膨胀土不良工程特性对滑坡的影响研究

马强强 梁昕宇 代梓帆 宁少帅 余锦

摘要：通过对滑坡形成过程及其危害分析，和对膨胀土的膨胀指标和强度指标研究，从而进一步研究膨胀土的物理性质、工程性质和膨胀土滑坡的影响因素。从实验和资料分析得出膨胀土的不良地质特性对滑坡的影响。

Abstract： By studying the formation process of landslide and its hazards， the expansion index and strength index of expansive soil are studied， the physical and engineering properties of expansive soil are further studied， and the influencing factors of expansive soil landslide are analyzed. The influence of the unfavorable geological characteristics of expansive soil on landslide is analyzed from experiments and data analysis.

关键词：膨胀土；滑坡；影响

Key words： expansive soil；landslide；influence

中图分类号：U416.1+63 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）03-0175-03

0 引言

问题的提出：膨胀土在世界各国均有广泛分布，但其工程特性是十分糟糕的，每年许多的工程问题和频繁发生的地质灾害，都源于膨胀土不良工程特性。因此，在当今岩土工程和工程地质领域膨胀土及其工程问题也成为困扰大家的重大工程问题之一。[1]虽然经历近半个世纪的广泛深入研究，但至今在各国的工程建设领域中，膨胀土的粘土矿物质问题仍旧是有待深入探究解决的难题之一。大量的国内外研究结果表明，膨胀土所处环境的变化（膨胀土与工程的相互作用）和膨胀土的膨胀势的强弱（即膨胀性粘土矿物组成）会对膨胀土工程性质的变化及工程问题的发生产生巨大影响。因此膨胀土的粘土矿物质组成的定性定量研究，始终受到了国内外的高度重视并进行了长期大量研究[2-4]。在当今中国西部大规模的基础工程建设中，有许多重大工程，特别是关乎国民经济建设的重要干线工程都遇到了膨胀土的工程地质问题。

膨胀土土粒中粘粒成分最主要的特征是含有大量的亲水性矿物，其亲水性矿物的主要组成成分是高岭石、蒙脱石、伊利石。所以其具有明显的吸水膨胀失水收缩变形的特性。在天然状态下膨胀土常处于较坚硬状态，但其对气候和水文等因素的变化有较大敏感性，而且这种敏感性通常对工程建筑物会产生严重的危害。

2008年5月12日，四川汶川发生8.0级强烈地震，对陕西境内产生了巨大影响，陕南山区受灾严重，尤其是在宁强、略阳、勉县境内震感强烈，地震不仅造成岩土体松散破碎，产生滑坡、崩塌等次生地质灾害，造成了房屋毁坏，基础设施损毁，直接间接经济损失巨大，而且更为严重的是造成大量人员伤亡。

本文从地形地貌条件、地质构造条件、地震荷载作用下、岩土体结构的影响、膨胀土体中水的作用，以及人类工程对膨胀土滑坡的影响，对各因素影响原理和产生的结果详细分析，研究膨胀土滑坡的影响因素，分析膨胀土边坡滑坡机理。

1 膨胀土滑坡形成的影响因素研究

1.1 膨胀土边坡的矿物质组成，土体的结构，以及膨胀土所在区域的地理环境

膨胀土的特殊物理性质——膨胀性主要受自身所含的粘土矿物质成分和含量的不同所影响。蒙脱石、伊利石、高岭石三者都是亲水性矿物质，其含量不同所占比例不同，致使自由膨脹率FS，塑性指数，标准吸湿含水率Wf三指标不同，使其胀缩等级不同。

裂隙性：膨胀土的胀缩性是导致裂隙产生的重要原因。土中的裂隙从形态上分为竖向裂隙和水平裂隙，裂隙的发育越丰富，导致工程性质越不良，土体结构的稳定性和土体强度也随之降低。膨胀土具有遇水膨胀失水收缩的特点，受外界影响明显，含水量变化产生的收缩裂缝也将引起土体位移加剧发展。

