膨胀土边坡失稳特征及其防治技术标准化

徐永福，程岩，唐宏华

(1.上海交通大学土木工程系，上海，200240；2.中铁二十四局，上海，200433)

我国膨胀土分布较广，目前已在20 多个省、市、自治区发现有膨胀土分布，总面积在10万km2以上。全国有超过3 亿人生活在膨胀土分布地区[1-2]。膨胀土分布地区地质环境脆弱，人类工程活动活跃，水力作用频繁，导致膨胀土边坡“逢堑必崩、无堤不塌”，每年因膨胀土滑坡灾害造成的经济损失超过数百亿元[3-5]。膨胀土滑坡灾害不仅影响了当地的人居环境安全和社会稳定，而且对大型能源基地、水利设施、高速铁路、高速公路等重大工程的安全运营产生影响。膨胀土滑坡灾害防治已经成为地质灾害防治领域的难题。当前，人们对膨胀土滑坡和工程边坡的水力作用机理、失稳滑动特征和安全性分析缺少准确认识，膨胀土滑坡防治工程新型材料与新型技术发展滞后，亟需对此展开系统研究[6-9]。

膨胀土的黏土矿物主要包括亲水矿物蒙脱石和伊利石，具有吸水膨胀、失水收缩的胀缩特性。膨胀土对气候变化敏感，具有独特的工程地质特性(胀缩性和裂隙性)。受气候影响，膨胀土发生胀缩变形，产生裂隙，故常被称为“裂土”[10-12]。裂隙是引起膨胀土边坡失稳的根本原因，只要解决了裂隙问题，与膨胀土滑坡灾害相关的各类问题就可迎刃而解[13-15]。膨胀土的裂隙分为原生裂隙和次生裂隙2 类。原生裂隙是指在成土过程中由于温度、湿度、不均匀胀缩效应等地质营力作用而产生的裂隙，裂隙面呈蜡状光泽，多充填灰白色黏土，如图1所示。次生裂隙是指受风化和干湿循环等气候变化影响而新近产生的裂隙[16-17]。裂隙对膨胀土的强度影响显著，浅层的次生裂隙面和深部的原生裂隙面构成了膨胀土边坡失稳滑动面。南水北调中线南阳段的多处膨胀土边坡滑动面由原生软弱层面和膨胀土次生裂隙面组成，或由膨胀土中裂隙面贯通而成，地下3 m内的裂隙面优势倾向为NE 向，以倾角小于30°的缓倾角裂隙为主[18]。

图1 膨胀土的原生裂隙Fig.1 Primary fissures in expansive soil

膨胀土边坡稳定性分析必须考虑裂隙的影响[13,19]。殷宗泽等[13]基于条分法提出了近似反映裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析方法，如图2所示。殷宗泽等[13]将膨胀土坡在大气影响深度(hc)范围内划分成3 个亚层即裂隙充分发展层(a 层)、裂隙发育不充分层(b层)和无裂隙层(c层)。分别选取如下强度指标：a 层选取经过5 次干湿循环后饱和土的强度参数黏聚力cf和内摩擦角φf；c 层选取原状饱和土的强度参数黏聚力c0和内摩擦角φ0；b 层选取a层和c层土强度参数的平均值。图2中，hc=4 m。程展林等[18]将膨胀土边坡稳定性分为膨胀变形控制型和裂隙强度控制型，建立考虑膨胀变形的边坡稳定有限元分析方法和反映裂隙空间分布的边坡稳定分析方法。张坤勇等[20]分析了裂隙对膨胀土路基边坡稳定性的影响，认为裂隙所致土体强度衰减及渗流条件改变是导致边坡失稳的直接原因。赵思奕等[21]基于饱和-非饱和渗流理论，模拟降雨条件下膨胀土边坡的非饱和渗流过程和吸湿过程，分析了强度衰减、渗流软化和湿胀变形对膨胀土边坡整体稳定性的影响。在降雨条件下，经过多次干湿循环后，膨胀土边坡的破坏模式为浅层牵引式崩塌，如图3所示。由图3可见：破坏面位于风化区；湿胀软化引起边坡最大位移增大，稳定性系数显著降低。尽管在膨胀土边坡稳定性分析中考虑了已有裂隙的影响，但膨胀土边坡稳定性分析结果与实际情况仍有差别[20]。

图2 裂隙性膨胀土边坡稳定性分析示意图[13]Fig.2 Schematic diagram of stability analysis of fissured expansive soil slope[13]

图3 膨胀土边坡浅层牵引滑动分析[21]Fig.3 Traction slip analysis of expansive soil slope in shallow layer[21]

膨胀土边坡的稳定性问题是一个复杂问题，许多平缓型膨胀土边坡也会发生滑坡[20,22]。膨胀土边坡开挖时会出现超大水平应力，膨胀土的水平应力σh与竖向应力σv之比随时间的变化如图4所示。由图4可见：边坡坡率不是膨胀土边坡失稳滑动的唯一影响因素。因此，要确保膨胀土工程边坡稳定，对缓坡也必须采取防护措施。膨胀土边坡防护措施主要分为隔、挡、固3 类。所谓“隔”就是采用非膨胀性土将膨胀土边坡与外部环境分隔开来。非膨胀性土主要有非膨胀黏土、化学固化的膨胀土(如石灰土、水泥土等)、物理处治膨胀土(如加筋反包膨胀土、土工编织袋等)；引起膨胀土中水分变化的因素主要是气候和膨胀土裂隙水，可通过增加分隔层的厚度，消除气候和开挖卸荷的影响；裂隙水可通过在膨胀土边坡与分隔层之间增设排水结构，收集并排出裂隙水。“挡”即为支挡措施，多采用加筋挡墙、土工编织袋挡墙和聚苯乙烯泡沫(EPS)减载消能挡墙。“固”就是加固措施，如深层搅拌、深层注浆等固化技术和抗滑桩、锚杆等加固技术。

