肖　杰，楊和平

(長沙理工大學(xué)　交通運輸工程學(xué)院，湖南　長沙　410114)

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膨脹土邊坡淺層坍滑破壞原因剖析

肖杰，楊和平

(長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，湖南長沙410114)

摘要：淺層坍滑是絕大多數(shù)膨脹土路塹邊坡在降雨期或雨后常發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，往往造成新建公路的交通中斷、沿線生態(tài)環(huán)境破壞并需投入巨額的修復(fù)費用，而其破壞的真正原因目前仍不十分清楚。為此，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，研究干濕循環(huán)條件下膨脹土的抗剪強度衰減規(guī)律，得到淺、表層邊坡土體強度具有非線性性質(zhì)，并認(rèn)為該特性是因土固有的膨脹性本質(zhì)所致；進一步開展干濕循環(huán)作用下膨脹土邊坡的淺層坍滑分析，發(fā)現(xiàn)黏聚力的嚴(yán)重衰減是導(dǎo)致淺層坍滑破壞最重要的原因。因此，進行膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析時，只有采用實測土樣的非線性強度參數(shù)，才能獲得與實際較為吻合的分析計算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：道路工程；膨脹土；室內(nèi)試驗；淺層坍滑；強度衰減

0引言

因富含蒙脫石、伊利石或蒙脫石-伊利石混成等強親水性礦物，膨脹土具有典型的“三性”特征，即脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性，其工程特性受氣候變化即干濕循環(huán)作用的影響很大，導(dǎo)致修建于地表的各類輕型工程結(jié)構(gòu)物時常發(fā)生多種破壞(病害)，其中膨脹土邊坡破壞地質(zhì)災(zāi)害是最嚴(yán)重的一種類型[1-5]。

由于膨脹土的特殊性質(zhì)，其邊坡穩(wěn)定性的研究比普通黏土邊坡復(fù)雜得多，破壞大多具有淺層性。膨脹土路塹邊坡按破壞形式可分為3種[6]，分別為潛伏斷面滑坡型、弧面漸進式破壞型和淺表層坍滑型。其中淺表層坍滑型是指大氣的干濕循環(huán)導(dǎo)致表層土體反復(fù)脹縮開裂，雨水從裂隙入滲，導(dǎo)致強度急劇降低，引發(fā)淺表層土體坍滑破壞，滑動深度一般為1～2.5 m，在雨季年年發(fā)生破壞。廖世文[1]通過調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：襄渝線和成昆線一般為1～3 m，焦枝線集中在2～5 m，漢中地區(qū)主要為3～6 m。這表明膨脹土滑坡以淺層性為主，且滑坡深度與裂隙發(fā)育深度、大氣風(fēng)化作用影響深度基本接近。包承綱[7]對南陽膨脹土滑坡分析后認(rèn)為，該地區(qū)的滑坡滑動面具有淺層性、平緩性和漸進性，這類滑體深度與裂隙深度、干濕循環(huán)影響深度接近，一般為2～5 m。長江科學(xué)院和武漢大學(xué)通過對現(xiàn)場膨脹土邊坡基質(zhì)吸力的量測結(jié)果表明[8]，大氣影響沿邊坡深度方向存在一個“臨界深度”，約1.5 m深。南陽膨脹土路塹平均坡度為1∶2，計算得到的穩(wěn)定系數(shù)是2.7，但還是發(fā)生了滑坡，有的甚至將邊坡放緩到1∶4，仍然發(fā)生滑坡[1]。按規(guī)范法測得膨脹土的直剪或三軸干濕循環(huán)峰值抗剪強度乃至殘余抗剪強度往往并不低，采用這些參數(shù)進行膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析，其結(jié)果常常與矮、緩邊坡發(fā)生淺層坍滑的實際不符，為此有學(xué)者甚至建議內(nèi)摩擦角和黏聚力分別取室內(nèi)試驗值的1/7和1/14作為計算指標(biāo)[9]，也有些為選用低強度指標(biāo)，對開挖邊坡采用快剪強度指標(biāo)，這顯然與選用總應(yīng)力強度指標(biāo)的原理不符[10]。

