膨胀土裂隙、强度及其与边坡稳定的关系

龚壁卫

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

20世纪30年代末，美国俄勒冈州在进行钢制虹吸管的基础处理时，工程师们发现了一种与一般黏性土不同的高塑性黏土，并意识到这种高塑性黏土——膨胀土及其对工程的影响。为此，岩土工程师开始探讨膨胀土的鉴别和试验技术。随着世界各地陆续发现膨胀土，各国相继开始了对膨胀土的专门研究，并逐渐建立起膨胀土的理论体系[1]。1965年第一届国际膨胀土会议在美国召开，标志着岩土工程及工程地质中的一个新的研究领域的形成。20世纪70—80年代膨胀土研究在世界范围内蓬勃发展并形成一股研究的热潮，许多国家为统一对膨胀土的认识，制定了共同遵循的设计原则和工程措施，并先后颁发了标准化的文件和规程规范，一定程度上解决了膨胀土的工程问题。20世纪90年代，非饱和土土力学理论蓬勃发展，将膨胀土研究提升到一个新的高度[2-3]，人们从膨胀土的含水率改变所引起的吸力变化，联系到土体强度的变化，再到边坡的失稳，形成一条逻辑关系明确的因果链，似乎解开了膨胀土边坡失稳的关键，有关膨胀土的研究课题也再次成为岩土工程的热点之一。然而，直到21世纪初，膨胀土的工程边坡仍时常发生失稳，对其破坏现象的描述和破坏机理的分析也莫衷一是。究其原因，可归结为对膨胀土边坡失稳的内在机制尚未完全掌握。在研究膨胀土的工程问题时，往往将关注的重点放在膨胀土的强度理论研究上，而忽视了土性及地质条件、环境因素对边坡稳定的影响。如：关注到含水率变化对膨胀土强度的影响，却忽视了膨胀变形对边坡稳定的影响及地质条件的控制作用等。由此，在膨胀土工程边坡的稳定分析中，常常出现即使将土体强度一再折减，仍无法准确得到实际边坡的安全系数的情况。值得注意的是，工程中岩土体的破坏往往不是简单的强度问题，而是土性及其特定地质条件与环境因素共同作用的结果，膨胀土边坡的破坏尤为如此。

本文归纳总结了自2000年以来长江科学院研究团队所开展的多项大型膨胀土渠(河)道边坡工程的研究成果，从膨胀土的裂隙性、强度特性、膨胀变形特性等角度论述膨胀土边坡的稳定影响因素、边坡破坏模式和破坏机理。为便于称谓，本文所论及的膨胀土边坡除特别说明以外，均指经人工开挖形成的膨胀土(岩)工程边坡。

2 膨胀土的裂隙性

多裂隙是膨胀土的重要特征之一，人们很早就开始关注到裂隙对膨胀土边坡稳定的影响，但始终没有将不同成因的裂隙区别开来。膨胀土地区天然边坡常见垂直于地表的、无规则的龟裂状裂缝，其深度一般位于浅表层大气影响深度范围以内，大气降雨时这些裂缝会迅速闭合。由于这类裂隙是因土体湿胀干缩、拉裂破坏所产生，文献[4]将其称之为胀缩裂隙(Expansion and Shrinkage Crack)。此外，还有一类裂隙，天然状态下是闭合、有一定的连续性和优势倾向，并成层分布的，部分裂隙还“充填”有灰白、灰绿色软塑状黏土，只有在开挖施工或边坡发生较大变形时裂隙才可能拉开。对于这类裂隙成因，文献[5]和文献[6]认为是由构造应力形成的，文献[7]认为是超固结土层剥蚀卸荷和侧向卸荷引起的，还有人推测是胀缩裂隙被黏土充填覆盖后形成，但从裂隙多为水平、成层分布的形态上看，这些解释都缺乏可靠的依据，因此，尚存在较大的争议。为此，文献[4]将这类裂隙称为非胀缩裂隙(Non-expansion and Shrinkage Crack)。

