膨脹巖土路塹邊坡失穩防護★

林 梅 余昌運 錢春杰 石名磊

(1.南京市公路管理處公路科學研究所，江蘇南京 210000; 2.東南大學巖土工程研究所，江蘇南京 211189)

0 引言

膨脹巖土工程危害具多發性和成群性特征，其漸進性、潛在性，有時甚至難以處置的工程特征，早期即被稱為“災害性巖土”［1］，且在邊坡工程中尤其顯著。依托項目340省道南京段改擴建工程，存在部分弱膨脹土路塹邊坡問題，本文圍繞膨脹巖土路塹邊坡內外因失穩機制、破壞特征規律以及膨脹土邊坡的穩定加固，對膨脹土邊坡進行了總結和分析。

1 膨脹巖土邊坡失穩機制

1.1 內在因素破壞機制

南方地區的自然降雨非常充沛而且降雨入滲與蒸發循環頻率高且周期短，膨脹巖土地區路塹邊坡失穩現象十分普遍，裂隙擴展發育決定了邊坡濕度溫度場變化程度與耦合作用破壞效應，成為“逢塹必崩，無堤不塌”膨脹巖土邊坡病害關鍵內在因素。路塹邊坡膨脹巖土開挖卸載后變形發展彈性滯后裂縫擴展，進一步坡體滲透性能，降雨入滲與干燥蒸發循環應力作用響應的裂隙風化發育及其切割效應，導致變形破壞效應更加嚴峻［2］。

膨脹巖土路塹邊坡暴露大氣中，雨水入滲與干燥蒸發循環作用下，黏土礦物等親水礦物組分與裂隙結構體組織的耦合，形成了邊坡表層濕度溫度場循環變化，引起脹縮變形及其軟化與開裂敏感響應，呈循環漸進發展演化趨勢。因此，膨脹土邊坡的變形演化過程，實質上是土體內應力作用變化的宏觀效應，經過干濕循環強度逐漸軟化與濕化性加劇的演化過程［1］。無荷干濕循環

次數越多，強度衰減速度越快［3］，或最后會趨于穩定［4］。其中，膨脹土粘聚力與含水率呈指數負相關，內摩擦角與含水率之間呈線性負相關［5］，粘聚力強度分量喪失更加嚴峻。蒙脫石等親水礦物顆粒特殊水理性質，不僅在于表面結合水層偏厚，且水分或水化離子可浸入粘土礦物晶胞之間，導致膨脹土吸水后顯著體積膨脹與強度急劇降低。

膨脹土裂隙性結構及其發育程度，是加劇其強度衰減主要因素［6，7］，不僅取決于物質組成、結構特征及其成土邊界條件，且與土體開挖時間長短、外界氣候條件變化等關聯性密切。膨脹土普遍發育裂隙形態多樣的原生裂隙和次生裂隙。無論何種成因類型的膨脹巖土，均為多組裂隙發育所構成的多裂隙結構體，不僅形成了水分滲入與蒸發的良好通道，且裂隙結構面有限淋溶化學風化，促進了次生伊利石和蒙脫石親水物質在縫隙面上的發育和集聚(灰白色次生蒙脫石粘土條帶、薄膜或富集塊體)，大幅提高了膨脹巖土親水性、膨脹性與崩解性。膨脹巖土濕脹干縮循環作用的原生裂隙再發育、多裂隙結構切割土體機械破碎等風化效應，促進了坡面原生裂隙擴展、垂直坡面風化裂隙發育及其坡面風化帶形成，可形成風化帶下伏軟弱結構面和不同程度風化層間軟弱結構面。

綜上所述，膨脹土邊坡裂縫張開閉合及其變形演變過程，揭示了干濕循環下膨脹土邊坡淺層性和漸進性破壞特征的內在機制［8］。膨脹土地區滑坡病害，幾乎都是在原有各種傾向坡腳的軟弱結構面的基礎上再發育而形成的，軟弱結構面滑坡發育過程中產生漸進性破壞，最后相互連接貫通形成完整的滑動面。因此，膨脹巖土邊坡淺層時間關聯性的營力作用風化演化進程，主要受控于裂隙發育程度。

1.2 外在誘因作用效應

膨脹巖土邊坡失穩破壞演化過程，一般來說主要是內在的因素在某些外部條件的誘發下而發生作用的。針對膨脹巖土路塹邊坡失穩的外在誘因的誘發破壞機制在于:濕化性、風化性與卸載激發。

