高含水区域膨胀土边坡失稳特性与处理技术研究

高树鑫 张双双

第一作者简介：高樹鑫（1996-），男，硕士。研究方向为边坡设计。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.044

摘  要：高含水区域的膨胀土边坡是一种常见的地质灾害形式，其失稳性对于工程建设和地质环境具有重要影响。该研究旨在探究高含水区域膨胀土边坡的失稳特性，并提出相应的处理技术。通过实际工程调查，分析高含水区域膨胀土边坡的失稳特性和力学性能。结合现有的加固处理技术，提出适用于高含水区域膨胀土边坡的处理方法，包括土体排水降湿、边坡加固结构的设计和施工等内容。研究表明，高含水条件下膨胀土的含水量增加会导致其体积膨胀和强度降低，从而增加边坡失稳风险。采用排水降湿法可以有效降低高含水区域膨胀土边坡的失稳风险，保障工程建设的安全和可持续发展。

关键词：高含水区域；膨胀土边坡；边坡失稳；处理技术；排水降湿法

中图分类号：TU443      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）12-0189-04

Abstract： Expansive soil slope in high water cut area is a common form of geological disaster， and its instability has an important impact on engineering construction and geological environment. The purpose of this study is to explore the instability characteristics of expansive soil slope in high water cut area， and put forward the corresponding treatment technology. Through the actual engineering investigation， the instability characteristics and mechanical properties of expansive soil slope in high water cut area are analyzed. Based on the existing reinforcement technology， the treatment method suitable for expansive soil slope in high water cut area is put forward， including soil drainage and humidity reduction， slope reinforcement structure design and construction and so on. The study shows that the increase of water content of expansive soil under the condition of high water content will lead to its volume expansion and strength decrease， thus increasing the risk of slope instability. The method of dehumidification by drainage can effectively reduce the instability risk of expansive soil slope in high water cut area and ensure the safety and sustainable development of engineering construction.

Keywords： high water cut area; expansive soil slope; slope instability; treatment technology; drainage moisture reduction method

随着人类社会的发展和城市化进程的推进，工程建设的规模越来越大，涉及的地质环境也日益复杂多变。膨胀土分布地区的地质环境较为脆弱，人类工程活动频繁，同时水力作用较为剧烈，导致了膨胀土边坡容易发生滑坡失稳问题。其中，高含水区域膨胀土边坡是一种常见的地质灾害形式。高含水膨胀土边坡的稳定性受到水分变化的影响较大，一旦土壤失去稳定性，可能引发严重的地质灾害，对于工程建设和地质环境的稳定性和安全性带来了严峻挑战[1-2]。每年由于膨胀土滑坡灾害所造成的经济损失都超过数百亿元，膨胀土滑坡不仅对当地人居环境安全和社会稳定产生影响，还对大型能源基地、水利设施、高速铁路、高速公路等重大工程的安全运营带来威胁。因此，膨胀土滑坡灾害的防治已经成为需要解决的难题。目前，对于膨胀土滑坡和工程边坡的水力作用机理、失稳滑动特征和安全性分析还存在认识上的不足，同时在膨胀土滑坡防治工程的新型材料和新技术方面的发展也相对滞后。因此，对高含水区域膨胀土边坡的失稳特性与处理技术进行深入研究具有重要的理论和实际意义。

高含水区域膨胀土边坡失稳问题主要源于土壤中的含水量异常增加所导致的体积膨胀和力学性能变化，使得高含水区域膨胀土边坡面临着较高的失稳风险和工程安全隐患。针对此类问题的传统处理方法包括加固结构的设计与施工等[3-4]。然而，由于高含水条件下膨胀土的特殊性质和复杂性，这些传统方法在实际应用中存在一定的局限性和挑战。因此，有必要深入研究高含水区域膨胀土边坡的失稳特性，并探索适用于该类地质环境的创新处理技术。当前高含水膨胀土边坡失稳特性与处理技术的研究主要集中在物理性质、排水措施和加固技术等方面。未来的研究方向应该进一步深入研究不同治理方法的效果和持续性，探索更加可靠和经济的治理技术，以确保高含水膨胀土边坡的安全稳定，为工程实践提供重要的理论和技术支撑。本论文旨在深入研究高含水区域膨胀土边坡的失稳特性，并针对其特点提出相应的处理技术，为高含水区域膨胀土边坡的处理技术创新和优化提供参考。

1  高含水區域膨胀土边坡失稳特性分析

1.1  膨胀土的特性与力学行为

膨胀土是一种在吸湿或湿润条件下会产生明显体积变化的土壤，表现出的主要特征包括吸湿膨胀和干缩，这2个方面对膨胀土的稳定性有着重要影响。吸湿膨胀是指当膨胀土遇到水分时，水分会填充土壤颗粒间的空隙，从而增加了颗粒之间的吸引力，导致土壤体积膨胀。这主要是因为水分分子与土壤颗粒表面存在一定的吸附作用，使得土壤颗粒之间的间隙被填充。吸湿膨胀过程中，土壤中的颗粒会向外扩张，致使土体体积增大。这种现象在某些地区的膨胀土非常显著，甚至可以引发建筑物的损坏。

