膨胀土边坡浅层坍滑破坏原因剖析

肖　杰，杨和平

(长沙理工大学　交通运输工程学院，湖南　长沙　410114)



膨胀土边坡浅层坍滑破坏原因剖析

肖杰，杨和平

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410114)

摘要：浅层坍滑是绝大多数膨胀土路堑边坡在降雨期或雨后常发生的地质灾害，往往造成新建公路的交通中断、沿线生态环境破坏并需投入巨额的修复费用，而其破坏的真正原因目前仍不十分清楚。为此，通过对试验数据的分析，研究干湿循环条件下膨胀土的抗剪强度衰减规律，得到浅、表层边坡土体强度具有非线性性质，并认为该特性是因土固有的膨胀性本质所致；进一步开展干湿循环作用下膨胀土边坡的浅层坍滑分析，发现黏聚力的严重衰减是导致浅层坍滑破坏最重要的原因。因此，进行膨胀土边坡稳定性分析时，只有采用实测土样的非线性强度参数，才能获得与实际较为吻合的分析计算结果。

关键词：道路工程；膨胀土；室内试验；浅层坍滑；强度衰减

0引言

因富含蒙脱石、伊利石或蒙脱石-伊利石混成等强亲水性矿物，膨胀土具有典型的“三性”特征，即胀缩性、裂隙性和超固结性，其工程特性受气候变化即干湿循环作用的影响很大，导致修建于地表的各类轻型工程结构物时常发生多种破坏(病害)，其中膨胀土边坡破坏地质灾害是最严重的一种类型[1-5]。

由于膨胀土的特殊性质，其边坡稳定性的研究比普通黏土边坡复杂得多，破坏大多具有浅层性。膨胀土路堑边坡按破坏形式可分为3种[6]，分别为潜伏断面滑坡型、弧面渐进式破坏型和浅表层坍滑型。其中浅表层坍滑型是指大气的干湿循环导致表层土体反复胀缩开裂，雨水从裂隙入渗，导致强度急剧降低，引发浅表层土体坍滑破坏，滑动深度一般为1～2.5 m，在雨季年年发生破坏。廖世文[1]通过调查统计发现：襄渝线和成昆线一般为1～3 m，焦枝线集中在2～5 m，汉中地区主要为3～6 m。这表明膨胀土滑坡以浅层性为主，且滑坡深度与裂隙发育深度、大气风化作用影响深度基本接近。包承纲[7]对南阳膨胀土滑坡分析后认为，该地区的滑坡滑动面具有浅层性、平缓性和渐进性，这类滑体深度与裂隙深度、干湿循环影响深度接近，一般为2～5 m。长江科学院和武汉大学通过对现场膨胀土边坡基质吸力的量测结果表明[8]，大气影响沿边坡深度方向存在一个“临界深度”，约1.5 m深。南阳膨胀土路堑平均坡度为1∶2，计算得到的稳定系数是2.7，但还是发生了滑坡，有的甚至将边坡放缓到1∶4，仍然发生滑坡[1]。按规范法测得膨胀土的直剪或三轴干湿循环峰值抗剪强度乃至残余抗剪强度往往并不低，采用这些参数进行膨胀土边坡稳定性分析，其结果常常与矮、缓边坡发生浅层坍滑的实际不符，为此有学者甚至建议内摩擦角和黏聚力分别取室内试验值的1/7和1/14作为计算指标[9]，也有些为选用低强度指标，对开挖边坡采用快剪强度指标，这显然与选用总应力强度指标的原理不符[10]。

综上所述，膨胀土边坡发生浅层坍滑破坏的真正原因仍是困扰岩土工程师的一大工程问题，亟待解决。本文根据膨胀土边坡浅层坍滑特点，基于膨胀土抗剪强度的非线性特性，探讨其强度衰减及膨胀土边坡发生浅层坍滑的原因。

1膨胀土抗剪强度的非线性特性

在自然气候条件作用下，随时间的推移，加筋膨胀土边坡土体含水率会因降雨、蒸发等干湿循环作用而发生变化，并伴随大量裂隙的产生，导致土体抗剪强度的不断衰减。膨胀土的抗剪强度随法向应力的增加呈广义幂函数关系[11]，见式(1)。

(1)

