干湿循环机理对弱膨胀性岩土工程边坡稳定性影响程度的分析

林峰

（江西省地质局第三地质大队 江西九江 332000）

在自然环境中，地质变化产生了裂隙丰富、膨胀性强的地质体，称为膨胀土。它具有很强的塑性，主要是非饱和土，还具有两个特点：多裂隙和过度固结。膨胀土在我国很常见，广泛分布于山区。据调查，我国北方和西部只有少数地区没有膨胀土，而且涉及膨胀土病害的项目很多，因此对膨胀土的研究非常有意义。中国西南地区地形地貌和地层岩性复杂。越来越多的电力工程建设需要开挖边坡或填沟，不可避免地会形成许多工程边坡，经常会遇到用弱膨胀土回填的泥岩开挖边坡和填方边坡。在施工或运营期间，边坡的某些路段发生了一些边坡失稳事件，影响了项目的施工或运营。干湿循环是一种自然现象，在实际工程中，边坡是受其作用的。一般来说，在降雨条件下，边坡吸水，岩土含水量增加，吸力减小；在干燥条件下，水分含量降低，吸力增加。在每个周期下，岩土体的性质都会发生变化，这将对边坡的稳定性产生一定的影响。由于泥岩和弱膨胀土中含有较多的黏土矿物（如蒙脱石、伊利石和高岭土），多次干湿循环下的累积效应对岩土体力学性质和边坡稳定性的影响更为明显。因此，研究干湿循环对泥岩和弱膨胀土边坡稳定性的影响具有重要的理论和现实意义。

1 膨胀土概述

膨胀土是一种在自然地质作用下产生的特殊土体。它的主要成分是亲水矿物蒙脱石和伊利石，它们都具有亲水性。膨胀土体的吸水性和失水性收缩特性是可反复发生的。干湿循环气候环境下，造成土壤中的随机裂缝，破坏了土壤的整体结构，特别是轻质房屋；机场、航道的边坡和堤坝都受到了很大的损害［1］。在水利水电建设中，膨胀（岩石）问题尤其严重。在建设和运行过程中，很多河道和水库的边坡都出现了严重的崩塌。在处理膨胀土方面，人们一直采用缓坡、打桩、改良土壤、换填等方法，但其效果并不理想，且费用较高。同时，因坡度较低而引起的大量挖坑，也会导致土壤侵蚀，对生态环境产生不良影响。膨胀土因其特殊和难以处理的特性，在岩土工程中被称作“灾害性土”。膨胀土是一类具有膨胀收缩、开裂、超固结的典型非饱和土。这是土力学的一个重要分支——“非饱和土力学”。气候的变化是膨胀土不断膨胀、收缩的外在动因。由于大量的次生裂缝和原始裂缝的不断扩大，使得土壤中的裂缝快速发育。裂隙发育及土壤松散，为膨胀土的进一步风化提供了有利的条件。降雨侵蚀和水分的重复作用，使得裂缝向深层土壤延伸，从而形成了一种风化层。在剪切作用下，沿斜坡或水平方向的某些裂缝会逐渐相互结合，并在边坡或水平方向上产生断裂。由于长期的风化和淋溶作用，断裂带在斜坡上形成了一种软弱的夹层，张性断层的基底与其垂直，使其具备较好的储水能力，因而可能产生滑动。

膨胀土是一种典型的非饱和土体，其主要特征为膨胀土的吸力。而吸力是影响边坡稳定和强度的主要因素。在地下水持续升高的情况下，由于土壤的充分浸泡，土壤会发生膨胀、变软，从而使其强度明显下降。当外界载荷或地下水渗透压时，会使边坡的稳定性明显下降，从而引起滑坡。另外膨胀土会因风化剥落、多次滑坡或人为开挖等原因而影响边坡稳定和强度。而在地下水持续下降的情况下，膨胀土会过量固结，其会使得膨胀土边坡的横向应力比竖向应力要大得多，因此，在土的自重作用下，边坡肩部向坡底的剪切强度也随之增加。在剪切应力集中的区域，先达到塑性极限，而更大的变形也会导致剪切强度由峰值下降至残余值。由此，边坡从坡脚开始出现不稳定，然后出现应力再分配，应力集中区域向上运动，形成叠瓦式滑移[2]。