图4 膨胀土的水平应力与竖向应力之比随时间的变化[8]Fig.4 Change of ratio of horizontal stress to vertical stress of expansive soil with time[8]

当前，对于“隔”的防护措施研究最多。殷宗泽等[23]提出采用水泥(石灰)改良土覆盖膨胀土边坡坡面，抑制边坡表面胀缩变形，阻止水分含量变化，防止裂隙发育，确保边坡稳定。水泥(石灰)改良土层厚度以保证膨胀土不产生膨胀变形为宜。在膨胀土边坡外侧，设置土工格栅加筋反包结构或土工编织袋，限制加筋的膨胀土变形。土工格栅加筋反包结构和土工编织袋还能起到隔离封闭作用，减缓边坡表面水分含量频繁变化[24-30]。肖杰等[25]基于北京西六环膨胀土路堑边坡防护，提出土工格栅加筋反包的隔离方案，将土工格栅分层摊铺，包裹膨胀土形成整体结构，抑制膨胀土边坡的水平变形。XU 等[27-29]采用土工编织袋防护膨胀土路堑边坡，将边坡防护措施与生态绿化手段结合起来，取得了理想的防护效果和绿化效果。徐永福[30]对土工编织袋防护技术进行了标准化设计。YANG 等[24,29]在加筋结构与坡体之间设碎石排水层，以排出坡体内裂隙水。杨和平等[31]结合室内试验结果和工程实践经验，直接将膨胀土用作路堤填筑材料并填于特定的路堤部位，限制填芯部分的总高度，并对膨胀土填料进行隔离；将土体含水率控制在一定范围内，使路堤保持足够的强度和稳定性。

挡墙能够挡住膨胀土边坡的失稳滑动，主要包括重力式挡墙、板式挡墙等。吴镇清等[32]根据挡墙后设置减胀层的室内模型试验，发现砂垫层和板桩墙能减小膨胀力。这是因为板桩墙容许膨胀土发生变形，释放了部分膨胀力，降低了支护结构的荷载。膨胀土的土压力分布是挡墙结构设计的基础。KATTI等[33-34]根据膨胀土土压力的实测结果，发现土压力沿深度方向呈三角形分布，如图5所示。

图5 膨胀土的土压力分布示意图[33-34]Fig.5 Diagran of distribution of soil pressure for expansive soil[33-34]

膨胀土中存在深层潜在滑动面，可以采用搅拌桩、高压注浆、抗滑桩、锚杆等将膨胀土边坡固定，以防膨胀土边坡失稳滑动。夏炎等[35]在处治胥河大桥边坡滑动时，提出抗滑桩+复合土工膜治理膨胀土滑坡的思路，解决了安全隐患。孔祥平[36]根据滑坡发生的部位和深度，采取坡面拱+抗滑桩方案，其中坡面采用M7.50浆砌石坡面拱，拱脚基础采用抗滑桩。李涛等[37]根据江淮分水岭切岭段膨胀土特性，针对渠坡浅层滑动，采用以水泥改性土换填覆盖边坡表面为主、坡面及坡内排水为辅的处治措施；对于出露高度大于15 m 或者有大贯穿裂隙的膨胀土边坡，则采用抗滑桩防护。李晓霞等[38]采用数值仿真模型，分析了路堑边坡开挖过程中桩板墙受力变形规律，对桩板墙的设计参数进行了优化。王钊等[39-40]介绍了玻璃钢螺旋锚、土工格栅和土工泡沫在修复膨胀土渠道滑坡中的应用，其中土工泡沫可用于减小混凝土板衬砌下的膨胀力，土工格栅可用于提高渠坡的安全系数，玻璃钢螺旋锚则用来锚固水上坡的混凝土框架梁和水下坡的混凝土板。ZHU 等[41]通过现场试验建立了表征土钉抗拔性能的双曲剪切应力-应变简化模型，分析了钉径、土-水泥浆界面剪切阻力等因素对土钉拔出性能的影响。邹维列等[42]分析了上覆土层厚度、锚杆钻进长度、锚固后至拉拔的时间间隔、锚筋劈裂破坏等对玻璃钢螺旋锚抗拔力和拉拔位移的影响，总结了玻璃钢锚筋的破坏形式。膨胀土的土压力分布是防护措施设计的基础。向远华[43]根据某膨胀土路堑边坡支护结构的锚杆、框架梁和抗滑桩的现场监测结果，采用锚杆框架梁+双排抗滑桩结构支护膨胀土边坡，其结果表明锚杆锚固角对边坡稳定性影响不大，最优桩排距为桩截面宽度的8倍。蒋世庭等[44]所得双排抗滑桩土压力的监测结果与文献[43]中的结果一致。

在膨胀土边坡防护措施中，无论是分隔技术还是加固技术，若防护措施选择不当，则二者都可能失效，起不到防护作用。土工编织袋允许膨胀土产生少许变形，但如果施工措施不当，同样会发生滑坡破坏，如图6(a)所示。而抗滑桩的变形协调能力差，桩间土体可能因产生大变形而破坏，如图6(b)所示。由此可见，膨胀土边坡防护是非常复杂的问题，需要进行针对性研究。

