膨胀土边坡稳定性研究进展

2015-12-06唐延贵岳大昌

长春工程学院学报（自然科学版） 2015年3期

唐延贵，岳大昌，李明

（成都四海岩土工程有限公司，成都610041）

0 引言

在我国广大地区分布着膨胀土，由于其主要由蒙脱石、伊利石等具有强亲水性的黏土矿物组成，一般具有多裂隙性、强胀缩性等对建设工程不利的特性。而且，膨胀土一般都处于干旱或半干旱地区，大都处于非饱和状态。探索膨胀土工程特性的产生原因，分析并处理其对工程的不利作用，是广大岩土工程工作者的研究重点，比如，如何对膨胀力定量表达，是计算土体与支挡结构相互作用的关键，考虑其裂隙性及在计算中的定量表达方法，是分析膨胀土边坡渗流及稳定性的关键，而考虑膨胀土在气候影响下的非饱和状态是研究膨胀土边坡渗流和稳定性的基本出发点。

研究成果表明膨胀土边坡失稳一般破坏具有浅层性、季节性、长期性及牵引性等规律［1］。膨胀土地区建筑、道路及引水工程等都深受其害，造成了极大的经济损失，因此，研究膨胀土边坡及工程性质，对采取合理防治措施具有重要实践意义。然而，岩土工程界对膨胀土强度变化规律、裂隙发展规律及边坡稳定分析等课题还没有得出统一的研究成果，归纳总结近年来的研究成果对进一步的研究具有一定的理论意义。

针对膨胀土的胀缩性、裂隙性产生的原因，定量表达及对工程的危害研究方面，膨胀土的强度研究方面，膨胀土边坡失稳特点、机理、分析方法及影响参数研究方面进行了总结和分析。

1 膨胀土的胀缩性和裂隙性

1.1 膨胀土的胀缩性

膨胀土的主要组成矿物为具有强亲水性的蒙脱石、伊利石或高岭石等，矿物颗粒高度分散，对环境的湿度和温度变化敏感，具有吸水膨胀、失水收缩的特性，并能随着湿、热的变化而反复膨胀收缩。

目前，表达膨胀土工程特性的定量指标有自由膨胀率、膨胀率、收缩系数及膨胀力等［2］。

1）自由膨胀率：人工制备的烘干土在水中增加的体积与原体积之比。

式中：Vw为土样在水中膨胀稳定后的体积（mL）；V0为土样原来的体积（mL）。

2）膨胀率：在一定压力下，试样浸水膨胀后增加的高度与原高度之比。

式中：hw为土样浸水膨胀后的高度（mm）；h0为土样原来的高度（mm）。

3）膨胀力Pe：原状土样在体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应力。

4）收缩系数：原状土样在直线收缩阶段，含水量减小1%时的竖向线缩率。

式中：Δδs为土样收缩过程中两点含水量之差对应的竖向线缩率之差（%）；Δw 为土样收缩过程中直线变化阶段两点含水量之差（%）。

根据自由膨胀率大小可将膨胀土的膨胀潜势分为以下3类（见表1）。

表1 膨胀土的膨胀潜势分类

1.2 膨胀土的裂隙性

1.2.1 膨胀土裂隙产生的原因

1）气候变化是引起膨胀土开裂的主要因素，干旱季节膨胀土蒸发失水，降雨季节膨胀土吸收水分，干湿循环将导致土体含水率、基质吸力及应力状态不断发生变化，致使土体强度降低及变形开裂。

