膨脹土不良工程特性對滑坡的影響研究

馬強強 梁昕宇 代梓帆 寧少帥 余錦

摘要：通過對滑坡形成過程及其危害分析，和對膨脹土的膨脹指標和強度指標研究，從而進一步研究膨脹土的物理性質(zhì)、工程性質(zhì)和膨脹土滑坡的影響因素。從實驗和資料分析得出膨脹土的不良地質(zhì)特性對滑坡的影響。

Abstract： By studying the formation process of landslide and its hazards， the expansion index and strength index of expansive soil are studied， the physical and engineering properties of expansive soil are further studied， and the influencing factors of expansive soil landslide are analyzed. The influence of the unfavorable geological characteristics of expansive soil on landslide is analyzed from experiments and data analysis.

關鍵詞：膨脹土；滑坡；影響

Key words： expansive soil；landslide；influence

中圖分類號：U416.1+63 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）03-0175-03

0 引言

問題的提出：膨脹土在世界各國均有廣泛分布，但其工程特性是十分糟糕的，每年許多的工程問題和頻繁發(fā)生的地質(zhì)災害，都源于膨脹土不良工程特性。因此，在當今巖土工程和工程地質(zhì)領域膨脹土及其工程問題也成為困擾大家的重大工程問題之一。[1]雖然經(jīng)歷近半個世紀的廣泛深入研究，但至今在各國的工程建設領域中，膨脹土的粘土礦物質(zhì)問題仍舊是有待深入探究解決的難題之一。大量的國內(nèi)外研究結(jié)果表明，膨脹土所處環(huán)境的變化（膨脹土與工程的相互作用）和膨脹土的膨脹勢的強弱（即膨脹性粘土礦物組成）會對膨脹土工程性質(zhì)的變化及工程問題的發(fā)生產(chǎn)生巨大影響。因此膨脹土的粘土礦物質(zhì)組成的定性定量研究，始終受到了國內(nèi)外的高度重視并進行了長期大量研究[2-4]。在當今中國西部大規(guī)模的基礎工程建設中，有許多重大工程，特別是關乎國民經(jīng)濟建設的重要干線工程都遇到了膨脹土的工程地質(zhì)問題。

膨脹土土粒中粘粒成分最主要的特征是含有大量的親水性礦物，其親水性礦物的主要組成成分是高嶺石、蒙脫石、伊利石。所以其具有明顯的吸水膨脹失水收縮變形的特性。在天然狀態(tài)下膨脹土常處于較堅硬狀態(tài)，但其對氣候和水文等因素的變化有較大敏感性，而且這種敏感性通常對工程建筑物會產(chǎn)生嚴重的危害。

2008年5月12日，四川汶川發(fā)生8.0級強烈地震，對陜西境內(nèi)產(chǎn)生了巨大影響，陜南山區(qū)受災嚴重，尤其是在寧強、略陽、勉縣境內(nèi)震感強烈，地震不僅造成巖土體松散破碎，產(chǎn)生滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災害，造成了房屋毀壞，基礎設施損毀，直接間接經(jīng)濟損失巨大，而且更為嚴重的是造成大量人員傷亡。

本文從地形地貌條件、地質(zhì)構(gòu)造條件、地震荷載作用下、巖土體結(jié)構(gòu)的影響、膨脹土體中水的作用，以及人類工程對膨脹土滑坡的影響，對各因素影響原理和產(chǎn)生的結(jié)果詳細分析，研究膨脹土滑坡的影響因素，分析膨脹土邊坡滑坡機理。

1 膨脹土滑坡形成的影響因素研究

1.1 膨脹土邊坡的礦物質(zhì)組成，土體的結(jié)構(gòu)，以及膨脹土所在區(qū)域的地理環(huán)境

膨脹土的特殊物理性質(zhì)——膨脹性主要受自身所含的粘土礦物質(zhì)成分和含量的不同所影響。蒙脫石、伊利石、高嶺石三者都是親水性礦物質(zhì)，其含量不同所占比例不同，致使自由膨脹率FS，塑性指數(shù)，標準吸濕含水率Wf三指標不同，使其脹縮等級不同。

裂隙性：膨脹土的脹縮性是導致裂隙產(chǎn)生的重要原因。土中的裂隙從形態(tài)上分為豎向裂隙和水平裂隙，裂隙的發(fā)育越豐富，導致工程性質(zhì)越不良，土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和土體強度也隨之降低。膨脹土具有遇水膨脹失水收縮的特點，受外界影響明顯，含水量變化產(chǎn)生的收縮裂縫也將引起土體位移加劇發(fā)展。