图6 膨胀土边坡防护失效案例Fig.6 Failure cases of expansive soil slope protection

基于膨胀土边坡防治技术研究现状，需要关注以下2个关键问题：1)膨胀土滑坡和工程边坡的非线性多场多相耦合作用的结果响应和致灾机制；2)膨胀土滑坡和工程边坡的多层次异性异构协同工作的性能演化和灾害防治。按照“理论创新→技术突破→应用示范”的总体思路，围绕“失稳机理→探测评价→监测预警→综合防治→健康诊断→生态防护→应用示范”技术路线，有望实现膨胀土滑坡和工程边坡防治技术的标准化。本文从分析膨胀土边坡失稳特征着手，提出考虑裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析方法；针对该方法所得分析结果的偏差，提出裂隙性膨胀土剪切强度的选取方法；基于膨胀土边坡失稳特征，提出膨胀土边坡防护措施，并提出土工编织袋防护技术的标准化设计和施工方法。

1 膨胀土边坡的失稳特征

膨胀土边坡在开挖卸荷和大气环境影响下的胀缩变形是膨胀土裂隙发育的根本原因。气候作用下的裂隙发育、强度降低是膨胀土边坡滑动的直接原因；施工开挖卸荷、降雨入渗等是膨胀土边坡滑动的诱发原因；水的流动会加速膨胀土滑坡，裂隙水的渗透力使得滑动力矩增加，引起边坡稳定性系数显著下降。膨胀土边坡失稳特征如图7所示。水力作用下膨胀土边坡的失稳特征主要表现如下[1,15]。

1)浅层性。膨胀土滑坡深度与次生裂隙发育深度有关，如图7(a)所示。次生裂隙发育深度一般小于3 m，大气影响或风化作用下的裂隙深度大多为1～3 m，一般不超过6 m。经长期干湿循环后，次生裂缝发育达到稳定深度[23]。膨胀土滑坡受裂隙发育界面影响，具有明显的浅层性。据统计，襄渝(襄阳—重庆)铁路膨胀土边坡滑坡深度小于3.0 m的占53%，滑坡深度为3.0～6.0 m的膨胀土边坡占29%，滑坡深度超过6 m 的膨胀土边坡很少，如图3所示[21]。

图7 膨胀土边坡失稳特征Fig.7 Characteristics of slope instability for expansive soil

MITCHELL[45]推导出了基质吸力随气候变化的函数表达式：

式中：us(z,t)为土吸力随深度、时间变化的函数；us0为土的平衡吸力；us1为吸力的最大变幅；λ为气候变化频率；t为时间；ζ=(nπ/α)0.5；α为扩散系数。式(1)可用于研究气候变化引起的土层吸力变化规律。当n分别取0.5，1.0 和2.0，α取0.001 cm2/s，时间分别取0，0.5 和1.0 a 时，土体基质吸力随深度变化规律如图8所示[45]。由图8可见：当深度为3 m时，土体基质吸力趋于稳定，说明受大气影响的土体深度一般不超过3 m，这就决定了膨胀土边坡失稳滑动的浅层性。

图8 膨胀土基质吸力随深度的变化[45]Fig.8 Variations of matric suction for expansive soil with depth[45]

2)牵引性。膨胀土滑坡属于牵引式滑坡，如图7(b)所示。在边坡开挖过程中，随着边坡卸荷、水分变化、土体强度减小，滑坡从坡脚开始，逐级向上发展、贯通，形成阶梯状、叠瓦式滑坡。在边坡开挖过程中，膨胀土边坡的水平应力远大于垂直应力，沿坡肩向坡脚逐渐递增；坡脚处剪应力集中区最早进入塑性极限状态，抗剪强度从峰值降为残余值，从边坡坡脚开始失稳滑动，逐渐向上扩散、转移，造成边坡的牵引式和叠瓦式滑动，产生顺坡向或近水平向的裂隙；裂隙在剪应力作用下逐渐连通，形成近顺坡向或水平向的滑动面。裂缝发育将坡体分成2个部分，滑坡发生在强度低的裂隙发育区，滑动面将与裂隙界面相切(见图3)，滑坡面切割范围小，安全系数较小[23]。坡脚处最先出现的滑坡体的顶部形成陡坎，成为下一个局部滑动体的组成部分。

3)平缓性。如图7(c)所示，膨胀土滑坡多沿原生软弱结构面滑动，滑坡后缘是垂直裂隙，为陡坎；主滑段与原生软弱结构面重合，坡度为3°～15°，后缘陡坎与平缓主滑段之间是弧形过渡段。膨胀土单个的局部滑动未必平缓，但整体的滑动平缓。另外，裂隙水和坡面流水形成渗流，也增加了滑动力，使膨胀土平缓滑坡成为可能。

膨胀土的剪切强度受含水率控制，地下水位实际上就是膨胀土剪切强度的等值线。RAHARDJO 等[46]发现最干状态和最湿状态下地下水面倾角分别为27°和24°，膨胀土边坡的滑面倾角接近地下水面倾角，为20°～30°。据统计，我国膨胀土边坡滑动面倾角分布如图9所示。由图9可见：滑坡面倾角小于等于30°的滑坡占90%以上。

图9 膨胀土边坡滑动面的倾角分布Fig.9 Dip angle distribution of sliding surface of expansive soil slope

4)反复性。如图7(d)所示，在天然气候作用下，膨胀土的循环胀缩特性决定了滑坡具有反复性。已沉寂多年的老旧滑坡都有可能再次复活、滑动。图10(a)所示为陕西安康膨胀土浅层滑坡反复滑动现象，可见在膨胀土边坡表层形成“舌状”“鱼鳞状”滑动体。“舌状”“鱼鳞状”滑动体的形成机制见图10(b)。