綜上所述，膨脹土邊坡發(fā)生淺層坍滑破壞的真正原因仍是困擾巖土工程師的一大工程問題，亟待解決。本文根據(jù)膨脹土邊坡淺層坍滑特點，基于膨脹土抗剪強度的非線性特性，探討其強度衰減及膨脹土邊坡發(fā)生淺層坍滑的原因。

1膨脹土抗剪強度的非線性特性

在自然氣候條件作用下，隨時間的推移，加筋膨脹土邊坡土體含水率會因降雨、蒸發(fā)等干濕循環(huán)作用而發(fā)生變化，并伴隨大量裂隙的產(chǎn)生，導(dǎo)致土體抗剪強度的不斷衰減。膨脹土的抗剪強度隨法向應(yīng)力的增加呈廣義冪函數(shù)關(guān)系[11]，見式(1)。

(1)

式中，τ為抗剪強度；Pa為大氣壓力；A,n,T為無量綱強度參數(shù)；SNL(σ|A,n,T)為非線性強度函數(shù)。

由式(1)可求得任意法相應(yīng)力下的切角即有效摩擦角，如式(2)所示：

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)可得到有效黏聚力ct，見式(3)：

(3)

通過開展含低應(yīng)力的抗剪強度試驗獲得南寧原狀膨脹土(取自南寧外環(huán)高速公路，其基本土性參數(shù)見文獻[12]的有荷干濕循環(huán)慢剪強度曲線如圖1所示，相應(yīng)的回歸參數(shù)見表1，為便于對比表中列出了75～300 kPa常規(guī)直線回歸強度參數(shù)。

圖1　有荷干濕循環(huán)抗剪強度(單位:kPa)Fig.1　Shear strength under dry-wet cycles with loading(unit:kPa)

由圖1和表1可知，4次循環(huán)后常規(guī)抗剪強度基本穩(wěn)定，c，φ值分別約為20.0 kPa和28.0°；非線性擬合曲線與縱軸交點值隨循環(huán)次數(shù)不斷減小，由最初的26.7 kPa逐漸降至接近于0 kPa，這表明低應(yīng)力段受有荷干濕循環(huán)的影響比高應(yīng)力段顯著。因此，膨脹土抗剪強度受干濕循環(huán)、低應(yīng)力的影響顯著，在分析膨脹土邊坡穩(wěn)定性時，必須考慮抗剪強度的非線性。

表1　有荷干濕循環(huán)抗剪強度參數(shù)

