膨胀土渠道边坡稳定性研究

□任剑飞（南水北调中线干线工程建设管理局河南分局）

膨胀土渠道边坡稳定性研究

□任剑飞（南水北调中线干线工程建设管理局河南分局）

边坡稳定性是岩土工程中的一个难点，其中膨胀土渠道边坡稳定性更是一个世界公认的难题。膨胀土在我国的分布范围十分广泛，许多工程建设项目都需要涉及到膨胀土的处理，膨胀土具有吸水膨胀失水缩小的特性，在经过反复干湿循环后会导致膨胀土内部出现裂隙，进而造成膨胀土强度降低，引起失稳现象。对此，文章分析了膨胀土的特性，阐述了膨胀土边坡失稳机理，最后对膨胀土边坡稳定性进行了实验分析。

膨胀土；渠道；边坡稳定性；裂隙

1 膨胀土的特性

1.1 膨胀土裂隙

膨胀土的吸水膨胀和失水收缩是一个循环往复的过程，在多次膨胀和收缩变化之后，膨胀土的表层就会产生杂乱分布的裂隙，以至于膨胀土土体的整体强度下降，而膨胀土土体强度下降便极有可能造成膨胀土边坡失稳。因此，在许多膨胀土强度试验中，为了保证实验能够得到期望的结果，都会特地强调膨胀土试样的尺寸。但从现在来看，这种认识仍然过于片面。大量的研究表明，膨胀土表层存在一个“大气影响带”，在“大气影响带”范围内膨胀土裂隙呈杂乱分布，而在“大气影响带”以下的膨胀土裂隙则具有一定的定向性，且多被填充，以至于在该部位的膨胀土裂隙存在光滑裂隙面。并且这种裂隙不仅仅存在于膨胀土当中，在大多数一般硬黏土中同样存在这种裂隙。从这个角度来说，研究此种类别的土体裂隙对于研究膨胀土边坡的稳定性具有重要的意义。

1.2 膨胀土的胀缩特性

膨胀土最基本的特征之一就是膨胀土的胀缩特性，通常来说，膨胀土胀缩特性的主要表现就在于膨胀土土体体积的变化。当膨胀土土体体积扩大趋势受到阻碍时，膨胀土的胀缩性则会表现为力的形式，也就是膨胀力。在岩土工程中膨胀力是一个影响工程建设的重要因素，同时在一定程度上膨胀力也会导致膨胀土发生膨胀变形。另外在膨胀力方面，我国将膨胀力定义为在土体无侧向变形条件下充分吸水，从而使土体不发生竖向形变所需的最大压力值。关于膨胀土膨胀力这一特性，国内外学者都存在不同的看法。部分学者认为膨胀力的大小不会随着环境的变化而变化，与土层厚度、土体饱和度、含水率等因素并无联系。而部分学者认为膨胀力与土体起始含水量有关，并且与膨胀土起始含水量呈现出反比增长关系。总的来说，膨胀土的膨胀力是一个极为复杂的指标，在膨胀土边坡稳定性方面具有一定影响。测试膨胀力的手段通常有3种，主要是平衡加压、膨胀反压和加压膨胀。通过相关的实验得知，对同一试样，采取不同的方式来测试膨胀力，其结果是不相同的。实践证明加压膨胀法最小，而平衡加压法排在第二位，如图1。

1.3 膨胀土强度

膨胀土的处理对于岩土工程来说是一个极为重要的方面，因此，人们对膨胀土进行了大量的研究。对于膨胀土强度的取值，国内外采用的实验方法存在着较大的差异，并且强度试验对于膨胀土边坡稳定性分析具有一定的作用，因此对于膨胀土强度的取值必须要采取合适的实验方法。由于膨胀土具有一定的复杂性，因此，膨胀土的强度特性与一般硬黏土存在很大的差别。在确定膨胀土强度的过程中可以从以下几个方面进行：首先是合理取样，一般可直接取用大气影响区部位的土块或大气影响区下部土块经干湿循环之后，再进行强度试验；其次，要注意于非大气影响区的伴生裂隙。由于伴生裂隙具有极强的方向性，对于该部位的土块不可能给出统一的土体强度指标。因此，膨胀土的强度需用土块强度和裂隙面强度两组强度来表征。另外，膨胀土的强度经过干湿循环后还会发生一定的变化，并且这种变化存在一定规律性。对于膨胀土而言，本身并不饱和，一些研究正是在这个理论基础上进行的。比如Bigshop理论，就提出了这方面的有效应力公式：

图1 膨胀力确定法图

在这个公式里，极限抗剪强度用τ表示；剪切面上法向压应力用σ表示；凝聚力用c表示；内摩擦力用φ表示；孔隙水压力用uw表示，孔隙气压力用ua表示，有效应力的参数是X，它的取值受土的类别、饱和度等方面的影响。如果土为完全干燥状态，即饱和度是0，X=0；若土的状态完全饱和，即饱和度=1，则X=1。

