膨脹土路塹邊坡滑動特點分析

陳玉良 武加恒 蒯振濤

(南京市公路建設處，江蘇南京 210002)

0 引言

膨脹土路塹坡面不封閉防護，直接暴露于天然環境中，會因風化作用而產生滑坡。膨脹土路塹邊坡表層風化作用強烈，裂隙發育，脹縮變形劇烈，邊坡滑動現象嚴重;路塹邊坡深層土體基本沒有風化作用，不產生脹縮變形，土體強度和變形保持原狀不變。自淺層至深部，路塹邊坡土體由強風化層過渡到原狀土層。干旱季節的日曬風干作用，膨脹土失水干縮開裂，坡面產生裂縫，裂縫隨時間不斷擴展成縱貫坡面的大裂縫，在降雨浸水后出現滑坡破壞現象。

盧再華［1］認為多裂隙所構成的裂隙面及軟弱面是宏觀結構對膨脹土工程性質影響的最直接原因。王國強［2］認為裂隙的存在破壞了土體的完整性，且由于裂隙具有不均一性和變動性，使膨脹土表現不同的強度特性。易順民等［3］從分形幾何和膨脹土裂隙結構研究相結合的角度，探討了膨脹土裂隙定量化模式。徐永福［4］研究了寧夏膨脹土的變形特性、強度特性隨吸力變化的規律，提出了非飽和膨脹土的結構性凝聚力和結構性內摩擦角的概念，導出了非飽和膨脹土的吸力強度公式。大量工程實踐表明，開挖邊坡滑坍是由膨脹土“三性”所引起，裂隙性是關鍵因素，脹縮性是產生裂隙的原因之一，超固結性則是促進因素［5］。殷宗澤［6］總結了膨脹土邊坡失穩的特點:淺層性、牽引性、平緩性、季節性、長期性和方向性。本文從膨脹土路塹邊坡土體含水量和吸力變化角度，詳細闡述膨脹土邊坡滑動的淺層和周期性。

1 淺層性

膨脹土滑坡滑面的最大深度不超過6 m。滑動面淺，是由于裂縫擴展深度不大，裂隙擴展深度一般是大氣影響的深度，現場測試結果表明，大氣影響深度一般在2 m左右。膨脹土路堤表層的抗剪強度的影響深度為1.0 m～1.5 m，局部地區可達2 m。大氣影響深度隨著地區氣候差異而存在深度上的不同，大氣影響深度一般在2 m左右。

Mitchell導出了土的吸力隨氣候循環變化的一維微分方程的解析解［7］:

其中，us(z，t)為土吸力隨深度、時間變化的函數(pF)，pF=1+1g kPa;us0為土的平衡吸力值(pF);us1為土吸力的最大變幅(pF);n為氣候變化的頻率;α為擴散系數，cm2/s;t為時間，d。根據式(1)可以研究氣候變化引起土層表面吸力變化規律。式(1)中的主要參數有:n 和α。參數n分別取0.5，1.0 和2.0;α 取0.000 3 cm2/s，0.001 cm2/s和0.003 cm2/s。計算結果如圖1，圖2 所示。

圖1是氣候變化頻率不同地區土體吸力的變化深度，從圖中看出，不同氣候變化頻率條件下，吸力變化的深度范圍不超過3 m。隨著氣候變化頻率n增加，吸力變化深度減小。

圖2是擴散系數不同土體的吸力隨深度變化規律。從圖中看出，擴散系數不同土體的吸力變化的深度范圍不超過3 m。隨著土體擴散系數α增加，吸力變化深度增加。

在式(1)中，令 t=z(nπ/α)0.5/(2nπ)，吸力極值為:

給定深度z處的吸力差為:

由此得到變化深度為:

