膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析

李鵬飛

摘 要：特殊土邊坡工程是工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，膨脹土具有明顯的脹縮性，導(dǎo)致膨脹土邊坡的穩(wěn)定性較差，失穩(wěn)破壞的概率較普通土質(zhì)邊坡要大。本文介紹了膨脹土邊坡的研究新進(jìn)展，膨脹土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的相關(guān)方法。

關(guān)鍵詞：膨脹土；邊坡工程；失穩(wěn)破壞

中圖分類號(hào)： TU23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）20-69-2

0 引言

膨脹土屬于特殊土，分布較為廣泛并且對(duì)工程建筑物危害較大。大量的粘土礦物是膨脹土具有膨脹結(jié)構(gòu)的根本原因，其中蒙脫石的存在會(huì)使得土體易于開(kāi)裂、親水性強(qiáng)、脹縮性高，同時(shí)膨脹土的液限也很高。判斷一種土是否為膨脹土的依據(jù)就是液限和自由膨脹率，當(dāng)液限和自由膨脹率均大于40%時(shí)，判別為膨脹土[1]。

膨脹土的破壞特性是復(fù)雜的，具有潛在性、反復(fù)性和長(zhǎng)期性，全世界由膨脹土造成的損失很大，甚至超過(guò)了洪水、颶風(fēng)、地震和龍卷風(fēng)所造成破壞的總和[2]。美國(guó)專門組織召開(kāi)膨脹土大會(huì)，國(guó)際工程地質(zhì)大會(huì)、國(guó)際土力學(xué)及基礎(chǔ)工程大會(huì)以及地區(qū)性的會(huì)議都會(huì)針對(duì)膨脹土的研究進(jìn)行交流探討，在此的背景下，國(guó)際上制定了一些相關(guān)的規(guī)范。我國(guó)在20世紀(jì)五六十年代開(kāi)始注重膨脹土帶來(lái)的一系列問(wèn)題。當(dāng)時(shí)的研究程度不夠深入，在膨脹量和膨脹力以及引起膨脹的相關(guān)因素方面的研究成果很少[3]。

1 膨脹土邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

1.1 強(qiáng)度準(zhǔn)則

傳統(tǒng)的摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則是應(yīng)用最廣泛、認(rèn)可度最高的強(qiáng)度理論，后續(xù)的很多新理論都是在摩爾庫(kù)倫理論的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。由于自然條件下膨脹土邊坡為非飽和土，故目前研究的熱點(diǎn)集中在非飽和土力學(xué)。Bishop等于1960年提出了非飽和土抗剪強(qiáng)度的有效應(yīng)力公式[4]：

以上學(xué)者提出的公式雖然得到了國(guó)際上很多轉(zhuǎn)接學(xué)者的認(rèn)可，但是還是存在缺陷，Bishop法ua-uw數(shù)值難以測(cè)定，F(xiàn)redlund法？漬″的測(cè)定非常復(fù)雜，都未能在工程中大量應(yīng)用，應(yīng)用最廣的依然是摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。

1.2 膨脹土邊坡裂隙開(kāi)展深度

膨脹土裂隙開(kāi)展深度對(duì)土體穩(wěn)定性影響非常的大。膨脹土在不同的溫度、含水量等作用影響下產(chǎn)生應(yīng)力不均勻分布，于是產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。膨脹土形成的眾多裂隙致使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致膨脹土體工程性質(zhì)變得極差。因此研究其裂隙擴(kuò)展深度極其重要。由于膨脹土裂隙深度并非受單一因素影響，它與風(fēng)化卸荷、地應(yīng)力、工程地質(zhì)條件密切相關(guān)，要精確求解比較困難。

易順民和袁俊平對(duì)裂隙的分布進(jìn)行了研究，并依據(jù)統(tǒng)計(jì)法建立了裂隙度的概念，但并未針對(duì)某一具體裂隙深度進(jìn)行求解。在工程實(shí)際中，很多時(shí)候都是根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)勘察資料和當(dāng)前氣候條件進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算得到裂隙深度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，膨脹土體的穩(wěn)定性系數(shù)隨著裂縫深度的變化幅度基本在10%以下，就可以在進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)取穩(wěn)定性系數(shù)為最小時(shí)的深度。

1.3 膨脹土的滲透性

非裂隙性的膨脹土滲透系數(shù)很小，對(duì)邊坡土體的穩(wěn)定性影響很小，因此關(guān)于非裂隙性的邊坡滲流問(wèn)題研究的文獻(xiàn)也比較少，只有少部分文獻(xiàn)研究了裂隙生成后的滲流問(wèn)題。對(duì)于邊坡表層的膨脹土受風(fēng)化應(yīng)力改造比較嚴(yán)重，裂隙發(fā)育較多，大小不一，根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件，邊坡形態(tài)，雨水入滲對(duì)邊坡會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成一定的威脅。袁俊平初步建立了非飽和膨脹土邊坡裂隙網(wǎng)絡(luò)的入滲模型。

