肯尼亞蒙巴薩地區膨脹土特性試驗與邊坡防護研究

何艷平

(上海海洋地質勘察設計有限公司 上海 200120)

1 引言

膨脹土是一種富含親水性礦物蒙脫石、伊利石的高塑性黏土。由于其具有多裂隙性、強脹縮性、超固結性和強度衰減等特性，常給工程建設帶來隱患[1-3]。近年來，隨著“一帶一路”戰略的提出，我國在肯尼亞地區的交通基礎設施建設也逐漸增多[4-7]。由于肯尼亞國內分布著大面積的膨脹土區域，未來的新建鐵路、公路工程將面臨著膨脹土問題的挑戰[8]。

安愛軍[9]等通過核磁共振技術和掃描電子顯微鏡技術，研究了肯尼亞地區膨脹土微觀結構特征；駱云建[10]、張雪東[11]則分別通過室內膨脹特性試驗，研究了該地區膨脹土的膨脹潛勢特征和膨脹變形特性；唐皓[12]則重點對該地區膨脹土的化學處治措施進行了研究，并通過試驗驗證了化學處治技術的有效性。盡管部分學者對該地區膨脹土的特性進行了一些研究，但仍顯不足，無法有效指導設計和施工。

為此，本文以肯尼亞蒙巴薩地區的膨脹土為研究對象，通過室內土工試驗，研究了膨脹土的膨脹變形特性和抗剪強度特性，并提出相應的邊坡防護建議，為該地區膨脹土邊坡防護工程的設計和施工提供參考和借鑒。

2 區域自然條件

2.1 區域氣候環境

蒙巴薩地區位于肯尼亞東部，印度洋西岸。該地區的氣候以熱帶草原氣候為主，每年3～6月和10～12月為該地區的雨季，其它月份為旱季，年平均溫度在28℃ ～32℃，年平均降雨量在1 050 mm左右。近年來，該地區氣溫及降雨情況如圖1所示。

圖1 蒙巴薩地區氣溫和降雨情況

2.2 膨脹土特性

蒙巴薩地區為近海丘陵地貌，地形起伏較大。該地區的膨脹土主要為風化性泥巖，顏色多為褐黃色、灰褐色，泥狀結構，層狀構造，土體表面裂隙較為發育，其裂隙發育特征見圖2。此外，室內自由膨脹率試驗表明，該地區的膨脹土具有中等膨脹性。

圖2 蒙巴薩地區膨脹土表面風化情況

3 膨脹土的主要工程性質試驗及研究

3.1 膨脹土膨脹特性

室內進行了重塑膨脹土在無荷載條件下的膨脹率試驗，試樣均采用靜壓成型法制備。在無荷膨脹率試驗中，試樣的初始干密度分別取為1.60 g/cm3、1.65 g/cm3、1.70 g/cm3和 1.75 g/cm3；同一初始干密度條件下，試樣的初始含水率分別取17%、19%、21%和23%。

(1)初始干密度對膨脹率的影響

圖3為不同初始干密度條件下，膨脹率的試驗結果。由圖3可知，在含水率相同的條件下，土體的膨脹率隨其自身干密度的增加而增大。這是因為當初始含水率相同時，土體本身的干密度越大，土體的吸水能力越強，膨脹穩定時的變形量也越大，膨脹率也相應越大。

圖3 膨脹率隨初始干密度變化關系曲線

采用線性函數(式1)對相同含水率條件下，膨脹率與干密度的關系進行擬合，擬合結果見表1。

式中，y1為膨脹土的膨脹率(%)；x1為干密度(g/cm3)；A、B為擬合參數。

由表1可知，相關系數R2多在0.90以上，擬合效果較好。由此可知，當干密度在1.60 g/cm3～1.75 g/cm3時，膨脹土的膨脹率與干密度呈線性增長關系。

表1 試樣膨脹率與初始干密度擬合結果

(2)初始含水率對膨脹率的影響

圖4為不同初始含水率條件下，膨脹土的膨脹率測試結果。由圖4可知，在干密度相同的條件下，當膨脹土的含水率在17% ～21%范圍內時，膨脹率隨自身含水率的增加而降低；當含水率為23%時，膨脹土的膨脹率則與含水率為21%時的膨脹率差別不大，但仍有小幅度降低。這是因為當膨脹土的含水率在17%～21%時，土體的初始含水率越大，試驗前土體因吸水而消耗的膨脹潛勢越大，浸水膨脹后，表現出的膨脹變形量相應越小，膨脹率也越小。由于土體的干密度相同，本身所具有的膨脹潛勢也相同，當初始含水率大于21%時，土體在試驗前因吸水而消耗的膨脹潛勢較大，剩余的膨脹潛勢已不能使得土體表現出明顯的變形差異，進而導致其膨脹率下降的幅度較小。