《膨脹土地區建筑技術規范》規定:大氣影響急劇變化層深度為大氣影響深度za×0.45。

膨脹土表層干土的最大吸力為105kPa，吸力變化幅度us1為最大表層土吸力與平衡吸力之差。McKeen和Johnson［8］通過現場觀測建議最大容許吸力Δusmax=0.4pF。土的擴散系數α取為0.003 cm2/s。頻數n是指在自然條件下，年度之間發生干濕循環的次數。頻數n的數字越小，干濕循環間隔的時間越長，表明大氣影響范圍越深。Wray等［9］認為所有水分指數TMI＜－30的地區，n=1;TMI＞－30的地區，n=2。水分指數TMI是表征土在一定氣候條件下干濕狀態的指數。平衡吸力和最大允許吸力對大氣影響深度的影響如圖3所示。

表層土的吸力變化幅度us1為最大表層土吸力與平衡吸力之差，平衡吸力越大，吸力變化幅度越小，氣候變化深度越小。土體最大允許吸力越大，大氣影響深度減小。

2 季節性

Mitchell［7］給出了氣候影響下土體吸力隨深度和時間的變化規律，不同深度處土體吸力隨時間變化的時程曲線如圖4所示。從圖4可以看出，土體吸力隨時間呈周期性變化，土體吸力呈現季節性變化。以表層土體的吸力變化為例，6月份的吸力最小。實際情況是，6月份雨水充足，土體飽和度高，土體吸力自然小。12月份雨水最少，氣候干燥，土體飽和度小，土體吸力大。

McKeen和Johnson［8］給出吸力隨季節變化的近似規律:

其中，p值介于0.5～2.0。取不同p值，吸力的季節性變化規律如圖5所示。

3 結語

1)引起膨脹土路塹滑動的主要因素有下述三個方面:裂隙、水和卸荷作用。裂縫產生和開展的原因是雨水引起的干縮變形和應力釋放。

2)滑動面淺，是由于裂縫擴展深度不大，裂隙擴展深度一般是大氣影響的深度，現場測試結果表明，大氣影響深度一般在2 m左右。膨脹土路堤表層的抗剪強度的影響深度為1.0 m～1.5 m，局部地區可達2 m。

3)氣候影響下的土體吸力隨時間呈周期性和季節性變化。表層土體的吸力在6月份的吸力最小。實際情況是，6月份雨水充足，土體飽和度高，土體吸力小。12月份雨水最少，氣候干燥，土體飽和度小，土體吸力大。隨著旱季和雨季的不斷交替，膨脹土產生反復脹縮，位移方向以坡面的垂線方向為主，殘余變形隨循環次數的增加不斷累積，在坡腳附近形成剪應力集中區，最終邊坡模型發生漸進累積破壞。

［1］盧再華.原狀膨脹土的強度變形特征及其本構特征研究［J］.巖土力學，2001，22(3):339-342.

［2］王國強.安徽省江淮地區膨脹土的工程性質研究［J］.巖土工程學報，1999，21(1):119-121.

［3］易順民.膨脹土裂隙結構的分形特征及其意義［J］.巖土工程學報，1999，21(3):294-298.

［4］徐永福.膨脹土地基承載力研究［J］.巖土力學與工程學報，2000，19(3):387-390.

［5］包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩定性問題［J］.巖土工程學報，2004，26(1):1-15.

［6］殷宗澤，袁俊平，韋 杰，等.論裂隙對膨脹土邊坡穩定的影響［J］.巖土工程學報，2012，3(2):1-5.

［7］Mitchell PW.The structural analysis of footings on expansive soil.Research Report No.1，Kenneth W.G.Smith and Associates，Adelaide，South Australia，1979.

［8］McKeen RG，Johnson LD.Climate-Controlled soil design parameters for mat foundations［J］.Journal of geotechnical Engineering，1990，116(7):1073-1094.

［9］Wray WK，EI-Garhy BM，Yousslf AA.Three-dimensional model volume changes pre-diction in expansive soil［J］.Journal of Geoenvir Eng，2005(3):311-324.