干濕循環(huán)機(jī)理對(duì)弱膨脹性巖土工程邊坡穩(wěn)定性影響程度的分析

林峰

（江西省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì) 江西九江 332000）

在自然環(huán)境中，地質(zhì)變化產(chǎn)生了裂隙豐富、膨脹性強(qiáng)的地質(zhì)體，稱為膨脹土。它具有很強(qiáng)的塑性，主要是非飽和土，還具有兩個(gè)特點(diǎn)：多裂隙和過度固結(jié)。膨脹土在我國(guó)很常見，廣泛分布于山區(qū)。據(jù)調(diào)查，我國(guó)北方和西部只有少數(shù)地區(qū)沒有膨脹土，而且涉及膨脹土病害的項(xiàng)目很多，因此對(duì)膨脹土的研究非常有意義。中國(guó)西南地區(qū)地形地貌和地層巖性復(fù)雜。越來越多的電力工程建設(shè)需要開挖邊坡或填溝，不可避免地會(huì)形成許多工程邊坡，經(jīng)常會(huì)遇到用弱膨脹土回填的泥巖開挖邊坡和填方邊坡。在施工或運(yùn)營(yíng)期間，邊坡的某些路段發(fā)生了一些邊坡失穩(wěn)事件，影響了項(xiàng)目的施工或運(yùn)營(yíng)。干濕循環(huán)是一種自然現(xiàn)象，在實(shí)際工程中，邊坡是受其作用的。一般來說，在降雨條件下，邊坡吸水，巖土含水量增加，吸力減?。辉诟稍飾l件下，水分含量降低，吸力增加。在每個(gè)周期下，巖土體的性質(zhì)都會(huì)發(fā)生變化，這將對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。由于泥巖和弱膨脹土中含有較多的黏土礦物（如蒙脫石、伊利石和高嶺土），多次干濕循環(huán)下的累積效應(yīng)對(duì)巖土體力學(xué)性質(zhì)和邊坡穩(wěn)定性的影響更為明顯。因此，研究干濕循環(huán)對(duì)泥巖和弱膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 膨脹土概述

膨脹土是一種在自然地質(zhì)作用下產(chǎn)生的特殊土體。它的主要成分是親水礦物蒙脫石和伊利石，它們都具有親水性。膨脹土體的吸水性和失水性收縮特性是可反復(fù)發(fā)生的。干濕循環(huán)氣候環(huán)境下，造成土壤中的隨機(jī)裂縫，破壞了土壤的整體結(jié)構(gòu)，特別是輕質(zhì)房屋；機(jī)場(chǎng)、航道的邊坡和堤壩都受到了很大的損害［1］。在水利水電建設(shè)中，膨脹（巖石）問題尤其嚴(yán)重。在建設(shè)和運(yùn)行過程中，很多河道和水庫(kù)的邊坡都出現(xiàn)了嚴(yán)重的崩塌。在處理膨脹土方面，人們一直采用緩坡、打樁、改良土壤、換填等方法，但其效果并不理想，且費(fèi)用較高。同時(shí)，因坡度較低而引起的大量挖坑，也會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。膨脹土因其特殊和難以處理的特性，在巖土工程中被稱作“災(zāi)害性土”。膨脹土是一類具有膨脹收縮、開裂、超固結(jié)的典型非飽和土。這是土力學(xué)的一個(gè)重要分支——“非飽和土力學(xué)”。氣候的變化是膨脹土不斷膨脹、收縮的外在動(dòng)因。由于大量的次生裂縫和原始裂縫的不斷擴(kuò)大，使得土壤中的裂縫快速發(fā)育。裂隙發(fā)育及土壤松散，為膨脹土的進(jìn)一步風(fēng)化提供了有利的條件。降雨侵蝕和水分的重復(fù)作用，使得裂縫向深層土壤延伸，從而形成了一種風(fēng)化層。在剪切作用下，沿斜坡或水平方向的某些裂縫會(huì)逐漸相互結(jié)合，并在邊坡或水平方向上產(chǎn)生斷裂。由于長(zhǎng)期的風(fēng)化和淋溶作用，斷裂帶在斜坡上形成了一種軟弱的夾層，張性斷層的基底與其垂直，使其具備較好的儲(chǔ)水能力，因而可能產(chǎn)生滑動(dòng)。