式中，τ为抗剪强度；Pa为大气压力；A,n,T为无量纲强度参数；SNL(σ|A,n,T)为非线性强度函数。

由式(1)可求得任意法相应力下的切角即有效摩擦角，如式(2)所示：

(2)

联立式(1)和式(2)可得到有效黏聚力ct，见式(3)：

(3)

通过开展含低应力的抗剪强度试验获得南宁原状膨胀土(取自南宁外环高速公路，其基本土性参数见文献[12]的有荷干湿循环慢剪强度曲线如图1所示，相应的回归参数见表1，为便于对比表中列出了75～300 kPa常规直线回归强度参数。

图1　有荷干湿循环抗剪强度(单位:kPa)Fig.1　Shear strength under dry-wet cycles with loading(unit:kPa)

由图1和表1可知，4次循环后常规抗剪强度基本稳定，c，φ值分别约为20.0 kPa和28.0°；非线性拟合曲线与纵轴交点值随循环次数不断减小，由最初的26.7 kPa逐渐降至接近于0 kPa，这表明低应力段受有荷干湿循环的影响比高应力段显著。因此，膨胀土抗剪强度受干湿循环、低应力的影响显著，在分析膨胀土边坡稳定性时，必须考虑抗剪强度的非线性。

表1　有荷干湿循环抗剪强度参数

2膨胀土抗剪强度衰减原因分析

膨胀土因富含蒙脱石、伊利石或伊-蒙混层等高亲水性矿物，具有特殊的双电层结构，吸水性很强。土体的强度会随含水量和吸附水膜厚度的增加而变小。当吸水增湿时，土体中的气体绝大部分以气泡的形式排出，此过程对土体的骨架有一定的冲击作用，可能导致颗粒的结合部位或某些胶结薄弱部位产生微裂缝。当土体所受的围压或上覆压力越小时，在水的作用下，土颗粒吸附的水膜会越厚，且胶结黏粒裂缝薄弱部位的水膜也会增厚，使得颗粒分开的间距增大，黏结的强度减弱，且浸入水分越多，水膜厚度越大，黏结强度减弱的程度也越大。侵入水分的多少与土体所受的压力大小有关，压力越小，侵入水分越多，其吸湿的能力越强，干密度也会越小。另外，某些起胶结作用的胶结物还可被溶解或者软化，且软化胶结物质和水膜在土体中又起润滑作用，降低了颗粒间的摩擦。这一方面破坏了土体的结构连结；另一方面使土颗粒更易于滑动，导致土体抗剪强度大大降低。从微观方面来看，在渗透膨胀阶段，水化作用使蒙脱石晶格间阳离子进一步水化，使晶格层面的间距增大，并伴随膨胀使土体进一步分散成微细颗粒，同时每个微细颗粒会进一步吸水，吸附水分子和水化阳离子，形成水化膜。扩散双电层的斥力会使晶格层发生分离，导致土体的严重分散，特别是盐浓度低的水浸入会使具有高分散性的钠蒙脱石在水中易分散成极薄的片，导致强度显著降低。在反复干湿循环过程中，土体一方面会产生大量的宏观及微观裂隙，其完整性、均一性和连续性遭到破坏；另一方面产生的塑性应变会不断累积，致使颗粒间起黏结作用部分的抗剪强度损失，也就是黏聚力减小，且越表层该作用越明显，抗剪强度越小。因此，由于膨胀土具有别于其他土的显著“膨胀”这一特性，且其膨胀程度受外力作用的影响很显著，该特性决定了在研究膨胀土抗剪强度时不仅需考虑干湿循环的作用，更重要的是应考虑外荷载的影响。这也是修筑在膨胀土地区的轻型结构物常发生破坏，而重型结构物却基本不受影响的主要原因。

3膨胀土边坡浅层稳定性分析

土体的抗剪强度指标即黏聚力c和摩擦角φ，是边坡稳定性计算分析所需的重要参数。为此，先考虑最不利条件，采用GeoStudio软件中的Slope/W模块计算分析黏聚力c和摩擦角φ变化对饱和边坡稳定性的影响。计算边坡为均质边坡，模型坡高与坡比分别为6 m和1∶1.5。计算边界条件为坡顶、坡面及坡脚均为零压水头，使边坡处于饱和稳态渗流状态。抗剪强度参数黏聚力c为：0，1，2，3，5，7.5，10，15，20，25 kPa和30 kPa；摩擦角φ为：9°，12°，15°，18°，21°和24°。采用M-P法计算的安全系数与黏聚力c和摩擦角φ的关系分别如图2、图3所示。

