淺析膨脹土邊坡的破壞機理及防治措施*

劉加冬 路洪斌 徐中秋

(皖江工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031)

膨脹土是一種具有吸水膨脹、失水收縮特性的高液限粘土，主要由強親水性粘土礦物(蒙脫石和伊利石等)組成，它是有別于軟土、濕陷土、凍土、鹽漬土、紅粘土以及普通粘土的一類特殊土。

我國是膨脹土分布廣、面積大的國家之一，在廣西、江蘇、云南、湖北、四川等20多個省發(fā)現(xiàn)有膨脹土，總面積達10萬m2以上。膨脹土具有強脹縮性、多裂隙性和超固結(jié)性，因其裂隙性、脹縮性及超固結(jié)性“三性”復(fù)雜的共同作用，使得膨脹土的工程性質(zhì)極差，膨脹土邊坡常有“逢塹必滑、無堤不塌”的現(xiàn)象，因此，膨脹土也被巖土工程界稱為災(zāi)害性土。每年全球因膨脹土造成的經(jīng)濟損失高達150億美元[1]。我國正處于大規(guī)模的建設(shè)時期，大型渠道、公路、鐵路等工程往往會穿越膨脹土地區(qū)。以中國西部高速公路為例，擬建的2.1萬公路里程中有近3 300公路路段穿越膨脹土分布區(qū)。如果處理不當(dāng)，一旦膨脹土發(fā)生滑坡，就會引起道路堵塞，影響附近居民正常出行；反之，如果處理措施過分保守，又會導(dǎo)致建設(shè)資金的浪費。因此，研究膨脹土邊坡的破壞特征與機理，尋找更加綠色、環(huán)保、安全和經(jīng)濟的處理措施，是非常有必要的。

1 膨脹土邊坡的破壞特征及機理

1.1 膨脹土邊坡破壞特征

通過對國內(nèi)外典型膨脹土破壞邊坡的地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，膨脹土邊坡的破壞特征與一般粘性土邊坡的破壞特征不同，主要有以下特點：

1)季節(jié)性。膨脹土邊坡失穩(wěn)多發(fā)生在雨季。據(jù)統(tǒng)計顯示，膨脹土邊坡坍塌、溜塌或滑坡的高發(fā)時間多在降雨期間或者降雨結(jié)束后的一段時間內(nèi)，隨著雨水的持續(xù)入滲或補給，膨脹土的含水量增大，強度衰減，最終導(dǎo)致邊坡的破壞，因此，膨脹土邊坡的破壞具有明顯的季節(jié)性。南水北調(diào)中線工程膨脹土渠段在2011年雨季遭遇多場降水，造成基坑積水，多處產(chǎn)生坍滑破壞。

2)淺層性。受自然環(huán)境的影響，膨脹土產(chǎn)生脹縮或風(fēng)化，土體完整性遭受破壞，在一定深度內(nèi)形成脹縮裂隙帶或風(fēng)化影響帶，使得土的滲透性增強，強度降低，邊坡失穩(wěn)的滑面深度較淺。如襄渝線鐵路28處膨脹土坡的統(tǒng)計中，深度0.5 m～3.0 m的土坡占53%[2]。

3)結(jié)構(gòu)性。當(dāng)膨脹土邊坡內(nèi)部存在構(gòu)造作用形成的軟弱層、斷層等結(jié)構(gòu)面時，受軟弱層、斷層等結(jié)構(gòu)面的控制，在一定條件下也可以形成沿結(jié)構(gòu)面的滑坡，說明膨脹土邊坡的破壞也具有結(jié)構(gòu)性。如萬州J2S地層含高達60%～80%的蒙脫石礦物的泥化夾層，具有膨脹性，受結(jié)構(gòu)面的控制，在長江和嘉陵江兩岸發(fā)育了一系列大型滑坡，這些滑坡大多為折線型，底滑面大部分為已有的結(jié)構(gòu)面，后緣為陡傾的拉裂面[3]，單個滑體達數(shù)千萬立方米，滑面深度可達數(shù)十至近百米。

4)漸進性或牽引性。據(jù)對膨脹土滑坡過程的觀測表明，邊坡滑動時水平向的變形在坡頂部位較小，底部及坡腰處位移較大，滑坡往往從底部或坡腰開始局部溜滑，導(dǎo)致上層土體失去支撐，牽引上部土體滑動，形成漸進性滑坡，說明膨脹土邊坡的破壞具有明顯的漸進性或牽引性。安康東段A-CD50 合同段K116+500的左側(cè)弱膨脹土邊坡在開挖過程中發(fā)生了滑坡，滑坡范圍約為4 500 m2，附近民房、村道出現(xiàn)嚴(yán)重開裂現(xiàn)象。該邊坡位于一處低洼谷地，為緩坡。在開挖后土體應(yīng)力釋放，加之地下水和雨水匯集此處，土體長期浸泡軟化，導(dǎo)致坡體局部產(chǎn)生溜滑，進而引起由下向上的牽引式滑坡。