路塹邊坡開挖暴露破壞固有平衡狀態，坡面環境濕度、地下水位變化等可引起膨脹巖土濕化崩解——濕化性。膨脹巖吸水崩解濕化特征，可定義為無約束條件下塊體濕化成碎粒狀散體的不可逆過程，不同于膨脹土脹縮可逆變形演化特征，且營力循環作用的崩解疊加效應顯著。膨脹巖濕化性地質概念模型，可以用氣致崩潰力學來解釋［9］，即裂隙結構膨脹巖土不均勻收縮(微)裂隙擴展發育，裂隙結構面上淋溶化學風化等形成具有強吸濕壓力粘土礦物富集，外界水分沿(微)裂隙通道迅速遷移滲入并強烈吸附在裂隙結構面上，累積擠壓裂隙內空氣壓力上升形成楔裂壓力，破壞最薄弱結構面聯結導致系統崩解。顯然，親水性礦物和微裂隙結構是膨脹巖濕化基礎，吸濕壓力是濕化動力，兩者耦合克服結構面聯結強度的時間，反映了膨脹巖濕化崩解難易性。膨脹巖土裂隙及其裂隙面構成，成為影響膨脹巖土工程性狀最直接原因［10］。

開挖暴露坡面溫度濕度場環境營力響應區，膨脹巖土干縮濕脹循環，促進了裂隙體結構裂隙發育;裂隙局部應力集中、邊緣剪損與浸水軟化等風化作用，隨著坡面暴露時間增加，漸進式破壞巖土體原始結構，逐漸形成坡面表層風化帶。雨水入滲與干燥蒸發循環作用時，導致膨脹土體濕脹軟化與干縮開裂循環響應，并引起膨脹巖土體各項性能指標發生較強烈的波動。旱季干燥蒸發失水時的坡面收縮開裂，表層剝落、侵蝕與形態改變;雨季降雨入滲吸水時，坡面局部膨脹軟化或濕化性、結構面裂隙剪損與填充物泥化，可誘發各類失穩病害。

天然膨脹巖土體在歷史上往往經受過上部土層被侵蝕的作用，且沉積生成過程中的蒸發收縮孔隙減小，形成顯著地應力狀態的超固結性。路塹邊坡開挖卸載應力釋放與超固結性耦合變形響應加劇，應力狀態變化關聯裂隙擴展進一步促進裂隙再發育［11］，尤其是邊坡坡趾高應力區卸載，可引起剪切塑性區大變形，導致膨脹土路塹邊坡坡趾牽引坡面疊瓦狀淺層滑動失穩。

1.3 坡面風化帶特征

上述膨脹巖土路塹邊坡環境營力作用時的濕化性、風化性與卸載激發，可形成坡面表層風化帶中，由地表向下逐漸減弱，一般可分為強風化帶、弱風化帶和微風化帶，參見表1。路塹邊坡表層風化帶中，不同程度風化層分界面均為坡體的軟弱結構面，成為各類淺層滑動機構形成基礎。相對而言，膨脹巖邊坡風化帶影響深度相對較淺，但可引發不同性質邊坡失穩病害。

表1 膨脹土風化特征

2 膨脹巖土邊坡破壞特征

膨脹巖土邊坡一般存在兩大破壞形式:其一是強度衰減關聯性邊坡滑動，即邊坡穩定性問題;其二是膨脹變形受限時的膨脹力的問題，導致邊坡襯砌頂破與支擋位移等病害。膨脹巖土邊坡失穩機理主要為上述濕化性與風化性及其卸荷激發，同時還存在地表水徑流與侵蝕破壞機理。膨脹巖土路塹邊坡失穩階段性演化特征:暴露表面裂隙風化發育及風化帶生成，裂隙軟化剪損應力集中剪切變形及局部軟弱結構面剪切滑動機構生成，坡趾剪切塑性區大變形及牽引式疊瓦狀淺層滑動機構。膨脹土邊坡漸進性破壞理論指出，膨脹巖土裂隙體大量裂隙存在及其風化開合效應，形成坡體干燥開裂應力集中、吸水軟化或濕化崩解，導致局部軟弱結構面剪切破壞，并逐漸發展的膨脹土循環漸進性破壞、降雨滯后性破壞的基本特征［12］。

膨脹巖土路塹邊坡表層濕化性失穩，大氣降雨蒸騰循環營力作用下，暴露坡面膨脹巖土裂隙結構裂隙擴展發育一定程度，強降雨時表層膨脹巖土雨水入滲軟化后局部濕化性崩解，在重力與滲透壓力聯合作用下，形成薄層塑流狀局部流滑體，沿坡面向下產生溜塌病害。溜塌病害是膨脹巖土邊坡表層常見小型病害形式之一，多發生在雨季某次強降雨之后，呈降雨節點短暫滯后的時間關聯特征。膨脹巖土路塹邊坡溜塌病害，可發生在邊坡的任何部位，幾乎與坡度無關。局部溜塌處上方雖有弧形水坎，但一般無明顯規則滑面或明顯裂縫，流滑體移動距離較短，且很快自行穩定于邊坡風帶表層內。溜塌體厚度受邊坡表面強風化帶控制，且塑流狀含水量偏高，大多在1.0 m以內，一般不超過1.5 m。