图2　安全系数与黏聚力的关系Fig.2　Relationship between safety factor and cohesion

图3　安全系数与摩擦角的关系Fig.3　Relationship between safety factor and friction angle

由图可知，饱和稳态渗流状态下：摩擦角φ相同，安全系数随黏聚力c的增加而增大，当c较小(小于5 kPa)时，呈非线性增大，后近似线性增大；黏聚力c相同，安全系数随摩擦角φ的增加近似线性递增。安全系数为1所对应的黏聚力和摩擦角分别约为7.0 kPa、24°，8.2 kPa、21°，9.3 kPa、18°，10.6 kPa、15°，12.2 kPa、12°和13.8 kPa、9°。摩擦角φ为24°，黏聚力c由0变到15 kPa，安全系数从0.34增大到1.48，增幅达1.14，而黏聚力c为10 kPa，摩擦角φ由9°变到24°，安全系数从0.79增大到1.18，仅增加0.39，这表明黏聚力c的变化比摩擦角φ对安全系数的影响要大得多，当黏聚力c大于15 kPa时，安全系数均大于1.0。

与图 2和图3中安全系数所对应的滑坡最大深度与黏聚力c和摩擦角φ的关系分别如图4和图5所示。由图可得到，摩擦角φ相同，最大滑坡深度随黏聚力c的增加而增大；黏聚力c相同，最大滑坡深度随摩擦角φ的增大而减小，且最大滑坡深度受黏聚力的影响比摩擦角显著得多。当黏聚力c由0 kPa变到1 kPa时，最大滑坡深度由0.12 m陡增至大于1.48 m；滑坡深度为2 m时，黏聚力c小于4 kPa(φ在9°～24°间变化)，且滑坡深度为3 m时，黏聚力c也小于7.5 kPa。因此，黏聚力小是膨胀土边坡发生浅层坍滑的重要因素。

图4　最大滑坡深度与黏聚力的关系Fig.4　Relationship between maximum sliding depth and cohesion

图5　最大滑坡深度与摩擦角的关系Fig.5　Relationship between maximum sliding depth and fiction angle

Slope/W还内置了分析抗剪强度非线性的功能，即极限平衡法分析时，其可自动得到任意条块底面的有效法向应力，然后根据输入的非线性抗剪强度曲线求出对应法向应力的切线斜率，即φ值，切线延长线与y轴的截距即c值。因此，基于同一计算模型及边界条件，采用图1中实测非线性抗剪强度确定的抗剪强度参数得到原状土有荷干湿循环0次与8次的边坡安全系数与相应滑动面最大深度见图6。

(a)有荷干湿循环0次

(b)有荷干湿循环8次图6　安全系数及滑动面最大深度(单位:m)Fig.6　Safety factors and maximum depths of sliding surface(unit:m)

由图知，原状土有荷干湿循环0次计算得到的安全系数为2.32，相应最危险滑动面深度达到了4.38 m。这说明即便坡体达到完全饱和状态，刚开挖无原始构造裂隙的边坡仍是稳定的，而原状土有荷干湿循环8次计算得到的安全系数仅为0.94，相应最危险滑动面深度仅有1.11 m。这表明随干湿循环的长期作用，膨胀土抗剪强度的不断衰减，在长期连续或间歇性连续降雨条件下边坡可达到或接近饱和状态，便会发生浅层坍滑。

