膨脹土邊坡失穩(wěn)與防治研究*

張德輝，劉偉明，馮善周，郝獻(xiàn)省

（1.水泥基生態(tài)修復(fù)技術(shù)湖北省工程研究中心（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002；2.三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，三峽大學(xué)，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(huán)境工程有限公司，河南 鄭州 450003）

膨脹土是在自然地質(zhì)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(jié)性[1]。在我國(guó)，膨脹土分布廣泛，也因其特殊性，往往會(huì)帶來地基不均勻沉降、構(gòu)筑物變形開裂等一系列的工程問題[2]。因此，總結(jié)膨脹土邊坡失穩(wěn)的影響因素對(duì)膨脹土邊坡的防治意義重大。本文針對(duì)這些問題，主要研究總結(jié)了膨脹土脹縮性、裂隙性、超固結(jié)性及土體滲透性對(duì)膨脹土邊坡失穩(wěn)的影響機(jī)理，歸納了現(xiàn)有的膨脹土邊坡防治措施，并提出了膨脹土邊坡生態(tài)防護(hù)的研究思路。

1 膨脹土邊坡失穩(wěn)因素

導(dǎo)致膨脹土邊坡破壞失穩(wěn)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(wěn)的本質(zhì)原因有兩個(gè)，一是反復(fù)脹縮變化形成眾多不規(guī)則的裂隙破壞土體結(jié)構(gòu)；二是其抗剪強(qiáng)度由于含水量的增加和干濕循環(huán)等外界因素的影響而衰減[3]。通過微觀分析還可以發(fā)現(xiàn)，膨脹土的“脹縮性、裂隙性、超固結(jié)性”對(duì)邊坡穩(wěn)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(guān)，超固結(jié)性易引發(fā)開挖邊坡的失穩(wěn)破壞。因此，本文膨脹土邊坡失穩(wěn)因素主要圍繞脹縮性、裂隙性、超固結(jié)性、滲透性進(jìn)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(zhì)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。通過脹縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[4-5]，膨脹土產(chǎn)生脹縮變形的內(nèi)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(jié)構(gòu)特征，而土體中原生裂隙的存在與發(fā)育，是膨脹土產(chǎn)生脹縮變形的外因。從晶格擴(kuò)張理論、雙電層理論、滲透理論以及滲透壓理論及吸力勢(shì)等10 種理論也可以解釋膨脹土的脹縮機(jī)理[6-7]。

1.2 膨脹土的裂隙性

膨脹土裂隙的產(chǎn)生主要與其內(nèi)在因素和外在因素有關(guān)。內(nèi)在因素主要包括土體的礦物組成、結(jié)構(gòu)組成；外在因素主要受到自然環(huán)境條件、人為條件的影響。膨脹土在嚴(yán)重失水時(shí)，其表面會(huì)逐漸產(chǎn)生大量相互交錯(cuò)的裂紋。另外，由于膨脹土強(qiáng)烈的收縮特性和較低的土體滲透系數(shù)，使得膨脹土收縮時(shí)不同位置處的土體含水率不均勻，從而產(chǎn)生裂縫，正是往復(fù)多次的不均勻收縮導(dǎo)致了膨脹土多裂隙的產(chǎn)生[8]。

1.3 膨脹土的超固結(jié)性

膨脹土的超固結(jié)性是土體在地質(zhì)歷史演化過程中，曾經(jīng)承受過比目前土體上覆土層壓力更大的地質(zhì)荷載壓力作用，并已經(jīng)達(dá)到完全或部分固結(jié)的一種特性[9]。超固結(jié)性使膨脹土具有較大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和水平應(yīng)力，易在開挖過程中引起較強(qiáng)的卸荷效應(yīng)，是促進(jìn)邊坡失穩(wěn)的重要因素[7]。膨脹土由于其特殊的超固結(jié)性，邊坡一經(jīng)開挖，超固結(jié)應(yīng)力將會(huì)釋放，從而引起開挖工程的變形破壞[10]。對(duì)于膨脹土的超固結(jié)性質(zhì)，目前仍需大量試驗(yàn)研究。

1.4 膨脹土的滲透性

膨脹土的滲透系數(shù)影響因素較多，主要與粘土礦物含量、干濕循環(huán)開展次數(shù)、土樣干密度、原生裂隙等有關(guān)。滲透性在很大程度上受裂隙的控制，但目前關(guān)于兩者之間的定量關(guān)系還缺少系統(tǒng)研究[7]。通過室內(nèi)土體滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)[11-15]，滲透系數(shù)隨土樣干濕循環(huán)次數(shù)、重塑土樣高度、原生裂隙數(shù)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(shù)與試樣面積、干濕循環(huán)次數(shù)有關(guān)，當(dāng)土體的含水率較低、裂隙發(fā)育程度較高時(shí)，土體的滲透性會(huì)大大提高，在未擾動(dòng)區(qū)存在植被時(shí)，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(tài)下的膨脹土邊坡有植被層保護(hù)，大氣營(yíng)力作用（降雨、日照、蒸發(fā)與地溫等）對(duì)土體影響不明顯，土體長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)路塹開挖后，由于膨脹土的超固結(jié)性，短期內(nèi)不易失穩(wěn)，但長(zhǎng)時(shí)間的日曬雨淋致使淺層土體經(jīng)歷失水-吸水的干濕循環(huán)過程，會(huì)產(chǎn)生并發(fā)展成裂縫，從而造成邊坡失穩(wěn)。因此，膨脹土邊坡開挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行防護(hù)，而通常采用換填法、化學(xué)改良法、支擋結(jié)構(gòu)、生態(tài)防護(hù)等方式進(jìn)行防護(hù)。

