唐延貴，岳大昌，李 明

（成都四海巖土工程有限公司，成都610041）

0 引言

在我國廣大地區(qū)分布著膨脹土，由于其主要由蒙脫石、伊利石等具有強(qiáng)親水性的黏土礦物組成，一般具有多裂隙性、強(qiáng)脹縮性等對(duì)建設(shè)工程不利的特性。而且，膨脹土一般都處于干旱或半干旱地區(qū)，大都處于非飽和狀態(tài)。探索膨脹土工程特性的產(chǎn)生原因，分析并處理其對(duì)工程的不利作用，是廣大巖土工程工作者的研究重點(diǎn)，比如，如何對(duì)膨脹力定量表達(dá)，是計(jì)算土體與支擋結(jié)構(gòu)相互作用的關(guān)鍵，考慮其裂隙性及在計(jì)算中的定量表達(dá)方法，是分析膨脹土邊坡滲流及穩(wěn)定性的關(guān)鍵，而考慮膨脹土在氣候影響下的非飽和狀態(tài)是研究膨脹土邊坡滲流和穩(wěn)定性的基本出發(fā)點(diǎn)。

研究成果表明膨脹土邊坡失穩(wěn)一般破壞具有淺層性、季節(jié)性、長期性及牽引性等規(guī)律［1］。膨脹土地區(qū)建筑、道路及引水工程等都深受其害，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，研究膨脹土邊坡及工程性質(zhì)，對(duì)采取合理防治措施具有重要實(shí)踐意義。然而，巖土工程界對(duì)膨脹土強(qiáng)度變化規(guī)律、裂隙發(fā)展規(guī)律及邊坡穩(wěn)定分析等課題還沒有得出統(tǒng)一的研究成果，歸納總結(jié)近年來的研究成果對(duì)進(jìn)一步的研究具有一定的理論意義。

針對(duì)膨脹土的脹縮性、裂隙性產(chǎn)生的原因，定量表達(dá)及對(duì)工程的危害研究方面，膨脹土的強(qiáng)度研究方面，膨脹土邊坡失穩(wěn)特點(diǎn)、機(jī)理、分析方法及影響參數(shù)研究方面進(jìn)行了總結(jié)和分析。

1 膨脹土的脹縮性和裂隙性

1.1 膨脹土的脹縮性

膨脹土的主要組成礦物為具有強(qiáng)親水性的蒙脫石、伊利石或高嶺石等，礦物顆粒高度分散，對(duì)環(huán)境的濕度和溫度變化敏感，具有吸水膨脹、失水收縮的特性，并能隨著濕、熱的變化而反復(fù)膨脹收縮。

目前，表達(dá)膨脹土工程特性的定量指標(biāo)有自由膨脹率、膨脹率、收縮系數(shù)及膨脹力等［2］。

1）自由膨脹率：人工制備的烘干土在水中增加的體積與原體積之比。

式中：Vw為土樣在水中膨脹穩(wěn)定后的體積（mL）；V0為土樣原來的體積（mL）。

2）膨脹率：在一定壓力下，試樣浸水膨脹后增加的高度與原高度之比。

式中：hw為土樣浸水膨脹后的高度（mm）；h0為土樣原來的高度（mm）。

3）膨脹力Pe：原狀土樣在體積不變時(shí)，由于浸水膨脹產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力。

4）收縮系數(shù)：原狀土樣在直線收縮階段，含水量減小1%時(shí)的豎向線縮率。

式中：Δδs為土樣收縮過程中兩點(diǎn)含水量之差對(duì)應(yīng)的豎向線縮率之差（%）；Δw 為土樣收縮過程中直線變化階段兩點(diǎn)含水量之差（%）。

根據(jù)自由膨脹率大小可將膨脹土的膨脹潛勢(shì)分為以下3類（見表1）。

表1 膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類

1.2 膨脹土的裂隙性

1.2.1 膨脹土裂隙產(chǎn)生的原因

1）氣候變化是引起膨脹土開裂的主要因素，干旱季節(jié)膨脹土蒸發(fā)失水，降雨季節(jié)膨脹土吸收水分，干濕循環(huán)將導(dǎo)致土體含水率、基質(zhì)吸力及應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，致使土體強(qiáng)度降低及變形開裂。

