□任劍飛（南水北調中線干線工程建設管理局河南分局）

膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定性研究

□任劍飛（南水北調中線干線工程建設管理局河南分局）

邊坡穩(wěn)定性是巖土工程中的一個難點，其中膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定性更是一個世界公認的難題。膨脹土在我國的分布范圍十分廣泛，許多工程建設項目都需要涉及到膨脹土的處理，膨脹土具有吸水膨脹失水縮小的特性，在經(jīng)過反復干濕循環(huán)后會導致膨脹土內部出現(xiàn)裂隙，進而造成膨脹土強度降低，引起失穩(wěn)現(xiàn)象。對此，文章分析了膨脹土的特性，闡述了膨脹土邊坡失穩(wěn)機理，最后對膨脹土邊坡穩(wěn)定性進行了實驗分析。

膨脹土；渠道；邊坡穩(wěn)定性；裂隙

1 膨脹土的特性

1.1 膨脹土裂隙

膨脹土的吸水膨脹和失水收縮是一個循環(huán)往復的過程，在多次膨脹和收縮變化之后，膨脹土的表層就會產(chǎn)生雜亂分布的裂隙，以至于膨脹土土體的整體強度下降，而膨脹土土體強度下降便極有可能造成膨脹土邊坡失穩(wěn)。因此，在許多膨脹土強度試驗中，為了保證實驗能夠得到期望的結果，都會特地強調膨脹土試樣的尺寸。但從現(xiàn)在來看，這種認識仍然過于片面。大量的研究表明，膨脹土表層存在一個“大氣影響帶”，在“大氣影響帶”范圍內膨脹土裂隙呈雜亂分布，而在“大氣影響帶”以下的膨脹土裂隙則具有一定的定向性，且多被填充，以至于在該部位的膨脹土裂隙存在光滑裂隙面。并且這種裂隙不僅僅存在于膨脹土當中，在大多數(shù)一般硬黏土中同樣存在這種裂隙。從這個角度來說，研究此種類別的土體裂隙對于研究膨脹土邊坡的穩(wěn)定性具有重要的意義。

1.2 膨脹土的脹縮特性

膨脹土最基本的特征之一就是膨脹土的脹縮特性，通常來說，膨脹土脹縮特性的主要表現(xiàn)就在于膨脹土土體體積的變化。當膨脹土土體體積擴大趨勢受到阻礙時，膨脹土的脹縮性則會表現(xiàn)為力的形式，也就是膨脹力。在巖土工程中膨脹力是一個影響工程建設的重要因素，同時在一定程度上膨脹力也會導致膨脹土發(fā)生膨脹變形。另外在膨脹力方面，我國將膨脹力定義為在土體無側向變形條件下充分吸水，從而使土體不發(fā)生豎向形變所需的最大壓力值。關于膨脹土膨脹力這一特性，國內外學者都存在不同的看法。部分學者認為膨脹力的大小不會隨著環(huán)境的變化而變化，與土層厚度、土體飽和度、含水率等因素并無聯(lián)系。而部分學者認為膨脹力與土體起始含水量有關，并且與膨脹土起始含水量呈現(xiàn)出反比增長關系?？偟膩碚f，膨脹土的膨脹力是一個極為復雜的指標，在膨脹土邊坡穩(wěn)定性方面具有一定影響。測試膨脹力的手段通常有3種，主要是平衡加壓、膨脹反壓和加壓膨脹。通過相關的實驗得知，對同一試樣，采取不同的方式來測試膨脹力，其結果是不相同的。實踐證明加壓膨脹法最小，而平衡加壓法排在第二位，如圖1。