圖4 膨脹率隨初始含水率變化關系曲線

采用線性函數(式2)對相同干密度，且含水率為17%～21%條件下，膨脹率與含水率的關系進行擬合，擬合結果見圖5及表2。

式中，y2為膨脹土的膨脹率(%)；x2為含水率(%)；C、D為擬合參數。

圖5 膨脹率隨初始含水率擬合曲線(初始含水率范圍17%～21%)

由表2可知，相關系數R2均在0.85以上，擬合效果較好。由此可知，當含水率在17% ～21%時，膨脹土的膨脹率與含水率呈線性降低關系；當含水率在17%～23%時，膨脹土的膨脹率與含水率呈分段線性降低關系。

表2 初始含水率范圍為17%～21%的膨脹率與初始含水率擬合結果

3.2 膨脹土抗剪強度特性

室內進行重塑膨脹土在不同條件下的抗剪強度試驗，試樣均采用靜壓成型法制備。為探究不同干密度對土體抗剪強度指標的影響，試樣的初始干密度分別取為 1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.70 g/cm3、1.80 g/cm3，初始含水率均取為15%；為探究不同含水率對土體抗剪強度指標的影響，試樣的初始含水率分別取為10%、15%、20%、25%，初始干密度均取為1.60 g/cm3；為探究干濕循環效應對土體抗剪強度指標的影響，控制試樣的初始含水率為21%，初始干密度為1.70 g/cm3，并分別進行0次、1次、2次、4次、6次和8次干濕循環后的剪切試驗，其干濕循環路徑見圖6。

圖6 干濕循環路徑

(1)初始干密度對抗剪強度指標的影響

圖7為初始含水率為15%時，不同初始干密度條件下土體抗剪強度指標的測試結果。由圖7可知，相同含水率條件下，膨脹土的黏聚力隨其自身干密度的增加而增大，內摩擦角則無明顯變化。這是因為土體的干密度越大，土體顆粒間的水膜越薄，分子間作用力也越強，土體的黏聚力也相應越大；而土顆粒間分子作用力對土體的內摩擦角影響較小，因此土體的內摩擦角未隨土體干密度的增大而表現出明顯的規律性。

圖7 膨脹土抗剪強度指標與初始干密度關系曲線

采用指數函數(式3)對相同含水率、不同干密度條件下膨脹土的黏聚力與干密度關系進行擬合，擬合結果見表3。

式中，y3為土體黏聚力(kPa)；x3為土體干密度(g/cm3)；E、F為擬合參數。

由表3可知，相關系數R2在0.95左右，擬合效果較好。由此可見，當干密度在1.50 g/cm3～1.80 g/cm3時，土體的黏聚力隨其自身干密度的增加而呈指數關系增大。

表3 不同干密度條件下的擬合結果

(2)初始含水率對抗剪強度指標的影響

圖8為初始干密度為1.60 g/cm3時，不同初始含水率條件下土體抗剪強度指標的測試結果。由圖8可知，相同干密度條件下，土體的黏聚力和內摩擦角均隨其自身含水率的增加而降低。這是因為土體較大的含水率使得土體顆粒間的水膜相應增厚，潤滑作用增強，分子間的作用力減小，導致土體黏聚力和內摩擦角相應降低。