2）组成膨胀土的亲水性矿物吸水易膨胀软化，失水易收缩开裂，导致土体强度降低，继而产生开裂。

3）在降雨条件下，雨水入渗至浅层裂隙后，由于深层非开裂膨胀土体渗透性极低，雨水在裂隙内积聚形成静水压力，致使膨胀土裂隙进一步向裂隙侧壁及深层发展。

4）对于人工边坡，开挖卸荷造成应力释放，也是土体裂隙产生的重要原因。

1.2.2 膨胀土裂隙的不利影响

一方面，土体裂隙密度和宽度的增加，使土体抗剪强度降低，将均一的坡体划分成强度显著不同的上下土层，破坏土体的整体性。另一方面，裂隙的产生为雨水入渗和水分蒸发提供通道，使气候对土体的影响进一步向土体内部发展，这种气候的影响深度一般为2.0～3.0m，最大深度可达4.0～6.0m。而且，裂隙的发展对土体的渗透性影响较大，雨水从裂隙侧壁向土体内部入渗，增大了土体入渗边界，提高了土体地表的入渗率；同时，雨水的入渗增大了开裂深度范围内土体的含水率，增加了土体的容重。

1.2.3 膨胀土裂隙的量化表达

在对土体裂隙深度的定量表达研究方面，Chowdhury［3］对边坡的张拉裂隙开展深度提出了估算式。Morris等［4］对非饱和状态下的土体分别采用线弹性、线弹性断裂力学和张拉与剪切破坏关系式3种方法，建立了裂隙开展深度与土体特性和特定基质吸力分布之间的理论关系式。姚海林等［5］运用土体裂隙开展深度的线弹性的理论解，确定了裂隙扩展深度的极值，得出了膨胀土裂隙开展深度的理论解。

李培勇等［6］将膨胀土体的有效黏聚力的影响引入到裂隙开展深度的线弹性理论解中，分别得到了关于有效黏聚力、有效内摩擦角、地表基质吸力、有效黏聚力折减系数、泊松比、地下水位影响的裂隙开展深度表达式。

式中：Zc为膨胀土裂隙开展深度（m）；S0为地表基质吸力（kPa）；W 为地下水位（m）；μ为土体泊松比；γ为土体容重（N／m3），αT取值范围为0.5～0.7；tanφb反映了基质吸力对土体抗剪强度的贡献；φ′为与净法向应力σ－u（）a有关的内摩擦角；ua为孔隙气压力（kPa）；c′为有效黏聚力（kPa）。

2 膨胀土的强度

膨胀土在干湿循环条件下，抗剪强度随含水率（或基质吸力）变化而变化，在研究膨胀土边坡稳定性问题时常常采用的非饱和土强度公式，基本都是在Bishop强度公式和Fredlund强度公式的基础上改进的。

Bishop［7］非饱和土抗剪强度公式：

式中：τf为抗剪强度（kPa）；ua－u（）w为基质吸力；χ为与饱和度、土的性质等有关的有效应力参数；φ′为有效内摩擦角。

Fredlund［8］非饱和土抗剪强度公式：

该公式中采用的是以孔隙气压力ua为基准的应力状态变量组合。当土体饱和时，基质吸力为0，式（8）过渡为Mohr－Coulomb饱和土抗剪强度公式。

要得到Bishop强度公式和Fredlund强度公式中的参数，试验较复杂，沈珠江［9］、Vanapalli［10］、Rohm［11］等又相继提出了一些强度公式；龚壁卫等［12］基于Bishop和Fredlund强度公式，提出了以总抗剪强度指标表达的抗剪强度公式：

式中ctotal、φtotal为总抗剪强度指标，包含了土吸力和土结构对强度的贡献，且随含水率的变化而变化。

杨和平等［13］发现宁明灰白色膨胀土、安康Ⅰ类强膨胀土及山东潍坊钙质强膨胀土等的总抗剪强度指标的对数均与含水率之间呈线性关系；卢肇钧等［14］总结了几种膨胀土实验数据，得出吸附强度与膨胀力呈线性关系，即：

式中：τs＝ua－u（）wtanφb被称为吸附强度（一种与外力无关的摩擦强度，它来源于吸力所产生的负孔隙水压力，负孔隙水压力在土骨架的内部产生有效应力）；k为常数，与土的类型无关。