广义上的非胀缩裂隙包括原生裂隙、地层结构面或地层分界面，在膨胀土边坡中大量存在，其延伸性和尺度也远大于胀缩裂隙，比较典型如南水北调中线工程淅川、南阳等地的膨胀土(图1)。该地区主要为第四系上、中更新统湖相或河湖相沉积黏性土，地层中普遍存在长数米乃至数十米的原生裂隙和层间界面。原始地貌多为蜿蜒起伏的丘陵状，部分地区自然坡度接近10°，皆因沉积地层风化剥离和雨水冲刷的形成。类似现象，在广西、安徽、四川等地也有描述，如广西南友路膨胀土地段大量揭示的“节理”“层理面”[8]、安徽引江济淮工程江淮沟通段膨胀土(岩)地层中的短小裂隙及泥岩软化带，以及鄂北调水工程的Q2与Q3地层界面等。为此，有人将膨胀土称之为“裂土”[9]，其中，既包含膨胀土胀缩开裂形成的次生裂隙——胀缩裂隙，也包含天然形成的原生裂隙——非胀缩裂隙。

图1 膨胀土工程中的非胀缩裂隙照片Fig.1 Photos of non-expansion and shrinkage crack in expansive soil engineering

胀缩裂隙与非胀缩裂隙的成因不同，其对边坡稳定的影响也完全不同，前者主要破坏了土体的整体结构，使降雨等地表水更容易渗透到地层内部，从而引起土体强度和变形的一系列变化；后者则源于土体的各向异性以及裂隙在应力场作用下的逐渐拉裂和贯通作用。有关胀缩裂隙与非胀缩裂隙的强度特性及对边坡稳定的影响在后续内容中将进一步论述，本节重点论述两类裂隙的发育规律。

前已述及，胀缩裂隙是膨胀土干湿循环产生的次生裂隙，因此，可以在室内采用干湿循环试验制造，通过裂隙拍照获取裂隙的数量、分布等裂隙发育规律。文献[10]采用南阳膨胀土进行室内干湿循环(循环次数N=1～5)，通过数字化图像得到裂隙面积，通过测量、计算得到试样净面积(试样面积-裂隙面积)，绘制试样含水率与试样净面积的关系曲线，如图2[10]所示。分析可见，试样净面积与试样含水率的关系呈三段变化：在塑限含水率之前，试样净面积快速减小，裂隙迅速增多；在塑限与缩限之间，曲线趋缓裂隙增速减慢；到达缩限含水率以后曲线趋于平缓，裂隙不再增长。此外，除起始试样含水率随干湿循环次数有所减小外，试样净面积几乎不随干湿循环次数的变化而变化，表明对同一块土体而言，胀缩裂隙的数量不会无限地发展下去。试验显示的裂隙演化规律的内在机制尚待进一步研究。

图2 试样净面积与含水率关系曲线[10]Fig.2 Curves of net area of sample versus water content[10]

非胀缩裂隙的调查与统计目前主要以现场开挖的方式进行。南水北调中线工程在膨胀土地段开挖过程中进行了大量的现场勘察工作。以南阳某渠段为例，在4.0×104m的开挖边坡上统计发现有延伸长度>2 m的长大裂隙1 374条，在788 m2的开挖窗口发现有延伸长度0.5～2.0 m的大裂隙929条。图3为不同膨胀性地段裂隙密度的统计数据[11]，可以看出，膨胀性越大的区域，裂隙密度越大，裂隙发育程度与膨胀土的自身属性有关。

图3 南水北调中线工程南阳段非胀缩裂隙密度[11]Fig.3 Density of non-expansion and shrinkage crack in expansive soil area of the South-to-North Water Diversion Project[11]

膨胀土边坡中的裂隙直接影响着边坡的稳定。胀缩裂隙在大气影响深度范围以内，造成土体开裂、结构破碎，导致强度衰减，并加剧了雨水的入渗，这一部分影响可以基于饱和—非饱和的状态变化加以分析。但对于工程边坡，由于坡面一般都有防护结构，因此，坡面土体的含水率变幅并不十分显著，对强度的影响有限，反而是降雨入渗引起的土体膨胀变形对边坡应力状态的改变影响更大，这种影响将在下文详细探讨。