5)反復(fù)性和緩坡型。膨脹土邊坡發(fā)生初次滑動后，即便在短期內(nèi)，也有可能由于地形地貌、氣象水文條件的變化，再次失去穩(wěn)定而復(fù)活，甚至在后續(xù)的若干年仍有可能產(chǎn)生新的滑坡，即便在坡度很緩的條件下膨脹土邊坡也可能發(fā)生破壞。如陶忿渠首，建設(shè)期間就發(fā)生連續(xù)多次滑坡，后坡比緩至1∶4，幾十年后，原滑體處又于2005年在延續(xù)一個月強降雨后發(fā)生規(guī)模較大的滑坡。

1.2 膨脹土邊坡破壞機理

國內(nèi)外專家、學(xué)者做了許多關(guān)于膨脹士邊坡破壞機理的探索與研究，發(fā)表了大量有關(guān)文獻。其中，A.W.Bishop和B.Jerrum[4]認為膨脹土吸水、應(yīng)力集中等原因造成土質(zhì)軟化，粘聚力隨時間變化逐漸減小，引起邊坡滯后破壞，提出了滯后破壞理論。L.Bjrrum[5]認為造成膨脹土強度的不均勻性和應(yīng)力差異的主要原因是裂隙的存在和開挖邊坡所產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，提出了漸進性破壞理論。朱梅生認為膨脹土邊坡的首次滑動是由于坡腳附近首先產(chǎn)生剪切變形區(qū)(塑性變形區(qū))，強度降低，從而導(dǎo)致邊坡破壞。廖世文等[6]認為膨脹土邊坡破壞的根本原因是土體在風(fēng)化營力作用下，反復(fù)干濕循環(huán)效應(yīng)使其抗剪強度逐漸衰減所致。盧再華、陳正漢[7]，袁俊平、殷宗澤[8]認為膨脹土的破壞受裂隙位置、深度控制，裂隙深度越深，雨水滲流影響區(qū)域越大，膨脹土邊坡越容易產(chǎn)生滑坡。從眾多學(xué)者的研究成果來看，膨脹土邊坡破壞的根本性原因是其自身內(nèi)在特性(脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性)所致，主要原因是土體抗剪強度衰減，誘發(fā)條件是氣候變化引起的含水量變化和開挖卸荷引起的應(yīng)力釋放。

2 膨脹土邊坡防治措施

根據(jù)膨脹土邊坡的防治原則，從影響其物理力學(xué)性質(zhì)變化的內(nèi)在因素和外在因素上入手，采取一定的技術(shù)措施解決表層土體浸水變形、風(fēng)化、強度衰減等問題。主要的方法有：封閉法、化學(xué)改性法、支擋法等。

2.1 換填法

自然氣候干濕變化引起的脹縮變形是膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要因素之一。為了防止氣候變化對膨脹土的影響，工程上常常挖除部分膨脹土，換填非膨脹土或石灰土，再用預(yù)制塊或植草皮防護坡面，從而達到防治膨脹土邊坡失穩(wěn)的目的，這種處理膨脹土邊坡失穩(wěn)的方法即為換填法。換填法的換土深度一般根據(jù)膨脹土的強弱和當(dāng)?shù)氐臍夂虼_定。該法是膨脹土路堤、水渠邊坡處理方法中最簡單而且可靠有效的一種方法。但是換填法需要大量的非膨脹土和棄料場地，會占用大量耕地，導(dǎo)致成本增加、資源浪費和環(huán)境破壞。在目前資源匱乏和環(huán)境污染問題日益突出的情況下，應(yīng)當(dāng)考慮更加經(jīng)濟合理的加固處理方法。

2.2 化學(xué)改性法

化學(xué)改性法是指在膨脹土中添加某些化學(xué)物質(zhì)，使之與土中的粘土礦物和水發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，從而改善膨脹土的脹縮性和裂隙性，提高其強度的一種措施。目前常用的處理方法有：

1)石灰改良。摻入的石灰吸水后與膨脹土中的水反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，能促進石灰與膨脹土之間的進一步反應(yīng)，使得石灰和土的混合物膨脹產(chǎn)生擠密，石灰與水反應(yīng)生成的Ca(OH)2和Mg(OH)2還會繼續(xù)與空氣中的CO2產(chǎn)生反應(yīng)，生成的CaCO3和MgCO3結(jié)晶，這些結(jié)晶主要聚集在土顆粒表面或土顆粒之間，會對土體產(chǎn)生膠結(jié)作用使之力學(xué)性質(zhì)得到改善[9]。