2）組成膨脹土的親水性礦物吸水易膨脹軟化，失水易收縮開裂，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，繼而產(chǎn)生開裂。

3）在降雨條件下，雨水入滲至淺層裂隙后，由于深層非開裂膨脹土體滲透性極低，雨水在裂隙內(nèi)積聚形成靜水壓力，致使膨脹土裂隙進(jìn)一步向裂隙側(cè)壁及深層發(fā)展。

4）對(duì)于人工邊坡，開挖卸荷造成應(yīng)力釋放，也是土體裂隙產(chǎn)生的重要原因。

1.2.2 膨脹土裂隙的不利影響

一方面，土體裂隙密度和寬度的增加，使土體抗剪強(qiáng)度降低，將均一的坡體劃分成強(qiáng)度顯著不同的上下土層，破壞土體的整體性。另一方面，裂隙的產(chǎn)生為雨水入滲和水分蒸發(fā)提供通道，使氣候?qū)ν馏w的影響進(jìn)一步向土體內(nèi)部發(fā)展，這種氣候的影響深度一般為2.0～3.0m，最大深度可達(dá)4.0～6.0m。而且，裂隙的發(fā)展對(duì)土體的滲透性影響較大，雨水從裂隙側(cè)壁向土體內(nèi)部入滲，增大了土體入滲邊界，提高了土體地表的入滲率；同時(shí)，雨水的入滲增大了開裂深度范圍內(nèi)土體的含水率，增加了土體的容重。

1.2.3 膨脹土裂隙的量化表達(dá)

在對(duì)土體裂隙深度的定量表達(dá)研究方面，Chowdhury［3］對(duì)邊坡的張拉裂隙開展深度提出了估算式。Morris等［4］對(duì)非飽和狀態(tài)下的土體分別采用線彈性、線彈性斷裂力學(xué)和張拉與剪切破壞關(guān)系式3種方法，建立了裂隙開展深度與土體特性和特定基質(zhì)吸力分布之間的理論關(guān)系式。姚海林等［5］運(yùn)用土體裂隙開展深度的線彈性的理論解，確定了裂隙擴(kuò)展深度的極值，得出了膨脹土裂隙開展深度的理論解。

李培勇等［6］將膨脹土體的有效黏聚力的影響引入到裂隙開展深度的線彈性理論解中，分別得到了關(guān)于有效黏聚力、有效內(nèi)摩擦角、地表基質(zhì)吸力、有效黏聚力折減系數(shù)、泊松比、地下水位影響的裂隙開展深度表達(dá)式。

式中：Zc為膨脹土裂隙開展深度（m）；S0為地表基質(zhì)吸力（kPa）；W 為地下水位（m）；μ為土體泊松比；γ為土體容重（N／m3），αT取值范圍為0.5～0.7；tanφb反映了基質(zhì)吸力對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)；φ′為與凈法向應(yīng)力σ－u（）a有關(guān)的內(nèi)摩擦角；ua為孔隙氣壓力（kPa）；c′為有效黏聚力（kPa）。

2 膨脹土的強(qiáng)度

膨脹土在干濕循環(huán)條件下，抗剪強(qiáng)度隨含水率（或基質(zhì)吸力）變化而變化，在研究膨脹土邊坡穩(wěn)定性問題時(shí)常常采用的非飽和土強(qiáng)度公式，基本都是在Bishop強(qiáng)度公式和Fredlund強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。

Bishop［7］非飽和土抗剪強(qiáng)度公式：

式中：τf為抗剪強(qiáng)度（kPa）；ua－u（）w為基質(zhì)吸力；χ為與飽和度、土的性質(zhì)等有關(guān)的有效應(yīng)力參數(shù)；φ′為有效內(nèi)摩擦角。

Fredlund［8］非飽和土抗剪強(qiáng)度公式：

該公式中采用的是以孔隙氣壓力ua為基準(zhǔn)的應(yīng)力狀態(tài)變量組合。當(dāng)土體飽和時(shí)，基質(zhì)吸力為0，式（8）過渡為Mohr－Coulomb飽和土抗剪強(qiáng)度公式。