膨胀土是一种天然的土体，其干湿循环对其稳定性有很大的影响。降水条件下，土壤水分含量升高，土壤吸收能力下降；在干燥条件下，水分含量降低，吸力增加。在干湿交替的条件下，岩土的特性会发生改变，从而影响到边坡的稳定。在干湿交替条件下，大量的黏土矿物将会对土体的性质产生变化，从而对边坡的稳定性产生一定的影响。

2 斜坡的稳定性和变形特性的研究

2.1 滑动面的深度特性

通过对有关数据的分析，发现该滑坡的滑坡深度比较浅，多为浅层，并伴有一定的滑坡，但都不超过1m。浅滑动问题是由于裂缝发育深度不大而产生的。土壤中存在大量的水分蒸发，但形成的河流长度不大，不利于裂缝的发育［3］。如果下雨，就会重新进行蒸发。由于裂缝的发育不是无限的，所以干湿循环一般都集中在3m深处。

2.2 早期天气特点

滑坡以雨季为主，降水是边坡稳定性的重要外在原因。通过对边坡日最高温度、降雨等数据的分析，得出了斜坡在暴雨后发生的特定时期，也就是在暴雨后的温升阶段。在连续的暴雨中，土壤已接近饱和状态，其物理机械性能也随之降低；降水后，该区的温度上升速率加快，使表层岩石土层产生了裂隙，有利于后期地表水的持续加深。这样，边坡的稳定性就会变得更为突出。在干、湿交替作用下，边坡岩土的稳定性已出现了明显的破坏，达到了一个临界失效。而在某些边坡岩土地区，如果采用了相应的支护措施，则往往要经历10个以上的干湿循环，才能达到临界失效。

2.3 断裂持续特性

从该区域的气候特征来看，该区域的温度、降水量都比较低，不存在显著的干、湿交替现象。尽管地表岩土有蒸腾作用，但其发展速率很慢，其力学性能也有逐步降低的趋势。从坡面的形成到崩塌，是一个漫长的过程。分析其原因与填方边坡路面施工技术有关，即在不膨胀土层0.3～0.5m的基础上，采用碾压、覆盖等措施，以抑制干、湿循环。在长期的裂缝发展阶段，裂缝深度低，深层土壤强度高，没有显著的滑移破坏。滑移是在裂缝继续发展、裂缝深度很大的情况下进行的。在若干年后，膨胀土的边坡失稳［4］。

2.4 有浅层的缓坡

滑动面的发育与裂缝的发育程度基本吻合，而大气的风化作用作用深度通常在6m以下；与普通土坡相比，边坡的稳定性坡角要小。

2.5 分步牵引

先是坡底的局部断裂，再由斜坡向上拉出，从而形成多级滑动面。

3 岩土在干湿交替作用下的强度变化

在干湿循环条件下，岩石的机械性能发生变化。其特点是：裂缝增多，使岩土结构整体性能下降；裂缝的持续发展，会造成渗透通道，造成地表地下水的持续渗透，进而导致岩石力学性能受到损害。

3.1 岩土裂隙的形成

许多学者从膨胀土的干湿循环入手，探讨了膨胀土体的裂缝发育过程。有关的研究与实验结果显示，在高地表温度下，在强降雨作用下，可能发生显著的风化剥离；在不同的干燥条件下，水分-空气干燥周期也会对泥岩的干燥产生影响。当水分-空气干燥循环次数增多时，会产生更多的裂纹和空洞，使试样破裂。另外，在膨胀土中，随着干、湿循环次数的增大，微裂纹变得更为显著，但大裂纹则比较少见。岩体裂缝的密度、宽度都有显著的增大。