超固結(jié)性促進了裂隙的發(fā)育。隨著人類活動范圍擴大，滿足經(jīng)濟發(fā)展需求，大量工業(yè)民用建筑的修建及鐵路公路網(wǎng)建設過程中的土方工程，勢必要開挖土體，使得土中超壓密所儲存的內(nèi)部能量在開挖過程中卸載，從而引起底部土體產(chǎn)生隆起、裂隙，破壞土體局部結(jié)構(gòu)，進一步發(fā)展可能導致滑坡產(chǎn)生。

本文以從實地采集的膨脹土作為研究對象，通過室內(nèi)實驗測定膨脹土的基本物理性質(zhì)指標。

①三聯(lián)固結(jié)儀：本儀器用于進行土的壓縮試驗，測定土的變形和壓力或孔隙比和壓力的關系，變形和時間和關系，以便計算土的單位沉降重，壓縮系統(tǒng)，壓縮指數(shù)，回彈指數(shù)，壓縮模量固結(jié)系數(shù)等。

②電動擊實儀：在一定擊實次數(shù)下測定土的干密度與含水量的關系，從而確定土的最大干密度和最優(yōu)含水量，借以了解土的壓實性質(zhì)。

③烘箱、天平等：土的基本物理參數(shù)測量。

試樣的主要物理參數(shù)見表1。

由表1可知作為試樣的膨脹土屬于高液限土，含水量較高且自由膨脹率較大。

土的顆粒級配見表2。

膨脹土顆粒成分以粘土為主，其中小于0.1毫米的粒級占有相當大的比率，可以看出該膨脹土分散性較高。其次，該膨脹土粘粒與膠粒含量較高，膨脹性強，力學強度低。膨脹土中粘粒具有較強的膠體化學性質(zhì)，粘粒含量愈多，比表面積愈大，使膨脹土具有液限高而膨脹性大的特性。當非飽和土體中含水量較小時，水膜變薄，顆粒間的吸力加大，此時膨脹土具有較高的強度。若土中含水量較高時，吸附在粘粒周圍的水膜隨之增厚，其強度就會顯著降低，壓縮性則愈大，工程性質(zhì)就愈差。

1.2 滑坡的活動時間關系

從滑帶土破壞到形成滑坡時時間間隔長短，與外界誘發(fā)因素的作用關系密切，如地震、降雨、凍融循環(huán)、海嘯、風暴潮及人類活動等都有可能影響滑坡活動的進程。大致有如下規(guī)律：①同時性。某些膨脹土邊坡滑坡與誘發(fā)因素呈即時伴隨關系，即在誘發(fā)因素作用的很短時間內(nèi)，滑坡發(fā)生。如強烈地質(zhì)構(gòu)造活動、局部地區(qū)短時暴雨、地震或強對流天氣引發(fā)的海嘯、依山修建工業(yè)民用進行的開挖、爆破等的不合理的人類活動，其作用時都會造成天然邊坡的失穩(wěn)，形成邊坡滑移、塌方。②滯后性。某些膨脹土邊坡滑坡與誘發(fā)因素呈延時伴隨關系，即在誘發(fā)因素作用后相當長一段時間內(nèi)，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著誘發(fā)因素的累積，邊坡從穩(wěn)定狀態(tài)向臨界狀態(tài)遷移，最終發(fā)生滑坡塌方。如在地震作用加持續(xù)強降雨、融雪作用及人類活動之后發(fā)生的滑坡。在降雨誘發(fā)型滑坡中這種滯后性規(guī)律表現(xiàn)最為突出，該類滑坡多發(fā)生在長時間的持續(xù)降雨之后，巖土體的結(jié)構(gòu)、巖石特性，降雨量（土壤的含水量）決定了滯后時間的長短。一般來講，坡體風化程度越高，滑坡體越松散、裂隙越發(fā)育、持續(xù)降雨作用下坡體土壤含水量越高，坡體容重越大，則結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，同時滯后時間也越短。另外，在坡肩一定范圍內(nèi)持續(xù)堆載，開挖坡腳或坡體中部，水庫蓄、泄水之后發(fā)生的滑坡也屬于這類。由人為活動因素誘發(fā)的滑坡的滯后時間的長短與人類活動對自然邊坡的擾動強度大小、擾動持續(xù)時間長短及原先坡體在自然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度有關。人類活動的擾動強度越大、擾動持續(xù)時間越長、原自然坡體巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度越低，則延時間隔時間越短。

