膨胀土边坡抗剪强度参数选取方法的探讨

于生飞，高 鹏，张夏滔

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

0 引言

膨胀土地区的边坡往往“逢堑必滑”，对工程安全的危害性极大。由于膨胀土具有与一般黏土不同的工程特性，如裂隙性和遇水膨胀、失水收缩开裂等，在大气影响深度范围内，土体的湿胀干缩现象尤为明显，抗剪强度降低，膨胀土边坡发生浅层滑坡失稳是常见的变形现象[1]。

由于膨胀土的特殊性和复杂性，当前对膨胀土边坡的抗剪强度参数选取尚缺乏明确认识[2-6]。以往习惯于沿袭一般黏土边坡稳定分析的思路，将膨胀土边坡稳定问题简单地视为膨胀土强度问题，要么将抗剪强度参数取值过高或过低，没有明确区分抗剪强度在大气影响深度或地下水位变幅区界线的变化和不同，导致验算结果与实际边坡稳定性偏差较大。

抗剪强度参数的合理选取，是膨胀土边坡稳定性评价的前提和基础，对于膨胀土地区的边坡稳定性的合理分析、评估，保障边坡区域的建(构)筑物的安全具有重要意义。本文通过对膨胀土地区边坡滑动破坏机理及特征的研究，探讨出膨胀土边坡抗剪强度参数的一种合理的取值方法，并应用于印尼某膨胀土边坡工程实例中。

1 膨胀土边坡破坏机理及特征

膨胀土由于含有大量的蒙脱石、伊利石等亲水性黏土矿物，在大气降雨和蒸发的作用下，使土体含水量变化较大，从而产生湿胀干缩循环，土的原始组构逐渐破坏，裂隙逐渐发展，抗剪强度降低，容易促使边坡产生滑动。

许多工程表明，膨胀土滑坡大多为浅层滑坡，其滑面厚度不大，一般在3～4 m左右，主要由于上部卸荷、土体胀缩等原因，裂隙多发育于边坡体浅部。相比较深部土体，浅部土体的透水性较好，更容易受反复胀缩作用的影响，膨胀土边坡更容易在抗剪强度较差的浅部土体内发生剪切破坏滑动。另外，膨胀土边坡滑坡绝大多数属于牵引性滑动，在反复胀缩作用下，膨胀土边坡抗剪强度一旦降低，产生第一次滑动后，抗剪强度继续降低而产生进一步破坏，发育形成第二次、第三次甚至多次滑动，最后直到达到新的极限稳定平衡为止。各次滑动面相互贯通，形成多次牵引阶梯状叠瓦形式，如图1所示。

图1 膨胀土边坡滑动的典型断面图

根据相关文献研究成果，膨胀土滑坡从剖面力学特征上看可划分为3个区，即后缘拉张区、中部剪切区和前缘隆起区[2-3]。据此，可将其失稳演化过程分为3个阶段：初始张裂破坏阶段、剪切面扩展破坏阶段、整体变形破坏阶段。

2 膨胀土边坡抗剪强度参数选取方法

合理选取边坡的抗剪强度参数是膨胀土边坡稳定性验算和设计工作的关键。膨胀土边坡稳定性主要由其较低的长期抗剪强度所控制，影响长期抗剪强度的因素主要有两个方面，一方面是受土体膨胀作用和重力作用引起的浅层土体沿潜在滑动面上的抗剪强度降低；另一方面是由于大气影响作用，使得大气影响层内土块破裂，颗粒间联接力减弱，从而使抗剪强度降低。验算土坡的长期稳定性应该选用坡内土体可能达到的最低抗剪强度值。

假设将均质的边坡土体分为三层，分别为浅层(大气影响深度层)、中层和深层，如图2所示。一般来说，浅层厚度一般为3～4 m左右，中层厚度约为4～8 m，以下为深层。

图2 膨胀土边坡体分层模型

边坡土体抗剪强度参数由深层到中层再到浅层具有逐渐衰减趋势，由于膨胀土滑坡的浅层性，滑动面一般处于大气影响深度层内，也就是说，浅层(大气影响深度层)的抗剪强度参数是最小的。考虑到上述因素，边坡土体抗剪强度由深层到浅层(大气影响深度层)建议选用峰值强度到残余强度的趋势。对于膨胀土边坡抗剪强度参数可考虑按如下原则采用：

1)浅层(大气影响深度层)、水位变化幅值区，以及中层、深层土体宜区别采用不同的抗剪强度指标。

2)若边坡未有滑动破坏的迹象，浅层(大气影响深度层)内或水位变化幅值区抗剪强度(C、φ值)建议按室内试验的残余抗剪强度取值，中层范围内土层可以采取室内剪切试验的残余抗剪强度和峰值抗剪强度的中间值(可结合试验指标，按岩土状态经验取值)，深层土层可按峰值抗剪强度取值。