2)水泥改良。在膨脹土中摻入水泥后，水泥水化后析出的Ca2+離子與土顆粒表面的K+，Na+離子發(fā)生交換作用，土顆粒水膜變薄，使分散土顆粒團?；?，同時Ca(OH)2具有強烈的吸附性，使土團粒進一步結(jié)合，減小土體孔隙，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。隨著水泥水化反應(yīng)的深入，當(dāng)析出的Ca2+離子數(shù)量超過離子交換的需求后，會與土中部分SiO2,Al2O3發(fā)生反應(yīng)，快速生成穩(wěn)定的纖維狀結(jié)晶礦物鈣礬石，大幅度提高土的強度。水泥水化后，游離的Ca(OH)2又會吸收空氣中的CO2生成CaCO3，能膠結(jié)土顆粒，起到粗?；饔?，并形成了水化水泥骨架，提高土體強度[10]。化學(xué)改性法在國內(nèi)外應(yīng)用較廣，但是化學(xué)改性法的化學(xué)反應(yīng)會使土中轉(zhuǎn)化物含量大大增加，對生態(tài)環(huán)境可能造成不良影響。在當(dāng)今生態(tài)環(huán)境保護的新趨勢下，綠色環(huán)保的膨脹土處理方法將是未來研究的重要方向。

2.3 支擋法

支擋法主要是用支擋結(jié)構(gòu)物提供的抗滑力，來平衡膨脹土邊坡的下滑力，達到穩(wěn)定邊坡的目的，大體上分為剛性支護和柔性支護兩大類。剛性支護主要是依靠剛性支護結(jié)構(gòu)的自重或抗力來抵抗滑坡推力，保證邊坡的穩(wěn)定，屬于傳統(tǒng)的支護方法，主要有：

1)擋土墻防護。擋土墻是指支承填土或山坡土體、防止土體變形失穩(wěn)的構(gòu)造物。擋土墻結(jié)構(gòu)用于膨脹土邊坡支護時，可在膨脹土與擋土墻之間設(shè)緩沖帶，可以起到排水和緩解膨脹力的作用。

2)抗滑樁?？够瑯妒且揽看┻^膨脹土滑坡體深入于滑床的樁柱來支擋滑體的滑動力，進而穩(wěn)定邊坡的一種支擋法。

3)錨桿。將錨桿一端深入膨脹土邊坡土體中，另一端與工程構(gòu)筑物連接，利用錨桿在膨脹土中的抗拔力來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，以阻抗膨脹土變形破壞。剛性支護結(jié)構(gòu)不允許土體產(chǎn)生過大變形，當(dāng)膨脹土的脹縮變形較大時，常常會造成支護設(shè)施的破壞。柔性支護是基于對膨脹土特性的認識和對膨脹土邊坡破壞機理的了解的基礎(chǔ)上，以土工合成材料(土工布、土工格柵、土工膜等)為主，其他的處理措施為輔的一種支護方式。該支護方式的優(yōu)點在于能夠改善膨脹土的脹縮性，抑制膨脹土的脹縮變形和強度衰減，增強膨脹土的整體穩(wěn)定性。國內(nèi)外有些膨脹土工程應(yīng)用了此類技術(shù)，但其作用機理還待深入研究。

3 結(jié)語

1)雖然很多學(xué)者對膨脹土的特性，溫度、水對膨脹土的影響等方面做了大量研究，但是有些方面還需進一步深入研究和完善，如不同氣候條件下的膨脹土土坡中含水量、應(yīng)力與脹縮變形、溫度等時空耦合關(guān)系；邊坡失穩(wěn)過程中的破壞形式與速度、特征等進行時空耦合關(guān)系研究；膨脹土邊坡失穩(wěn)的預(yù)測預(yù)報技術(shù)等[11]。

2)盡管換填法、化學(xué)改性法和剛性支護技術(shù)在膨脹土邊坡處理中比較成熟，但是換填法成本較高、化學(xué)改性法對生態(tài)環(huán)境可能存在長期負面影響，剛性支護在土體變形較大時易于破壞，未來綠色環(huán)保、安全有效、經(jīng)濟合理的加固處理方法將是膨脹土研究的重點發(fā)展方向，如物理改良法和柔性支護技術(shù)。

3)對膨脹土邊坡防治措施進一步優(yōu)化。在工程中，往往由于某些原因，導(dǎo)致選擇的防治措施或計算方法不合理、參數(shù)選擇不恰當(dāng)，使得邊坡局部失穩(wěn)，或是采用了過于保守的加固措施，造成成本增加，需要進一步優(yōu)化支護方案。