膨脹土是一種典型的非飽和土體，其主要特征為膨脹土的吸力。而吸力是影響邊坡穩(wěn)定和強(qiáng)度的主要因素。在地下水持續(xù)升高的情況下，由于土壤的充分浸泡，土壤會(huì)發(fā)生膨脹、變軟，從而使其強(qiáng)度明顯下降。當(dāng)外界載荷或地下水滲透壓時(shí)，會(huì)使邊坡的穩(wěn)定性明顯下降，從而引起滑坡。另外膨脹土?xí)蝻L(fēng)化剝落、多次滑坡或人為開挖等原因而影響邊坡穩(wěn)定和強(qiáng)度。而在地下水持續(xù)下降的情況下，膨脹土?xí)^量固結(jié)，其會(huì)使得膨脹土邊坡的橫向應(yīng)力比豎向應(yīng)力要大得多，因此，在土的自重作用下，邊坡肩部向坡底的剪切強(qiáng)度也隨之增加。在剪切應(yīng)力集中的區(qū)域，先達(dá)到塑性極限，而更大的變形也會(huì)導(dǎo)致剪切強(qiáng)度由峰值下降至殘余值。由此，邊坡從坡腳開始出現(xiàn)不穩(wěn)定，然后出現(xiàn)應(yīng)力再分配，應(yīng)力集中區(qū)域向上運(yùn)動(dòng)，形成疊瓦式滑移[2]。

膨脹土是一種天然的土體，其干濕循環(huán)對(duì)其穩(wěn)定性有很大的影響。降水條件下，土壤水分含量升高，土壤吸收能力下降；在干燥條件下，水分含量降低，吸力增加。在干濕交替的條件下，巖土的特性會(huì)發(fā)生改變，從而影響到邊坡的穩(wěn)定。在干濕交替條件下，大量的黏土礦物將會(huì)對(duì)土體的性質(zhì)產(chǎn)生變化，從而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。

2 斜坡的穩(wěn)定性和變形特性的研究

2.1 滑動(dòng)面的深度特性

通過對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)該滑坡的滑坡深度比較淺，多為淺層，并伴有一定的滑坡，但都不超過1m。淺滑動(dòng)問題是由于裂縫發(fā)育深度不大而產(chǎn)生的。土壤中存在大量的水分蒸發(fā)，但形成的河流長(zhǎng)度不大，不利于裂縫的發(fā)育［3］。如果下雨，就會(huì)重新進(jìn)行蒸發(fā)。由于裂縫的發(fā)育不是無限的，所以干濕循環(huán)一般都集中在3m深處。

2.2 早期天氣特點(diǎn)

滑坡以雨季為主，降水是邊坡穩(wěn)定性的重要外在原因。通過對(duì)邊坡日最高溫度、降雨等數(shù)據(jù)的分析，得出了斜坡在暴雨后發(fā)生的特定時(shí)期，也就是在暴雨后的溫升階段。在連續(xù)的暴雨中，土壤已接近飽和狀態(tài)，其物理機(jī)械性能也隨之降低；降水后，該區(qū)的溫度上升速率加快，使表層巖石土層產(chǎn)生了裂隙，有利于后期地表水的持續(xù)加深。這樣，邊坡的穩(wěn)定性就會(huì)變得更為突出。在干、濕交替作用下，邊坡巖土的穩(wěn)定性已出現(xiàn)了明顯的破壞，達(dá)到了一個(gè)臨界失效。而在某些邊坡巖土地區(qū)，如果采用了相應(yīng)的支護(hù)措施，則往往要經(jīng)歷10個(gè)以上的干濕循環(huán)，才能達(dá)到臨界失效。