1.3 膨脹土強度

膨脹土的處理對于巖土工程來說是一個極為重要的方面，因此，人們對膨脹土進行了大量的研究。對于膨脹土強度的取值，國內外采用的實驗方法存在著較大的差異，并且強度試驗對于膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析具有一定的作用，因此對于膨脹土強度的取值必須要采取合適的實驗方法。由于膨脹土具有一定的復雜性，因此，膨脹土的強度特性與一般硬黏土存在很大的差別。在確定膨脹土強度的過程中可以從以下幾個方面進行：首先是合理取樣，一般可直接取用大氣影響區(qū)部位的土塊或大氣影響區(qū)下部土塊經(jīng)干濕循環(huán)之后，再進行強度試驗；其次，要注意于非大氣影響區(qū)的伴生裂隙。由于伴生裂隙具有極強的方向性，對于該部位的土塊不可能給出統(tǒng)一的土體強度指標。因此，膨脹土的強度需用土塊強度和裂隙面強度兩組強度來表征。另外，膨脹土的強度經(jīng)過干濕循環(huán)后還會發(fā)生一定的變化，并且這種變化存在一定規(guī)律性。對于膨脹土而言，本身并不飽和，一些研究正是在這個理論基礎上進行的。比如Bigshop理論，就提出了這方面的有效應力公式：

圖1 膨脹力確定法圖

在這個公式里，極限抗剪強度用τ表示；剪切面上法向壓應力用σ表示；凝聚力用c表示；內摩擦力用φ表示；孔隙水壓力用uw表示，孔隙氣壓力用ua表示，有效應力的參數(shù)是X，它的取值受土的類別、飽和度等方面的影響。如果土為完全干燥狀態(tài)，即飽和度是0，X=0；若土的狀態(tài)完全飽和，即飽和度=1，則X=1。

2 膨脹土邊坡穩(wěn)定性研究

2.1 失穩(wěn)機理分析

從目前來看，學術界普遍認為膨脹土邊坡失穩(wěn)是由膨脹土反復干濕循環(huán)之后，土體經(jīng)過膨脹、收縮，造成了土體內部出現(xiàn)了裂縫，從而造成了膨脹土土體強度整體下降，進而導致邊坡失穩(wěn)。按照失穩(wěn)機制，在采用一般黏土邊坡穩(wěn)定分析方法時，發(fā)現(xiàn)對于實際發(fā)生失穩(wěn)的膨脹土邊坡，想要使邊坡穩(wěn)定分析安全系數(shù)到達1.00，土體的強度指標將會極小，這是不符合邏輯的。因此，針對這一問題，有關學者提出了“強度理論”，但其中的部分內容中提出了許多學者的膨脹土強度理論，都具有較大的差異性。

其中不少學者提出了即便是已經(jīng)“滑了又滑”的邊坡，同樣會發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，其主要原因在于在這種膨脹土邊坡當中土體結構非常松散，因此，部分學者認為膨脹土強度是較低的。但事實上這種認識仍然是過于片面的，許多新開挖的膨脹土邊坡在吸水之后，同樣會發(fā)生失穩(wěn)。因此，部分學者認為，對于膨脹土土體強度的解釋不應該用失穩(wěn)后的土體性狀進行解釋，而應該將研究重點放在“首次滑動”的力學研究規(guī)律上。

2.2 室內模型實驗

2.2.1 模型構建

該模型尺寸（長×寬×高）為：6.00×2.00×2.50，單位（m）；模型坡高：2.00 m；模型坡比：1：1.50。該實驗模型材料為強膨脹土，其膨脹率為：120%，含水率為：20%，干密度為：1.60 g/cm3，制模方法為：振搗碾壓法。為加速水的滲入，本實驗在模型邊坡上布置了一定數(shù)量的砂芯，并多點設置了霧化噴頭，以模擬降雨效果。

2.2.2 分析方法

在該實驗中，采取的邊坡穩(wěn)定性分析思路，主要是將膨脹土邊坡經(jīng)持續(xù)深入達到飽和狀態(tài)，對該過程中模型出現(xiàn)裂隙以及裂隙擴展的狀態(tài)進行觀察，并采用了定量評價進行描述。