要得到Bishop強(qiáng)度公式和Fredlund強(qiáng)度公式中的參數(shù)，試驗(yàn)較復(fù)雜，沈珠江［9］、Vanapalli［10］、Rohm［11］等又相繼提出了一些強(qiáng)度公式；龔壁衛(wèi)等［12］基于Bishop和Fredlund強(qiáng)度公式，提出了以總抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表達(dá)的抗剪強(qiáng)度公式：

式中ctotal、φtotal為總抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，包含了土吸力和土結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，且隨含水率的變化而變化。

楊和平等［13］發(fā)現(xiàn)寧明灰白色膨脹土、安康Ⅰ類強(qiáng)膨脹土及山東濰坊鈣質(zhì)強(qiáng)膨脹土等的總抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的對(duì)數(shù)均與含水率之間呈線性關(guān)系；盧肇鈞等［14］總結(jié)了幾種膨脹土實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出吸附強(qiáng)度與膨脹力呈線性關(guān)系，即：

式中：τs＝ua－u（）wtanφb被稱為吸附強(qiáng)度（一種與外力無關(guān)的摩擦強(qiáng)度，它來源于吸力所產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力，負(fù)孔隙水壓力在土骨架的內(nèi)部產(chǎn)生有效應(yīng)力）；k為常數(shù)，與土的類型無關(guān)。

楊慶等［15］也提出了這一關(guān)系，但是認(rèn)為k與土的類型有關(guān)；繆林昌等［16］通過試驗(yàn)研究也提出了不同的非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度公式。

3 膨脹土邊坡穩(wěn)定性問題

3.1 膨脹土邊坡失穩(wěn)的特點(diǎn)

工程實(shí)踐和物理試驗(yàn)表明膨脹土邊坡失穩(wěn)往往具有以下幾個(gè)特點(diǎn)［17］：

1）淺層性：膨脹土邊坡失穩(wěn)破裂面深度一般不超過4m，這是與土體裂隙的開展深度和風(fēng)化程度有關(guān)的。

2）牽引性：較大的膨脹土滑坡，常常由若干相連的滑坡組成，呈階梯狀、疊瓦狀。下部先滑，牽動(dòng)上部跟著滑，由下向上逐步發(fā)展，這也是跟膨脹土的裂隙性有關(guān)的。

3）平緩性：膨脹土即使處于飽和狀態(tài)，其強(qiáng)度都是較高的。之所以坡比1∶5的平緩邊坡也會(huì)失穩(wěn)，主要是由于裂縫的發(fā)展使強(qiáng)度大大降低。另外，淺層性和牽引性也助長了平緩性。

4）長期性：裂隙的發(fā)展是一個(gè)長期過程，裂隙較淺時(shí)，下部土體強(qiáng)度仍很高，不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，當(dāng)裂隙達(dá)到足夠深才會(huì)滑動(dòng)。

5）季節(jié)性：滑坡多發(fā)生在雨季，雨水通過裂隙進(jìn)入土體內(nèi)部，使土體迅速達(dá)到飽和，強(qiáng)度降低，另外，雨水在裂隙之間形成大體順著邊坡的滲流（如圖1）所產(chǎn)生的滑動(dòng)力也增加了滑動(dòng)的可能性。

圖1 裂隙中的滲流

3.2 膨脹土邊坡失穩(wěn)機(jī)理

對(duì)于膨脹土邊坡失穩(wěn)而言，脹縮性和裂隙性是內(nèi)在因素，降雨入滲是誘發(fā)條件。

1）雨水入滲使土體含水量增加，基質(zhì)吸力降低，從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低。另外，吸力降低將使土層在豎向發(fā)生膨脹，土體因膨脹軟化，也將導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，繼而使抗滑力減小，產(chǎn)生滑坡。