2.3 斷裂持續(xù)特性

從該區(qū)域的氣候特征來看，該區(qū)域的溫度、降水量都比較低，不存在顯著的干、濕交替現(xiàn)象。盡管地表巖土有蒸騰作用，但其發(fā)展速率很慢，其力學(xué)性能也有逐步降低的趨勢(shì)。從坡面的形成到崩塌，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。分析其原因與填方邊坡路面施工技術(shù)有關(guān)，即在不膨脹土層0.3～0.5m的基礎(chǔ)上，采用碾壓、覆蓋等措施，以抑制干、濕循環(huán)。在長(zhǎng)期的裂縫發(fā)展階段，裂縫深度低，深層土壤強(qiáng)度高，沒有顯著的滑移破壞。滑移是在裂縫繼續(xù)發(fā)展、裂縫深度很大的情況下進(jìn)行的。在若干年后，膨脹土的邊坡失穩(wěn)［4］。

2.4 有淺層的緩坡

滑動(dòng)面的發(fā)育與裂縫的發(fā)育程度基本吻合，而大氣的風(fēng)化作用作用深度通常在6m以下；與普通土坡相比，邊坡的穩(wěn)定性坡角要小。

2.5 分步牽引

先是坡底的局部斷裂，再由斜坡向上拉出，從而形成多級(jí)滑動(dòng)面。

3 巖土在干濕交替作用下的強(qiáng)度變化

在干濕循環(huán)條件下，巖石的機(jī)械性能發(fā)生變化。其特點(diǎn)是：裂縫增多，使巖土結(jié)構(gòu)整體性能下降；裂縫的持續(xù)發(fā)展，會(huì)造成滲透通道，造成地表地下水的持續(xù)滲透，進(jìn)而導(dǎo)致巖石力學(xué)性能受到損害。

3.1 巖土裂隙的形成

許多學(xué)者從膨脹土的干濕循環(huán)入手，探討了膨脹土體的裂縫發(fā)育過程。有關(guān)的研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在高地表溫度下，在強(qiáng)降雨作用下，可能發(fā)生顯著的風(fēng)化剝離；在不同的干燥條件下，水分-空氣干燥周期也會(huì)對(duì)泥巖的干燥產(chǎn)生影響。當(dāng)水分-空氣干燥循環(huán)次數(shù)增多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的裂紋和空洞，使試樣破裂。另外，在膨脹土中，隨著干、濕循環(huán)次數(shù)的增大，微裂紋變得更為顯著，但大裂紋則比較少見。巖體裂縫的密度、寬度都有顯著的增大。

3.2 剪切破壞的衰減規(guī)律

由于干濕循環(huán)作用，出現(xiàn)了大量的裂縫，對(duì)巖土整體結(jié)構(gòu)和抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。（1）強(qiáng)度指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而下降，早期衰減率明顯大于后期。（2）干濕循環(huán)可以使粘附力發(fā)生變化，但對(duì)內(nèi)摩擦角的影響比較小。在干濕交替作用下，大量的應(yīng)力釋放會(huì)對(duì)開挖后的邊坡結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度下降。同時(shí)，隨著孔隙率的增大，受力范圍的縮小，結(jié)構(gòu)表面的強(qiáng)度明顯下降。在此作用下，膨脹土邊坡的總體狀況也發(fā)生了改變：非飽和土層的表層收縮；由于滲透系數(shù)較低，而下部的總水量比較穩(wěn)定，因此收縮不均勻，從而產(chǎn)生了裂縫；反復(fù)加載后，土壤的疲勞強(qiáng)度會(huì)有所改變，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。隨著大量的裂縫出現(xiàn)，地表水流會(huì)不斷向深層滲透，導(dǎo)致巖石和土壤的軟化。在靜水力作用下，邊坡抗滑能力下降，從而引起滑坡［5］。

