膨胀土路堑边坡破坏研究

马恒春 靳国礼

1 概述

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体，粘粒成分主要由强亲水性矿物蒙脱石及其混层粘土矿物组成，具有超固结性、裂隙性、遇水膨胀、失水收缩开裂且反复变形等与正常固结粘土不相同的工程性质。由于其不良工程特性导致的工程问题或地质灾害的频繁发生以及在世界各国的广泛分布，膨胀土及其工程问题一直是当今岩土工程和工程地质领域中世界性的重大工程问题之一。

2 膨胀土路堑边坡的破坏类型

膨胀土路堑边坡的破坏可分为三种类型:受风化作用层控制的浅表层破坏模式;受裂隙软弱结构面控制的浅层破坏模式;受层间软弱结构面控制的破坏模式[1]。

3 膨胀土路堑边坡的破坏机理

1)膨胀土的胀缩机理。膨胀土胀缩机理可以理解为具有晶层结构的蒙脱石或蒙脱石混层矿物，在电解质溶液的作用下，土中的水分子受到层间交换性阳离子的静点势、组成晶层的正负离子的静电作用、氢键、渗透压、层间相互作用力、层间阳离子与晶层间作用力、范德华力和土处于非饱和状态下的基质吸力等的共同作用，具有溢出层间的收缩势和使空隙水分进入层间的膨胀势，使得膨胀土失水收缩，吸水膨胀[2]。2)膨胀土的干燥活化和机械活化作用。大量膨胀土原状样膨胀性指标测定结果表明，无论是膨胀力还是不同荷载下膨胀变形量指标均不大，且土的膨胀势大小的影响并不显著，这无法解释膨胀土地基上所发生的强烈变形现象。但风干后样品膨胀性指标测定结果却表明，无论是膨胀力还是不同荷载下膨胀量却是天然土的5倍～10倍，因此干燥失水后雨季的强烈吸水膨胀变形和巨大膨胀力将是膨胀土地基和路面强烈隆起变形的根本原因。公路沥青混凝土路面普遍发生的隆起变形和铁路路基发生的坍塌破坏，除与水分聚集有关外，也与地基土夯实碾压重塑后结构遭到破坏的机械活化以及火车动荷载的反复作用形成路床土的机械活化密切相关。3)膨胀土的裂隙性(不连续性)。裂隙性主要是指膨胀土中密集分布的以低角度为主的剪切裂隙(而不是指土体表面上宽下窄的垂直收缩裂隙)。根据分布形态和力学特性，膨胀土的裂隙可分为:干燥收缩裂隙、卸荷裂隙、膨胀裂隙、构造裂隙等。大量的工程勘测及现场调研表明，膨胀土的裂隙性对建筑物地基来说并不十分关键，但对暴露于大气中的公路、铁路及水渠的边坡却是至关重要的，也是造成膨胀土地区道路建设中“逢堑必滑”的重要原因。4)膨胀土的超固结性。大量研究和调查表明[3]，超固结性粘土的水平应力比自重应力大1倍～2倍，因此超固结硬粘土浅层高的水平应力导致边坡开挖中在高水平应力作用下强烈的卸荷松弛效应的发生，造成微裂隙间的位移、张拉，土体松胀即大变形作用的发生，即所谓的“应变软化效应”，并在坡脚处形成大范围的剪应力集中区，从而降低边坡的稳定性。5)膨胀土的强度衰减性。所谓强度衰减特性是指岩土体在水的作用下强度强烈降低的性质，虽然任何岩土在水的作用下其强度都有浸水软化现象，但由于膨胀性硬粘土的应变软化效应以及在边坡开挖过程中因土体暴露而发生的强烈干燥失水作用所引起的吸力势增高，当雨季到来，在坡面水流作用下不仅造成裂隙充水，而且发生土块强烈吸水膨胀作用，因此体积膨胀的同时造成抗剪强度的强烈衰减，其抗剪强度的衰减率可达20%～50%[4]。因吸水膨胀作用所发生的强度衰减作用随深度增加而减少，强度衰减的空间变化决定膨胀土滑坡的浅层性。总之，膨胀土路堑边坡破坏往往具有成群分布、浅层性、牵引性、结构和构造性以及多次滑动性、潜伏性等特点，它们主要受到边坡开挖效应的影响，即裂隙性及其结构控制作用、超固结性与应变软化效应、膨胀性与强度衰减性效应，也就是说地质构造、土质条件以及气候因素是产生破坏的前提条件，水则是造成破坏的直接肇因。

4 处治时应考虑的因素

膨胀土对道路路基工程具有特殊的破坏作用，修筑在膨胀土地区的公路和铁路路基几乎都是“逢堑必滑，有堤必坍”，而且这种破坏作用还具有多次反复性和长期潜在危害性。因此研究膨胀土路基边坡处治方案设计时应特别重视以上问题，根据膨胀土特有的工程性质以及其破坏规律，并结合我国实际国情，提出切合实际且有较好针对性和经济性的专门处治措施，如刚柔相济、柔性支护等措施。在处治中应考虑以下因素:

