膨脹土路塹邊坡滑動(dòng)特點(diǎn)分析

陳玉良 武加恒 蒯振濤

(南京市公路建設(shè)處，江蘇南京 210002)

0 引言

膨脹土路塹坡面不封閉防護(hù)，直接暴露于天然環(huán)境中，會(huì)因風(fēng)化作用而產(chǎn)生滑坡。膨脹土路塹邊坡表層風(fēng)化作用強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，脹縮變形劇烈，邊坡滑動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重;路塹邊坡深層土體基本沒有風(fēng)化作用，不產(chǎn)生脹縮變形，土體強(qiáng)度和變形保持原狀不變。自淺層至深部，路塹邊坡土體由強(qiáng)風(fēng)化層過渡到原狀土層。干旱季節(jié)的日曬風(fēng)干作用，膨脹土失水干縮開裂，坡面產(chǎn)生裂縫，裂縫隨時(shí)間不斷擴(kuò)展成縱貫坡面的大裂縫，在降雨浸水后出現(xiàn)滑坡破壞現(xiàn)象。

盧再華［1］認(rèn)為多裂隙所構(gòu)成的裂隙面及軟弱面是宏觀結(jié)構(gòu)對膨脹土工程性質(zhì)影響的最直接原因。王國強(qiáng)［2］認(rèn)為裂隙的存在破壞了土體的完整性，且由于裂隙具有不均一性和變動(dòng)性，使膨脹土表現(xiàn)不同的強(qiáng)度特性。易順民等［3］從分形幾何和膨脹土裂隙結(jié)構(gòu)研究相結(jié)合的角度，探討了膨脹土裂隙定量化模式。徐永福［4］研究了寧夏膨脹土的變形特性、強(qiáng)度特性隨吸力變化的規(guī)律，提出了非飽和膨脹土的結(jié)構(gòu)性凝聚力和結(jié)構(gòu)性內(nèi)摩擦角的概念，導(dǎo)出了非飽和膨脹土的吸力強(qiáng)度公式。大量工程實(shí)踐表明，開挖邊坡滑坍是由膨脹土“三性”所引起，裂隙性是關(guān)鍵因素，脹縮性是產(chǎn)生裂隙的原因之一，超固結(jié)性則是促進(jìn)因素［5］。殷宗澤［6］總結(jié)了膨脹土邊坡失穩(wěn)的特點(diǎn):淺層性、牽引性、平緩性、季節(jié)性、長期性和方向性。本文從膨脹土路塹邊坡土體含水量和吸力變化角度，詳細(xì)闡述膨脹土邊坡滑動(dòng)的淺層和周期性。

1 淺層性

膨脹土滑坡滑面的最大深度不超過6 m?；瑒?dòng)面淺，是由于裂縫擴(kuò)展深度不大，裂隙擴(kuò)展深度一般是大氣影響的深度，現(xiàn)場測試結(jié)果表明，大氣影響深度一般在2 m左右。膨脹土路堤表層的抗剪強(qiáng)度的影響深度為1.0 m～1.5 m，局部地區(qū)可達(dá)2 m。大氣影響深度隨著地區(qū)氣候差異而存在深度上的不同，大氣影響深度一般在2 m左右。

Mitchell導(dǎo)出了土的吸力隨氣候循環(huán)變化的一維微分方程的解析解［7］:

其中，us(z，t)為土吸力隨深度、時(shí)間變化的函數(shù)(pF)，pF=1+1g kPa;us0為土的平衡吸力值(pF);us1為土吸力的最大變幅(pF);n為氣候變化的頻率;α為擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s;t為時(shí)間，d。根據(jù)式(1)可以研究氣候變化引起土層表面吸力變化規(guī)律。式(1)中的主要參數(shù)有:n 和α。參數(shù)n分別取0.5，1.0 和2.0;α 取0.000 3 cm2/s，0.001 cm2/s和0.003 cm2/s。計(jì)算結(jié)果如圖1，圖2 所示。

圖1是氣候變化頻率不同地區(qū)土體吸力的變化深度，從圖中看出，不同氣候變化頻率條件下，吸力變化的深度范圍不超過3 m。隨著氣候變化頻率n增加，吸力變化深度減小。

圖2是擴(kuò)散系數(shù)不同土體的吸力隨深度變化規(guī)律。從圖中看出，擴(kuò)散系數(shù)不同土體的吸力變化的深度范圍不超過3 m。隨著土體擴(kuò)散系數(shù)α增加，吸力變化深度增加。

在式(1)中，令 t=z(nπ/α)0.5/(2nπ)，吸力極值為:

