膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定性研究

□任劍飛（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)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(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局）

邊坡穩(wěn)定性是巖土工程中的一個(gè)難點(diǎn)，其中膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定性更是一個(gè)世界公認(rèn)的難題。膨脹土在我國的分布范圍十分廣泛，許多工程建設(shè)項(xiàng)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(fù)干濕循環(huán)后會導(dǎo)致膨脹土內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，進(jìn)而造成膨脹土強(qiáng)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(jī)理，最后對膨脹土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(gè)循環(huán)往復(fù)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(qiáng)度下降，而膨脹土土體強(qiáng)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(qiáng)度試驗(yàn)中，為了保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫狡谕慕Y(jié)果，都會特地強(qiáng)調(diào)膨脹土試樣的尺寸。但從現(xiàn)在來看，這種認(rèn)識仍然過于片面。大量的研究表明，膨脹土表層存在一個(gè)“大氣影響帶”，在“大氣影響帶”范圍內(nèi)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(dāng)中，在大多數(shù)一般硬黏土中同樣存在這種裂隙。從這個(gè)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(dāng)膨脹土土體體積擴(kuò)大趨勢受到阻礙時(shí)，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(gè)影響工程建設(shè)的重要因素，同時(shí)在一定程度上膨脹力也會導(dǎo)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(cè)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(guān)于膨脹土膨脹力這一特性，國內(nèi)外學(xué)者都存在不同的看法。部分學(xué)者認(rèn)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(xué)者認(rèn)為膨脹力與土體起始含水量有關(guān)，并且與膨脹土起始含水量呈現(xiàn)出反比增長關(guān)系?？偟膩碚f，膨脹土的膨脹力是一個(gè)極為復(fù)雜的指標(biāo)，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(guān)的實(shí)驗(yàn)得知，對同一試樣，采取不同的方式來測試膨脹力，其結(jié)果是不相同的。實(shí)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(qiáng)度

膨脹土的處理對于巖土工程來說是一個(gè)極為重要的方面，因此，人們對膨脹土進(jìn)行了大量的研究。對于膨脹土強(qiáng)度的取值，國內(nèi)外采用的實(shí)驗(yàn)方法存在著較大的差異，并且強(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度的取值必須要采取合適的實(shí)驗(yàn)方法。由于膨脹土具有一定的復(fù)雜性，因此，膨脹土的強(qiáng)度特性與一般硬黏土存在很大的差別。在確定膨脹土強(qiáng)度的過程中可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)；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(qiáng)的方向性，對于該部位的土塊不可能給出統(tǒng)一的土體強(qiáng)度指標(biāo)。因此，膨脹土的強(qiáng)度需用土塊強(qiáng)度和裂隙面強(qiáng)度兩組強(qiáng)度來表征。另外，膨脹土的強(qiáng)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(gè)理論基礎(chǔ)上進(jìn)行的。比如Bigshop理論，就提出了這方面的有效應(yīng)力公式：

圖1 膨脹力確定法圖

在這個(gè)公式里，極限抗剪強(qiáng)度用τ表示；剪切面上法向壓應(yīng)力用σ表示；凝聚力用c表示；內(nèi)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(yīng)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(jī)理分析

從目前來看，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為膨脹土邊坡失穩(wěn)是由膨脹土反復(fù)干濕循環(huán)之后，土體經(jīng)過膨脹、收縮，造成了土體內(nèi)部出現(xiàn)了裂縫，從而造成了膨脹土土體強(qiáng)度整體下降，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。按照失穩(wěn)機(jī)制，在采用一般黏土邊坡穩(wěn)定分析方法時(shí)，發(fā)現(xiàn)對于實(shí)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(dá)1.00，土體的強(qiáng)度指標(biāo)將會極小，這是不符合邏輯的。因此，針對這一問題，有關(guān)學(xué)者提出了“強(qiáng)度理論”，但其中的部分內(nèi)容中提出了許多學(xué)者的膨脹土強(qiáng)度理論，都具有較大的差異性。

其中不少學(xué)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(dāng)中土體結(jié)構(gòu)非常松散，因此，部分學(xué)者認(rèn)為膨脹土強(qiáng)度是較低的。但事實(shí)上這種認(rèn)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(xué)者認(rèn)為，對于膨脹土土體強(qiáng)度的解釋不應(yīng)該用失穩(wěn)后的土體性狀進(jìn)行解釋，而應(yīng)該將研究重點(diǎn)放在“首次滑動”的力學(xué)研究規(guī)律上。

2.2 室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)

2.2.1 模型構(gòu)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧蠟閺?qiáng)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(shí)驗(yàn)在模型邊坡上布置了一定數(shù)量的砂芯，并多點(diǎn)設(shè)置了霧化噴頭，以模擬降雨效果。

2.2.2 分析方法

在該實(shí)驗(yàn)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(dá)到飽和狀態(tài)，對該過程中模型出現(xiàn)裂隙以及裂隙擴(kuò)展的狀態(tài)進(jìn)行觀察，并采用了定量評價(jià)進(jìn)行描述。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)過程分析

在模型構(gòu)建及相應(yīng)布置完成后，打開霧化噴頭，使模型整個(gè)坡面雨水持續(xù)入滲。當(dāng)模型邊坡逐漸變形到破壞時(shí)，實(shí)驗(yàn)已持續(xù)了253 h。此時(shí)，從模型側(cè)面箱進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)模型側(cè)面局部已經(jīng)出現(xiàn)裂隙。當(dāng)實(shí)驗(yàn)持續(xù)到283 h，發(fā)現(xiàn)模型裂縫已經(jīng)發(fā)生了擴(kuò)展，并且此時(shí)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(dāng)實(shí)驗(yàn)持續(xù)到376 h，模型邊坡肩部出現(xiàn)貫穿性裂隙。當(dāng)實(shí)驗(yàn)持續(xù)到423 h，模型下部局部塌滑、上部裂隙處整體滑塌。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對模型進(jìn)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(cuò)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(dǎo)致的。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從結(jié)果上看，該實(shí)驗(yàn)基本反映了新填筑膨脹土邊坡“首次滑動”的特征。并且該實(shí)驗(yàn)中的強(qiáng)度參數(shù)基本可以反映模型土體達(dá)到飽和狀態(tài)后的抗剪強(qiáng)度。在只靠土體自重作用的情況下，該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪吰掳踩禂?shù)為5.20，遠(yuǎn)＞1.00。但事實(shí)上，在經(jīng)過霧化噴頭的長時(shí)間滲水后，模型邊坡卻發(fā)生了失穩(wěn)現(xiàn)象。并且該實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(jié)語

綜上所述，膨脹土邊坡失穩(wěn)的內(nèi)在原因主要是由膨脹土自身的脹縮特性導(dǎo)致的，其主要原因在于膨脹土經(jīng)過干濕循環(huán)反復(fù)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(dǎo)致了膨脹土體內(nèi)水壓增大，降低了膨脹土對基質(zhì)的黏結(jié)力，從而造成了膨脹土強(qiáng)度下降，進(jìn)而引發(fā)邊坡失穩(wěn)。在對膨脹土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)先通過調(diào)查，將膨脹土實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)和裂隙發(fā)育狀況用定量方式表達(dá)，以及利用非飽和土力學(xué)理論、水土特性、滲流理論等構(gòu)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(nèi)模型試驗(yàn)，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(qiáng)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(shí)驗(yàn)方向發(fā)展。

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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