超固结性促进了裂隙的发育。随着人类活动范围扩大，满足经济发展需求，大量工业民用建筑的修建及铁路公路网建设过程中的土方工程，势必要开挖土体，使得土中超压密所储存的内部能量在开挖过程中卸载，从而引起底部土体产生隆起、裂隙，破坏土体局部结构，进一步发展可能导致滑坡产生。

本文以从实地采集的膨胀土作为研究对象，通过室内实验测定膨胀土的基本物理性质指标。

①三联固结仪：本仪器用于进行土的压缩试验，测定土的变形和压力或孔隙比和压力的关系，变形和时间和关系，以便计算土的单位沉降重，压缩系统，压缩指数，回弹指数，压缩模量固结系数等。

②电动击实仪：在一定击实次数下测定土的干密度与含水量的关系，从而确定土的最大干密度和最优含水量，借以了解土的压实性质。

③烘箱、天平等：土的基本物理参数测量。

试样的主要物理参数见表1。

由表1可知作为试样的膨胀土属于高液限土，含水量较高且自由膨胀率较大。

土的颗粒级配见表2。

膨胀土颗粒成分以粘土为主，其中小于0.1毫米的粒级占有相当大的比率，可以看出该膨胀土分散性较高。其次，该膨胀土粘粒与胶粒含量较高，膨胀性强，力学强度低。膨胀土中粘粒具有较强的胶体化学性质，粘粒含量愈多，比表面积愈大，使膨胀土具有液限高而膨胀性大的特性。当非饱和土体中含水量较小时，水膜变薄，颗粒间的吸力加大，此时膨胀土具有较高的强度。若土中含水量较高时，吸附在粘粒周围的水膜随之增厚，其强度就会显著降低，压缩性则愈大，工程性质就愈差。

1.2 滑坡的活动时间关系

從滑带土破坏到形成滑坡时时间间隔长短，与外界诱发因素的作用关系密切，如地震、降雨、冻融循环、海啸、风暴潮及人类活动等都有可能影响滑坡活动的进程。大致有如下规律：①同时性。某些膨胀土边坡滑坡与诱发因素呈即时伴随关系，即在诱发因素作用的很短时间内，滑坡发生。如强烈地质构造活动、局部地区短时暴雨、地震或强对流天气引发的海啸、依山修建工业民用进行的开挖、爆破等的不合理的人类活动，其作用时都会造成天然边坡的失稳，形成边坡滑移、塌方。②滞后性。某些膨胀土边坡滑坡与诱发因素呈延时伴随关系，即在诱发因素作用后相当长一段时间内，边坡仍处于稳定状态，随着诱发因素的累积，边坡从稳定状态向临界状态迁移，最终发生滑坡塌方。如在地震作用加持续强降雨、融雪作用及人类活动之后发生的滑坡。在降雨诱发型滑坡中这种滞后性规律表现最为突出，该类滑坡多发生在长时间的持续降雨之后，岩土体的结构、岩石特性，降雨量（土壤的含水量）决定了滞后时间的长短。一般来讲，坡体风化程度越高，滑坡体越松散、裂隙越发育、持续降雨作用下坡体土壤含水量越高，坡体容重越大，则结构越不稳定，同时滞后时间也越短。另外，在坡肩一定范围内持续堆载，开挖坡脚或坡体中部，水库蓄、泄水之后发生的滑坡也属于这类。由人为活动因素诱发的滑坡的滞后时间的长短与人类活动对自然边坡的扰动强度大小、扰动持续时间长短及原先坡体在自然状态下的结构稳定程度有关。人类活动的扰动强度越大、扰动持续时间越长、原自然坡体岩土结构的稳定程度越低，则延时间隔时间越短。