杨庆等［15］也提出了这一关系，但是认为k与土的类型有关；缪林昌等［16］通过试验研究也提出了不同的非饱和膨胀土抗剪强度公式。

3 膨胀土边坡稳定性问题

3.1 膨胀土边坡失稳的特点

工程实践和物理试验表明膨胀土边坡失稳往往具有以下几个特点［17］：

1）浅层性：膨胀土边坡失稳破裂面深度一般不超过4m，这是与土体裂隙的开展深度和风化程度有关的。

2）牵引性：较大的膨胀土滑坡，常常由若干相连的滑坡组成，呈阶梯状、叠瓦状。下部先滑，牵动上部跟着滑，由下向上逐步发展，这也是跟膨胀土的裂隙性有关的。

3）平缓性：膨胀土即使处于饱和状态，其强度都是较高的。之所以坡比1∶5的平缓边坡也会失稳，主要是由于裂缝的发展使强度大大降低。另外，浅层性和牵引性也助长了平缓性。

4）长期性：裂隙的发展是一个长期过程，裂隙较浅时，下部土体强度仍很高，不会发生滑动，当裂隙达到足够深才会滑动。

5）季节性：滑坡多发生在雨季，雨水通过裂隙进入土体内部，使土体迅速达到饱和，强度降低，另外，雨水在裂隙之间形成大体顺着边坡的渗流（如图1）所产生的滑动力也增加了滑动的可能性。

图1 裂隙中的渗流

3.2 膨胀土边坡失稳机理

对于膨胀土边坡失稳而言，胀缩性和裂隙性是内在因素，降雨入渗是诱发条件。

1）雨水入渗使土体含水量增加，基质吸力降低，从而导致抗剪强度降低。另外，吸力降低将使土层在竖向发生膨胀，土体因膨胀软化，也将导致土体抗剪强度降低，继而使抗滑力减小，产生滑坡。

2）雨水入渗使土体中矿物软化，土体结构性丧失，从而也使土体的抗剪强度降低，抗滑力减小，造成边坡失稳。

3）膨胀土吸力降低后的膨胀趋势以膨胀力的形式表现出来，膨胀力的形成将导致边坡土体水平向应力增加，局部土体可能产生破裂面，并可能最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。

3.3 膨胀土边坡稳定性分析方法

工程实践中分析膨胀土边坡稳定性主要采取与一般黏性土边坡稳定性分析相同的思路，但由于膨胀土边坡大都处于非饱和状态，而且受到气候条件的影响，往往具有比较发育的裂隙，所以在近年来的理论研究中，广大岩土工作者已经将膨胀土的非饱和状态及裂隙性进行了考虑。

目前，在定量评价膨胀土边坡稳定性方面，采用的主要方法仍然是极限平衡法，研究的热点是采用非饱和土力学的强度理论、土水特征、渗流理论以及定量描述膨胀土的裂隙，建立更加符合实际状态和边界条件的极限平衡方程。

3.4 膨胀土边坡稳定性的参数研究

风化程度、地下水位、边坡几何形态及裂隙深度等是影响边坡稳定性的重要因素，在进行边坡稳定性分析时，主要围绕这些影响因子开展了一系列研究。

1）膨胀土边坡浅层风化程度最强，由浅至深逐渐减弱，因此，膨胀土边坡浅层土体强度衰减程度最大，由浅至深衰减程度减弱。如图2所示，黄润秋等［18］根据边坡的风化程度将边坡土体强度进行分层取值，较好地反映了风化程度对稳定性的影响。

图2 膨胀土边坡强度分层

2）裂隙是影响边坡稳定性的重要因素之一。殷宗泽等［19］根据裂隙的发展程度，大致将土坡划分为裂隙充分发展层、裂隙发育不充分层及无裂隙层（如图3），各层采用不同的抗剪强度指标，研究表明，选用土体强度指标考虑裂隙程度分层，可以很好地反映膨胀土的裂隙对边坡稳定性的影响。

图3 膨胀土边坡强度分层

3）黄润秋等［18］研究表明，在其他条件相同的情况下，膨胀土边坡坡率从1∶1到1∶1.75的过程中，稳定系数增加的幅度较大。而从1∶1.75到1∶2的过程中，稳定系数增加的幅度明显偏小，说明膨胀土边坡越缓并不代表越安全，只有综合考虑膨胀土边坡各方面影响因素，选取合理的坡率值，才能确保边坡既安全又经济。