4膨胀土边坡浅层坍滑原因分析

从稳定性方面考虑，膨胀土与非膨胀土的最大区别就在于它有很大的膨胀性，膨胀后强度会显著降低，而膨胀程度受压力的控制，所以膨胀土的强度指标参数在很大的程度上取决于其上所受的压力，即与滑面上所受的有效法向应力有关。已有关于膨胀土坝的研究表明[13]，在不同的部位所受的自重压力有很大的差别，因而膨胀土坝在不同部位的强度指标是不相同的。例如，在受到200 kPa压力的坝体中间部位的强膨胀土还可保持较高的强度：φ=11°，c=80 kPa，而在接近边坡表面处，在无护坡情况下，其强度几乎接近于零。这与可将不产生膨胀的非膨胀土边坡的强度指标视为常值是完全不相同的。因此，对于膨胀土边坡稳定性验算时强度指标的取值，不能像非膨胀土那样，在整个边坡中都采用同一数值，而是应根据部位的不同，取用非线性强度指标。否则，既有可能造成浪费，也有可能造成不安全。需注意的是按目前常规的抗剪强度试验得到的c，φ值，对边坡中所受自重压力较小而可能发生膨胀的部位，一般是偏于不安全的。譬如，根据实际发生浅层坍滑的膨胀土边坡反算得到抗剪强度的黏聚力大都位于2～4 kPa之间，远小于常规实测值[13]，而考虑低应力作用的干湿循环非线性抗剪强度能于此相符。因此，在进行膨胀土边坡稳定分析时，考虑低应力条件下膨胀性对其抗剪强度的影响能获得与实际相符的计算结果。

一般地，刚开挖的新膨胀土边坡往往十分稳定，在没有实施有效支护或支护不及时的情况下，经历多次干湿循环后在某个雨季或雨后发生浅层坍滑破坏。这是由于新开挖边坡土体没有经历干湿循环的作用，坡面土体仅存在少量卸荷裂隙或原始构造裂隙，无收缩裂隙，坡面土体较完整，强度基本没有衰减，即便是饱和抗剪强度也很大。另外此时土体的渗透系数很小，可认为不透水，因而降雨对边坡的稳定性影响很小，表层土体仍处于非饱和状态，坡体是稳定的。而在支护不及时或无效时，坡面表层土体在经干湿循环后会产生大量的宏观与微观裂隙，使风化层土体的渗透系数增大。这一方面破坏了坡体的完整性，另一方面为降雨入渗提供了便利通道，且随干湿循环次数的增加受影响的深度范围会不断增大直至达到某一稳定值。在干湿循环过程中，表层土体的抗剪强度会不断衰减，且越往表层，强度衰减的程度也越大，在近边坡表面处，其强度几乎接近于零。因此，在反复干湿循环作用下，由于表层土体抗剪强度的不断衰减，在长久干旱后遇连续降雨或强降雨时膨胀土边坡易发生浅层坍滑破坏。

5结论

(1)膨胀土边坡常发生浅层坍滑与一般黏性土坡很不同，其本质原因在于膨胀土的膨胀程度受外力作用影响明显，干湿循环作用下浅层膨胀土抗剪强度衰减显著，尤其是黏聚力衰减严重，有时甚至可降至接近于零所致。

(2)稳定性分析时，抗剪强度参数的选择须考虑干湿循环和低应力的共同作用，采用非线性抗剪强度参数能获得与实际相符的计算结果，说明该方法是合理和可靠的。

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收稿日期：2015-02-09

基金项目：国家自然科学基金项目(50978035; 51478054)；湖南省教育厅科研项目(15C0043)；广西交通科技项目(2011-20)

作者简介：肖杰(1981-)，男，湖南新邵人，博士.(xiaojie324@sina.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.07.008

中图分类号：U 416.1+67

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)07-0047-06

Discuss of Reasons for Shallow Landslide of Expansive Soil Slope

XIAO Jie, YANG He-ping

(School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology,Changsha Hunan 410114, China)

Abstract：The vast majority of expansive soil cutting slope often occurs shallow landslide geological disasters during or after rainfall, which causes the newly-built highway traffic disruption, ecological environment destruction along the road and a huge cost required for repair. However, the real reason for this failure is still not very clear. Therefore, through the analysis of test data, the attenuation law of shear strength of expansive soil under the condition of dry-wet cycles is studied. It is obtained that the shear strength of surface soil has the nonlinear property, and it is considered that this characteristic is caused by the inherent expansion nature of soil. Further, the shallow landslide of expansive soil slope under the action of dry-wet cycles is analyzed. It is found that the serious attenuation of cohesion is the most important reason for shallow landslide of expansive soil slope. Therefore, the measured nonlinear strength parameters of soil samples should be applied to analyze the stability of expansive soil slope, thus the result of which can be in good agreement with the calculation result of the actual condition.

Key words：road engineering; expansive soil; laboratory test; shallow landslide; shear strength attenuation