2.2.3 實驗過程分析

在模型構建及相應布置完成后，打開霧化噴頭，使模型整個坡面雨水持續(xù)入滲。當模型邊坡逐漸變形到破壞時，實驗已持續(xù)了253 h。此時，從模型側面箱進行觀察發(fā)現(xiàn)模型側面局部已經(jīng)出現(xiàn)裂隙。當實驗持續(xù)到283 h，發(fā)現(xiàn)模型裂縫已經(jīng)發(fā)生了擴展，并且此時模型邊坡已經(jīng)發(fā)生明顯位移，坡頂出現(xiàn)了貫穿性裂隙。當實驗持續(xù)到376 h，模型邊坡肩部出現(xiàn)貫穿性裂隙。當實驗持續(xù)到423 h，模型下部局部塌滑、上部裂隙處整體滑塌。實驗結束后，對模型進行開挖，開挖位置為模型中軸線部位。開挖后發(fā)現(xiàn)，模型邊坡淺層多處部位發(fā)生了滑動變形，且存在明顯的切割錯動痕跡，這說明模型邊坡的滑坡是由淺表層滑動向深層滑動導致的。

2.2.4 實驗結論

從結果上看，該實驗基本反映了新填筑膨脹土邊坡“首次滑動”的特征。并且該實驗中的強度參數(shù)基本可以反映模型土體達到飽和狀態(tài)后的抗剪強度。在只靠土體自重作用的情況下，該實驗模型的邊坡安全系數(shù)為5.20，遠＞1.00。但事實上，在經(jīng)過霧化噴頭的長時間滲水后，模型邊坡卻發(fā)生了失穩(wěn)現(xiàn)象。并且該實驗中，模型邊坡是采用分層振搗碾壓法而形成的，因此模型邊坡內部不存在裂隙，并且不存在經(jīng)過干濕循環(huán)后的“大氣影響帶”，種種跡象表明造成模型邊坡失穩(wěn)的原因是由于膨脹土自身的膨脹特性。

3 結語

綜上所述，膨脹土邊坡失穩(wěn)的內在原因主要是由膨脹土自身的脹縮特性導致的，其主要原因在于膨脹土經(jīng)過干濕循環(huán)反復形變之后，淺層會出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，而下層則會出現(xiàn)定向性裂縫。而膨脹土邊坡失穩(wěn)的外在原因，一方面是由于雨水的入滲，導致了膨脹土體內水壓增大，降低了膨脹土對基質的黏結力，從而造成了膨脹土強度下降，進而引發(fā)邊坡失穩(wěn)。在對膨脹土邊坡穩(wěn)定性進行分析時，應先通過調查，將膨脹土實驗得出的數(shù)據(jù)和裂隙發(fā)育狀況用定量方式表達，以及利用非飽和土力學理論、水土特性、滲流理論等構建極限平衡方程。對于膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析，文章采用了室內模型試驗，但該方法受各方面條件限制具有一定的局限性，在膨脹土的脹縮特性、裂隙發(fā)育、土體強度變化規(guī)律方面還不能完全解釋。因此，今后的膨脹土邊坡穩(wěn)定性研究有可能會朝著膨脹土邊坡原位研究以及原地實驗方向發(fā)展。

［1］張玉浩，彭光輝，閆蕊，等.南陽鄧州段高速公路非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析［J］.公路工程，2015，40（2）:72-75.

［2］吳珺華，楊松.超固結膨脹土抗剪強度特性及邊坡穩(wěn)定研究［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2016，35（4）:70-74.

［3］渠孟飛，謝強，趙文，等.土工格柵加固膨脹土路堤邊坡穩(wěn)定性的試驗分析［J］.鐵道標準設計，2016，60（7）:9-13.

［4］王曉磊，田存，黃麗麗，等.裂隙膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析方法研究［J］.湘潭大學自科學報，2016，38（1）:27-32.

［5］唐延貴，岳大昌，李明.膨脹土邊坡穩(wěn)定性研究進展［J］.長春工程學院學報（自然科學版），2015（3）:28-32.

［6］司光武，蔣良濰，羅強，等.膨脹土邊坡穩(wěn)定性影響因素的作用效應分析［J］.地下空間與工程學報，2016，12（s1）:386-392.

［7］袁秀霞，陳蕾.水泥改性土特性及膨脹土渠道施工質量控制要點［J］.河南水利與南水北調，2015（14）:29-30.

TU443

A

1673-8853（2017）11-0080-02

任劍飛（1983-），男，工程師，主要從事水利水電工程工作。

2017-9-26

編輯：劉青