采用直線函數(式4和式5)分別對相同干密度、不同含水率條件下膨脹土的黏聚力、內摩擦角與含水率的關系進行擬合，擬合結果見表4。

式中，y4和y5分別為黏聚力(kPa)和內摩擦角(°)；x4為含水率(%)；G、H、I、J均為擬合參數。

由表4可知，相關系數R2均在0.90以上，擬合效果較好。由此可見，當含水率在10% ～25%時，土體的黏聚力和內摩擦角均隨其自身含水率的增加而呈線性關系降低。

表4 不同含水率條件下的擬合結果

(3)干濕循環效應對抗剪強度指標的影響

圖9為土體的抗剪強度指標與干濕循環次數的關系曲線。由圖9可知，隨著干濕循環次數的增加，土體黏聚力先大幅降低后趨于穩定；而干濕循環效應對土體的內摩擦角無顯著影響。上述現象與干濕循環過程中土體裂隙的出現和發展密切相關。由于膨脹土本身的透水性較差，在脫水干燥過程中，失水極不均勻，使得其體積收縮也極不均勻；土體不均勻的收縮變形使得土體表面出現應力集中現象，當土體表面的應力超過土體的抗拉強度時，表面裂隙出現并持續發展；當土體再次吸水后，已出現的裂隙會因土體的吸水膨脹而愈合，但會隨著土體的失水收縮而再次開裂。裂隙的出現和發展對土體的結構造成破壞，最終影響其強度，造成其黏聚力的大幅衰減。隨著土體干濕過程的反復進行，土體的裂隙逐漸達到穩定狀態，黏聚力也逐漸趨于穩定，并維持在一定水平。

圖9 膨脹土抗剪強度指標與干濕循環次數關系曲線

4 針對該地區膨脹土邊坡防護工程的建議

通過以上分析可知，蒙巴薩地區膨脹土本身的含水率及干密度對其吸水后的膨脹性和抗剪強度指標影響顯著，且干濕循環效應會使得其黏聚力出現大幅度的下降，導致其抗剪強度降低。蒙巴薩地區為熱帶草原氣候，雨季和旱季分明，雨季雨水的入滲和旱季水分的蒸發不僅使得土體內部土水狀態發生變化，導致土體體積發生脹縮變形，造成防護結構的開裂、破壞；同時降雨和蒸發作用還類似于室內干濕循環效應，反復降雨和蒸發作用使得土體裂隙發展，抗剪強度降低，極大地增加了邊坡失穩的風險。因此，對于邊坡工程而言，通過防護措施防止雨水的入滲，保持邊坡內部土水狀態的穩定就顯得尤為重要。為此，結合該地區的膨脹土邊坡防護工程案例與膨脹土的特性，提出以下4點建議:

(1)當邊坡高度≤3 m時，邊坡宜設置合理的坡率并植草防護，且選擇的植被應能適應當地雨季濕熱多雨、旱季炎熱干燥的氣候特征。

(2)當邊坡高度為3～10 m時，邊坡宜設置合理的坡率并采用片石骨架、混凝土骨架以及錨桿框架格梁與植草防護相結合的防護方式，且坡腳處應設置高度不小于2 m的漿砌片石擋墻。

(3)當邊坡的高度＞10 m時，邊坡應進行多級放坡(坡高不宜大于6 m)，并采用樁板墻或鋼筋混凝土擋墻與錨桿框架格梁的組合防護方式。擋墻的高度不宜小于5 m。此外，邊坡坡面宜采用混凝土進行隔水處理。

(4)邊坡防護工程的設計過程，要充分考慮地下水、地表水對邊坡土體以及防護結構穩定性的影響。同時要加強邊坡排水系統的設置，盡量使其能夠與路基排水系統構成一體，從而保證邊坡排水的順暢。此外，還應避免在雨季進行邊坡防護工程的施工。

5 結論

(1)膨脹土本身的干密度和含水率對膨脹變形特征影響顯著。當干密度在1.60 g/cm3～1.75 g/cm3時，土體的膨脹率與干密度呈線性增大關系；當含水率在17% ～23%時，土體的膨脹率與含水率呈分段線性減小關系。

(2)膨脹土本身的干密度、含水率對其抗剪強度指標影響顯著。當干密度在1.50 g/cm3～1.80 g/cm3時，土體的黏聚力與干密度呈指數增大關系；當含水率在10% ～25%時，土體的黏聚力和內摩擦角均與含水率呈線性減小關系。

(3)干濕循環效應加劇了膨脹土裂隙的出現和發展，進而導致其抗剪強度降低。其中黏聚力隨干濕循環次數的增加先大幅降低后趨于穩定，而內摩擦角無顯著變化。

(4)針對蒙巴薩地區的邊坡防護工程，有必要通過防護措施防止雨水入滲，進而保持邊坡內部土水狀態的穩定。