图10 膨胀土滑坡的反复性Fig.10 Repeatability of expansive soil landslide

刘静德[47]采用模型试验，研究了降雨条件下膨胀土边坡变形随时间的变化，如图11所示。由图11可见，膨胀土边坡失稳过程分为4个阶段。

图11 膨胀土边坡变形随时间的变化[47]Fig.11 Variation of deformation for expansive soil slope with time[47]

a.启动阶段。此阶段膨胀土边坡的变形和变形速率都很小。降雨前，蒸发作用引起坡面裂隙发育，降雨导致雨水沿裂隙入渗。

b.快速变形阶段。在降雨作用下，雨水由裂隙向土体入渗，坡面变形迅速发展。

c.稳定阶段。降雨停止后，雨水不再入渗，土体变形停止。

d.破坏阶段。经历多次降雨－蒸发循环，边坡土体强度明显降低，裂隙发育、贯穿，边坡发生失稳滑动。

5)成群性。如图7(e)所示，膨胀土边坡失稳滑动具有成群性。膨胀土滑坡主要发育于强膨胀土分布、软弱夹层发育地区，在空间上呈成群集中分布。膨胀土边坡每发生一次滑坡，就为下次滑动创造了条件。膨胀土边坡发生滑坡后，坡体松散，裂隙发育程度高，前一次滑坡面形成的贯穿裂隙，都为下一次滑坡提供渗水和蒸发通道，使土体剪切强度减小速率更快、减小幅度更大、变化更频繁，在发生过滑坡的位置附近的坡体更容易发生滑动，由此可见膨胀土滑坡具有成群性。

6)方向性。如图7(f)所示，南水北调渠道边坡向阳一侧滑动现象频繁出现，而另一侧渠道边坡滑坡现象少。这是因为向阳边坡日照时间长，温度变化大，裂缝发育显著，滑坡可能性大。

7)季节性。膨胀土滑坡在雨季和春季频繁发生，具有明显的季节性和间歇性。在雨季，雨水通过竖向次生裂缝进入膨胀土边坡体内部，坡体非饱和土很快转变为饱和土，土体强度快速降低，同时在裂隙内形成顺坡向的渗流，在渗透力作用下，边坡下滑力增大，触发膨胀土边坡失稳滑动。

MITCHELL[45]研究了气候影响下土体吸力随深度和时间的变化，如图12所示。由图12可见：土体吸力随时间呈周期性变化。以坡面土体的基质吸力变化为例，6月份的基质吸力最小。这是因为6月份雨水充足，土体饱和度高，吸力小。12月份雨水最少，气候干燥，土体饱和度小，吸力大。

图12 膨胀土的基质吸力随时间的变化[45]Fig.12 Variation of matric suction for expansive soil with time[45]

2 膨胀土边坡稳定性分析

2.1 基于裂隙深度的极限平衡分析

考虑裂隙影响，基于Bishop 法的边坡稳定性系数Fs表达式为

式中：c为黏聚力；φ为内摩擦角；l为土条宽度；θi为滑面倾角，mθi=cosθi+tanφsinθi/Fs；Fw为裂隙中水 压 力 的 合 力，Fw=0.5γwhw2；hw为后缘裂隙的深度；aw为圆心到水压力合力作用线的距离；Wi为土条重力；ui为孔隙水压力。

采用有限元SEEP/W 计算裂隙中水压力的分布，根据Bishop 法计算考虑裂隙影响的边坡稳定性系数，如图13所示。图13中，hw=1 m，c=10 kPa，φ=20°。由图13可见：随着裂隙中水压力增大，膨胀土边坡稳定性系数明显降低。

图13 裂隙水压力对边坡稳定性的影响Fig.13 Influence of fracture water pressure on slope stability

选取裂隙深度(hw)分别为0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 m，膨胀土的黏聚力(c)分别为5，10和20 kPa，内摩擦角(φ)分别为10°和20°，分析膨胀土边坡稳定性系数，结果如图14所示。对于膨胀土边坡，即使选取极不利的剪切强度参数(c=5 kPa，φ=10°)，按照Bishop条分法计算得到的裂隙性膨胀土边坡的稳定性系数基本都大于1.0，这与文献[20]中的结论一致。因此，对于膨胀土边坡而言，采用条分法计算所得的是瞬态稳定性系数，但膨胀土边坡滑动还具有长期性，因此，在对膨胀土边坡的长期安全性进行评价时，还需要考虑干湿循环作用下的裂隙发育和原生结构层的膨胀弱化作用。

图14 裂隙深度对边坡稳定性系数的影响Fig.14 Influence of crack depth on slope stability coefficient

2.2 裂隙性膨胀土的剪切强度

根据裂隙发育的拉伸破坏模型[48]可知，当土体受到的拉应力超过拉伸强度时，裂隙发育。殷宗泽等[13-14]认为膨胀土的高收缩性和低渗透性导致了膨胀土的裂隙性，拉应力是由土体蒸发失水过程中的不均匀收缩变形引起的。TANG等[49]认为：随着水分蒸发，表层土颗粒间的弯液面曲率变大，吸力增加，土体产生收缩变形。当收缩变形受到限制时，土体表面形成拉应力，当拉应力超过土颗粒间的拉伸强度时，产生裂隙，如图15所示。ABU-HEJLEH等[50]假设一维收缩过程中裂隙发育，当土体的水平向应力(σh)等于拉伸强度(σt)时，土体裂隙开始发生、发育。

