浅析膨胀土边坡的破坏机理及防治措施*

刘加冬 路洪斌 徐中秋

(皖江工学院，安徽 马鞍山 243031)

膨胀土是一种具有吸水膨胀、失水收缩特性的高液限粘土，主要由强亲水性粘土矿物(蒙脱石和伊利石等)组成，它是有别于软土、湿陷土、冻土、盐渍土、红粘土以及普通粘土的一类特殊土。

我国是膨胀土分布广、面积大的国家之一，在广西、江苏、云南、湖北、四川等20多个省发现有膨胀土，总面积达10万m2以上。膨胀土具有强胀缩性、多裂隙性和超固结性，因其裂隙性、胀缩性及超固结性“三性”复杂的共同作用，使得膨胀土的工程性质极差，膨胀土边坡常有“逢堑必滑、无堤不塌”的现象，因此，膨胀土也被岩土工程界称为灾害性土。每年全球因膨胀土造成的经济损失高达150亿美元[1]。我国正处于大规模的建设时期，大型渠道、公路、铁路等工程往往会穿越膨胀土地区。以中国西部高速公路为例，拟建的2.1万公路里程中有近3 300公路路段穿越膨胀土分布区。如果处理不当，一旦膨胀土发生滑坡，就会引起道路堵塞，影响附近居民正常出行；反之，如果处理措施过分保守，又会导致建设资金的浪费。因此，研究膨胀土边坡的破坏特征与机理，寻找更加绿色、环保、安全和经济的处理措施，是非常有必要的。

1 膨胀土边坡的破坏特征及机理

1.1 膨胀土边坡破坏特征

通过对国内外典型膨胀土破坏边坡的地质调查发现，膨胀土边坡的破坏特征与一般粘性土边坡的破坏特征不同，主要有以下特点：

1)季节性。膨胀土边坡失稳多发生在雨季。据统计显示，膨胀土边坡坍塌、溜塌或滑坡的高发时间多在降雨期间或者降雨结束后的一段时间内，随着雨水的持续入渗或补给，膨胀土的含水量增大，强度衰减，最终导致边坡的破坏，因此，膨胀土边坡的破坏具有明显的季节性。南水北调中线工程膨胀土渠段在2011年雨季遭遇多场降水，造成基坑积水，多处产生坍滑破坏。

2)浅层性。受自然环境的影响，膨胀土产生胀缩或风化，土体完整性遭受破坏，在一定深度内形成胀缩裂隙带或风化影响带，使得土的渗透性增强，强度降低，边坡失稳的滑面深度较浅。如襄渝线铁路28处膨胀土坡的统计中，深度0.5 m～3.0 m的土坡占53%[2]。

3)结构性。当膨胀土边坡内部存在构造作用形成的软弱层、断层等结构面时，受软弱层、断层等结构面的控制，在一定条件下也可以形成沿结构面的滑坡，说明膨胀土边坡的破坏也具有结构性。如万州J2S地层含高达60%～80%的蒙脱石矿物的泥化夹层，具有膨胀性，受结构面的控制，在长江和嘉陵江两岸发育了一系列大型滑坡，这些滑坡大多为折线型，底滑面大部分为已有的结构面，后缘为陡倾的拉裂面[3]，单个滑体达数千万立方米，滑面深度可达数十至近百米。

4)渐进性或牵引性。据对膨胀土滑坡过程的观测表明，边坡滑动时水平向的变形在坡顶部位较小，底部及坡腰处位移较大，滑坡往往从底部或坡腰开始局部溜滑，导致上层土体失去支撑，牵引上部土体滑动，形成渐进性滑坡，说明膨胀土边坡的破坏具有明显的渐进性或牵引性。安康东段A-CD50 合同段K116+500的左侧弱膨胀土边坡在开挖过程中发生了滑坡，滑坡范围约为4 500 m2，附近民房、村道出现严重开裂现象。该边坡位于一处低洼谷地，为缓坡。在开挖后土体应力释放，加之地下水和雨水汇集此处，土体长期浸泡软化，导致坡体局部产生溜滑，进而引起由下向上的牵引式滑坡。

5)反复性和缓坡型。膨胀土边坡发生初次滑动后，即便在短期内，也有可能由于地形地貌、气象水文条件的变化，再次失去稳定而复活，甚至在后续的若干年仍有可能产生新的滑坡，即便在坡度很缓的条件下膨胀土边坡也可能发生破坏。如陶忿渠首，建设期间就发生连续多次滑坡，后坡比缓至1∶4，几十年后，原滑体处又于2005年在延续一个月强降雨后发生规模较大的滑坡。

1.2 膨胀土边坡破坏机理

国内外专家、学者做了许多关于膨胀士边坡破坏机理的探索与研究，发表了大量有关文献。其中，A.W.Bishop和B.Jerrum[4]认为膨胀土吸水、应力集中等原因造成土质软化，粘聚力随时间变化逐渐减小，引起边坡滞后破坏，提出了滞后破坏理论。L.Bjrrum[5]认为造成膨胀土强度的不均匀性和应力差异的主要原因是裂隙的存在和开挖边坡所产生的应力释放，提出了渐进性破坏理论。朱梅生认为膨胀土边坡的首次滑动是由于坡脚附近首先产生剪切变形区(塑性变形区)，强度降低，从而导致边坡破坏。廖世文等[6]认为膨胀土边坡破坏的根本原因是土体在风化营力作用下，反复干湿循环效应使其抗剪强度逐渐衰减所致。卢再华、陈正汉[7]，袁俊平、殷宗泽[8]认为膨胀土的破坏受裂隙位置、深度控制，裂隙深度越深，雨水渗流影响区域越大，膨胀土边坡越容易产生滑坡。从众多学者的研究成果来看，膨胀土边坡破坏的根本性原因是其自身内在特性(胀缩性、裂隙性和超固结性)所致，主要原因是土体抗剪强度衰减，诱发条件是气候变化引起的含水量变化和开挖卸荷引起的应力释放。

