云南省膨脹土邊坡穩定性計算及成因分析

沈 旺

（中建材（昆明）勘測設計院有限公司，云南 昆明）

概述

云南省膨脹土分布較廣，近年來在膨脹土地區進行工程建設時，基本上逢挖必滑。目前膨脹土邊坡失穩機理尚在研究中，國內現行相關勘察設計規范對膨脹土邊坡穩定性計算，沒有明確膨脹力如何考慮和抗剪指標取值原則，給膨脹土邊坡穩定性分析評價帶來不便。若勘察設計人員經驗不足，會出現膨脹土邊坡穩定性計算不合理、邊坡防護方案不適宜的現象。有時會因防護不合理而導致邊坡發生滑坡，造成較大的經濟損失和工期延誤。本文對膨脹土邊坡失穩定機理進行全面分析，并給出膨脹土邊坡穩定性計算時抗剪參數取值和膨脹力計算原則，供勘察與設計人員參考。

1 膨脹力對邊坡穩定性的影響

1.1 膨脹力作用

膨脹力是膨脹土中親水礦物吸水膨脹后產生的一種體積內應力，以礦物顆粒為中心向空間各方向產生擠壓作用。邊坡蠕動變形階段早期在膨脹內力擠壓作用下，邊坡土體逐漸向約束較弱的邊坡面方向變形位移，導致土體內形成較多網狀破裂面，隨著后期雨水沿破面隙入滲降低土體強度、同時土體再次吸水膨脹產生膨脹力擠壓邊坡，多反復迭加導致邊坡變形位移加劇，最終導致邊坡發生滑坡。膨脹力是一種接觸力，當土體內部產生了較多張裂隙和剪裂面、地表滑坡后緣出張裂縫時，在滑坡后緣滑床陡傾段（滑體錯落段）由于滑體與滑床間有裂隙膨脹力便消失。滑坡中前部滑床緩傾段（滑體滑動段）隨著雨水沿剪切破裂面入滲，滑動面附近滑體和滑床土體吸水膨脹產生膨脹力，使滑體有背離滑床運動的趨勢，可理解為滑體與滑床間產生了一種排斥力，減小了滑體對滑床法向壓力，從而降低滑坡的抗滑力。在滑坡中前部滑床緩傾段任選一個底邊長為li、傾角為θi的單位寬度滑塊i（如圖1 所示）進行受力分析。

圖1 單條膨脹力分布圖

由圖1（a）可知：作用在滑塊i 的力有滑塊重力（Gi）、豎向附加荷載（Gbi）、水平荷載（Qi）及滑坡間作用力（Ei、Ei-1、Yi、Yi-1）、滑塊底部水壓力（Ui）和膨脹力（Pexi、Peyi）。

由圖1（b）和（c）可得如下公式。

式中：Pexi——水平膨脹力（kN/m）；

Peyi——垂直膨脹力（kN/m）；

σexi——水平膨脹應力（kPa）；

σeyi——垂直膨脹應力（kPa）；

Li——滑坡底邊長度（m）；

θi——滑面傾角（°）;

Nei——滑床單位寬度膨脹力引起支撐反力（kN/m）；

Tei——滑體單位寬度膨脹力引起的下滑力（kN/m）。

由于膨脹應力是一種體積力，可以假設膨脹應力在各方向上大小相等，即σexi=σeyi=σei（膨脹內應力），代入公式（3）中可得：

代入公式（4）中可得：

由公式（5）和（6）可知：當膨脹內應力各方向大小相等時，膨脹力全部轉為垂直滑動面的支撐反力減小了滑體對滑床的正壓力，從而降低滑坡抗滑力；而平行滑動面的切向分力為零。

1.2 膨脹力約束條件

膨脹力大小與邊界約束有關。在土體自身強度和自重約束下，土體膨長力隨著其濕度增高而增大。但自然地面和邊坡面是自由面，當土體膨脹力大于上覆土壓力時，土體開始發生位移，此時膨脹力將明顯降低，可見土體的膨脹應力（σei）小于等于上覆土壓力（σcz）。

1.3 穩定性計算抗剪參數選取

膨脹土邊坡失穩是土體增濕膨脹產生膨脹力導致結構破裂→水體入滲土體增濕膨脹和土體軟化強度衰減循環積累的過程。根據工程經驗及賀偉明等人的研究成果[1]，建議邊坡穩定性計算時，抗剪參數選用飽和殘余剪切試驗值。

2 膨脹土邊坡穩定性計算公式

根據《建筑邊坡工程技術規范》GB50330-2013[2]，圓弧形滑動面的邊坡穩定性計算采用簡化Bishop 法，折線形滑動面的邊坡穩定性計算采用傳遞系數法隱式解。本文對于膨脹土邊坡考慮膨脹力作用，將簡化Bishop 法和傳遞系數法隱式解兩個邊坡穩定性計算公式改進如下：