图15 膨胀土裂隙发育的微观机理[49]Fig.15 Microscopic mechanism of crack development in expansive soil[49]

对于浅层边坡，LI 等[51]基于ABU-HEJLEH等[50]的裂隙发育判据，假设K0状态下土体的侧向变形为0，得到浅层边坡发生失稳的条件如下：

式中：us为基质吸力，us=ua-uw；k为常数，k=M/E(1-μ)；ua为孔隙气压；uw为孔隙水压；M为与基质吸力对应的土体模量；E为用净应力(σ-ua)表示的弹性模量；μ为泊松比。

对于由原生裂隙面控制的膨胀土滑坡，膨胀土原生裂隙面完全软化后，黏聚力很小，原生裂隙面的剪切强度主要与内摩擦角相关[20]。参考BARTON[52-53]提出的岩体剪切强度公式，可得裂隙膨胀土的剪切强度τf为

式中：σn为正应力；φl为裂隙面的摩擦角；Cl为裂隙面的粗糙系数，光滑面取5，粗糙面取20；σc为土体的抗压强度。取Cl=10，裂隙面的摩擦角φl=10°，不同条件下裂隙性膨胀土的剪切强度如图16所示。由图16可见：在原生结构面完全软化之前，抗压强度越大，土体的剪切强度也越大；原生结构面完全软化后，土体具有相同的破坏强度。因此，含原生裂隙的膨胀土边坡，如果原生裂隙面是顺坡向、且倾角大于裂隙面的摩擦角，那么，膨胀土边坡就会发生滑动。

图16 不同条件下裂隙性膨胀土的剪切强度Fig.16 Shear strength of fissured expansive soil under different conditions

基于裂隙膨胀土的强度和膨胀土充分软化后的饱和土强度特性可知，膨胀土边坡是否失稳滑动可能与膨胀土边坡坡率无关。因此，结合膨胀土边坡开挖的卸荷效应，通过降低膨胀土边坡坡率以增加边坡稳定性，可能是膨胀土边坡防护的一个误区。

3 膨胀土的土压力

KATTI等[33]为了比较垫层和盖层对膨胀土土压力的影响，在墙与膨胀土之间设置垫层，在膨胀土顶设置盖层，非膨胀性黏土和膨胀土对壁墙的土压力测试结果如图17所示。由图17可见：膨胀土的土压力远大于非膨胀性黏土的土压力；土压力随深度增大而呈两段式线性分布，即浅层(深度小于1.45 m)土压力增幅大，深层(深度大于1.45 m)土压力增幅小。另外，垫层可以有效地减小壁墙上的土压力，盖层对土压力影响小，但能有效地减少膨胀变形。

图17 垫层和盖层对膨胀土土压力分布的影响[33]Fig.17 Influence of cushion and cover on distribution of soil pressure for expansive soil[33]

向远华等[43-44]根据膨胀土路堑边坡中的双排抗滑桩支挡结构的土压力的长期监测结果，发现前排悬臂桩桩前的被动土压力可简化为梯形分布，桩后的主动土压力呈三角形分布；后排全埋式抗滑桩桩前和桩后的土压力都可以简化为三角形分布，如图18所示。在膨胀土边坡如果没有明显滑坡面，后排桩不需要进行滑坡推力分配[43]。

图18 抗滑桩前后侧土压力分布[43-44]Fig.18 Soil pressure distribution on the front and rear side of anti-slide pile[43-44]

KATTI等[33]根据膨胀土土压力的测试结果，推导出膨胀土土压力的计算公式：

式中：pL,SW为膨胀土的侧向土压力；pL,CNS为非膨胀性黏土的侧向土压力；ps为膨胀土的膨胀力。

SUDHINDRA等[54]推导出了膨胀土的土压力分布的经验公式：

式中：a为膨胀土的黏粒(粒径小于2 μm)质量分数；rd为相对深度(z/z0)；z为深度，z0=1 cm。

张颖钧[55]通过现场实测得到了安康膨胀土的水平向膨胀力ps,x与竖向膨胀力ps,y的关系，结果如图19所示。膨胀土的水平向膨胀力与竖向膨胀力的关系为ps,x=ps,y=K0ps,z，类似于静止土压力与竖向应力的关系。因此，膨胀土的膨胀力与土体的自重应力类似。在朗肯土压力公式中直接添加膨胀力的影响，则膨胀土的土压力[29]可表示为

图19 膨胀土水平向膨胀力与竖向膨胀力的关系[55]Fig.19 Relationship between horizontal expansive force and vertical expansive force of expansive soil[55]

式中：σa为土压力；γ为土的容重；h为土的厚度；σs为膨胀应力即膨胀力引起的竖向应力；p0为均布荷载；Ka为土压力系数。在膨胀土边坡地表附近，膨胀土受气候的干湿循环影响，膨胀变形不受限制；随着深度增大，土体自重应力增加，膨胀变形受到限制，膨胀应力增加。在大气影响深度处，膨胀变形为0，膨胀应力等于膨胀力。因此，膨胀应力可表示为

式中：σs为膨胀应力；za为大气影响深度。

不同膨胀程度下膨胀土的土压力计算结果如图20所示。图20所示膨胀土的土压力分布曲线与文献[33]中的实测结果一致，即浅层土压力分布直线的斜率大、深层土压力分布直线的斜率小；膨胀土的土压力明显大于非膨胀性黏土的土压力，土压力随膨胀力增大而增大。

图20 不同膨胀程度下膨胀土的土压力分布Fig.20 Distribution of soil pressure for expansive soil at different expansive degrees