2 膨胀土边坡稳定性研究

2.1 失稳机理分析

从目前来看，学术界普遍认为膨胀土边坡失稳是由膨胀土反复干湿循环之后，土体经过膨胀、收缩，造成了土体内部出现了裂缝，从而造成了膨胀土土体强度整体下降，进而导致边坡失稳。按照失稳机制，在采用一般黏土边坡稳定分析方法时，发现对于实际发生失稳的膨胀土边坡，想要使边坡稳定分析安全系数到达1.00，土体的强度指标将会极小，这是不符合逻辑的。因此，针对这一问题，有关学者提出了“强度理论”，但其中的部分内容中提出了许多学者的膨胀土强度理论，都具有较大的差异性。

其中不少学者提出了即便是已经“滑了又滑”的边坡，同样会发生边坡失稳现象，其主要原因在于在这种膨胀土边坡当中土体结构非常松散，因此，部分学者认为膨胀土强度是较低的。但事实上这种认识仍然是过于片面的，许多新开挖的膨胀土边坡在吸水之后，同样会发生失稳。因此，部分学者认为，对于膨胀土土体强度的解释不应该用失稳后的土体性状进行解释，而应该将研究重点放在“首次滑动”的力学研究规律上。

2.2 室内模型实验

2.2.1 模型构建

该模型尺寸（长×宽×高）为：6.00×2.00×2.50，单位（m）；模型坡高：2.00 m；模型坡比：1：1.50。该实验模型材料为强膨胀土，其膨胀率为：120%，含水率为：20%，干密度为：1.60 g/cm3，制模方法为：振捣碾压法。为加速水的渗入，本实验在模型边坡上布置了一定数量的砂芯，并多点设置了雾化喷头，以模拟降雨效果。

2.2.2 分析方法

在该实验中，采取的边坡稳定性分析思路，主要是将膨胀土边坡经持续深入达到饱和状态，对该过程中模型出现裂隙以及裂隙扩展的状态进行观察，并采用了定量评价进行描述。

2.2.3 实验过程分析

在模型构建及相应布置完成后，打开雾化喷头，使模型整个坡面雨水持续入渗。当模型边坡逐渐变形到破坏时，实验已持续了253 h。此时，从模型侧面箱进行观察发现模型侧面局部已经出现裂隙。当实验持续到283 h，发现模型裂缝已经发生了扩展，并且此时模型边坡已经发生明显位移，坡顶出现了贯穿性裂隙。当实验持续到376 h，模型边坡肩部出现贯穿性裂隙。当实验持续到423 h，模型下部局部塌滑、上部裂隙处整体滑塌。实验结束后，对模型进行开挖，开挖位置为模型中轴线部位。开挖后发现，模型边坡浅层多处部位发生了滑动变形，且存在明显的切割错动痕迹，这说明模型边坡的滑坡是由浅表层滑动向深层滑动导致的。

2.2.4 实验结论

从结果上看，该实验基本反映了新填筑膨胀土边坡“首次滑动”的特征。并且该实验中的强度参数基本可以反映模型土体达到饱和状态后的抗剪强度。在只靠土体自重作用的情况下，该实验模型的边坡安全系数为5.20，远＞1.00。但事实上，在经过雾化喷头的长时间渗水后，模型边坡却发生了失稳现象。并且该实验中，模型边坡是采用分层振捣碾压法而形成的，因此模型边坡内部不存在裂隙，并且不存在经过干湿循环后的“大气影响带”，种种迹象表明造成模型边坡失稳的原因是由于膨胀土自身的膨胀特性。

3 结语

综上所述，膨胀土边坡失稳的内在原因主要是由膨胀土自身的胀缩特性导致的，其主要原因在于膨胀土经过干湿循环反复形变之后，浅层会出现不规则裂缝，而下层则会出现定向性裂缝。而膨胀土边坡失稳的外在原因，一方面是由于雨水的入渗，导致了膨胀土体内水压增大，降低了膨胀土对基质的黏结力，从而造成了膨胀土强度下降，进而引发边坡失稳。在对膨胀土边坡稳定性进行分析时，应先通过调查，将膨胀土实验得出的数据和裂隙发育状况用定量方式表达，以及利用非饱和土力学理论、水土特性、渗流理论等构建极限平衡方程。对于膨胀土边坡稳定性分析，文章采用了室内模型试验，但该方法受各方面条件限制具有一定的局限性，在膨胀土的胀缩特性、裂隙发育、土体强度变化规律方面还不能完全解释。因此，今后的膨胀土边坡稳定性研究有可能会朝着膨胀土边坡原位研究以及原地实验方向发展。

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TU443

A

1673-8853（2017）11-0080-02

任剑飞（1983-），男，工程师，主要从事水利水电工程工作。

2017-9-26

编辑：刘青