2膨脹土抗剪強度衰減原因分析

膨脹土因富含蒙脫石、伊利石或伊-蒙混層等高親水性礦物，具有特殊的雙電層結(jié)構(gòu)，吸水性很強。土體的強度會隨含水量和吸附水膜厚度的增加而變小。當(dāng)吸水增濕時，土體中的氣體絕大部分以氣泡的形式排出，此過程對土體的骨架有一定的沖擊作用，可能導(dǎo)致顆粒的結(jié)合部位或某些膠結(jié)薄弱部位產(chǎn)生微裂縫。當(dāng)土體所受的圍壓或上覆壓力越小時，在水的作用下，土顆粒吸附的水膜會越厚，且膠結(jié)黏粒裂縫薄弱部位的水膜也會增厚，使得顆粒分開的間距增大，黏結(jié)的強度減弱，且浸入水分越多，水膜厚度越大，黏結(jié)強度減弱的程度也越大。侵入水分的多少與土體所受的壓力大小有關(guān)，壓力越小，侵入水分越多，其吸濕的能力越強，干密度也會越小。另外，某些起膠結(jié)作用的膠結(jié)物還可被溶解或者軟化，且軟化膠結(jié)物質(zhì)和水膜在土體中又起潤滑作用，降低了顆粒間的摩擦。這一方面破壞了土體的結(jié)構(gòu)連結(jié)；另一方面使土顆粒更易于滑動，導(dǎo)致土體抗剪強度大大降低。從微觀方面來看，在滲透膨脹階段，水化作用使蒙脫石晶格間陽離子進一步水化，使晶格層面的間距增大，并伴隨膨脹使土體進一步分散成微細(xì)顆粒，同時每個微細(xì)顆粒會進一步吸水，吸附水分子和水化陽離子，形成水化膜。擴散雙電層的斥力會使晶格層發(fā)生分離，導(dǎo)致土體的嚴(yán)重分散，特別是鹽濃度低的水浸入會使具有高分散性的鈉蒙脫石在水中易分散成極薄的片，導(dǎo)致強度顯著降低。在反復(fù)干濕循環(huán)過程中，土體一方面會產(chǎn)生大量的宏觀及微觀裂隙，其完整性、均一性和連續(xù)性遭到破壞；另一方面產(chǎn)生的塑性應(yīng)變會不斷累積，致使顆粒間起黏結(jié)作用部分的抗剪強度損失，也就是黏聚力減小，且越表層該作用越明顯，抗剪強度越小。因此，由于膨脹土具有別于其他土的顯著“膨脹”這一特性，且其膨脹程度受外力作用的影響很顯著，該特性決定了在研究膨脹土抗剪強度時不僅需考慮干濕循環(huán)的作用，更重要的是應(yīng)考慮外荷載的影響。這也是修筑在膨脹土地區(qū)的輕型結(jié)構(gòu)物常發(fā)生破壞，而重型結(jié)構(gòu)物卻基本不受影響的主要原因。

3膨脹土邊坡淺層穩(wěn)定性分析

土體的抗剪強度指標(biāo)即黏聚力c和摩擦角φ，是邊坡穩(wěn)定性計算分析所需的重要參數(shù)。為此，先考慮最不利條件，采用GeoStudio軟件中的Slope/W模塊計算分析黏聚力c和摩擦角φ變化對飽和邊坡穩(wěn)定性的影響。計算邊坡為均質(zhì)邊坡，模型坡高與坡比分別為6 m和1∶1.5。計算邊界條件為坡頂、坡面及坡腳均為零壓水頭，使邊坡處于飽和穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)?？辜魪姸葏?shù)黏聚力c為：0，1，2，3，5，7.5，10，15，20，25 kPa和30 kPa；摩擦角φ為：9°，12°，15°，18°，21°和24°。采用M-P法計算的安全系數(shù)與黏聚力c和摩擦角φ的關(guān)系分別如圖2、圖3所示。

圖2　安全系數(shù)與黏聚力的關(guān)系Fig.2　Relationship between safety factor and cohesion

圖3　安全系數(shù)與摩擦角的關(guān)系Fig.3　Relationship between safety factor and friction angle

由圖可知，飽和穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)下：摩擦角φ相同，安全系數(shù)隨黏聚力c的增加而增大，當(dāng)c較小(小于5 kPa)時，呈非線性增大，后近似線性增大；黏聚力c相同，安全系數(shù)隨摩擦角φ的增加近似線性遞增。安全系數(shù)為1所對應(yīng)的黏聚力和摩擦角分別約為7.0 kPa、24°，8.2 kPa、21°，9.3 kPa、18°，10.6 kPa、15°，12.2 kPa、12°和13.8 kPa、9°。摩擦角φ為24°，黏聚力c由0變到15 kPa，安全系數(shù)從0.34增大到1.48，增幅達1.14，而黏聚力c為10 kPa，摩擦角φ由9°變到24°，安全系數(shù)從0.79增大到1.18，僅增加0.39，這表明黏聚力c的變化比摩擦角φ對安全系數(shù)的影響要大得多，當(dāng)黏聚力c大于15 kPa時，安全系數(shù)均大于1.0。