4 膨胀土边坡防治技术

4.1 分“隔”措施

4.1.1 固化土覆盖技术

殷宗泽等[14-15,23]对水泥(石灰)改性土覆盖技术进行了深入研究，并将其成功应用于南水北调工程和镇江南徐大道黄山段膨胀土边坡的防护中。陆上膨胀土边坡防护可以直接覆盖土工膜，防止表面水分蒸发，阻止裂缝发育。由于土工膜是永久性结构，土工膜要埋在土中；土工膜在坡顶要延伸10 m 以上，坡顶要有排水设施。殷宗泽等[15]总结了镇江南徐大道黄山山坡膨胀土边坡覆盖土工膜的施工经验，提出将边坡挖成台阶状，在其上摊铺土工膜，土工膜上再回填膨胀土的防治措施。

水下膨胀土边坡覆盖的水泥(石灰)改性土，水泥掺量一般为3%～6%，石灰掺量一般为5%～8%。如图21(a)所示，浸润线以上的边坡范围内覆盖土层厚度根据膨胀土的膨胀率试验确定，即利用覆盖土层的自重力，防止坡下膨胀土产生膨胀变形。如图21(b)所示，覆土厚度(h)由膨胀率为0 时的荷载(p0)换算得到，即h=p0/γ。此外，混凝土衬砌可以配置钢筋，或采用柔性混凝土，以适应边坡少许膨胀变形。根据引江济淮试验段膨胀土渠道边坡的防护经验，开挖时应预留40～50 cm 的挖方，等到边坡防护工程施工时，以最快速度、在最短时间内挖除预留土方，立即铺填非膨胀性黏土或水泥(石灰)改性土，压实后实施坡面防护[15]。

图21 固化土覆盖层的设计方法Fig.21 Design method of solidified soil overlay

南水北调膨胀土渠道边坡的防渗保湿措施除了采用非膨胀性黏土或水泥改性土覆盖(图22(a))之外，还采取了其他的防渗保湿措施：1)在坡底局部增加覆盖土厚度(见图22(b))，减缓水分渗入膨胀土边坡体内，同时增加坡面压重，抑制膨胀变形；2)在坡底覆盖土层后面，增加排水层(见图22(c))，排出膨胀土边坡坡体内的裂隙水；3)在膨胀土边坡坡体内实施搅拌桩施工或采用高压注浆，加固膨胀土边坡坡体内的软弱层，同时在坡底设置集水井，疏干坡体内的地下水。综上可知，膨胀土边坡防护的覆盖技术可以简单地概括为“压”“排”。“压”即在边坡坡面加压，抑制膨胀变形；“排”即排出坡体内的裂隙水，保持坡体干燥。

图22 膨胀土渠道边坡防渗保湿措施Fig.22 Seepage-proofing and moisturizing measures for expansive soil channel slope

4.1.2 土工编织袋覆盖技术

MATSUOKA 等[56]建立了土工编织袋的力学模型，如图23所示。土工编织袋的黏聚力c表示为

式中：σt为编织袋的拉伸强度；Kp为袋内填料的被动土压力系数；H和B分别为单个土工编织袋的厚度和宽度。

如图23所示，土工编织袋防护膨胀土边坡应满足如下条件：

图23 土工编织袋的力学模型[56]Fig.23 Mechanical model of geotextile bag[56]

式中：f为摩擦力；Pa为主动土压力；Ks为抗滑稳定性系数，一般要求Ks≥1.3。整列土工编织袋顶、底面上的摩擦力总和f为

式中：b为1列土工编织袋的宽度；n为边坡坡率。作用在土工编织袋的主动土压力Pa为

式中：H0为膨胀土边坡高度。根据式(10)～(12)，对土工编织袋防护技术进行设计，如图24所示。

图24 土工编织袋护坡设计示意图Fig.24 Schematic diagram of slope protection design by geotextile bag

4.2 支“挡”措施

4.2.1 土工编织袋挡墙

土工编织袋挡墙设计示意图如图25所示。挡墙顶和底层的摩擦力总和为

图25 土工编织袋挡墙设计示意图Fig.25 Schematic diagram of retaining wall design by geotextile bag

土工编织袋挡墙顶和底部的主动土压力为

膨胀土的土力学参数如下：γ=20 kN/m3，c=20 kPa，φ=20°，φs=2φ/3。土工编织袋挡墙宽度(br)与挡墙高度(hr)的关系如图26所示。由图26可见：随着膨胀力增大，挡墙宽度增大；随挡墙高度增大，挡墙宽度随之增大，挡墙宽度基本上为挡墙高度的2倍，这与文献[56]中所得结论一致。

图26 土工编织袋挡墙的宽度与高度的关系Fig.26 Relationship between the width and height of the retaining wall of geotextile bag

4.2.2 EPS减载挡墙

聚苯乙烯泡沫(EPS)是在聚苯乙烯树脂中加入发泡剂形成的发泡树脂，原始成分是苯乙烯(C8H8)，由乙烯(C2H4)和苯(C6H6)反应生成。当n＜4时，EPS表现为气态；当n为5～17时，EPS表现为液态；当n＞17时，EPS表现为固态[57]。EPS的结构示意图如图27所示。由图27可见：EPS 分子结构呈六边形蜂窝状。在单向压力作用下，垂直压力方向上的六边形壁受拉伸应力作用，EPS的拉伸强度很大，不容易拉断，不容易变形，抗压强度高。对不同密度(30 kg/m3和19 kg/m3)和不同边长(100 mm 和200 mm)的EPS 块体进行压缩试验，压缩试验速率为20 mm/min，结果如图28所示。

