陈玉良 武加恒 蒯振涛

(南京市公路建设处，江苏南京 210002)

0 引言

膨胀土路堑坡面不封闭防护，直接暴露于天然环境中，会因风化作用而产生滑坡。膨胀土路堑边坡表层风化作用强烈，裂隙发育，胀缩变形剧烈，边坡滑动现象严重;路堑边坡深层土体基本没有风化作用，不产生胀缩变形，土体强度和变形保持原状不变。自浅层至深部，路堑边坡土体由强风化层过渡到原状土层。干旱季节的日晒风干作用，膨胀土失水干缩开裂，坡面产生裂缝，裂缝随时间不断扩展成纵贯坡面的大裂缝，在降雨浸水后出现滑坡破坏现象。

卢再华［1］认为多裂隙所构成的裂隙面及软弱面是宏观结构对膨胀土工程性质影响的最直接原因。王国强［2］认为裂隙的存在破坏了土体的完整性，且由于裂隙具有不均一性和变动性，使膨胀土表现不同的强度特性。易顺民等［3］从分形几何和膨胀土裂隙结构研究相结合的角度，探讨了膨胀土裂隙定量化模式。徐永福［4］研究了宁夏膨胀土的变形特性、强度特性随吸力变化的规律，提出了非饱和膨胀土的结构性凝聚力和结构性内摩擦角的概念，导出了非饱和膨胀土的吸力强度公式。大量工程实践表明，开挖边坡滑坍是由膨胀土“三性”所引起，裂隙性是关键因素，胀缩性是产生裂隙的原因之一，超固结性则是促进因素［5］。殷宗泽［6］总结了膨胀土边坡失稳的特点:浅层性、牵引性、平缓性、季节性、长期性和方向性。本文从膨胀土路堑边坡土体含水量和吸力变化角度，详细阐述膨胀土边坡滑动的浅层和周期性。

1 浅层性

膨胀土滑坡滑面的最大深度不超过6 m。滑动面浅，是由于裂缝扩展深度不大，裂隙扩展深度一般是大气影响的深度，现场测试结果表明，大气影响深度一般在2 m左右。膨胀土路堤表层的抗剪强度的影响深度为1.0 m～1.5 m，局部地区可达2 m。大气影响深度随着地区气候差异而存在深度上的不同，大气影响深度一般在2 m左右。

Mitchell导出了土的吸力随气候循环变化的一维微分方程的解析解［7］:

其中，us(z，t)为土吸力随深度、时间变化的函数(pF)，pF=1+1g kPa;us0为土的平衡吸力值(pF);us1为土吸力的最大变幅(pF);n为气候变化的频率;α为扩散系数，cm2/s;t为时间，d。根据式(1)可以研究气候变化引起土层表面吸力变化规律。式(1)中的主要参数有:n 和α。参数n分别取0.5，1.0 和2.0;α 取0.000 3 cm2/s，0.001 cm2/s和0.003 cm2/s。计算结果如图1，图2 所示。

图1是气候变化频率不同地区土体吸力的变化深度，从图中看出，不同气候变化频率条件下，吸力变化的深度范围不超过3 m。随着气候变化频率n增加，吸力变化深度减小。

图2是扩散系数不同土体的吸力随深度变化规律。从图中看出，扩散系数不同土体的吸力变化的深度范围不超过3 m。随着土体扩散系数α增加，吸力变化深度增加。

在式(1)中，令 t=z(nπ/α)0.5/(2nπ)，吸力极值为:

给定深度z处的吸力差为:

由此得到变化深度为:

《膨胀土地区建筑技术规范》规定:大气影响急剧变化层深度为大气影响深度za×0.45。

膨胀土表层干土的最大吸力为105kPa，吸力变化幅度us1为最大表层土吸力与平衡吸力之差。McKeen和Johnson［8］通过现场观测建议最大容许吸力Δusmax=0.4pF。土的扩散系数α取为0.003 cm2/s。频数n是指在自然条件下，年度之间发生干湿循环的次数。频数n的数字越小，干湿循环间隔的时间越长，表明大气影响范围越深。Wray等［9］认为所有水分指数TMI＜－30的地区，n=1;TMI＞－30的地区，n=2。水分指数TMI是表征土在一定气候条件下干湿状态的指数。平衡吸力和最大允许吸力对大气影响深度的影响如图3所示。

表层土的吸力变化幅度us1为最大表层土吸力与平衡吸力之差，平衡吸力越大，吸力变化幅度越小，气候变化深度越小。土体最大允许吸力越大，大气影响深度减小。

2 季节性

Mitchell［7］给出了气候影响下土体吸力随深度和时间的变化规律，不同深度处土体吸力随时间变化的时程曲线如图4所示。从图4可以看出，土体吸力随时间呈周期性变化，土体吸力呈现季节性变化。以表层土体的吸力变化为例，6月份的吸力最小。实际情况是，6月份雨水充足，土体饱和度高，土体吸力自然小。12月份雨水最少，气候干燥，土体饱和度小，土体吸力大。

McKeen和Johnson［8］给出吸力随季节变化的近似规律:

其中，p值介于0.5～2.0。取不同p值，吸力的季节性变化规律如图5所示。

3 结语

1)引起膨胀土路堑滑动的主要因素有下述三个方面:裂隙、水和卸荷作用。裂缝产生和开展的原因是雨水引起的干缩变形和应力释放。

2)滑动面浅，是由于裂缝扩展深度不大，裂隙扩展深度一般是大气影响的深度，现场测试结果表明，大气影响深度一般在2 m左右。膨胀土路堤表层的抗剪强度的影响深度为1.0 m～1.5 m，局部地区可达2 m。

3)气候影响下的土体吸力随时间呈周期性和季节性变化。表层土体的吸力在6月份的吸力最小。实际情况是，6月份雨水充足，土体饱和度高，土体吸力小。12月份雨水最少，气候干燥，土体饱和度小，土体吸力大。随着旱季和雨季的不断交替，膨胀土产生反复胀缩，位移方向以坡面的垂线方向为主，残余变形随循环次数的增加不断累积，在坡脚附近形成剪应力集中区，最终边坡模型发生渐进累积破坏。

［1］卢再华.原状膨胀土的强度变形特征及其本构特征研究［J］.岩土力学，2001，22(3):339-342.

［2］王国强.安徽省江淮地区膨胀土的工程性质研究［J］.岩土工程学报，1999，21(1):119-121.

［3］易顺民.膨胀土裂隙结构的分形特征及其意义［J］.岩土工程学报，1999，21(3):294-298.

［4］徐永福.膨胀土地基承载力研究［J］.岩土力学与工程学报，2000，19(3):387-390.

［5］包承纲.非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定性问题［J］.岩土工程学报，2004，26(1):1-15.

［6］殷宗泽，袁俊平，韦 杰，等.论裂隙对膨胀土边坡稳定的影响［J］.岩土工程学报，2012，3(2):1-5.

［7］Mitchell PW.The structural analysis of footings on expansive soil.Research Report No.1，Kenneth W.G.Smith and Associates，Adelaide，South Australia，1979.

［8］McKeen RG，Johnson LD.Climate-Controlled soil design parameters for mat foundations［J］.Journal of geotechnical Engineering，1990，116(7):1073-1094.

［9］Wray WK，EI-Garhy BM，Yousslf AA.Three-dimensional model volume changes pre-diction in expansive soil［J］.Journal of Geoenvir Eng，2005(3):311-324.