1.4 膨脹力與含水率的關(guān)系

膨脹土遇水后會(huì)產(chǎn)生膨脹力，而大氣條件下膨脹土吸水后產(chǎn)生膨脹力的情況要比室內(nèi)膨脹力測(cè)試實(shí)驗(yàn)復(fù)雜得多，室內(nèi)試驗(yàn)膨脹土試樣完全浸入在水中，并且在測(cè)試過(guò)程當(dāng)中完全沒(méi)有變形，這與大氣條件下差別較大，因此準(zhǔn)確測(cè)定膨脹力困難比較大。盧肇鈞定義膨脹土的的膨脹力為土體積不變的情況下測(cè)定的，現(xiàn)在土工試驗(yàn)規(guī)程也使用了這種方法。Asuri Sridharan設(shè)計(jì)了三種方法來(lái)測(cè)定膨脹力，包括自由膨脹法、線性求解法和定體積法，從不同的角度，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析三種方法的不同特點(diǎn)，測(cè)定膨脹力以獲得更加合理的方法，同時(shí)還總結(jié)出了膨脹力與初始含水率和干密度的關(guān)系。

2 膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)研究

目前室內(nèi)試驗(yàn)是獲取膨脹土的膨脹力和強(qiáng)度參數(shù)的主要方法，在進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)往往要先做室內(nèi)試驗(yàn)。

2.1.1 膨脹力試驗(yàn)

膨脹力試驗(yàn)測(cè)量的是膨脹土試樣在不同初始含水率試樣達(dá)到或接近試樣的最大干密度條件下的膨脹力，分析了膨脹力與含水率之間的關(guān)系并且實(shí)現(xiàn)了定量化，能夠?yàn)闃O限平衡計(jì)通過(guò)研究以往試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，試樣在實(shí)驗(yàn)前雖然含水率相差很大，膨脹力試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)含水率都接近塑限。膨脹速度呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)膨脹力趨于穩(wěn)定的并且接近末尾階段，不同試樣表現(xiàn)出了不一樣的變形差別，含水率大于等于最優(yōu)含水率的試樣完全限制試樣變形，在實(shí)際條件下，膨脹土邊坡的變形是不可能被完全限制住的，因此在進(jìn)行極限平衡計(jì)算時(shí)需要選擇一個(gè)合理的折減系數(shù)來(lái)平衡實(shí)驗(yàn)室與實(shí)際間的差別。

2.1.2 壓實(shí)性膨脹土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

壓實(shí)性膨脹土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定了膨脹土抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化情況而變化的規(guī)律，為膨脹土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算提供定量數(shù)據(jù)。

在做固結(jié)慢剪試驗(yàn)時(shí)，需要制備不同含水率的試樣，并且固定一個(gè)壓實(shí)度作為基準(zhǔn)，在制備試樣時(shí)，分別將試樣壓實(shí)到相對(duì)于試樣的最大干密度。當(dāng)固定一個(gè)含水率的值的時(shí)候，制備不同壓實(shí)度的試樣，來(lái)考察最優(yōu)含水率附近壓實(shí)度對(duì)強(qiáng)度的影響。還可以控制含水率，制備不同壓實(shí)度的試樣來(lái)進(jìn)行快剪試驗(yàn)。

2.2 大氣作用下的試驗(yàn)研究

孔令偉[6]研究了大氣作用下膨脹土邊坡的現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)場(chǎng)地選在了廣西南寧郊外，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足，降水量大，雨季旱季分界明顯。多年平均降雨量約為1318mm，其中雨季的降水量達(dá)到全年降水的80%，年平均蒸發(fā)量約為1220mm。地形地貌屬于壟狀地貌，選在一塊面西向的緩坡上，坡度較小，10°-14.5°，邊坡上安裝相關(guān)檢測(cè)設(shè)備，包括小型氣象站、TDR土壤含水率測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)斜管、沉降傳感器等。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出：降雨量、蒸發(fā)量、凈輻射量、濕度等都會(huì)對(duì)膨脹土的含水率有影響，但是降雨和蒸發(fā)兩個(gè)參數(shù)是影響程度最大的，進(jìn)而影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性；土壤溫度是與凈輻射量有關(guān)系，在一定程度上可以間接性的反映邊坡不同溫度區(qū)域的含水率情況；植被覆蓋對(duì)膨脹土邊坡的變形有一定影響，植被可以保持水分、固定土壤、控制徑流，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性。

3 總結(jié)

膨脹土的特殊性使得膨脹土坡穩(wěn)定性變差，膨脹土工程邊坡經(jīng)常發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的最重要因素為裂縫的開(kāi)裂情況，裂縫即降低了土體強(qiáng)度，又為雨水入滲提供通道，加劇土體抗剪強(qiáng)度的降低，最終導(dǎo)致土體變形失穩(wěn)。

對(duì)于膨脹土的研究日漸成熟，但也存在很多尚待解決的問(wèn)題，在理論研究結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)膨脹土的認(rèn)識(shí)會(huì)進(jìn)一步，為實(shí)際工程帶來(lái)幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] JTJ033一95公路路基施工技術(shù)規(guī)范.

[2] 孫志偉.裂隙膨脹土切嶺滑坡形成機(jī)理及發(fā)育階段分析[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào).1994，6（5）：60-65.

[3] Huang X L.Problems of buildings on slopes of expansive soils[A].Proc of the Inter Conf on Engineering Problems of Regional Soils[C].Beijing，China，1998.67-110.

[4] 林魯生，蔣剛.考慮降雨入滲影響的邊坡穩(wěn)定分析方法探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2001，34（1）：42-44.

[5] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，公路土工試驗(yàn)規(guī)程（JTJO51-93）.人民交通出版社，1993.

[6] 孔令偉，陳建斌，郭愛(ài)國(guó)，趙艷林，呂海波.大氣作用下膨脹土邊坡的現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007，07：1065-1073.