與圖 2和圖3中安全系數(shù)所對應(yīng)的滑坡最大深度與黏聚力c和摩擦角φ的關(guān)系分別如圖4和圖5所示。由圖可得到，摩擦角φ相同，最大滑坡深度隨黏聚力c的增加而增大；黏聚力c相同，最大滑坡深度隨摩擦角φ的增大而減小，且最大滑坡深度受黏聚力的影響比摩擦角顯著得多。當(dāng)黏聚力c由0 kPa變到1 kPa時，最大滑坡深度由0.12 m陡增至大于1.48 m；滑坡深度為2 m時，黏聚力c小于4 kPa(φ在9°～24°間變化)，且滑坡深度為3 m時，黏聚力c也小于7.5 kPa。因此，黏聚力小是膨脹土邊坡發(fā)生淺層坍滑的重要因素。

圖4　最大滑坡深度與黏聚力的關(guān)系Fig.4　Relationship between maximum sliding depth and cohesion

圖5　最大滑坡深度與摩擦角的關(guān)系Fig.5　Relationship between maximum sliding depth and fiction angle

Slope/W還內(nèi)置了分析抗剪強度非線性的功能，即極限平衡法分析時，其可自動得到任意條塊底面的有效法向應(yīng)力，然后根據(jù)輸入的非線性抗剪強度曲線求出對應(yīng)法向應(yīng)力的切線斜率，即φ值，切線延長線與y軸的截距即c值。因此，基于同一計算模型及邊界條件，采用圖1中實測非線性抗剪強度確定的抗剪強度參數(shù)得到原狀土有荷干濕循環(huán)0次與8次的邊坡安全系數(shù)與相應(yīng)滑動面最大深度見圖6。

(a)有荷干濕循環(huán)0次

(b)有荷干濕循環(huán)8次圖6　安全系數(shù)及滑動面最大深度(單位:m)Fig.6　Safety factors and maximum depths of sliding surface(unit:m)

由圖知，原狀土有荷干濕循環(huán)0次計算得到的安全系數(shù)為2.32，相應(yīng)最危險滑動面深度達到了4.38 m。這說明即便坡體達到完全飽和狀態(tài)，剛開挖無原始構(gòu)造裂隙的邊坡仍是穩(wěn)定的，而原狀土有荷干濕循環(huán)8次計算得到的安全系數(shù)僅為0.94，相應(yīng)最危險滑動面深度僅有1.11 m。這表明隨干濕循環(huán)的長期作用，膨脹土抗剪強度的不斷衰減，在長期連續(xù)或間歇性連續(xù)降雨條件下邊坡可達到或接近飽和狀態(tài)，便會發(fā)生淺層坍滑。

4膨脹土邊坡淺層坍滑原因分析

從穩(wěn)定性方面考慮，膨脹土與非膨脹土的最大區(qū)別就在于它有很大的膨脹性，膨脹后強度會顯著降低，而膨脹程度受壓力的控制，所以膨脹土的強度指標(biāo)參數(shù)在很大的程度上取決于其上所受的壓力，即與滑面上所受的有效法向應(yīng)力有關(guān)。已有關(guān)于膨脹土壩的研究表明[13]，在不同的部位所受的自重壓力有很大的差別，因而膨脹土壩在不同部位的強度指標(biāo)是不相同的。例如，在受到200 kPa壓力的壩體中間部位的強膨脹土還可保持較高的強度：φ=11°，c=80 kPa，而在接近邊坡表面處，在無護坡情況下，其強度幾乎接近于零。這與可將不產(chǎn)生膨脹的非膨脹土邊坡的強度指標(biāo)視為常值是完全不相同的。因此，對于膨脹土邊坡穩(wěn)定性驗算時強度指標(biāo)的取值，不能像非膨脹土那樣，在整個邊坡中都采用同一數(shù)值，而是應(yīng)根據(jù)部位的不同，取用非線性強度指標(biāo)。否則，既有可能造成浪費，也有可能造成不安全。需注意的是按目前常規(guī)的抗剪強度試驗得到的c，φ值，對邊坡中所受自重壓力較小而可能發(fā)生膨脹的部位，一般是偏于不安全的。譬如，根據(jù)實際發(fā)生淺層坍滑的膨脹土邊坡反算得到抗剪強度的黏聚力大都位于2～4 kPa之間，遠(yuǎn)小于常規(guī)實測值[13]，而考慮低應(yīng)力作用的干濕循環(huán)非線性抗剪強度能于此相符。因此，在進行膨脹土邊坡穩(wěn)定分析時，考慮低應(yīng)力條件下膨脹性對其抗剪強度的影響能獲得與實際相符的計算結(jié)果。