1.3 滑坡的空間分布

其主要與氣候以及地質(zhì)活動等因素有關。通常、下列地帶是滑坡的易發(fā)和多發(fā)地區(qū)：①臨近江、河、湖（水庫）、海、溝的沿岸邊坡地帶，垂直高差較大的縱深峽谷地帶，山區(qū)及平原深丘區(qū)，鐵路、公路、工業(yè)民用建筑物和構(gòu)筑物的邊坡地段等。上述地帶都為滑坡的產(chǎn)生提供了有利的地形地貌基礎；②地質(zhì)構(gòu)造帶之中，如斷裂帶、地震帶等。斷裂帶、地震帶中的巖體結(jié)構(gòu)通常呈破碎狀、裂隙發(fā)育充分，是非常有利于滑坡的形成的地形；因此地震烈度大于7度的地區(qū)，坡度大于25度的坡體，在劇烈的地質(zhì)構(gòu)造運動中淺層巖土體極易失穩(wěn)發(fā)生滑坡。③易滑（坡）的巖、土分布區(qū)。如松散覆蓋層、黃土、泥巖、頁巖、煤系地層、凝灰?guī)r、片巖、板巖、千枚巖等巖、土的存在，由于其土體間的抗剪切力較弱，為滑坡形成提供了絕好的物質(zhì)基礎。④暴雨多發(fā)區(qū)或異常的強降雨地區(qū)。在上述區(qū)域內(nèi)，坡體土壤含水量因短時強降雨作用發(fā)生巨大變化，土的工程特性也隨之改變?yōu)榛掳l(fā)生提供了有利的誘發(fā)因素。

上述地帶的疊加區(qū)域，就是滑坡的密集發(fā)育區(qū)。從我國的太行山到秦嶺、經(jīng)鄂西、四川、云南到藏東一帶就是這種典型地區(qū)，滑坡發(fā)生密度極大，危害非常嚴重，而這些區(qū)存又在大面積的膨脹土。

1.4 人類活動影響

違反自然規(guī)律、破壞斜坡穩(wěn)定條件的都會誘發(fā)滑坡。

①開挖坡腳。在山區(qū)依山修建鐵路、公路、房屋和工廠，往往由于邊坡下部失去支撐而發(fā)生下滑。例如由于地形地貌工程施工技術(shù)、經(jīng)濟條件等因素的制約，西南和西北地區(qū)的一些鐵路和公路已采用爆破和強行開挖法施工。后來邊坡上相繼發(fā)生的滑坡給公路建設和運營帶來巨大危害。②蓄水、排水。水渠和水池的漫溢和滲漏，工業(yè)生產(chǎn)用水和廢水的不合理排放、農(nóng)業(yè)的不科學灌溉等，均易使水流滲入坡體，加大孔隙水壓力，軟化巖土，增大邊坡坡體容重，坡腳支撐不了上部過大的荷載，坡體失去平衡，沿軟弱面下滑。在雨季，水庫的水位上下變化劇烈，加大了邊坡的動水壓力，誘發(fā)邊坡和岸坡滑坡的發(fā)生。

另外、劈山開礦的爆破作用會使斜坡的巖體和土體受振動擠壓而破碎從而產(chǎn)生滑坡；在邊坡上亂砍濫伐會使坡體失去保護，這有利于雨水和其他水體的入滲從而誘發(fā)滑坡等。當以上人類活動在不利的自然環(huán)境進行時就更容易促進滑坡的發(fā)生。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，大規(guī)模的基礎設施建設，越來越多的自然坡體受到破壞，因而近年來滑坡事件越來越多，并有愈演愈烈的趨勢。應加以重視。

1.5 一般開挖邊坡膨脹土滑坡機理

膨脹土邊坡滑帶土破壞及滑動面的形成，實質(zhì)上是滑帶土抗剪強度隨時間變化逐漸降低的過程。膨脹土所具備的基本特性——脹縮性、超固結(jié)性和裂隙性，又是導致滑帶土破壞及滑動面形成的根本原因。

膨脹土自然邊坡在開挖前，處于長期的地質(zhì)演化過程中，坡體中軟弱夾層的抗剪強度經(jīng)歷著長期的浸水軟化和流變衰減的強度下降過程。先是表層巖土體因長期風化作用及由脹縮性引發(fā)的反復脹縮行為，導致土體結(jié)構(gòu)部分發(fā)生破壞，使得大氣降水、地表水滲入，進而自然邊坡中膨脹土含水量增加，造成表層土體的抗剪強度降低。然后由于膨脹土另一特性——裂隙性，土體的局部結(jié)構(gòu)遭到破壞后會產(chǎn)生較大的豎向與水平裂隙，此時地表水、大氣降水等將沿裂隙下滲并積聚于下部軟弱夾層層面上，軟弱夾層吸水膨脹，邊坡土體的含水量進一步增大，孔隙水壓力增大，有效應力則降低，軟弱夾層的抗剪強度降低。又因為膨脹土具有超固結(jié)性，而大量研究結(jié)果表明超固結(jié)土的強度呈應變軟化型，這種長期存在的流變會削弱和破壞土粒間的連結(jié)作用，進一步造成其強度的喪失，最終導致軟弱地質(zhì)夾層抗剪強度流變衰減。