4）膨胀土边坡浅层裂隙发育，对降雨敏感，由于浅层潜在滑体的厚度小，降雨条件下，水位变化幅度大，水位稍微变动对边坡稳定系数产生影响。

5）刘华强等［20］考虑雨水入渗、裂隙水压力及浅层、深层膨胀土渗透系数的差异，综合分析了膨胀土边坡的稳定性。

4 数值分析和物理模型试验研究

4.1 数值分析

数值分析成为了研究膨胀土边坡渗流、变形及稳定性的重要手段。卢再华等［21］以非饱和土力学和损伤力学为基础，建立了非饱和原状膨胀土的弹＿塑性本构模型及固结模型，分析了膨胀土坡的强度、裂隙损伤演化规律及土坡失稳机理。尹宏磊等［22］采用塑性力学的上限定理，建立了考虑膨胀应力做功的功能平衡方程，利用单元集成法进行数值分析，认为降雨后明显的膨胀变形也是导致土坡失稳破坏的重要原因，在一定程度上解释了膨胀土坡能在极缓的坡度下发生失稳的原因。范臻辉等［23］考虑膨胀土吸水膨胀或失水收缩为一个动态耦合过程，基于Bishop有效应力原理建立非饱和膨胀土的弹＿塑性本构模型，结合非饱和土力学理论，建立起膨胀土的渗流变形耦合模型，并通过试验验证了模型的可靠性和适用性。

4.2 物理模型试验

室内或现场物理模型试验也是研究边坡变形、渗流及稳定性的重要手段，对试验现象及测试数据进行分析，可以揭示边坡失稳破坏的变化过程及边坡失稳破坏的机理。

杨和平［24］、吕海波等［25］分别对宁明、阳安和南宁膨胀土进行了干湿循环下的直剪试验研究，但该试验中干湿循环过程是将试样置于环刀中进行，抑制了膨胀土吸湿膨胀的特性，影响循环过程中裂隙的发展。为避免这种影响，刘华强等［26］在对镇江膨胀土进行研究时，先制备无约束下的试样进行干湿循环，然后用环刀切取做直剪试验。徐彬等［27］认为直剪试验不能很好地反映裂隙对强度的影响，采用三轴试验能更好地反映裂隙的影响。周建等［28］开展了膨胀土边坡干湿循环的模型试验，在模型上直接取样进行剪切试验，结合数值模拟，分析干湿循环对膨胀土边坡稳定性的影响，这种条件下模拟降雨蒸发所导致的干湿循环过程与实际情况更加接近。但是，由于模型尺寸较小，与天然状态下的膨胀土边坡应力及渗流状态仍然具有较大的差别。

5 结论

1）吸水膨胀失水收缩特性是膨胀土边坡在干湿循环作用下结构破坏和裂隙产生的内在原因。

2）雨水通过膨胀土裂隙入渗，导致坡体内水压力增加、基质吸力减小以及强度降低，膨胀土边坡失稳概率增大。采取有效措施减少坡体内水分蒸发、防止降雨入渗坡体可以避免土体开裂或延缓裂隙发展、保持膨胀土边坡的稳定性。

3）分析膨胀土边坡稳定性时，一方面，应该通过调查、统计及试验研究获得裂隙发育程度与土体物理力学特性相关的定量表达式，另一方面，应该通过非饱和土的系列试验获得土＿水特征曲线、渗透系数与含水率的关系式以及抗剪强度表达式，建立更加符合实际工况的极限平衡方程。

4）在数值研究方面，采用弹＿塑性力学模型及流—固耦合理论来分析膨胀土边坡渗流变形的规律是目前膨胀土边坡相关课题的研究热点。在物理试验研究方面，室内试验模型建立起来相对简单、经济，但由于尺寸效应的影响，难以全面、准确地反映膨胀土的胀缩性、裂隙发展及强度变化规律，因此，开展膨胀土边坡的原位监测和试验也是一个研究方向。

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