裂隙數量的增加而增大，隨上覆荷載、干密度、粘土礦物含量的增加而減小；膨脹土滲透系數與試樣面積、干濕循環次數有關，當土體的含水率較低、裂隙發育程度較高時，土體的滲透性會大大提高，在未擾動區存在植被時，土體的滲透性與裸露邊坡相比有較大差異。

2 膨脹土邊坡防治措施

自然狀態下的膨脹土邊坡有植被層保護，大氣營力作用（降雨、日照、蒸發與地溫等）對土體影響不明顯，土體長期處于穩定狀態。當路塹開挖后，由于膨脹土的超固結性，短期內不易失穩，但長時間的日曬雨淋致使淺層土體經歷失水-吸水的干濕循環過程，會產生并發展成裂縫，從而造成邊坡失穩。因此，膨脹土邊坡開挖后應及時進行防護，而通常采用換填法、化學改良法、支擋結構、生態防護等方式進行防護。

2.1 換填法

換填土可以阻斷淺層土體發生干濕循環，以減少大氣作用影響。工程中常見的做法是挖出表層膨脹土，選擇適宜植物生長的非膨脹土進行分層回填，最后進行植草皮防護坡面。表面覆蓋的植被以及換填過后的非膨脹土能有效阻擋大氣作用，使土體上下收縮均勻，避免裂隙的產生[16]。換填法施工難度低，操作方便，但需要大量種植土，同時挖出的膨脹土若不及時處理，會影響挖填區生態環境。

2.2 化學改良法

在土體中摻加適量的化學改良劑，使其與膨脹土發生復雜的化學反應，從而改良土體內部結構，提高改良土強度[17]。常見的有水泥改良、石灰改良、粉煤灰改良、生物酶改良等。目前，無論是單一改良還是混合改良，相關研究和實踐都較多。該方法在一定程度上能夠改善土體性能，減少邊坡失穩，但施工期長，同時也容易造成環境污染，不利于綠色發展。

2.3 支擋結構

工程中膨脹土邊坡防護采用的支擋結構主要分為剛性防護和柔性防護[18]。剛性支護[19]主要利用圬工結構自重或抗力來抵抗滑坡推力或主動土壓力。由于其本身剛性較大，相容變形能力差，往往造成結構物的破壞。目前常用的剛性防護有重力式擋土墻、抗滑樁、預應力錨索（桿）等；柔性防護主要是指采用土工合成材料和其它的有效措施相結合的處理方案對邊坡進行防護。不同于剛性防護，柔性防護可以釋放膨脹土邊坡發生脹縮變形時土體內部較大的膨脹力，更能適應邊坡的變形[20]。常見的柔性防護有土工格柵、土工格室、加筋生態袋、土工布等。與剛性防護相比，以柔治脹更適合膨脹土挖方邊坡的修復。

2.4 生態防護

生態護坡[21]是指綜合工程力學、土壤學、生態學和植物學等學科的基本知識對邊坡進行支護，形成由植物或工程和植物組成的綜合護坡系統的護坡技術，利用植物根系加筋作用，提高邊坡穩定性。常見措施有拱型骨架內植草護坡、石灰土改性后進行植被防護等[22]。通過分析植被護坡機理發現[23-24]，植被有改善土體的滲透性、調節孔隙水壓力、截留降雨、減少雨滴沖刷坡面等作用，根系較深的灌木類植被可以形成限制土體變形且具有一定強度和剛度的“根土復合體”，起到錨固加筋作用。如植被混凝土技術[25-26]在基材中添加水泥和專利產品潤智生態改良劑，基材強度較高，能夠有效封閉坡面防止雨水沖刷并營造良好的植物生長環境，具體的植被對膨脹土邊坡的防護示意圖，見圖1。

圖1 植被對膨脹土邊坡的防護示意圖

相比于傳統護坡方法，植被護坡兼顧力學加固和生態防護作用[23-27]，通過坡面覆蓋的植物，提高坡面抗侵蝕能力。同時，能有效地削減大氣影響深度，增加邊坡土體強度。另外，應選擇須根系發達、繁殖能力較強并適應當地氣候條件的護坡植物，優先選用鄉土本地的護坡植物，符合生物多樣性和可持續原則[19]。

3 結論

膨脹土的干濕循環使其表面產生大量裂紋，在膨脹土脹縮特性加持下使得土體含水率分布存在顯著的局部差異性，導致發展出裂縫；膨脹土滲透性與裂隙性息息相關，當含水率較低時，裂隙的存在會大大提高土體滲透性，進而降低土體強度，引發邊坡失穩。

膨脹土的脹縮變形特征與土體微觀結構、粘土礦物含量、吸力狀態、含水率、干濕循環次數等都緊密相關。經過多次循環后，土體膨脹或崩塌應變和膨脹壓力達到平衡，體積呈現先減小后增大的趨勢。長期穩定的膨脹土土體開挖后會釋放超固結應力，使得邊坡易失穩破壞，對于膨脹土的超固結性質，目前仍需大量試驗研究。

從目前已有的研究來看，對膨脹土邊坡的防治措施大多采用換填土、化學改良、支擋結構等形式，雖然能起到一定的防護作用，但也會帶來環境污染、擾亂生態、占用土地資源等問題，生態防護方面雖有研究，但仍處于起步階段。生態護坡技術通過在坡面建立起立體防護體系，能有效降低大氣營力作用對土體的影響，同時避免了上述其他措施所帶來的問題。

本文通過對膨脹土邊坡失穩與防治的研究，認為還可以在以下方面加強：如生態防護技術的革新和生態防護中的植被種類的遴選研究，在實際工程應用中，選擇直根系或須根系植物，也還需要大量的室外研究；原位試驗研究能真實反映膨脹土邊坡的破壞機理，但目前關于膨脹土的原位監測仍較少，應加強該方面的研究。