因此膨脹土自然邊坡在開挖前的變形過程中，主要力學特征表現(xiàn)為土體抗剪強度逐漸喪失。

膨脹土邊坡在開挖后，土體抗剪強度大幅降低，在無有效支擋情況下產(chǎn)生邊坡滑移，塌方。其漸變過程如下：由于陡坡路段薄層開挖、高邊坡深路塹開挖等不良施工方式，挖掉了坡腳或坡體中部的膨脹土，下部呈超固結(jié)性的膨脹土因上部土體的移除，處于卸荷狀態(tài)，產(chǎn)生較大的水平剪應力和側(cè)向的剪切位移，伴隨側(cè)向剪切位移增大的力學特征為土體抗剪強度的衰減，此時在剪切力作用下產(chǎn)生土顆粒間的相對滑移，應力由土顆粒骨架轉(zhuǎn)移到土中水上，產(chǎn)生孔隙水壓力并因側(cè)向剪切位移的不斷累積，孔隙水壓力不斷增加，有效應力則逐漸降低，從而導致抗剪強度降低，發(fā)生滑帶土破壞，最終引發(fā)膨脹土邊坡滑移、塌方。

綜上，膨脹土的邊坡滑坡及塌方的形成過程和機制為：自然坡體開挖——非飽和滑帶土抗剪強度的浸水軟化和飽和滑帶土有效應力降低引起抗剪強度喪失——坡面進一步突出隆起——坡面或坡頂裂隙進一步發(fā)育——坡腳剪切破壞——剪破區(qū)向上發(fā)展與后緣張裂隙貫通——滑動面貫通——滑坡發(fā)生

對此可預防措施為：首先要防止大氣降水、地表水等滲入坡體，同時要注意及時疏導地下水，采取合理的防排水措施，例如在坡體周圍及坡體上布設環(huán)形截水溝，沿坡面布設縱向排水溝，在坡腳設置排水溝，嚴防水流對坡面的沖蝕和對坡體的浸入。同時可進行坡面防風化處理，如植被防護、坡面混凝土面板、漿砌石防護。

2 總結(jié)

膨脹土邊坡穩(wěn)定性問題一直是困擾巖土界的重大問題，本文通過對影響膨脹土邊坡滑坡因素的綜合研究分析，認為土體中的礦物質(zhì)組成與含量和水的作用是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的重要因素。同時地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌及人類活動也是影響邊坡穩(wěn)定性的因素。

當膨脹土邊坡因自身坡體風化，大氣降水、地表水下滲造成多次脹縮循環(huán)，形成軟弱地質(zhì)夾層，嚴重影響膨脹土邊坡自身穩(wěn)定性時，建議對膨脹土邊坡先進行有效支護，防止其在雨季發(fā)生滑塌，例如布設重力式擋土墻、加筋擋土墻、土釘墻、抗滑樁等邊坡支擋結(jié)構(gòu)物；為了防止風化的進一步加劇和地表水下滲使裂隙進一步發(fā)育，影響滑帶土的抗剪切強度，建議進行坡面綜合防治，例如在坡比合理情況下，采取工程防護（擋土墻、封閉式平臺、拱形骨架護坡、表層土壤換填）措施，加上植被防護（在拱內(nèi)種植草皮或低矮灌木），形成拱形骨架防護與邊坡植被防護綜合處置，有效治理膨脹土邊坡失穩(wěn)問題；對于開挖部分：已經(jīng)形成明顯的剪切滑移且坡比不合理的高邊坡路段，建議先進行削坡處理，滿足永久穩(wěn)定目的，再進行坡體支護和坡面防護綜合處理；由于膨脹土的脹縮性，遂邊坡滑帶土的抗剪切能力與水的影響甚密，因此對膨脹土邊坡的防水排水處理至關重要，建議在坡體周圍布設截水溝，在坡腳設置排水溝，及時封閉坡面。

膨脹土邊坡防護總體原則：坡面排水，坡體支護，綜合處理，保護環(huán)境。

通過對膨脹土滑坡過程及機制的研究能更好預防滑坡地質(zhì)災害誘發(fā)的或伴生的其它地質(zhì)災害的鏈生性，對在以后的生產(chǎn)生活中能避免的災害做到有效地防治。

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