2 膨胀土边坡防治措施

根据膨胀土边坡的防治原则，从影响其物理力学性质变化的内在因素和外在因素上入手，采取一定的技术措施解决表层土体浸水变形、风化、强度衰减等问题。主要的方法有：封闭法、化学改性法、支挡法等。

2.1 换填法

自然气候干湿变化引起的胀缩变形是膨胀土边坡失稳的主要因素之一。为了防止气候变化对膨胀土的影响，工程上常常挖除部分膨胀土，换填非膨胀土或石灰土，再用预制块或植草皮防护坡面，从而达到防治膨胀土边坡失稳的目的，这种处理膨胀土边坡失稳的方法即为换填法。换填法的换土深度一般根据膨胀土的强弱和当地的气候确定。该法是膨胀土路堤、水渠边坡处理方法中最简单而且可靠有效的一种方法。但是换填法需要大量的非膨胀土和弃料场地，会占用大量耕地，导致成本增加、资源浪费和环境破坏。在目前资源匮乏和环境污染问题日益突出的情况下，应当考虑更加经济合理的加固处理方法。

2.2 化学改性法

化学改性法是指在膨胀土中添加某些化学物质，使之与土中的粘土矿物和水发生一系列物理化学反应，从而改善膨胀土的胀缩性和裂隙性，提高其强度的一种措施。目前常用的处理方法有：

1)石灰改良。掺入的石灰吸水后与膨胀土中的水反应产生大量的热量，能促进石灰与膨胀土之间的进一步反应，使得石灰和土的混合物膨胀产生挤密，石灰与水反应生成的Ca(OH)2和Mg(OH)2还会继续与空气中的CO2产生反应，生成的CaCO3和MgCO3结晶，这些结晶主要聚集在土颗粒表面或土颗粒之间，会对土体产生胶结作用使之力学性质得到改善[9]。

2)水泥改良。在膨胀土中掺入水泥后，水泥水化后析出的Ca2+离子与土颗粒表面的K+，Na+离子发生交换作用，土颗粒水膜变薄，使分散土颗粒团粒化，同时Ca(OH)2具有强烈的吸附性，使土团粒进一步结合，减小土体孔隙，形成稳定结构。随着水泥水化反应的深入，当析出的Ca2+离子数量超过离子交换的需求后，会与土中部分SiO2,Al2O3发生反应，快速生成稳定的纤维状结晶矿物钙矾石，大幅度提高土的强度。水泥水化后，游离的Ca(OH)2又会吸收空气中的CO2生成CaCO3，能胶结土颗粒，起到粗粒化作用，并形成了水化水泥骨架，提高土体强度[10]。化学改性法在国内外应用较广，但是化学改性法的化学反应会使土中转化物含量大大增加，对生态环境可能造成不良影响。在当今生态环境保护的新趋势下，绿色环保的膨胀土处理方法将是未来研究的重要方向。

2.3 支挡法

支挡法主要是用支挡结构物提供的抗滑力，来平衡膨胀土边坡的下滑力，达到稳定边坡的目的，大体上分为刚性支护和柔性支护两大类。刚性支护主要是依靠刚性支护结构的自重或抗力来抵抗滑坡推力，保证边坡的稳定，属于传统的支护方法，主要有：

1)挡土墙防护。挡土墙是指支承填土或山坡土体、防止土体变形失稳的构造物。挡土墙结构用于膨胀土边坡支护时，可在膨胀土与挡土墙之间设缓冲带，可以起到排水和缓解膨胀力的作用。

2)抗滑桩。抗滑桩是依靠穿过膨胀土滑坡体深入于滑床的桩柱来支挡滑体的滑动力，进而稳定边坡的一种支挡法。

3)锚杆。将锚杆一端深入膨胀土边坡土体中，另一端与工程构筑物连接，利用锚杆在膨胀土中的抗拔力来稳定结构，以阻抗膨胀土变形破坏。刚性支护结构不允许土体产生过大变形，当膨胀土的胀缩变形较大时，常常会造成支护设施的破坏。柔性支护是基于对膨胀土特性的认识和对膨胀土边坡破坏机理的了解的基础上，以土工合成材料(土工布、土工格栅、土工膜等)为主，其他的处理措施为辅的一种支护方式。该支护方式的优点在于能够改善膨胀土的胀缩性，抑制膨胀土的胀缩变形和强度衰减，增强膨胀土的整体稳定性。国内外有些膨胀土工程应用了此类技术，但其作用机理还待深入研究。

3 结语

1)虽然很多学者对膨胀土的特性，温度、水对膨胀土的影响等方面做了大量研究，但是有些方面还需进一步深入研究和完善，如不同气候条件下的膨胀土土坡中含水量、应力与胀缩变形、温度等时空耦合关系；边坡失稳过程中的破坏形式与速度、特征等进行时空耦合关系研究；膨胀土边坡失稳的预测预报技术等[11]。

2)尽管换填法、化学改性法和刚性支护技术在膨胀土边坡处理中比较成熟，但是换填法成本较高、化学改性法对生态环境可能存在长期负面影响，刚性支护在土体变形较大时易于破坏，未来绿色环保、安全有效、经济合理的加固处理方法将是膨胀土研究的重点发展方向，如物理改良法和柔性支护技术。

3)对膨胀土边坡防治措施进一步优化。在工程中，往往由于某些原因，导致选择的防治措施或计算方法不合理、参数选择不恰当，使得边坡局部失稳，或是采用了过于保守的加固措施，造成成本增加，需要进一步优化支护方案。