干缩是指在干燥条件下，膨胀土会发生体积缩小的现象。当膨胀土失去水分时，土壤中的吸附水分子会逐渐脱离土壤颗粒，导致颗粒之间的吸引力减弱，土壤体积随之收缩。干缩是由于水分所提供的胶结力减弱而引起的。这种干缩现象在干旱地区尤为明显，会导致土壤的龟裂和不稳定。这种吸湿膨胀和干缩现象往往是膨胀土失稳的重要原因之一，当膨胀土在吸湿过程中发生体积增大时，其对周围环境的影响可能会引起地基的变形和建筑物的沉降。而在干燥条件下，膨胀土的干缩现象会导致土壤的体积变小，从而可能引发土体的开裂和破坏。这些问题对于基础工程和土木建筑来说都是非常重要的考虑因素。为了解决膨胀土带来的问题，人们采取了一系列的措施。例如，在建筑物的基础设计中，可以通过使用深基础、改良土壤、施加预应力等方法来减少膨胀土的影响。

1.2  高含水条件下膨胀土特性与变化

高含水条件下，水分填充土壤颗粒间的空隙，减弱了土壤内聚力，使得强度显著降低，但膨胀土的压缩性增加。水分对土壤颗粒之间的支撑作用降低，导致土壤体积发生更大程度的压缩变形。由于水分填充了颗粒间的空隙，形成连通的孔隙系统，使得高含水条件下膨胀土的渗透性明显增加，有利于水分的迁移和排泄。同时，这也增加了边坡土体液化和流动的风险，增加了边坡失稳的可能性。这些特性和力学行为对边坡的稳定性起着重要的作用，需要在处理高含水区域膨胀土边坡失稳问题时充分考虑。

1.3  高含水区域膨胀土边坡失稳机理及评价指标

水文地质条件：高含水区域的地质条件往往具有较高的含水层、多年积聚的地下水或地质构造中存在水体等特点。例如膨胀土边坡底部存在溶洞或水源，会导致大量水分渗入土体中，增加土体的饱和度，引发土体液化或减弱土体的抗剪强度，引发边坡失稳。土体饱和度变化：高含水膨胀土在不同饱和度下的力学特性不同，尤其是在饱和和非饱和状态之间转变时，会引发边坡的失稳。在高含水区域，土壤表面通常受到雨水浸泡或水流冲刷，导致土体饱和度的变化。当土体饱和度增加时，土壤颗粒之间的胶结力减弱，土体的内聚力和抗剪强度降低，从而增加了边坡失稳的风险。渗流作用：高含水区域的膨胀土容易产生大量的渗流，这会改变土体的内部水力状态。当大量水分在边坡土体内部积聚时，会增加土体的重量，同时也会对土体施加一定的水力压力。水力压力的存在会削弱土体的抗剪强度，导致边坡失稳。土体的强度特性：高含水膨胀土的强度特性通常较差，容易发生剪切破坏或塌方。高含水膨胀土对外界应力的敏感度较高，当受到边坡自重、地震或其他荷载作用时，土体的强度会显著降低，从而引发边坡的失稳。季节性变化引起的边坡稳定性变化：在雨季或湿润季节，土壤含水量增加，边坡土体的稠度降低，导致边坡整体的稳定性减弱。而在干燥季节，土壤含水量减少，边坡土体的稠度增加，边坡的稳定性相对改善。此外，局部渗流和浸润引起的侵蚀和削弱：高含水边坡的局部区域常常受到地震、洪涝、冻融等自然力因素的影响，这些外力作用会使得土体发生变形、裂缝、孔隙度改变等，破坏土体的稳定性，从而引发边坡失稳。

在研究高含水区域膨胀土边坡的失稳特性时，常用的评价指标包括滑动安全系数、变形性态以及边坡变形与裂缝。滑动安全系数考虑边坡整体和局部的滑动稳定性，通过计算判断边坡滑动风险。变形性态监测和分析可以揭示边坡内部土体的变形机理，评估稳定性。变形与裂缝作为失稳前兆迹象，通过观察和测量边坡变形与裂缝情况，及时发现潜在失稳问题，并进行治理加固。综合利用这些指标进行准确评估，可为保障边坡安全可靠性提供依据，制定相应处理技术和措施。

2  高含水区域膨胀土边坡处理技术

2.1  传统处理方法

在实际工程中，应综合考虑土壤类型、水文地质条件、工程要求等因素来选择合适的处理方法。目前，工程中处理高含水区域膨胀土边坡稳定问题的处理方法主要为改良土体，通过添加石灰、水泥等掺合料或添加化学药剂来改变高含水区域膨胀土的物理和化学性质，以此增加土壤的强度和稳定性[5]。而对于边坡土体较弱的部分，可以采用衬砌结构来增加边坡的稳定性。在排水方面，可采用侧向排水和底部排水的方法，通过排出土壤内的水分来降低水压力，减小土体重量，提高稳定性。表面渠化也是一种有效的排水手段。加筋加固是提高边坡稳定性的重要手段，包括锚杆加固、植物加固和加筋框架等。通过预应力锚杆固定土体，增加植物根系的黏结力，或设置钢筋框架来增强土体的强度和稳定性。此外，边坡抗渗防护也至关重要，可采用防渗层和压实加固等方法来减少水分渗透和侵蚀。在土体表面提高植被覆盖率，可以减少土壤表面的水分蒸发，降低高含水区域边坡的水分含量。传统的处理技术在实际工程中得到广泛应用，并取得了良好效果。随着科技的进步，未来可能会有更多创新和有效的处理方式出现。