2.1 改進簡化Bishop 法（滑動面呈圓弧形）

2.2 改進傳遞系數法隱式解（滑動面呈折線形）

注：在用折線形滑面計算滑坡推力時，應將公式（11）和公式（12）中的穩定系數Fs替換為安全系數Fst，以此計算的Pn，即為滑坡的推力。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

華麗高速公路賓川立交連接線K1+230～+300 段以路塹形式從賓川盆地西南邊緣緩坡上通過，原始地形傾向北東，坡度約5～10°，地形較緩。公路修建時開挖路塹，右側形成高度約8 m、坡比1:1.5 的人工邊坡。坡面采用擋墻+拱形格+三維網植草護坡，坡腳設有高約2.3 m 混凝土擋墻，擋墻基礎埋深0.6 m。邊坡主要由上第三系（N）膨脹土組成，2023 年3 月該段路塹人工邊坡發生了滑坡，主滑方向約30°。

3.2 滑坡特征及成因

據《華麗高速公路賓川立交連接K1+200～+300右邊坡滑坡勘察報告》顯示：滑坡體主要由上第三系（N）褐黃色夾褐灰色硬塑狀粉質組成，偶夾厚度不足3 cm 黑色褐煤層。試驗資料顯示區內膨脹土自由膨脹率90%，膨脹力43.8 kPa，為具強膨脹潛勢膨脹土。滑坡發生前1 年以來，坡頂氣象站經常給其院內草皮和樹灌溉，灌溉水入滲至邊坡土體中致土體濕度增大膨脹產生膨脹力，擠壓土體向約束較弱的邊坡面方向變形位移而產生破裂面；灌溉停歇期間土體日曬失水收縮產生拉裂縫；擠壓破裂面和收縮裂縫為下次水體入滲提供了通道。如此不斷的脹縮作用使邊坡土體內部產生了大量破裂面和裂隙，土體結構遭到了破壞、強度發生了衰減；另外水體入滲土體強度也會降低。由此可見：邊坡土體在膨脹力擠壓和灌溉水軟化雙重作用下發生了滑坡。滑坡周界明顯，滑坡后緣位于坡頂氣象站北側圍墻附近，滑體已明顯錯落，最大下錯高度約30 cm，兩側剪切裂縫貫通，前緣擋土墻傾覆明顯。滑坡沿公路方向長約70 m，滑動方向長約22 m，厚約4 m 左右，體積約0.62×104m3，屬小型淺層推移式膨脹土滑坡。

3.3 穩定性計及分析討論

3.3.1 穩定性計算

滑動面近弧形（如圖2 所示），采用本文改進后的簡化Bishop 法進行邊坡穩定性計算;擋墻的抗滑穩定性和抗傾覆穩定性根據《滑坡防治設計規范》GB/T38509-2020[3]第13.1.2.4 條和第13.1.2.5 條中公式進行計算。計算參數和計算結果如表1 所示。

表1 穩定計算主要參數及計算結果一覽表

圖2 滑坡及擋墻穩定性計算圖

3.3.2 分析討論

① γset=17.8 kN/m3、Cr=13.2 kPa、φr=5.6° 、σe=0.0 kPa 時，計算結果F's=1.07，Tn=0；表明邊坡基本穩定、擋墻穩定，與邊坡已發生滑坡、坡腳擋墻已傾覆的情況不吻合。

②γset=17.8 kN/m3、Cr=13.2 kPa、φr=5.6°、σe=34 kPa 時，F's=0.89，Tn=34，Fs=1.79，Ft=0.99；表明邊坡發生滑坡、擋墻已傾覆但未滑動，與邊坡現狀一致。

③直快剪C=35 kPa、φ=21°，可見膨脹力致裂和水滲入軟化使土體強度大幅衰減，減幅度達70%左右。

④膨脹力在邊坡失穩全過程持續作用，蠕動變形階段使土體強度衰減，滑動破壞階段降低了滑坡抗滑力，降低值=72.6，降幅達16%。

⑤計算時膨脹應力取34 kPa，僅為試驗結果（43.8 kPa）78%，這是約束條件不相同所致。試驗是在完全約束下進行，而邊坡的約束是非完全約束，這與工程實際相符。

4 結論

（1） 膨脹力在邊坡失穩全過程持續作用，對邊坡穩定性影響較大。膨脹土邊坡穩定性計算時應考慮膨脹力，計算公式可選用本文改進后的簡化Bishop 法和傳遞系數法隱式解。

（2） 膨脹力致裂和水體入滲軟化循環作用，使膨脹土強度發生衰減，膨脹土邊坡穩定性計算時抗剪參數選用飽和殘余抗剪強度值。

本文初步探討了膨脹力對邊坡穩定性的影響及抗剪指標的選取原則，因受工程實例和試驗數據樣本數所限，本文沒有給出膨脹力的取值原則，后續會進行膨脹力與土體含水量、孔隙比、變形模量之間相關性的研究，完善膨脹力取值原則。