非胀缩裂隙是地层中的原生结构，类似于岩体中的断层，是膨胀土边坡中天然的薄弱环节，控制着膨胀土边坡的稳定状态，一旦裂隙的倾向、倾角有利，将发生沿裂隙面的滑坡。而且，这种滑坡有一定的时效性和整体性，大多数工程在运行期发生的滑坡多属此类。

3 膨胀土的土体强度与裂隙面强度

一直以来由于膨胀土裂隙分类的混乱，在探讨膨胀土强度时也产生一定的困惑，如将含裂隙的土块强度等同于裂隙面强度等。这里首先应定义一个概念——膨胀土的土体强度：土体强度是指包含(或不包含)裂隙(胀缩裂隙或非胀缩裂隙，下同)的完整的土块强度，进一步可区分为不含裂隙的土块强度、含裂隙的土块强度和裂隙面强度3类[4]。对一般黏性土而言，室内单元体测试得到的土块强度即可代表该土体在工程结构中的强度，而对膨胀土而言，由于裂隙的存在，土块强度则未必能代表土体的强度。图4为室内三轴剪切试验时裂隙与剪切面的相对关系示意图。如图4所示，当剪切面与裂隙面不重合时，由于不同试样的剪切面与裂隙面的夹角并不一致，因而最终得到的强度只能是含裂隙的土块强度指标；而且，假如取得的样品很不均匀，则该地层土体的强度如图5所示，为变幅在上、下强度包线内的任一条强度包线，此时的土体强度可以认为是一种土块的损伤强度。只有当剪切面与裂隙完全重合时，才代表裂隙面强度，裂隙面强度只会随着裂隙与剪切面的占比发生微小的变化。区分含裂隙的土体强度和裂隙面强度对膨胀土边坡稳定分析是很有必要的，相关的研究成果在下节中讨论。

图4 三轴试验剪切面示意图Fig.4 Shear plane for triaxial test

图5 膨胀土强度包线Fig.5 Shear strength envelopes of expansive soil

为获取膨胀土裂隙面的强度，有学者建议采用现场大型直剪试验，以大变形下的残余强度作为裂隙面强度，这种试验方法有一定的合理性，但是，由于裂隙在空间的展布规律十分复杂，现场直剪试验往往也难得到比较规律性的成果。长江科学院研究团队在“十一五”“十二五”期间开展了大量膨胀土的强度试验研究[12-14]，分别采用传统的三轴、直剪反复剪等试验方法测试了膨胀土干湿循环和残余强度指标，并创新提出了运用CT三轴仪进行膨胀土裂隙面的强度试验和指标整理方法[4]。表1是南水北调中线工程南阳膨胀土残余强度与CT三轴裂隙面强度指标对比。其中，土块的残余强度取自现场不含裂隙的土样，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)中残余强度的试验方法测定的指标；裂隙面强度是采用室内CT三轴仪测定的有效应力强度指标。

分析表1可知，不含裂隙面的土块的抗剪强度，无论是峰值强度或残余强度，均高于含裂隙面的土体的抗剪强度。为分析该现象的原因，通过获取包含原生裂隙的土块原状试样，对比分析了裂隙充填物和两侧土体物理、化学以及黏土矿物成分的差异[14]，发现裂隙充填物的含水率比两侧土体高2.24%～6.84%，相应的干密度则低于两侧土体。而从黏土矿物成分上看，裂隙充填物主要黏土矿物成分为伊/蒙混层矿物，其含量比两侧土体高约4%，故裂隙充填物的自由膨胀率为54%，也比自由膨胀率为50%的两侧土体高出不少。由此可见，膨胀土地层的不均匀性和各向异性比一般黏性土地层更为显著，这种不均匀性和各向异性主要体现在土体内部的“裂隙损伤”和含水率的突变上，类似于沉积岩地层中的软弱泥化夹层对岩体的影响。