3)若边坡已发生滑动破坏或变形迹象，滑面及其以上的抗剪强度指标可按反算指标确定。滑动面以下到中层层底范围内的抗剪强度参数可按残余抗剪强度和峰值抗剪强度中间值(可结合试验指标，按岩土状态经验取值)，深层土层可按峰值抗剪强度取值。

4)一般边坡稳定性验算按天然、饱和及地震三种工况考虑，抗剪强度参数宜按不同验算工况分别取值，饱和状态宜取相对低值，天然状态和地震工况宜取相对高值。

3 膨胀土边坡体稳定性分析验算方法

膨胀土边坡的稳定性分析验算建议采用刚体极限平衡分析方法，根据边坡的滑面形态(圆弧或折线滑动)及验算需要，采用不同的分析计算方法。

边坡验算滑面应结合现场边坡变形现状采用固定或自动搜索模式，同时考虑边坡体结构、裂隙面以及降雨等外界因素的影响。

膨胀土滑坡往往从下部先滑，逐渐往上发展，形成多次滑动。因此，膨胀土边坡的稳定性分析宜同时对边坡的整体和局部进行滑动搜索和验算。

4 工程实例

以某2×660 MW坑口电站工程厂区某段膨胀土边坡为例，边坡高度约15～19 m，边坡岩土体主要由上覆的硬塑—坚硬的黏土(厚度一般为8～10 m)及下伏的全风化泥岩组成，各层土具弱—中膨胀潜势。工程场地的大气影响深度为3.90 m。

现场勘察期间，边坡已基本按照整体约1：2.5坡率完成开挖，当地雨季来临后，在暴雨工况下，边坡多处地段已发生较严重的滑动。

边坡的滑塌状况和滑面形态照片如图3和图4所示，可以看出滑坡形态是上小下大，发育有多条平行于边坡走向的张裂隙，表面可见陡坎和台阶。可以判定，滑坡是以牵引式滑动为主，坡体下部先滑动，继而引发滑塌向上不断发展。

图3 场地膨胀土边坡滑塌状况

图4 场地膨胀土边坡滑面形态

根据现场勘察得到的滑面剪出口、滑面深度以及后缘拉张裂缝位置，模拟出边坡的滑动面，以此对滑面抗剪强度参数进行反演分析，反演的滑面如图5所示。

图5 强度参数反演滑面

滑面参数反演时，反演滑面的稳定性安全系数取1.0，由此反算得出的抗剪强度参数(饱和状态)如表1所示。

表1 反演滑面的抗剪强度参数(饱和状态)

依据挖方边坡滑塌现状的参数反演情况，参考厂区边坡勘察的室内土工试验数据并结合挖方边坡现场地层勘察情况，考虑大气影响深度界线后，综合确定的抗剪强度设计参数如表2所示。

表2 综合确定的边坡强度设计参数

根据该方法选取的抗剪强度参数，对边坡进行整体和局部稳定性验算，如图6所示，稳定性验算结果如表3所示。

图6 边坡整体、局部稳定性验算剖面图

表3 边坡稳定性验算结果

根据验算结果可以看出，在天然工况下，边坡处于基本稳定状态，在暴雨和地震工况下，均处于不稳定状态，这与现场边坡客观实际稳定情况是基本相符的。因此，对于膨胀土边坡，抗剪强度参数选取方法总体上是合理可行的。

5 结论

本文通过对膨胀土地区边坡滑动破坏机理及特征的研究，探讨出膨胀土边坡抗剪强度参数的一种合理可靠的取值方法。

1)膨胀土边坡抗剪强度的选取宜建立在具有代表性地质条件的试验资料的基础上，宜采用多种试验手段取得抗剪强度指标。

2)膨胀土边坡抗剪强度参数选取时建议按如下原则采用： ①浅层(大气影响深度层)、水位变化幅值区，以及中层、深层土体宜区别采用不同的抗剪强度指标。②若边坡未有滑动破坏的迹象，浅层(大气影响深度层)内或水位变化幅值区抗剪强度(C、φ值)，建议按残余抗剪强度取值，中层范围内土层可以采取残余抗剪强度和峰值抗剪强度的中间值，深层土层可按峰值抗剪强度取值。③若边坡体已发生滑动破坏或变形迹象，滑面及其以上的抗剪强度指标宜按反算指标确定。滑动面以下到中层层底范围内的土体可按残余抗剪强度和峰值抗剪强度中间值，深层土层可按峰值抗剪强度取值。④抗剪强度参数宜按不同验算工况分别取值，饱和状态宜取相对低值，天然状态和地震工况宜取相对高值。

3)膨胀土边坡的稳定性分析，宜根据边坡的实际滑面形态(圆弧或折线滑动)及验算需要，采用不同的分析计算方法，宜同时对边坡的整体和局部进行滑动搜索和验算。