膨胀土边坡稳定性分析

李鹏飞

摘 要：特殊土边坡工程是工程建设中经常遇到的问题，膨胀土具有明显的胀缩性，导致膨胀土边坡的稳定性较差，失稳破坏的概率较普通土质边坡要大。本文介绍了膨胀土边坡的研究新进展，膨胀土边坡稳定性评价的相关方法。

关键词：膨胀土；边坡工程；失稳破坏

中图分类号： TU23 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-69-2

0 引言

膨胀土属于特殊土，分布较为广泛并且对工程建筑物危害较大。大量的粘土矿物是膨胀土具有膨胀结构的根本原因，其中蒙脱石的存在会使得土体易于开裂、亲水性强、胀缩性高，同时膨胀土的液限也很高。判断一种土是否为膨胀土的依据就是液限和自由膨胀率，当液限和自由膨胀率均大于40%时，判别为膨胀土[1]。

膨胀土的破坏特性是复杂的，具有潜在性、反复性和长期性，全世界由膨胀土造成的损失很大，甚至超过了洪水、飓风、地震和龙卷风所造成破坏的总和[2]。美国专门组织召开膨胀土大会，国际工程地质大会、国际土力学及基础工程大会以及地区性的会议都会针对膨胀土的研究进行交流探讨，在此的背景下，国际上制定了一些相关的规范。我国在20世纪五六十年代开始注重膨胀土带来的一系列问题。当时的研究程度不够深入，在膨胀量和膨胀力以及引起膨胀的相关因素方面的研究成果很少[3]。

1 膨胀土边坡稳定性研究现状

1.1 强度准则

传统的摩尔库伦准则是应用最广泛、认可度最高的强度理论，后续的很多新理论都是在摩尔库伦理论的基础上建立起来的。由于自然条件下膨胀土边坡为非饱和土，故目前研究的热点集中在非饱和土力学。Bishop等于1960年提出了非饱和土抗剪强度的有效应力公式[4]：

以上学者提出的公式虽然得到了国际上很多转接学者的认可，但是还是存在缺陷，Bishop法ua-uw数值难以测定，Fredlund法？渍″的测定非常复杂，都未能在工程中大量应用，应用最广的依然是摩尔库伦强度准则。

1.2 膨胀土边坡裂隙开展深度

膨胀土裂隙开展深度对土体稳定性影响非常的大。膨胀土在不同的温度、含水量等作用影响下产生应力不均匀分布，于是产生相应的应变。膨胀土形成的众多裂隙致使其结构稳定性降低，导致膨胀土体工程性质变得极差。因此研究其裂隙扩展深度极其重要。由于膨胀土裂隙深度并非受单一因素影响，它与风化卸荷、地应力、工程地质条件密切相关，要精确求解比较困难。

易顺民和袁俊平对裂隙的分布进行了研究，并依据统计法建立了裂隙度的概念，但并未针对某一具体裂隙深度进行求解。在工程实际中，很多时候都是根据当地的地质勘察资料和当前气候条件进行经验估算得到裂隙深度。根据经验统计分析，膨胀土体的稳定性系数随着裂缝深度的变化幅度基本在10%以下，就可以在进行稳定性计算时取稳定性系数为最小时的深度。

1.3 膨胀土的渗透性

非裂隙性的膨胀土渗透系数很小，对边坡土体的稳定性影响很小，因此关于非裂隙性的边坡渗流问题研究的文献也比较少，只有少部分文献研究了裂隙生成后的渗流问题。对于边坡表层的膨胀土受风化应力改造比较严重，裂隙发育较多，大小不一，根据不同的工程地质条件，边坡形态，雨水入渗对边坡会产生不同程度的影响，对边坡稳定性造成一定的威胁。袁俊平初步建立了非饱和膨胀土边坡裂隙网络的入渗模型。