表1 南水北调中线工程南阳膨胀土强度试验指标

对比土块残余强度、干湿循环强度和裂隙面强度试验成果可见，CT三轴仪测得的裂隙面强度最低，是膨胀土裂隙面强度的真实反映，而土块的残余强度中内摩擦角比较接近裂隙面强度，但凝聚力最高；干湿循环的土块强度则介于两者之间。可见，对膨胀土边坡进行稳定分析，不能采用土体的“综合强度”，而应根据实际地层情况，分别以土块强度和裂隙面强度进行描述。这里的土块，既包括天然状态下无裂隙的土块，也包括经干湿循环产生了干缩裂隙的土块两类，而裂隙面则仅仅是指因非胀缩原因产生的“原生裂隙”。只有将土体的各类强度区别测定，才能完整地描述膨胀土地层的土体强度。膨胀土边坡的安全系数也只有在充分考虑非胀缩裂隙的倾角、强度后才能准确得到。

4 膨胀土边坡稳定与破坏机理

与一般岩土边坡滑坡所不同的是，膨胀土边坡的失稳往往呈现出更多复杂的形态。从时间上看，有施工期失稳、运行期失稳，个别工程边坡还可能在运行数十年后失稳；从处理与否上看，有边坡表层换填处理后失稳、有抗滑桩施工后失稳，甚至边坡放缓到1∶4仍反复失稳[1]。这些纷乱的破坏现象，如果单从土体强度衰减的角度分析，似乎并不足以解释其失稳的机理。膨胀土边坡的滑坡常常伴随降雨等发生，因此，人们自然联想到土体从非饱和到饱和过程强度的衰减，然而，大部分这类边坡，即使应用土的残余强度去计算，其安全系数仍然满足设计要求。由此不禁想到，膨胀土边坡失稳的机制究竟是怎样的?

膨胀土边坡的失稳模式岩土界普遍认为有3个重要特征：①浅层性。指膨胀土边坡失稳多为大气影响深度范围的滑坡，认为深层滑动与一般黏性土无异，无需特别关注。②逐级牵引性。膨胀土边坡失稳通常从坡脚处开始，逐渐向上发展，最终形成多级滑坡。③降雨后滑坡。鉴于大多数膨胀土边坡失稳多发生在降雨之后，岩土工程师更多地关注了膨胀土从非饱和状态到饱和状态的演化过程，以非饱和土理论分析滑坡的机理认为：降雨入渗到膨胀土裂隙中，导致土体吸力降低，含水率增大，土体强度由非饱和强度变化到饱和土强度，在裂隙附近形成低强度区域，当下滑力(剪应力)增大到一定数量后，沿边坡发生破坏。而从饱和土强度理论分析滑坡机理认为：超固结土的应力-应变关系具有明显的应变软化特征，当下滑力(剪应力)超过土体的抗剪强度后，剪切面上的抗剪强度将达到土体的残余强度，因此，在开挖卸荷的作用下，坡脚的区域首先达到塑性平衡，同时，随着塑性平衡区域逐渐向上发展，最终形成渐进性破坏[15]。上述两类机理分析无疑是正确的，但进一步研究就会发现其中还有更深层次的问题存在，一个最大的疑问就是，即使采用土体的残余强度进行复核，那些已经滑动的边坡计算得到的安全系数也远远超过1.0。

4.1 膨胀变形与边坡稳定

为分析膨胀土边坡的破坏机理，研究人员在室内应用大型物理模型进行了膨胀土边坡的降雨试验[16-18]。试验在侧壁开窗的钢结构模型试验箱中进行，模型箱尺寸6.0 m×2.0 m×2.8 m(长×宽×高)，以1∶10的比例，模拟最大坡高20 m、坡比1∶1.5的膨胀土边坡。试验土样取自河北邯郸，其自由膨胀率为95%～112%，液限指数为81.2%，塑性指数为48.2。采用分层振捣碾压方法制模，试验正式开始前在坡体不同部位钻孔测得含水率为19.6%～24.4%，含水率平均值为22%，干密度为1.60 g/cm3。

模型试验降雨控制为低强度、持续降雨(晚间停歇，无人为加速蒸发)，以保证坡面不产生径流也不开裂。同时，在模型坡体内均匀布设砂井，其作用是加速水分在坡内入渗，使膨胀变形尽可能增大；同时，还可以作为坡体变形的标识。砂井直径3 cm，井间距0.5 m，深度在坡面以下0.5 m。