1.3 滑坡的空间分布

其主要与气候以及地质活动等因素有关。通常、下列地带是滑坡的易发和多发地区：①临近江、河、湖（水库）、海、沟的沿岸边坡地带，垂直高差较大的纵深峡谷地带，山区及平原深丘区，铁路、公路、工业民用建筑物和构筑物的边坡地段等。上述地带都为滑坡的产生提供了有利的地形地貌基础；②地质构造带之中，如断裂带、地震带等。断裂带、地震带中的岩体结构通常呈破碎状、裂隙发育充分，是非常有利于滑坡的形成的地形；因此地震烈度大于7度的地区，坡度大于25度的坡体，在剧烈的地质构造运动中浅层岩土体极易失稳发生滑坡。③易滑（坡）的岩、土分布区。如松散覆盖层、黄土、泥岩、页岩、煤系地层、凝灰岩、片岩、板岩、千枚岩等岩、土的存在，由于其土体间的抗剪切力较弱，为滑坡形成提供了绝好的物质基础。④暴雨多发区或异常的强降雨地区。在上述区域内，坡体土壤含水量因短时强降雨作用发生巨大变化，土的工程特性也随之改变为滑坡发生提供了有利的诱发因素。

上述地带的叠加区域，就是滑坡的密集发育区。从我国的太行山到秦岭、经鄂西、四川、云南到藏东一带就是这种典型地区，滑坡发生密度极大，危害非常严重，而这些区存又在大面积的膨胀土。

1.4 人类活动影响

违反自然规律、破坏斜坡稳定条件的都会诱发滑坡。

①开挖坡脚。在山区依山修建铁路、公路、房屋和工厂，往往由于边坡下部失去支撑而发生下滑。例如由于地形地貌工程施工技术、经济条件等因素的制约，西南和西北地区的一些铁路和公路已采用爆破和强行开挖法施工。后来边坡上相继发生的滑坡给公路建设和运营带来巨大危害。②蓄水、排水。水渠和水池的漫溢和渗漏，工业生产用水和废水的不合理排放、农业的不科学灌溉等，均易使水流渗入坡体，加大孔隙水压力，软化岩土，增大边坡坡体容重，坡脚支撑不了上部过大的荷载，坡体失去平衡，沿软弱面下滑。在雨季，水库的水位上下变化剧烈，加大了边坡的动水压力，诱发边坡和岸坡滑坡的发生。

另外、劈山开矿的爆破作用会使斜坡的岩体和土体受振动挤压而破碎从而产生滑坡；在边坡上乱砍滥伐会使坡体失去保护，这有利于雨水和其他水体的入渗从而诱发滑坡等。当以上人类活动在不利的自然环境进行时就更容易促进滑坡的发生。随着经济的发展，大规模的基础设施建设，越来越多的自然坡体受到破坏，因而近年来滑坡事件越来越多，并有愈演愈烈的趋势。应加以重视。

1.5 一般开挖边坡膨胀土滑坡机理

膨胀土边坡滑带土破坏及滑动面的形成，实质上是滑带土抗剪强度随时间变化逐渐降低的过程。膨胀土所具备的基本特性——胀缩性、超固结性和裂隙性，又是导致滑带土破坏及滑动面形成的根本原因。

膨胀土自然边坡在开挖前，处于长期的地质演化过程中，坡体中软弱夹层的抗剪强度经历着长期的浸水软化和流变衰减的强度下降过程。先是表层岩土体因长期风化作用及由胀缩性引发的反复胀缩行为，导致土体结构部分发生破坏，使得大气降水、地表水渗入，进而自然边坡中膨胀土含水量增加，造成表层土体的抗剪强度降低。然后由于膨胀土另一特性——裂隙性，土体的局部结构遭到破坏后会产生较大的竖向与水平裂隙，此时地表水、大气降水等将沿裂隙下渗并积聚于下部软弱夹层层面上，软弱夹层吸水膨胀，边坡土体的含水量进一步增大，孔隙水压力增大，有效应力则降低，软弱夹层的抗剪强度降低。又因为膨胀土具有超固结性，而大量研究结果表明超固结土的强度呈应变软化型，这种长期存在的流变会削弱和破坏土粒间的连结作用，进一步造成其强度的丧失，最终导致软弱地质夹层抗剪强度流变衰减。

