云南省膨胀土边坡稳定性计算及成因分析

沈 旺

（中建材（昆明）勘测设计院有限公司，云南 昆明）

概述

云南省膨胀土分布较广，近年来在膨胀土地区进行工程建设时，基本上逢挖必滑。目前膨胀土边坡失稳机理尚在研究中，国内现行相关勘察设计规范对膨胀土边坡稳定性计算，没有明确膨胀力如何考虑和抗剪指标取值原则，给膨胀土边坡稳定性分析评价带来不便。若勘察设计人员经验不足，会出现膨胀土边坡稳定性计算不合理、边坡防护方案不适宜的现象。有时会因防护不合理而导致边坡发生滑坡，造成较大的经济损失和工期延误。本文对膨胀土边坡失稳定机理进行全面分析，并给出膨胀土边坡稳定性计算时抗剪参数取值和膨胀力计算原则，供勘察与设计人员参考。

1 膨胀力对边坡稳定性的影响

1.1 膨胀力作用

膨胀力是膨胀土中亲水矿物吸水膨胀后产生的一种体积内应力，以矿物颗粒为中心向空间各方向产生挤压作用。边坡蠕动变形阶段早期在膨胀内力挤压作用下，边坡土体逐渐向约束较弱的边坡面方向变形位移，导致土体内形成较多网状破裂面，随着后期雨水沿破面隙入渗降低土体强度、同时土体再次吸水膨胀产生膨胀力挤压边坡，多反复迭加导致边坡变形位移加剧，最终导致边坡发生滑坡。膨胀力是一种接触力，当土体内部产生了较多张裂隙和剪裂面、地表滑坡后缘出张裂缝时，在滑坡后缘滑床陡倾段（滑体错落段）由于滑体与滑床间有裂隙膨胀力便消失。滑坡中前部滑床缓倾段（滑体滑动段）随着雨水沿剪切破裂面入渗，滑动面附近滑体和滑床土体吸水膨胀产生膨胀力，使滑体有背离滑床运动的趋势，可理解为滑体与滑床间产生了一种排斥力，减小了滑体对滑床法向压力，从而降低滑坡的抗滑力。在滑坡中前部滑床缓倾段任选一个底边长为li、倾角为θi的单位宽度滑块i（如图1 所示）进行受力分析。

图1 单条膨胀力分布图

由图1（a）可知：作用在滑块i 的力有滑块重力（Gi）、竖向附加荷载（Gbi）、水平荷载（Qi）及滑坡间作用力（Ei、Ei-1、Yi、Yi-1）、滑块底部水压力（Ui）和膨胀力（Pexi、Peyi）。

由图1（b）和（c）可得如下公式。

式中：Pexi——水平膨胀力（kN/m）；

Peyi——垂直膨胀力（kN/m）；

σexi——水平膨胀应力（kPa）；

σeyi——垂直膨胀应力（kPa）；

Li——滑坡底边长度（m）；

θi——滑面倾角（°）;

Nei——滑床单位宽度膨胀力引起支撑反力（kN/m）；

Tei——滑体单位宽度膨胀力引起的下滑力（kN/m）。

由于膨胀应力是一种体积力，可以假设膨胀应力在各方向上大小相等，即σexi=σeyi=σei（膨胀内应力），代入公式（3）中可得：

代入公式（4）中可得：

由公式（5）和（6）可知：当膨胀内应力各方向大小相等时，膨胀力全部转为垂直滑动面的支撑反力减小了滑体对滑床的正压力，从而降低滑坡抗滑力；而平行滑动面的切向分力为零。

1.2 膨胀力约束条件

膨胀力大小与边界约束有关。在土体自身强度和自重约束下，土体膨长力随着其湿度增高而增大。但自然地面和边坡面是自由面，当土体膨胀力大于上覆土压力时，土体开始发生位移，此时膨胀力将明显降低，可见土体的膨胀应力（σei）小于等于上覆土压力（σcz）。

1.3 稳定性计算抗剪参数选取

膨胀土边坡失稳是土体增湿膨胀产生膨胀力导致结构破裂→水体入渗土体增湿膨胀和土体软化强度衰减循环积累的过程。根据工程经验及贺伟明等人的研究成果[1]，建议边坡稳定性计算时，抗剪参数选用饱和残余剪切试验值。

2 膨胀土边坡稳定性计算公式

根据《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2013[2]，圆弧形滑动面的边坡稳定性计算采用简化Bishop 法，折线形滑动面的边坡稳定性计算采用传递系数法隐式解。本文对于膨胀土边坡考虑膨胀力作用，将简化Bishop 法和传递系数法隐式解两个边坡稳定性计算公式改进如下：