降雨开始44 h后，坡面下部对应表面位移测点首先出现张拉开裂，至降雨257 h，从模型箱侧面观察窗发现坡体内部多处已产生顺坡向拉裂，并随着降雨的持续，裂缝在进一步扩展。从坡中部水平位移观察点可见边坡已产生明显的水平滑移，且坡顶也产生贯穿性的张拉裂缝；至降雨384 h，边坡上部近坡肩部位出现贯穿性的裂缝；降雨试验426 h后，坡体下部原裂隙处土体首先发生局部坍塌，继而引发上部开裂处土体在2 min内滑坡。试验结束后通过开挖滑坡横剖面，根据砂芯的变形得到滑坡形态如图6所示。

图6 膨胀土模型边坡破坏形态Fig.6 Failure patterns of the model slope

从滑坡剖面的形态来看，该边坡至少发生过3次类似牵引滑动：第1条滑弧位于坡中偏下部位，第2条滑弧向上延伸，随后，滑裂面逐渐向深部和坡顶发展，最后形成横贯上下的整体破坏。该滑坡为典型的浅层性、牵引式滑动模式。以边坡滑动后的滑带土取样，进行土的饱和固结排水剪试验，并采用传统的极限平衡理论，验算模型边坡的安全系数为1.9。由于模型边坡在制作过程中已经排除了原生裂隙，试验过程也未经过干湿循环，模型边坡的高度和自重也不大，且非超固结土边坡，因此，该边坡失稳按以往的破坏机理均难以合理解释。

为进一步分析模型边坡的破坏机理，运用非线性有限元计算方法对模型边坡进行了分析。该方法引入了长江科学院提出的膨胀模型，将降雨引起的膨胀变形以及初始应力的变化考虑到边坡应力应变分析中[4，19]。图7为模型边坡顺坡向的剪应力(kPa)等值线，图8为等效塑性应变随含水率变化过程。

图7 模型边坡顺坡向的剪应力等值线Fig.7 Shear stress contours along the model slope

图8 模型边坡等效塑性应变区域Fig.8 Equivalent plastic strain zone of the model slope

图9 模型深度方向含水率分布Fig.9 Distribution of water content along depth of model

分析表明，模型边坡在降雨作用下浅表层土体发生膨胀变形，在边坡浅表层产生剪应力，当含水率变化幅度达到11.0%时，由边坡表层0.5 m内某一点开始分别产生两个方向相反的顺坡向的剪应力，边坡中下部为向下的剪应力，边坡中上部位为向上的剪应力，两者沿着某一中性点逐步自平衡并在薄弱点处引起破坏；从等效塑性应变随含水率变化过程可知，当含水率变化范围为11%时，边坡坡脚处土体已经达到了土体的峰值强度，随着含水率继续增大，在边坡坡脚处将形成了一个等效塑性应变完全贯通区域，此时整个边坡已经达到了破坏状态。图9为试验前、后模型边坡中部沿深度方向的含水率分布(实测土样含水率)。对比可见，在持续降雨的作用下，边坡1.0 m范围内含水率均有所变化，其中，以深度0.6 m以上的土层含水率变幅最大。

通过模型试验和有限元计算，对模型边坡的破坏机理分析如下：降雨入渗造成边坡浅层土体中剪应力显著增大，这是由于膨胀土体在顺坡向的膨胀趋势受到限制所致，顺坡向剪应力增大，使得土体的应力比达到被动极限状态，从而发生局部破坏。在一定条件下，如持续降雨，此局部破坏范围将向周边继续扩散，最后发展成为膨胀土中常见的“渐进式”滑坡，这类破坏模式是与膨胀土的胀缩性相关的，因此，是膨胀土边坡所特有的。文献[20]通过实测现场降雨前后膨胀土边坡的土压力，也证实边坡土体垂直方向与水平方向的应力比达2.0～3.0，按照朗肯土压力理论，此时边坡已处于被动极限平衡状态。由此可见，膨胀土边坡的这类滑坡，是由于膨胀变形所导致。