膨脹巖土路塹邊坡風化帶淺層風化性失穩，暴露邊坡表層風化帶入滲蒸發的濕脹干縮效應，裂隙邊緣剪損與浸水軟化(濕化)耦合切割效應、結構面應力集中與重新分布等，促進了邊坡風化影響帶中裂隙結構面發育，局部聯通成軟弱結構面引起剪切大變形，逐漸形成伴有坍落為特征的局部坍塌滑動機構與坍滑病害。坍滑現象常發生在雨季，同樣具有降雨稍滯后的時間關聯特征。坍滑滑動機構的軟弱結構面清晰且有擦痕，滑體裂隙密布。坍塌多在坡腳或軟弱夾層(滑帶)處滑出，軟弱破裂面上陡下緩，且滑動帶含水量明顯高于坍塌滑體。坍滑繼續變形發展，可分級牽引形成膨脹巖土邊坡疊瓦式淺層滑坡。坍滑一般發生在營力風化作用影響層內，具有軟弱滑動結構面滑動特征，滑體厚度為1.0 m～3.0 m。

膨脹巖土邊坡滑坡常具有弧形外貌和明顯的滑床，類似于一般粘性土滑坡幾何特征，失穩切割出滑床后壁陡直。但是，前緣比較平緩，具有坡趾局部裂隙發育控制坍塌特征。膨脹巖土坡面次生裂隙(縫)風化發展，提供了坡面入滲與蒸發通道，增強了滑動帶親水性黏土礦物的循環干縮濕脹效應——裂隙結構體裂隙強烈風化發育，導致降雨入滲時的滑床(帶)飽和軟化與濕化崩解，強度急劇衰減。此外，路塹開挖卸載坡趾區域高應力釋放與膨脹巖土超固結性的綜合，坡趾高剪力區應力集中促進了裂隙快速發育，且往往最先剪切變形失穩，并沿坡面向上逐級牽引，形成坡面疊瓦狀形態滑坡的成群發生。因此，膨脹土邊坡極限平衡彈性理論認為，首次滑移是因為坡趾附近膨脹巖土軟化崩解產生了剪切塑性區與剪切大變形，導致坡體牽引破壞。膨脹巖土路塹邊坡滑坡坡面豎向裂縫切割效應，滑動機構［13］一般仍為淺層滑動，滑體厚度在6.0 m 以內，一般為 1.0 m ～3.0 m。

3 膨脹巖土邊坡防護對策

膨脹巖土路塹邊坡失穩病害內在機制為膨脹巖土的親水性物質組成、裂隙性組織結構及其天然沉積超固結性;外在誘因則包括邊坡開挖卸載應力釋放平衡破壞、暴露坡面環境營力的循環作用。因此，膨脹巖土暴露坡面護坡系統工程包括:邊坡結構支撐穩定、抗風化防護、截排水系統與坡面植被綠化。

3.1 路塹邊坡坡面防護

膨脹巖土路塹邊坡具有幾乎與邊坡坡度幾何條件無關的緩坡破壞特征顯著。因此，單純采用緩坡穩定的幾何緩坡調坡方案，往往難以取得滿意的效果。

邊坡坡面抗風化植被防護，系指使用植被結合土木工程與非生命生物材料，增強坡體穩定和減少坡面侵蝕的措施，且符合現代工程綠化景觀設計要求。植被護坡根系力學效應與莖葉水文效應，形成了坡面表層土體加筋、錨固、支撐與抑制裂隙體結構裂隙發育功能。尤其是大氣降雨時的植被護坡，可顯著削弱坡面強降雨濺蝕與緩解坡面徑流沖蝕，且可改善坡面濕度溫度場改變。

針對膨脹巖土暴露坡面非結構性溜塌滑落等病害系統性群發特征，基于抑制坡面濕度溫度場變化、雨水表面流沖蝕等坡面保濕防滲封層的抗風化穩定要求，現代植被加筋錨固護坡系統中，厚基質客土(干法)噴附技術，結合固土網墊材料為高強度(普通三維網10倍)、高剛度(低延伸率)和耐久性(50年)土工合成加筋型材料，或高強耐久金屬網及其短錨釘(earth anchor)注漿地錨淺層加固型掛網構造［14］，形成了坡面淺層柔性主動支撐穩定與封層保濕抗風化的植被護坡系統，坡面膨脹變形自適應性或變形受限時膨脹力補償功能，更加的剛柔相濟，實現了坡面淺層穩定加固、表面風化防護與植被景觀綠化的統一。