3.2 剪切破坏的衰减规律

由于干湿循环作用，出现了大量的裂缝，对岩土整体结构和抗剪强度产生不利影响。（1）强度指标随干湿循环次数的增大而下降，早期衰减率明显大于后期。（2）干湿循环可以使粘附力发生变化，但对内摩擦角的影响比较小。在干湿交替作用下，大量的应力释放会对开挖后的边坡结构造成严重的破坏，从而导致结构整体强度下降。同时，随着孔隙率的增大，受力范围的缩小，结构表面的强度明显下降。在此作用下，膨胀土边坡的总体状况也发生了改变：非饱和土层的表层收缩；由于渗透系数较低，而下部的总水量比较稳定，因此收缩不均匀，从而产生了裂缝；反复加载后，土壤的疲劳强度会有所改变，但其内部结构不会改变。随着大量的裂缝出现，地表水流会不断向深层渗透，导致岩石和土壤的软化。在静水力作用下，边坡抗滑能力下降，从而引起滑坡［5］。

4 建立边坡模型并分析其稳定性

4.1 边坡模型建立

以膨胀土边坡设计参考值为基础，综合考虑实测边坡数据，建立了长24.5m、高12m 的膨胀土边坡模型结构。具体内容如图1所示。根据给定内容的分析，I型为平均膨胀土边坡，II 型为具有层状特征的膨胀土边坡；大气是一个重要的影响因素，在0～1.4m 的范围内最为明显，在1.4～3.2m 的范围内形成一个弱大气影响层，相应的周期振幅在15%～30%；此外，3.2m以下区域为非大气影响层，含水量相对稳定，强度取初始值。

图1 弱膨胀土边坡模型（单位：m）

4.2 边坡稳定性分析

4.2.1 膨胀土高填方边坡破坏模式分析

某机场建设场地位于膨胀土区，膨胀土等级多为弱至中膨胀土。根据已有的研究成果，膨胀土边坡的破坏形式多种多样，但从破坏深度来看，可以概括为浅层破坏和深度破坏。深部破坏主要是指边坡的整体失稳或破坏，而浅部破坏是指大面积发生的破坏气层的变形受到影响，超过气层厚度的边坡变形为深层破坏。在考虑边坡稳定性时，这两种损伤是分开处理的。根据某机场工程的水文地质条件，结合已有的膨胀土工程研究成果和相关结论，针对某机场高填方边坡的深层破坏，需要根据边坡稳定性计算结果和工程经验，确定合适的边坡形式和坡率；对于浅层破坏，根据其特点和影响因素，采取合理的边坡防护措施，消除膨胀土边坡浅层破坏的危害［6］。

4.2.2 膨胀土高填方边坡稳定性分析方法

膨胀土高填方边坡稳定性分析方法目前最常用的是极限平衡法与数值分析法（强度折减法），针对模拟的Ⅰ与Ⅱ两类模型边坡利用上述两种分析方法进行了安全系数的分析，其对比如表1所示。

由表1可得，在自然工况下，边坡Ⅰ通过极限平衡法中简化Bishop法所得安全系数大于数值分析法的结果，边坡Ⅱ通过简化Bishop 法所得安全系数小于数值分析的结果；在连续降雨条件下，边坡Ⅰ和边坡Ⅱ通过简化Bishop 法所得安全系数均小于数值分析的结果，在地震工况下，边坡Ⅰ和边坡Ⅱ通过极限平衡法所得安全系数均大于数值分析的结果。

表1 两种分析方法的安全系数对比

5 结语

岩土工程是一种十分复杂的工程，特别是膨胀土工程，是影响膨胀土边坡稳定性的重要因素，极易发生崩塌等工程事故。因此，有关部门要根据项目的具体情况，从干湿循环的机理出发，探讨其影响的规律与机理，并提出行之有效的防治措施，以保证工程建设的安全。