4.2 膨胀土的裂隙与边坡稳定

前已述及，膨胀土的裂隙从成因上可以分为胀缩裂隙和非胀缩裂隙两类。胀缩裂隙造成土体破碎，透水性增大，当土体含水率发生变化时，强度衰减，土体膨胀变形引起边坡局部隆起或失稳。这类滑坡多属于浅层性、渐进式破坏。此外，还有一类滑坡呈整体滑动形态，其显著特征是滑面光滑、且大多沿地层中的原生裂隙或结构面滑动。南水北调中线工程在河南淅川、邓州、南阳等地的渠道施工过程中发生了不同程度的膨胀土滑坡，从滑坡开挖揭示的地层剖面情况来看，这些滑坡所在的冲-湖积地层中普遍存在一定厚度的的原生裂隙带，裂隙带内的裂隙长数米至数十米，成层不均匀分布，且倾向渠道，在开挖卸荷时极易发生顺坡向滑动。

与一般胀缩裂隙不同，膨胀土地层中的非胀缩裂隙往往是成层分布的，这就导致滑坡在时间上的滞后效应。图10为南水北调中线工程南阳膨胀土试验段的一处滑坡剖面，该滑坡发生在试验段工程模拟运行1 a以后，滑坡断面有换填土工袋保护，水下一级马道还有混凝土衬砌。滑坡从二级边坡以上开始，出口位于一级边坡，使衬砌板翘起1 m有余。从滑坡开挖后的剖面发现有多层裂隙，滑坡首先在下滑力的作用下沿上层裂隙面启动，当积累到一定的变形以后，滑坡剪力向更深层发展，在上下层裂隙的最薄弱部位拉断，然后继续沿下层裂隙发展，逐渐形成贯穿边坡的整体滑动。

图10 滑动面裂隙素描及照片Fig.10 Sketch and photos of cracks on sliding plane

地层中裂隙的延伸性和成层性影响着膨胀土边坡失稳的时效，其滞后效应可能长达10 a甚至数十年。引丹干渠陶岔渠首引渠建造于20世纪70年代，渠道坡高约30 m，综合坡比1∶4.0，2005年在渠道建成30 a以后，又发生了一处方量达40万m3的特大滑坡，其主要原因就是上部Q2—Q3土层在干湿循环作用下塑性变形经年累计，导致下部N—Q1结构面逐渐贯通并进一步恶化，最终在巨大的下滑力作用下失稳。

4.3 膨胀土边坡的破坏机理

运用现场试验、室内模型试验和数值分析等研究手段，长江科学院研究团队按膨胀土边坡破坏的力学机制提出了2类破坏模式[21-23]：第一类是土体含水率变化引起的膨胀变形、强度衰减和应力重分布所产生，第二类是膨胀土原生裂隙(包括结构面)的拉裂、贯穿所产生。归纳为两种破坏机理[4]，即：膨胀变形引起的浅层滑动和裂隙强度控制的整体滑动。实际工程中，上述两类破坏在地层、土性等综合条件下可能同时存在，也可能只出现一类，但无论如何，膨胀土边坡的破坏均是在土性、环境和地质条件等多种因素共同作用下所发生的。

5 结 语

膨胀土是工程中经常遇到的一类特殊土，其各向异性比一般黏性土更为强烈。膨胀土的裂隙应区分为胀缩裂隙和非胀缩裂隙；与之对应，膨胀土土体的强度也应区分为土块强度和裂隙面强度。膨胀土胀缩裂隙的发育使土体易受外部环境影响，引起胀缩变形和土块强度的衰减，而非胀缩裂隙带通常是饱和的，裂隙面上的强度甚至低于土块的残余强度。膨胀土的胀缩裂隙和非胀缩裂隙对边坡稳定的影响机制不同，前者主要使边坡土体在干湿循环作用下强度衰减并发生塑性变形，后者在合适的外部因素影响下逐渐贯通，直至发生整体失稳。膨胀变形引起的滑动可以通过表面防护和压重措施加以解决，而裂隙强度控制的滑动只能通过设置支档结构处治。

致谢：本文中的资料和数据主要源自长江科学院研究团队多年来在膨胀土研究领域的创新成果，在此一并表示感谢！