1)膨胀土地质灾害的分布具有鲜明的地域性，即某些地域膨胀土地质灾害异常严重，而某些地域则比较轻微。产生这种地域性分布的原因:a.与土的成分和性质有关;b.与各地域的气候干湿条件有关。2)在研究中，应做好模拟干湿循环条件下的膨胀土边坡的原位强度试验和开挖膨胀土边坡的现场跟踪观测，并在此基础上建立更适于膨胀土路基边坡破坏模式的稳定性分析方法。3)用保湿防渗的思想进行膨胀土路堤包盖处理时，涉及到封闭厚度的确定及封闭效果评价的问题，因此，应确定膨胀土活动层深度。4)膨胀土的路基工程问题说到底还是个地质问题，千万不能脱离其工程所在地的地质特征来进行研究或开展设计，应重视把握施工现场的实际地质情况。5)膨胀土路堑边坡防护措施的选型及设计应考虑配套的综合排水系统。

5 工程实例及原因分析

由于含水量的变化是膨胀土体积变化的本质和核心，也是膨胀土地区公路、铁路路基发生破坏的主要肇因，因此膨胀土地区路基处治的原则主要是保湿防渗，也就是设法采取措施保证边坡土体含水量不发生大的变化。围绕这个思路，铁路、公路部门在膨胀土地区修路时，如遇到开挖的边坡稳定性不足，通常采用刚性支护措施，如抗滑桩、挡土墙以及联合这两种结构物进行加固，而对于大面积的膨胀土边坡坡面，主要采用全封闭的浆砌片石、挂网喷浆等进行防护。

1)国内铁道部门较早开展膨胀土路基边坡稳定技术研究，采用最多的是刚性支护和坡面全封闭措施，南昆铁路林逢车站某路堑防护与加固方式(挡土墙+分级浆砌片石护坡)就是典型的全封闭支护措施，但是并没有收到预期的效果，边坡全封闭工程还不能适应膨胀岩体的碎裂性和低强度性。全封闭的防护工程，如浆砌片石、喷射混凝土或加短锚杆，虽有一定的保墒、防止胀缩的功效，但经工程实践表明，对碎裂、低强度的堑坡弊大于利。全封闭工程阻碍裂隙水的排泄，岩体含水量的增加会导致强度降低尤其是结构面抗剪强度的降低，不利于边坡稳定。

2)云南楚大K39+332～K39+684段深路堑边坡全封闭处置措施(矮挡墙+分级浆砌片石护坡，坡率1∶4)，在1996年路堑开挖施工过程中两侧边坡出现多次垮塌，经过几次整治，最后将边坡放缓至1∶4，并采用两级平台，设置了平台排水沟的全封闭方案处治方式，耗资近千万，后来仍有局部发生破坏，经修补基本保持整体稳定。

根据上述分析可知，以往铁路、公路部门对膨胀土路堑边坡主要采用刚性支护措施，即以圬工结构为主，这种处治措施尽管也能起到一定作用，但对于膨胀土这种特殊土体而言，它不是最好的方法。因为刚性支护不允许被支护土体产生变形，而在干湿循环、坡后裂隙水或渗透水的作用下边坡膨胀土体必然发生湿度变化，当土体干缩湿胀后其膨胀变形较大而得不到释放时，会产生很大的膨胀压力使刚性支护破坏。

6 结语

针对目前膨胀土地区路堑边坡处治工程中存在的问题，长沙理工大学在交通部西部交通建设科技项目“膨胀土地区公路修筑成套技术研究”中提出了膨胀土路堑柔性处治的新技术[7]。

柔性支护主要指以土工织物加筋边坡土体为主，辅以其他必要综合处理措施的处理方案。其特点是不但能承受土压力而且允许土体产生一定变形，可吸收边坡土体因超固结引起的应力释放和含水量变化产生的膨胀力。廖世文(1984)的研究表明，若允许膨胀土的线膨胀量达0.3%，其膨胀力可比无膨胀时最大的膨胀力降低25%。因此非常适合膨胀土路堑边坡。

[1]长沙理工大学.膨胀土地区公路修筑成套技术研究报告[R].2007.

[2]冯玉勇，张永双，曲永新.南昆铁路百色盆地膨胀土路堤病害机理研究[J].岩土工程学报，2001，23(4):463-467.

[3]蒋忠信，秦小林，李 敏，等.南昆铁路膨胀岩(土)及其防治的研究[J].中国地质灾害与防治学报，1995(6):27-28.

[4]廖世文.膨胀土与铁道工程[M].北京:中国铁道出版社，1984.

[5]杨和平，郑 鹏.南友路膨胀土堑坡滑坍的地质调查与思考[J].长沙理工大学学报，2004，1(1):14-20.

[6]杨和平，曲永新，郑健龙.宁明膨胀土研究的新进展[J].岩土工程学报，2005，17(9):981-987.

[7]郑建龙，杨和平.膨胀土处治理论、技术与实践[M].北京:人民交通出版社，2004.