图27 EPS的结构示意图[57]Fig.27 Schematic diagram of EPS structure[57]

图28 EPS块体的应力-应变关系Fig.28 Stress-strain relationship of EPS block

EPS 块体具有抗变形能力好和强度高的特点，可以用于减小挡墙和桥台土压力。EPS应用工况如图29所示[58-59]。AYTEKIN[60]采用数值方法分析了EPS 块体对土压力的减小效果，膨胀土的容重取20 kg/m3，结果如图30(a)所示。在自然状态下，膨胀土挡墙上的土压力很小；而当膨胀土膨胀后，挡墙上的土压力大幅度增加。在挡墙后增加不同厚度的EPS 垫层，挡墙上的土压力有不同程度减小。当EPS 层的厚度为1/10hr～1/5hr时，挡墙上的土压力在整个挡墙高度范围内为定值，且远小于膨胀土的土压力。XIE等[61]采用数值模拟方法所得结果与文献[60]中的结果类似。IKIZLER 等[62]采用试验方法研究了EPS 块体减载效果，结果如图30(b)所示。随着时间延长，膨胀土的竖向应力和水平应力(土压力)缓慢增加，且当其达到最大值后便逐渐减小并趋于稳定；土压力随EPS 厚度增加明显减小。

图29 EPS应用工况[58-59]Fig.29 Application of EPS block[58-59]

AYTEKIN[60]认为EPS 块体将挡墙上、下部位的荷载均布化，即将挡墙下部的土压力转移到挡墙的上部，实现减载。EPS 块体减载机理[63-64]如图31所示。挡墙后面增加EPS 块体，在土压力作用下，EPS 块体承担的土压力随着变形增大而增大，挡墙上的土压力随EPS块体变形增大而减小。当EPS 块体的土压力与挡墙土压力达到平衡时，挡墙的土压力远远小于没有EPS块体时的土压力。

图31 EPS减载机理[63-64]Fig.31 Lightening mechanism of EPS block[63-64]

膨胀土边坡防护结构中采用EPS 块体减载，设计时需要根据膨胀土特性确定EPS 块体的密度和EPS垫层的厚度。为了保证挡墙的稳定，EPS垫层减载后挡墙上下的土压力应为常数(σ0-σb)。因此，EPS的厚度取1/10hr～1/5hr(见图29(a))。EPS块体弹性应变为1%～3%，一般地，选取EPS 块体的应变εb=2%，由平衡应力和应变计算得到EPS的弹性模量Es=σb/εb。EPS 的密度可以根据弹性模量选取。EPS的密度与弹性模量的建议值[65]见表1。

表1 EPS的密度与弹性模量的建议值[65]Table 1 Recommended values of density and elasticmodulus of EPS[65]

4.3 加“固”措施

4.3.1 抗滑桩

在边坡防治中，应分别计算在滑动面上、下的抗滑桩内力。滑动面以上视为弹性定向铰支的悬臂梁，滑动面以下视为Winkler弹性地基梁。抗滑桩受到的外力主要有桩后滑坡推力和桩前土体抗滑力，滑坡推力和抗滑力计算方法不同[66-72]。

抗滑桩受力分析[66-67]如图32所示。ITO 等[66]根据极限平衡分析方法，进行如下假设：1)土体沿AEB和A′E′B′这2个滑动面发生剪切破坏，EB面与x轴的夹角α=π/4+φ/2；2)滑体AEBB′E′A′的极限破坏满足Mohr-Coulomb准则；3)主动土压力作用在AA′面上；4)该问题属于平面应变问题；5)桩是刚性的；6)忽略AEB和A′E′B′滑动面上的摩擦力。根据以上假设，可得沿桩分布的水平向应力[66-67]为

图32 抗滑桩受力分析[66-67]Fig.32 Stress analysis of anti-slide pile[66-67]

式中：α=π/4+φ/2；β=α/2；δ=π/4-φ/2；Nφ=tan2α，Mφ=exp{[(d1-d2)/d2]Nφtanφtanβ}；a=d1(d1/d2)b。

式(15)能够反映抗滑桩上水平应力的分布，但计算过程复杂。戴自航等[68]通过合理地假设抗滑桩上的滑坡推力和抗滑力的分布模式，简化了抗滑桩的设计计算方法。

张国强等[72]提出了由抗滑桩、坡面支撑梁和渠底横梁组成的新型组合支护结构，如图33所示。该结构将传统的悬臂式抗滑桩由悬臂结构变为简支结构，提高了结构承载力。新的支护结构对渠坡坡面变形和渠底回弹变形具有抑制作用。

图33 抗滑桩-坡面支撑梁-渠底横梁的组合结构示意图[72]Fig.33 Combined structure diagram of anti-slide pileslope support beam-channel bottom beam[72]

4.3.2 锚杆利用锚杆头部、杆体的特殊构造和尾部托板，将土体与混凝土框架梁(水上)或混凝土板(水下)连接在一起，可以实现膨胀土边坡支护。锚杆杆体材料主要包括钢材、玻璃纤维和玄武岩纤维。杆材的力学参数见表2。从保证锚固效果的角度考虑，杆体与土体应尽量保持同步变形，因此，玻璃纤维是最佳的杆体材料。膨胀土边坡的水平应力比竖向应力大得多，膨胀土边坡锚杆支护原理可以用GALE 等[73]提出的最大水平应力理论解释。在最大水平应力作用下，膨胀土边坡坡体发生剪切破坏，出现错动、膨胀，引起坡体变形。锚杆能够约束土体沿轴向膨胀和垂直于轴向的剪切错动。