3.2 路塹邊坡結構支撐

膨脹巖土坡面風化帶中坡面法向裂縫發育的入滲通道與風化切割效應，可形成坡面風化帶中軟弱結構面坍塌剪切滑動機構。膨脹性巖土坡趾高地應力區卸荷應力釋放及其超固結性激發效應、結構松馳流變、濕度與溫度場變化等引起坡趾局部裂隙強烈發育與塑性剪切大變形，產生坡趾局部坍塌關聯的漸進式牽引淺層滑動機構。針對性采取膨脹巖土邊坡坡面結構支撐與坡趾抗滑支擋結構加固，十分必要。

此外，不同于一般巖土體，膨脹性巖土路塹邊坡開挖卸荷后，立即設置高剛度結構支擋或可有效邊坡卸荷變形，但膨脹巖土變形約束可轉換為膨脹力顯著提高，即邊坡結構加固荷載作用水平的顯著提高。因此，膨脹性巖土路塹邊坡開挖后，綜合暴露坡面環境營力作用風化響應特征以及臨時性柔性抗風化防護、坡腳欠挖壓腳穩定與封層保濕截排水疏干構造等確保短期(short term)穩定前提下，開挖卸載后留出一段應力釋放時間，適應膨脹巖土卸荷彈性滯后效應——彈性后效［10］等，具有顯著的減小膨脹力的變形減載“補償”效應，對于減小膨脹巖土路塹邊坡壓腳支擋結構變形、避免變形關聯損傷或結構損毀十分有利，且可優化壓腳支擋結構設計。尤其是，既有公路膨脹土路塹邊坡經歷若干年后發生失穩病害的后加固處理，應充分考慮源于膨脹性巖土卸荷膨脹力的變形關聯減載補償機制。

既有工程實踐表明，膨脹巖土邊坡結構支撐與支擋護坡技術中，采用坡面錨桿框架梁與坡趾支擋結構組合的邊坡支撐方案成功率高，其他方案則經常失效，甚至出現反復治理、反復失敗現象。膨脹性巖土路塹邊坡的坡面錨桿框架梁體系將坡面切割分離，減小了膨脹巖土坡面獨立風化單元面積，自由坡面單元的自穩定性顯著提高，粘結式注漿地錨體的局部加筋效應，阻斷膨脹巖土連續結構面發展，分散了軟弱結構面應力集中與滑體下滑力，同時有利于坡面局部坍塌加固穩定，有利于坡面植被護坡固土穩定。同時框架梁地錨拉彎組合結構提供了梁底局部坡面變形的膨脹力反力(抗力)，提高坡面裂隙結構風化發育的抵抗能力;且框架梁間坡面獨立單元自由表面適度變形，亦可發揮膨脹巖土變性關聯的膨脹力減載補償效應，剛柔相濟。

4 結語

膨脹巖土邊坡失穩是由內因和外因共同控制的，失穩機理內在因素主要有脹縮性、裂隙性與超固結性;外在誘因主要是氣候變化、地下水位變動和開挖卸荷應力釋放。基于膨脹巖土邊坡特殊的失穩機制，得出如下結論:

1)膨脹巖土邊坡失穩誘發破壞機制主要為濕化性、風化性、地表水徑流侵蝕破壞作用機理。邊坡破壞形式以淺表層的溜塌、塌滑與坡趾塑性剪切大變形牽引式淺層滑動為主，幾乎與坡度無關，簡單調坡難以起到穩定效果。

2)膨脹巖土路塹邊坡坡面護坡，應重視坡面深層結構加固的軟弱結構面分割阻斷等穩定機制，重視坡面植被護坡厚基質客土噴附技術等形成的坡面封層保濕抗風化護坡機制，以及坡面地錨釘注漿淺層加筋固土穩定及其高強掛網(墊)墊柔性支撐穩定，即深層、淺層加固抗失穩與表面封層保濕抗風化的綜合穩定效應。

3)膨脹巖土路塹邊坡開挖時的坡趾高地應力場卸荷釋放及其超固結性激發效應，裂隙強烈發育與塑性剪切大變形機制，必須加強膨脹巖土邊坡坡趾抗滑支擋;結合膨脹巖土卸荷彈性后效機制等，應充分考慮源于膨脹巖土卸荷膨脹力的變形關聯減載補償機制。