2.1 改进简化Bishop 法（滑动面呈圆弧形）

2.2 改进传递系数法隐式解（滑动面呈折线形）

注：在用折线形滑面计算滑坡推力时，应将公式（11）和公式（12）中的稳定系数Fs替换为安全系数Fst，以此计算的Pn，即为滑坡的推力。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

华丽高速公路宾川立交连接线K1+230～+300 段以路堑形式从宾川盆地西南边缘缓坡上通过，原始地形倾向北东，坡度约5～10°，地形较缓。公路修建时开挖路堑，右侧形成高度约8 m、坡比1:1.5 的人工边坡。坡面采用挡墙+拱形格+三维网植草护坡，坡脚设有高约2.3 m 混凝土挡墙，挡墙基础埋深0.6 m。边坡主要由上第三系（N）膨胀土组成，2023 年3 月该段路堑人工边坡发生了滑坡，主滑方向约30°。

3.2 滑坡特征及成因

据《华丽高速公路宾川立交连接K1+200～+300右边坡滑坡勘察报告》显示：滑坡体主要由上第三系（N）褐黄色夹褐灰色硬塑状粉质组成，偶夹厚度不足3 cm 黑色褐煤层。试验资料显示区内膨胀土自由膨胀率90%，膨胀力43.8 kPa，为具强膨胀潜势膨胀土。滑坡发生前1 年以来，坡顶气象站经常给其院内草皮和树灌溉，灌溉水入渗至边坡土体中致土体湿度增大膨胀产生膨胀力，挤压土体向约束较弱的边坡面方向变形位移而产生破裂面；灌溉停歇期间土体日晒失水收缩产生拉裂缝；挤压破裂面和收缩裂缝为下次水体入渗提供了通道。如此不断的胀缩作用使边坡土体内部产生了大量破裂面和裂隙，土体结构遭到了破坏、强度发生了衰减；另外水体入渗土体强度也会降低。由此可见：边坡土体在膨胀力挤压和灌溉水软化双重作用下发生了滑坡。滑坡周界明显，滑坡后缘位于坡顶气象站北侧围墙附近，滑体已明显错落，最大下错高度约30 cm，两侧剪切裂缝贯通，前缘挡土墙倾覆明显。滑坡沿公路方向长约70 m，滑动方向长约22 m，厚约4 m 左右，体积约0.62×104m3，属小型浅层推移式膨胀土滑坡。

3.3 稳定性计及分析讨论

3.3.1 稳定性计算

滑动面近弧形（如图2 所示），采用本文改进后的简化Bishop 法进行边坡稳定性计算;挡墙的抗滑稳定性和抗倾覆稳定性根据《滑坡防治设计规范》GB/T38509-2020[3]第13.1.2.4 条和第13.1.2.5 条中公式进行计算。计算参数和计算结果如表1 所示。

表1 稳定计算主要参数及计算结果一览表

图2 滑坡及挡墙稳定性计算图

3.3.2 分析讨论

① γset=17.8 kN/m3、Cr=13.2 kPa、φr=5.6° 、σe=0.0 kPa 时，计算结果F's=1.07，Tn=0；表明边坡基本稳定、挡墙稳定，与边坡已发生滑坡、坡脚挡墙已倾覆的情况不吻合。

②γset=17.8 kN/m3、Cr=13.2 kPa、φr=5.6°、σe=34 kPa 时，F's=0.89，Tn=34，Fs=1.79，Ft=0.99；表明边坡发生滑坡、挡墙已倾覆但未滑动，与边坡现状一致。

③直快剪C=35 kPa、φ=21°，可见膨胀力致裂和水渗入软化使土体强度大幅衰减，减幅度达70%左右。

④膨胀力在边坡失稳全过程持续作用，蠕动变形阶段使土体强度衰减，滑动破坏阶段降低了滑坡抗滑力，降低值=72.6，降幅达16%。

⑤计算时膨胀应力取34 kPa，仅为试验结果（43.8 kPa）78%，这是约束条件不相同所致。试验是在完全约束下进行，而边坡的约束是非完全约束，这与工程实际相符。

4 结论

（1） 膨胀力在边坡失稳全过程持续作用，对边坡稳定性影响较大。膨胀土边坡稳定性计算时应考虑膨胀力，计算公式可选用本文改进后的简化Bishop 法和传递系数法隐式解。

（2） 膨胀力致裂和水体入渗软化循环作用，使膨胀土强度发生衰减，膨胀土边坡稳定性计算时抗剪参数选用饱和残余抗剪强度值。

本文初步探讨了膨胀力对边坡稳定性的影响及抗剪指标的选取原则，因受工程实例和试验数据样本数所限，本文没有给出膨胀力的取值原则，后续会进行膨胀力与土体含水量、孔隙比、变形模量之间相关性的研究，完善膨胀力取值原则。