表2 锚杆材料的力学参数Table 2 Mechanical parameters of bolt material

根据“岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范”[74]，锚杆锚固长度(La)计算公式如下：

式中：K为抗拔安全系数，取2.2；Nt为轴向拉力设计值；D为钻孔直径；d为杆件直径；fmg为土与注浆体间的黏结强度标准值；η为界面黏结强度降低系数，取0.60～0.85；fms为筋体与注浆体间的黏结强度标准值；ψ为锚固长度影响系数，取1.0；υ为筋体根数。

锚杆加固边坡机理如图34所示。根据图34可以得到锚杆加固边坡的稳定性系数计算公式：

图34 锚杆加护边坡机理Fig.34 Mechanism of anchor bolt protecting slope

对式(17)中的θ求导数，可得到锚杆最优倾角[74-75]。锚杆最优倾角满足如下条件：

式中：ζ=ps/W；ξ=T/W；T为锚杆拉力；W为混凝土框架梁和混凝土板的质量，W=S·tc；tc为混凝土的厚度；S为单根锚杆支护的边坡面积。锚杆最优倾角θopt表达式为

要满足膨胀力的稳定性要求，每根锚杆所承担的边坡表面面积需满足以下条件：

5 土工编织袋防护技术标准化及其应用

膨胀土防护标准化是指针对不同等级、不同坡高的膨胀土边坡，提出标准的防护结构单元，以供施工单位直接采用。以坡高分别为4 m 和6 m，中等膨胀土边坡防护为例，膨胀土的土力学参数选取如下：γ=20 kN/m3，c=20 kPa，φ=20°，φs=2φ/3。采用长×宽×高为40 cm×40 cm×10 cm 的土工编织袋，土工编织袋的横向总宽度分别为1.6 m 和1.9 m。对于坡度为1.0∶1.5、高为4 m的膨胀土边坡，以3层土工编织袋作为1个标准单元(如图35所示)，计算可得标准单元的稳定性系数为1.53，大于1.30；同样，对于坡度为1.0∶1.5、高度为6 m 的膨胀土边坡，以4 层作为1 个标准单元，计算得到标准单元的稳定性系数为1.57，大于1.30，满足稳定性要求。

图35 土工编织袋的标准单元示意图Fig.35 Schematic diagram of standard units for geotextile bag

江苏某绕城高速公路沿线为弱膨胀土，边坡高度为3.8 m。以3 层土工编织袋作为1 个基本单元，在膨胀土边坡防护现场施工中，开挖30 cm高度台阶，以节省开挖土方和土工编织袋使用数量。土工编织袋边坡防护具体施工步骤如下。

1)开挖。现场采用挖掘机开挖膨胀土边坡，开挖成台阶状，台阶高度为30 cm，坡度为1.0∶1.5。

2)装袋。用现场开挖的膨胀土直接装填编织袋，编织袋的充填率一般为80%。

3)摊铺。土工编织袋摊铺在开挖好的台阶上，折叠土工编织袋袋口，使得土工编织袋折成边长为40 cm的方块。

4)压实。在土工编织袋之间适当补填少量砂、石灰改性土等路基填料；用平板振动夯机压实土工编织袋，同时将土工编织袋之间的填料振实。

5)培土。在土工编织袋顶部填筑石灰土或水泥土，厚度为40～60 cm，坡顶做好防水措施。

6)绿化。在土工编织袋外侧摊铺草皮。土工编织袋施工完成后15 a，膨胀土边坡一直保持稳定，边坡绿化草坪灌木花草生长正常，说明土工编织袋防护效果良好。

6 结论

1)受气候影响，膨胀土边坡失稳滑坡具有浅层性、牵引性、平缓性、反复性、长期性、周期性、成群性、季节性和方向性等特征。

2)即使采用很小的剪切强度参数(黏聚力c=5 kPa，内摩擦角φ=10°)，根据Bishop 条分法计算得到的膨胀土边坡的稳定性系数仍大于1.0，该计算结果可能不能反映膨胀土边坡稳定性的真实性状，即基于极限分析的圆弧滑动条分法不适合用于膨胀土边坡稳定性分析。

3)膨胀土边坡体中的裂隙分为次生裂隙和原生结构面裂隙。次生裂隙主要是由于干湿循环导致膨胀土基质吸力超过拉伸强度，裂隙发育，次生裂隙发育即为膨胀土边坡的浅层失稳滑动；当原生结构面充分软化后，黏聚力丧失，只要结构面的倾角大于充分软化后结构面的摩擦角，边坡就会失稳滑动。膨胀土边坡是否失稳滑动，与膨胀土边坡坡率没有关系。减小坡率以增加边坡稳定性，是膨胀土边坡防护的误区。

4)基于朗肯土压力理论，提出了膨胀土土压力的计算公式，膨胀土土压力的计算结果与测试结果一致。

5)聚苯乙烯泡沫(EPS)板用作膨胀土边坡防护的减胀效能材料具有较好的减胀效果，EPS板的厚度为挡墙高度的1/10～1/5。

6)膨胀土边坡防护技术主要分为分隔技术、支挡技术和加固技术3类，简称“隔”“挡”“固”。其中，“隔”主要是采用非膨胀性黏土或改性土的覆盖、加筋反包和土工编织袋等的分隔技术。裂隙发育是膨胀土边坡失稳滑动的根本原因，采用分隔技术可以有效地防渗保湿和抑制膨胀变形。

7)土工编织袋防护膨胀土边坡具有很好的分隔效果；采用所提土工编织袋防护膨胀土边坡的标准化设计和施工方法，可取得较好的防护效果。