因此膨胀土自然边坡在开挖前的变形过程中，主要力学特征表现为土体抗剪强度逐渐丧失。

膨胀土边坡在开挖后，土体抗剪强度大幅降低，在无有效支挡情况下产生边坡滑移，塌方。其渐变过程如下：由于陡坡路段薄层开挖、高边坡深路堑开挖等不良施工方式，挖掉了坡脚或坡体中部的膨胀土，下部呈超固结性的膨胀土因上部土体的移除，处于卸荷状态，产生较大的水平剪应力和侧向的剪切位移，伴随侧向剪切位移增大的力学特征为土体抗剪强度的衰减，此时在剪切力作用下产生土颗粒间的相对滑移，应力由土颗粒骨架转移到土中水上，产生孔隙水压力并因侧向剪切位移的不断累积，孔隙水压力不断增加，有效应力则逐渐降低，从而导致抗剪强度降低，发生滑带土破坏，最终引发膨胀土边坡滑移、塌方。

综上，膨胀土的邊坡滑坡及塌方的形成过程和机制为：自然坡体开挖——非饱和滑带土抗剪强度的浸水软化和饱和滑带土有效应力降低引起抗剪强度丧失——坡面进一步突出隆起——坡面或坡顶裂隙进一步发育——坡脚剪切破坏——剪破区向上发展与后缘张裂隙贯通——滑动面贯通——滑坡发生

对此可预防措施为：首先要防止大气降水、地表水等渗入坡体，同时要注意及时疏导地下水，采取合理的防排水措施，例如在坡体周围及坡体上布设环形截水沟，沿坡面布设纵向排水沟，在坡脚设置排水沟，严防水流对坡面的冲蚀和对坡体的浸入。同时可进行坡面防风化处理，如植被防护、坡面混凝土面板、浆砌石防护。

2 总结

膨胀土边坡稳定性问题一直是困扰岩土界的重大问题，本文通过对影响膨胀土边坡滑坡因素的综合研究分析，认为土体中的矿物质组成与含量和水的作用是影响膨胀土边坡稳定性的重要因素。同时地质构造、地形地貌及人类活动也是影响边坡稳定性的因素。

当膨胀土边坡因自身坡体风化，大气降水、地表水下渗造成多次胀缩循环，形成软弱地质夹层，严重影响膨胀土边坡自身稳定性时，建议对膨胀土边坡先进行有效支护，防止其在雨季发生滑塌，例如布设重力式挡土墙、加筋挡土墙、土钉墙、抗滑桩等边坡支挡结构物；为了防止风化的进一步加剧和地表水下渗使裂隙进一步发育，影响滑带土的抗剪切强度，建议进行坡面综合防治，例如在坡比合理情况下，采取工程防护（挡土墙、封闭式平台、拱形骨架护坡、表层土壤换填）措施，加上植被防护（在拱内种植草皮或低矮灌木），形成拱形骨架防护与边坡植被防护综合处置，有效治理膨胀土边坡失稳问题；对于开挖部分：已经形成明显的剪切滑移且坡比不合理的高边坡路段，建议先进行削坡处理，满足永久稳定目的，再进行坡体支护和坡面防护综合处理；由于膨胀土的胀缩性，遂边坡滑带土的抗剪切能力与水的影响甚密，因此对膨胀土边坡的防水排水处理至关重要，建议在坡体周围布设截水沟，在坡脚设置排水沟，及时封闭坡面。

膨胀土边坡防护总体原则：坡面排水，坡体支护，综合处理，保护环境。

通过对膨胀土滑坡过程及机制的研究能更好预防滑坡地质灾害诱发的或伴生的其它地质灾害的链生性，对在以后的生产生活中能避免的灾害做到有效地防治。

参考文献：

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