1.4 膨胀力与含水率的关系

膨胀土遇水后会产生膨胀力，而大气条件下膨胀土吸水后产生膨胀力的情况要比室内膨胀力测试实验复杂得多，室内试验膨胀土试样完全浸入在水中，并且在测试过程当中完全没有变形，这与大气条件下差别较大，因此准确测定膨胀力困难比较大。卢肇钧定义膨胀土的的膨胀力为土体积不变的情况下测定的，现在土工试验规程也使用了这种方法。Asuri Sridharan设计了三种方法来测定膨胀力，包括自由膨胀法、线性求解法和定体积法，从不同的角度，通过大量实验对比分析三种方法的不同特点，测定膨胀力以获得更加合理的方法，同时还总结出了膨胀力与初始含水率和干密度的关系。

2 膨胀土边坡稳定性分析

2.1 室内试验研究

目前室内试验是获取膨胀土的膨胀力和强度参数的主要方法，在进行稳定性计算时往往要先做室内试验。

2.1.1 膨胀力试验

膨胀力试验测量的是膨胀土试样在不同初始含水率试样达到或接近试样的最大干密度条件下的膨胀力，分析了膨胀力与含水率之间的关系并且实现了定量化，能够为极限平衡计通过研究以往试验可以发现，试样在实验前虽然含水率相差很大，膨胀力试验结束后发现含水率都接近塑限。膨胀速度呈现先快后慢的趋势。在实验过程中，当膨胀力趋于稳定的并且接近末尾阶段，不同试样表现出了不一样的变形差别，含水率大于等于最优含水率的试样完全限制试样变形，在实际条件下，膨胀土边坡的变形是不可能被完全限制住的，因此在进行极限平衡计算时需要选择一个合理的折减系数来平衡实验室与实际间的差别。

2.1.2 压实性膨胀土的抗剪强度试验

压实性膨胀土的抗剪强度试验测定了膨胀土抗剪强度随含水率的变化情况而变化的规律，为膨胀土边坡稳定性计算提供定量数据。

在做固结慢剪试验时，需要制备不同含水率的试样，并且固定一个压实度作为基准，在制备试样时，分别将试样压实到相对于试样的最大干密度。当固定一个含水率的值的时候，制备不同压实度的试样，来考察最优含水率附近压实度对强度的影响。还可以控制含水率，制备不同压实度的试样来进行快剪试验。

2.2 大气作用下的试验研究

孔令伟[6]研究了大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究。试验场地选在了广西南宁郊外，属于亚热带季风气候，日照充足，降水量大，雨季旱季分界明显。多年平均降雨量约为1318mm，其中雨季的降水量达到全年降水的80%，年平均蒸发量约为1220mm。地形地貌属于垄状地貌，选在一块面西向的缓坡上，坡度较小，10°-14.5°，边坡上安装相关检测设备，包括小型气象站、TDR土壤含水率测量系统、测斜管、沉降传感器等。

通过试验数据分析得出：降雨量、蒸发量、净辐射量、湿度等都会对膨胀土的含水率有影响，但是降雨和蒸发两个参数是影响程度最大的，进而影响膨胀土边坡稳定性；土壤温度是与净辐射量有关系，在一定程度上可以间接性的反映边坡不同温度区域的含水率情况；植被覆盖对膨胀土边坡的变形有一定影响，植被可以保持水分、固定土壤、控制径流，进而影响边坡的稳定性。

3 总结

膨胀土的特殊性使得膨胀土坡稳定性变差，膨胀土工程边坡经常发生滑坡等地质灾害。影响膨胀土边坡稳定性的最重要因素为裂缝的开裂情况，裂缝即降低了土体强度，又为雨水入渗提供通道，加剧土体抗剪强度的降低，最终导致土体变形失稳。

对于膨胀土的研究日渐成熟，但也存在很多尚待解决的问题，在理论研究结合生产实践的基础上，对膨胀土的认识会进一步，为实际工程带来帮助。

参 考 文 献

[1] JTJ033一95公路路基施工技术规范.

[2] 孙志伟.裂隙膨胀土切岭滑坡形成机理及发育阶段分析[J].中国地质灾害与防治学报.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] 林鲁生，蒋刚.考虑降雨入渗影响的边坡稳定分析方法探讨[J].武汉大学学报（工学版），2001，34（1）：42-44.

[5] 中华人民共和国行业标准，公路土工试验规程（JTJO51-93）.人民交通出版社，1993.

[6] 孔令伟，陈建斌，郭爱国，赵艳林，吕海波.大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究[J].岩土工程学报，2007，07：1065-1073.