2）雨水入滲使土體中礦物軟化，土體結(jié)構(gòu)性喪失，從而也使土體的抗剪強(qiáng)度降低，抗滑力減小，造成邊坡失穩(wěn)。

3）膨脹土吸力降低后的膨脹趨勢(shì)以膨脹力的形式表現(xiàn)出來，膨脹力的形成將導(dǎo)致邊坡土體水平向應(yīng)力增加，局部土體可能產(chǎn)生破裂面，并可能最后發(fā)展成為膨脹土中常見的漸進(jìn)式滑坡。

3.3 膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析方法

工程實(shí)踐中分析膨脹土邊坡穩(wěn)定性主要采取與一般黏性土邊坡穩(wěn)定性分析相同的思路，但由于膨脹土邊坡大都處于非飽和狀態(tài)，而且受到氣候條件的影響，往往具有比較發(fā)育的裂隙，所以在近年來的理論研究中，廣大巖土工作者已經(jīng)將膨脹土的非飽和狀態(tài)及裂隙性進(jìn)行了考慮。

目前，在定量評(píng)價(jià)膨脹土邊坡穩(wěn)定性方面，采用的主要方法仍然是極限平衡法，研究的熱點(diǎn)是采用非飽和土力學(xué)的強(qiáng)度理論、土水特征、滲流理論以及定量描述膨脹土的裂隙，建立更加符合實(shí)際狀態(tài)和邊界條件的極限平衡方程。

3.4 膨脹土邊坡穩(wěn)定性的參數(shù)研究

風(fēng)化程度、地下水位、邊坡幾何形態(tài)及裂隙深度等是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，主要圍繞這些影響因子開展了一系列研究。

1）膨脹土邊坡淺層風(fēng)化程度最強(qiáng)，由淺至深逐漸減弱，因此，膨脹土邊坡淺層土體強(qiáng)度衰減程度最大，由淺至深衰減程度減弱。如圖2所示，黃潤秋等［18］根據(jù)邊坡的風(fēng)化程度將邊坡土體強(qiáng)度進(jìn)行分層取值，較好地反映了風(fēng)化程度對(duì)穩(wěn)定性的影響。

圖2 膨脹土邊坡強(qiáng)度分層

2）裂隙是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。殷宗澤等［19］根據(jù)裂隙的發(fā)展程度，大致將土坡劃分為裂隙充分發(fā)展層、裂隙發(fā)育不充分層及無裂隙層（如圖3），各層采用不同的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，研究表明，選用土體強(qiáng)度指標(biāo)考慮裂隙程度分層，可以很好地反映膨脹土的裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖3 膨脹土邊坡強(qiáng)度分層

3）黃潤秋等［18］研究表明，在其他條件相同的情況下，膨脹土邊坡坡率從1∶1到1∶1.75的過程中，穩(wěn)定系數(shù)增加的幅度較大。而從1∶1.75到1∶2的過程中，穩(wěn)定系數(shù)增加的幅度明顯偏小，說明膨脹土邊坡越緩并不代表越安全，只有綜合考慮膨脹土邊坡各方面影響因素，選取合理的坡率值，才能確保邊坡既安全又經(jīng)濟(jì)。

4）膨脹土邊坡淺層裂隙發(fā)育，對(duì)降雨敏感，由于淺層潛在滑體的厚度小，降雨條件下，水位變化幅度大，水位稍微變動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)產(chǎn)生影響。

5）劉華強(qiáng)等［20］考慮雨水入滲、裂隙水壓力及淺層、深層膨脹土滲透系數(shù)的差異，綜合分析了膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。

4 數(shù)值分析和物理模型試驗(yàn)研究

4.1 數(shù)值分析

數(shù)值分析成為了研究膨脹土邊坡滲流、變形及穩(wěn)定性的重要手段。盧再華等［21］以非飽和土力學(xué)和損傷力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了非飽和原狀膨脹土的彈＿塑性本構(gòu)模型及固結(jié)模型，分析了膨脹土坡的強(qiáng)度、裂隙損傷演化規(guī)律及土坡失穩(wěn)機(jī)理。尹宏磊等［22］采用塑性力學(xué)的上限定理，建立了考慮膨脹應(yīng)力做功的功能平衡方程，利用單元集成法進(jìn)行數(shù)值分析，認(rèn)為降雨后明顯的膨脹變形也是導(dǎo)致土坡失穩(wěn)破壞的重要原因，在一定程度上解釋了膨脹土坡能在極緩的坡度下發(fā)生失穩(wěn)的原因。范臻輝等［23］考慮膨脹土吸水膨脹或失水收縮為一個(gè)動(dòng)態(tài)耦合過程，基于Bishop有效應(yīng)力原理建立非飽和膨脹土的彈＿塑性本構(gòu)模型，結(jié)合非飽和土力學(xué)理論，建立起膨脹土的滲流變形耦合模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性和適用性。