4 建立邊坡模型并分析其穩(wěn)定性

4.1 邊坡模型建立

以膨脹土邊坡設(shè)計(jì)參考值為基礎(chǔ)，綜合考慮實(shí)測(cè)邊坡數(shù)據(jù)，建立了長(zhǎng)24.5m、高12m 的膨脹土邊坡模型結(jié)構(gòu)。具體內(nèi)容如圖1所示。根據(jù)給定內(nèi)容的分析，I型為平均膨脹土邊坡，II 型為具有層狀特征的膨脹土邊坡；大氣是一個(gè)重要的影響因素，在0～1.4m 的范圍內(nèi)最為明顯，在1.4～3.2m 的范圍內(nèi)形成一個(gè)弱大氣影響層，相應(yīng)的周期振幅在15%～30%；此外，3.2m以下區(qū)域?yàn)榉谴髿庥绊憣?，含水量相?duì)穩(wěn)定，強(qiáng)度取初始值。

圖1 弱膨脹土邊坡模型（單位：m）

4.2 邊坡穩(wěn)定性分析

4.2.1 膨脹土高填方邊坡破壞模式分析

某機(jī)場(chǎng)建設(shè)場(chǎng)地位于膨脹土區(qū)，膨脹土等級(jí)多為弱至中膨脹土。根據(jù)已有的研究成果，膨脹土邊坡的破壞形式多種多樣，但從破壞深度來看，可以概括為淺層破壞和深度破壞。深部破壞主要是指邊坡的整體失穩(wěn)或破壞，而淺部破壞是指大面積發(fā)生的破壞氣層的變形受到影響，超過氣層厚度的邊坡變形為深層破壞。在考慮邊坡穩(wěn)定性時(shí)，這兩種損傷是分開處理的。根據(jù)某機(jī)場(chǎng)工程的水文地質(zhì)條件，結(jié)合已有的膨脹土工程研究成果和相關(guān)結(jié)論，針對(duì)某機(jī)場(chǎng)高填方邊坡的深層破壞，需要根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，確定合適的邊坡形式和坡率；對(duì)于淺層破壞，根據(jù)其特點(diǎn)和影響因素，采取合理的邊坡防護(hù)措施，消除膨脹土邊坡淺層破壞的危害［6］。

4.2.2 膨脹土高填方邊坡穩(wěn)定性分析方法

膨脹土高填方邊坡穩(wěn)定性分析方法目前最常用的是極限平衡法與數(shù)值分析法（強(qiáng)度折減法），針對(duì)模擬的Ⅰ與Ⅱ兩類模型邊坡利用上述兩種分析方法進(jìn)行了安全系數(shù)的分析，其對(duì)比如表1所示。

由表1可得，在自然工況下，邊坡Ⅰ通過極限平衡法中簡(jiǎn)化Bishop法所得安全系數(shù)大于數(shù)值分析法的結(jié)果，邊坡Ⅱ通過簡(jiǎn)化Bishop 法所得安全系數(shù)小于數(shù)值分析的結(jié)果；在連續(xù)降雨條件下，邊坡Ⅰ和邊坡Ⅱ通過簡(jiǎn)化Bishop 法所得安全系數(shù)均小于數(shù)值分析的結(jié)果，在地震工況下，邊坡Ⅰ和邊坡Ⅱ通過極限平衡法所得安全系數(shù)均大于數(shù)值分析的結(jié)果。

表1 兩種分析方法的安全系數(shù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

巖土工程是一種十分復(fù)雜的工程，特別是膨脹土工程，是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的重要因素，極易發(fā)生崩塌等工程事故。因此，有關(guān)部門要根據(jù)項(xiàng)目的具體情況，從干濕循環(huán)的機(jī)理出發(fā)，探討其影響的規(guī)律與機(jī)理，并提出行之有效的防治措施，以保證工程建設(shè)的安全。