一般地，剛開挖的新膨脹土邊坡往往十分穩(wěn)定，在沒有實施有效支護或支護不及時的情況下，經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后在某個雨季或雨后發(fā)生淺層坍滑破壞。這是由于新開挖邊坡土體沒有經(jīng)歷干濕循環(huán)的作用，坡面土體僅存在少量卸荷裂隙或原始構(gòu)造裂隙，無收縮裂隙，坡面土體較完整，強度基本沒有衰減，即便是飽和抗剪強度也很大。另外此時土體的滲透系數(shù)很小，可認(rèn)為不透水，因而降雨對邊坡的穩(wěn)定性影響很小，表層土體仍處于非飽和狀態(tài)，坡體是穩(wěn)定的。而在支護不及時或無效時，坡面表層土體在經(jīng)干濕循環(huán)后會產(chǎn)生大量的宏觀與微觀裂隙，使風(fēng)化層土體的滲透系數(shù)增大。這一方面破壞了坡體的完整性，另一方面為降雨入滲提供了便利通道，且隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加受影響的深度范圍會不斷增大直至達到某一穩(wěn)定值。在干濕循環(huán)過程中，表層土體的抗剪強度會不斷衰減，且越往表層，強度衰減的程度也越大，在近邊坡表面處，其強度幾乎接近于零。因此，在反復(fù)干濕循環(huán)作用下，由于表層土體抗剪強度的不斷衰減，在長久干旱后遇連續(xù)降雨或強降雨時膨脹土邊坡易發(fā)生淺層坍滑破壞。

5結(jié)論

(1)膨脹土邊坡常發(fā)生淺層坍滑與一般黏性土坡很不同，其本質(zhì)原因在于膨脹土的膨脹程度受外力作用影響明顯，干濕循環(huán)作用下淺層膨脹土抗剪強度衰減顯著，尤其是黏聚力衰減嚴(yán)重，有時甚至可降至接近于零所致。

(2)穩(wěn)定性分析時，抗剪強度參數(shù)的選擇須考慮干濕循環(huán)和低應(yīng)力的共同作用，采用非線性抗剪強度參數(shù)能獲得與實際相符的計算結(jié)果，說明該方法是合理和可靠的。

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收稿日期：2015-02-09

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(50978035; 51478054)；湖南省教育廳科研項目(15C0043)；廣西交通科技項目(2011-20)

作者簡介：肖杰(1981-)，男，湖南新邵人，博士.(xiaojie324@sina.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.008

中圖分類號：U 416.1+67

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)07-0047-06

Discuss of Reasons for Shallow Landslide of Expansive Soil Slope

XIAO Jie, YANG He-ping

(School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology,Changsha Hunan 410114, China)

Abstract：The vast majority of expansive soil cutting slope often occurs shallow landslide geological disasters during or after rainfall, which causes the newly-built highway traffic disruption, ecological environment destruction along the road and a huge cost required for repair. However, the real reason for this failure is still not very clear. Therefore, through the analysis of test data, the attenuation law of shear strength of expansive soil under the condition of dry-wet cycles is studied. It is obtained that the shear strength of surface soil has the nonlinear property, and it is considered that this characteristic is caused by the inherent expansion nature of soil. Further, the shallow landslide of expansive soil slope under the action of dry-wet cycles is analyzed. It is found that the serious attenuation of cohesion is the most important reason for shallow landslide of expansive soil slope. Therefore, the measured nonlinear strength parameters of soil samples should be applied to analyze the stability of expansive soil slope, thus the result of which can be in good agreement with the calculation result of the actual condition.

Key words：road engineering; expansive soil; laboratory test; shallow landslide; shear strength attenuation