2.1 換填法

換填土可以阻斷淺層土體發(fā)生干濕循環(huán)，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(zhǎng)的非膨脹土進(jìn)行分層回填，最后進(jìn)行植草皮防護(hù)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(chǎn)生[16]。換填法施工難度低，操作方便，但需要大量種植土，同時(shí)挖出的膨脹土若不及時(shí)處理，會(huì)影響挖填區(qū)生態(tài)環(huán)境。

2.2 化學(xué)改良法

在土體中摻加適量的化學(xué)改良劑，使其與膨脹土發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，從而改良土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高改良土強(qiáng)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(guān)研究和實(shí)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(wěn)，但施工期長(zhǎng)，同時(shí)也容易造成環(huán)境污染，不利于綠色發(fā)展。

2.3 支擋結(jié)構(gòu)

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

2.4 生態(tài)防護(hù)

生態(tài)護(hù)坡[21]是指綜合工程力學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)和植物學(xué)等學(xué)科的基本知識(shí)對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)，形成由植物或工程和植物組成的綜合護(hù)坡系統(tǒng)的護(hù)坡技術(shù)，利用植物根系加筋作用，提高邊坡穩(wěn)定性。常見措施有拱型骨架內(nèi)植草護(hù)坡、石灰土改性后進(jìn)行植被防護(hù)等[22]。通過分析植被護(hù)坡機(jī)理發(fā)現(xiàn)[23-24]，植被有改善土體的滲透性、調(diào)節(jié)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(qiáng)度和剛度的“根土復(fù)合體”，起到錨固加筋作用。如植被混凝土技術(shù)[25-26]在基材中添加水泥和專利產(chǎn)品潤(rùn)智生態(tài)改良劑，基材強(qiáng)度較高，能夠有效封閉坡面防止雨水沖刷并營(yíng)造良好的植物生長(zhǎng)環(huán)境，具體的植被對(duì)膨脹土邊坡的防護(hù)示意圖，見圖1。

圖1 植被對(duì)膨脹土邊坡的防護(hù)示意圖

相比于傳統(tǒng)護(hù)坡方法，植被護(hù)坡兼顧力學(xué)加固和生態(tài)防護(hù)作用[23-27]，通過坡面覆蓋的植物，提高坡面抗侵蝕能力。同時(shí)，能有效地削減大氣影響深度，增加邊坡土體強(qiáng)度。另外，應(yīng)選擇須根系發(fā)達(dá)、繁殖能力較強(qiáng)并適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件的護(hù)坡植物，優(yōu)先選用鄉(xiāng)土本地的護(hù)坡植物，符合生物多樣性和可持續(xù)原則[19]。

3 結(jié)論

膨脹土的干濕循環(huán)使其表面產(chǎn)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(dǎo)致發(fā)展出裂縫；膨脹土滲透性與裂隙性息息相關(guān)，當(dāng)含水率較低時(shí)，裂隙的存在會(huì)大大提高土體滲透性，進(jìn)而降低土體強(qiáng)度，引發(fā)邊坡失穩(wěn)。

膨脹土的脹縮變形特征與土體微觀結(jié)構(gòu)、粘土礦物含量、吸力狀態(tài)、含水率、干濕循環(huán)次數(shù)等都緊密相關(guān)。經(jīng)過多次循環(huán)后，土體膨脹或崩塌應(yīng)變和膨脹壓力達(dá)到平衡，體積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。長(zhǎng)期穩(wěn)定的膨脹土土體開挖后會(huì)釋放超固結(jié)應(yīng)力，使得邊坡易失穩(wěn)破壞，對(duì)于膨脹土的超固結(jié)性質(zhì)，目前仍需大量試驗(yàn)研究。

從目前已有的研究來看，對(duì)膨脹土邊坡的防治措施大多采用換填土、化學(xué)改良、支擋結(jié)構(gòu)等形式，雖然能起到一定的防護(hù)作用，但也會(huì)帶來環(huán)境污染、擾亂生態(tài)、占用土地資源等問題，生態(tài)防護(hù)方面雖有研究，但仍處于起步階段。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)通過在坡面建立起立體防護(hù)體系，能有效降低大氣營(yíng)力作用對(duì)土體的影響，同時(shí)避免了上述其他措施所帶來的問題。

本文通過對(duì)膨脹土邊坡失穩(wěn)與防治的研究，認(rèn)為還可以在以下方面加強(qiáng)：如生態(tài)防護(hù)技術(shù)的革新和生態(tài)防護(hù)中的植被種類的遴選研究，在實(shí)際工程應(yīng)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(yàn)研究能真實(shí)反映膨脹土邊坡的破壞機(jī)理，但目前關(guān)于膨脹土的原位監(jiān)測(cè)仍較少，應(yīng)加強(qiáng)該方面的研究。