4.2 物理模型試驗(yàn)

室內(nèi)或現(xiàn)場物理模型試驗(yàn)也是研究邊坡變形、滲流及穩(wěn)定性的重要手段，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象及測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以揭示邊坡失穩(wěn)破壞的變化過程及邊坡失穩(wěn)破壞的機(jī)理。

楊和平［24］、呂海波等［25］分別對(duì)寧明、陽安和南寧膨脹土進(jìn)行了干濕循環(huán)下的直剪試驗(yàn)研究，但該試驗(yàn)中干濕循環(huán)過程是將試樣置于環(huán)刀中進(jìn)行，抑制了膨脹土吸濕膨脹的特性，影響循環(huán)過程中裂隙的發(fā)展。為避免這種影響，劉華強(qiáng)等［26］在對(duì)鎮(zhèn)江膨脹土進(jìn)行研究時(shí)，先制備無約束下的試樣進(jìn)行干濕循環(huán)，然后用環(huán)刀切取做直剪試驗(yàn)。徐彬等［27］認(rèn)為直剪試驗(yàn)不能很好地反映裂隙對(duì)強(qiáng)度的影響，采用三軸試驗(yàn)?zāi)芨玫胤从沉严兜挠绊?。周建等?8］開展了膨脹土邊坡干濕循環(huán)的模型試驗(yàn)，在模型上直接取樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬，分析干濕循環(huán)對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響，這種條件下模擬降雨蒸發(fā)所導(dǎo)致的干濕循環(huán)過程與實(shí)際情況更加接近。但是，由于模型尺寸較小，與天然狀態(tài)下的膨脹土邊坡應(yīng)力及滲流狀態(tài)仍然具有較大的差別。

5 結(jié)論

1）吸水膨脹失水收縮特性是膨脹土邊坡在干濕循環(huán)作用下結(jié)構(gòu)破壞和裂隙產(chǎn)生的內(nèi)在原因。

2）雨水通過膨脹土裂隙入滲，導(dǎo)致坡體內(nèi)水壓力增加、基質(zhì)吸力減小以及強(qiáng)度降低，膨脹土邊坡失穩(wěn)概率增大。采取有效措施減少坡體內(nèi)水分蒸發(fā)、防止降雨入滲坡體可以避免土體開裂或延緩裂隙發(fā)展、保持膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。

3）分析膨脹土邊坡穩(wěn)定性時(shí)，一方面，應(yīng)該通過調(diào)查、統(tǒng)計(jì)及試驗(yàn)研究獲得裂隙發(fā)育程度與土體物理力學(xué)特性相關(guān)的定量表達(dá)式，另一方面，應(yīng)該通過非飽和土的系列試驗(yàn)獲得土＿水特征曲線、滲透系數(shù)與含水率的關(guān)系式以及抗剪強(qiáng)度表達(dá)式，建立更加符合實(shí)際工況的極限平衡方程。

4）在數(shù)值研究方面，采用彈＿塑性力學(xué)模型及流—固耦合理論來分析膨脹土邊坡滲流變形的規(guī)律是目前膨脹土邊坡相關(guān)課題的研究熱點(diǎn)。在物理試驗(yàn)研究方面，室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑵饋硐鄬?duì)簡單、經(jīng)濟(jì)，但由于尺寸效應(yīng)的影響，難以全面、準(zhǔn)確地反映膨脹土的脹縮性、裂隙發(fā)展及強(qiáng)度變化規(guī)律，因此，開展膨脹土邊坡的原位監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)也是一個(gè)研究方向。

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