給定深度z處的吸力差為:

由此得到變化深度為:

《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》規(guī)定:大氣影響急劇變化層深度為大氣影響深度za×0.45。

膨脹土表層干土的最大吸力為105kPa，吸力變化幅度us1為最大表層土吸力與平衡吸力之差。McKeen和Johnson［8］通過現(xiàn)場觀測建議最大容許吸力Δusmax=0.4pF。土的擴(kuò)散系數(shù)α取為0.003 cm2/s。頻數(shù)n是指在自然條件下，年度之間發(fā)生干濕循環(huán)的次數(shù)。頻數(shù)n的數(shù)字越小，干濕循環(huán)間隔的時(shí)間越長，表明大氣影響范圍越深。Wray等［9］認(rèn)為所有水分指數(shù)TMI＜－30的地區(qū)，n=1;TMI＞－30的地區(qū)，n=2。水分指數(shù)TMI是表征土在一定氣候條件下干濕狀態(tài)的指數(shù)。平衡吸力和最大允許吸力對大氣影響深度的影響如圖3所示。

表層土的吸力變化幅度us1為最大表層土吸力與平衡吸力之差，平衡吸力越大，吸力變化幅度越小，氣候變化深度越小。土體最大允許吸力越大，大氣影響深度減小。

2 季節(jié)性

Mitchell［7］給出了氣候影響下土體吸力隨深度和時(shí)間的變化規(guī)律，不同深度處土體吸力隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線如圖4所示。從圖4可以看出，土體吸力隨時(shí)間呈周期性變化，土體吸力呈現(xiàn)季節(jié)性變化。以表層土體的吸力變化為例，6月份的吸力最小。實(shí)際情況是，6月份雨水充足，土體飽和度高，土體吸力自然小。12月份雨水最少，氣候干燥，土體飽和度小，土體吸力大。

McKeen和Johnson［8］給出吸力隨季節(jié)變化的近似規(guī)律:

其中，p值介于0.5～2.0。取不同p值，吸力的季節(jié)性變化規(guī)律如圖5所示。

3 結(jié)語

1)引起膨脹土路塹滑動(dòng)的主要因素有下述三個(gè)方面:裂隙、水和卸荷作用。裂縫產(chǎn)生和開展的原因是雨水引起的干縮變形和應(yīng)力釋放。

2)滑動(dòng)面淺，是由于裂縫擴(kuò)展深度不大，裂隙擴(kuò)展深度一般是大氣影響的深度，現(xiàn)場測試結(jié)果表明，大氣影響深度一般在2 m左右。膨脹土路堤表層的抗剪強(qiáng)度的影響深度為1.0 m～1.5 m，局部地區(qū)可達(dá)2 m。

3)氣候影響下的土體吸力隨時(shí)間呈周期性和季節(jié)性變化。表層土體的吸力在6月份的吸力最小。實(shí)際情況是，6月份雨水充足，土體飽和度高，土體吸力小。12月份雨水最少，氣候干燥，土體飽和度小，土體吸力大。隨著旱季和雨季的不斷交替，膨脹土產(chǎn)生反復(fù)脹縮，位移方向以坡面的垂線方向?yàn)橹鳎瑲堄嘧冃坞S循環(huán)次數(shù)的增加不斷累積，在坡腳附近形成剪應(yīng)力集中區(qū)，最終邊坡模型發(fā)生漸進(jìn)累積破壞。

［1］盧再華.原狀膨脹土的強(qiáng)度變形特征及其本構(gòu)特征研究［J］.巖土力學(xué)，2001，22(3):339-342.

［2］王國強(qiáng).安徽省江淮地區(qū)膨脹土的工程性質(zhì)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21(1):119-121.

［3］易順民.膨脹土裂隙結(jié)構(gòu)的分形特征及其意義［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21(3):294-298.

［4］徐永福.膨脹土地基承載力研究［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(3):387-390.

［5］包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩(wěn)定性問題［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26(1):1-15.

［6］殷宗澤，袁俊平，韋 杰，等.論裂隙對膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，3(2):1-5.

［7］Mitchell PW.The structural analysis of footings on expansive soil.Research Report No.1，Kenneth W.G.Smith and Associates，Adelaide，South Australia，1979.

［8］McKeen RG，Johnson LD.Climate-Controlled soil design parameters for mat foundations［J］.Journal of geotechnical Engineering，1990，116(7):1073-1094.

［9］Wray WK，EI-Garhy BM，Yousslf AA.Three-dimensional model volume changes pre-diction in expansive soil［J］.Journal of Geoenvir Eng，2005(3):311-324.