2.2  相关加固结构的原理及特点

高含水区域的膨胀土边坡失稳问题是一项常见但严重的工程安全隐患。为了加固和稳定这些边坡，可以采用多种原理和特点的加固结构。排水降湿原理采用水平或垂直排水井，以减小土体的饱和度，降低膨胀土的含水量，从而减缓边坡的膨胀变形和失稳。加固土体机械性能改善原理通过增强抗剪强度和抗滑稳定性，采用钢筋混凝土墙、喷射混凝土覆盖层或土体改良剂等方式来提高土体的抗剪能力，增加边坡的稳定性。减轻自重原理通过在边坡上设置轻质填料、减重材料，减轻边坡的自重以降低对膨胀土的压实作用，减少因自重引起的边坡滑动和失稳。地下排水原理设置地下排水系统，通过排水管或排水井将过量的地下水排出，降低土体饱和度，减少膨胀土的膨胀性。防护结构原理通过在边坡表面设置防护结构，如钢丝网、锚杆、挡墙等，增加边坡的抗滑安全系数，通过在土体内设置锚杆，并与土体连接，提高整体抗拉强度，确保边坡在各种荷载条件下都能保持稳定，有效抵抗边坡的滑动和变形。栅栏网结构原理通过钢筋网格和土工合成材料组成的结构，增加土体内聚力。植被加固原理通过植物的根系系统牢固地固结膨胀土，形成根织物，增加整体抗滑强度。减少水力影响原理通过修建沟渠或排水沟等方式，将外部水流远离边坡区域，减少冲刷和侵蚀，提高边坡的稳定性。实施定期巡查和养护工作，及时发现并处理边坡上的变形迹象、裂缝或其他问题，避免失稳事故的发生。

3  高含水区域膨胀土边坡处理技术应用分析

3.1  工程概况及数据采集

郑州市某道路工程位于高含水膨胀土地带，边坡工程涉及范围内部土体大多为膨胀性黏土，其中边坡高度约20 m，边坡坡度30°。表1给出了土壤主要物理力学特性参数。因工程规模较大，且降雨量不断增加，为防止边坡滑坡和塌方，需要采取多种措施确保工程安全。

表1  土壤主要物理力学特性参数

3.2  排水降湿技术和施工方案

制定土体技术处理方法前需要对边坡及其周围地形进行勘测，获得边坡的几何结构和地质情况等信息，设计时需要考虑到地下水位、雨量等因素，排水降湿技术设计流程图如图1所示。同时现场人员清理边坡表面的植被、杂物等，使得施工区域清晰可见，以便安装排水系统并确保其正常运行。如有需要，可以进行斜坡切割或者平整。根据地质勘察结果，合理布置排水系统，可以采用水平、垂直或倾斜布置的排水管道网络。确定好施工方案后，展开具体设计环节的施工建设，针对边坡土体的特点，设计了导流排水系统。根据工程的实际地理位置和气候区域，设置基础的表层排水措施，避免降雨影响导致的雨水积聚，并在边坡的上部增设了泄水槽和泄水沟，将边坡上部降雨收集后进行排放，避免积水造成土壤过饱和。

图1  排水降湿技术设计流程图

为了提高工程的安全性，采取了排水降湿技术。高含水区域膨胀土边坡排水降湿技术是指通过在边坡土壤中设置导流排水系统或其他排水措施，控制和降低土壤内部的水分含量，以减小土壤的膨胀和收缩，提高土壤的稳定性和抗滑能力。通过排水系统将土壤内部的自由水或过剩毛细水排出边坡，使土壤处于饱和-不饱和状态之间，降低土壤的含水率，控制土壤膨胀和收缩的变形和应力，从而提高边坡的稳定性。

针对上述情况进行模拟，如图2所示给出了降雨过程的示意图，图3为干湿循环次数对边坡稳定性的影响。从图3中可以看出，当考虑膨胀变形时，边坡的稳定性系数Fs显著减小。仅2次干湿循环后，边坡即失稳破坏。在降雨作用下，风化层土体吸湿膨胀发生较大的向边坡外侧的位移，并在下半边坡的浅层首先出现局部滑动。坡脚浅层滑塌后，上部的土体失去支持力，随后发生牵引式滑动。滑动面的深度和范围不断增加，多次滑动后，最终坡脚出现层叠状的破坏形态，这与膨胀土滑坡特有的浅层性、牵引性和多次发生性相符合。

图2  降雨过程

图3  干湿循环对边坡稳定性的影响

4  结论

本论文深入研究了高含水区域膨胀土边坡的失稳特性与处理技术。结合现场数据采集及分析，得出主要結论如下。

1）高含水区域膨胀土边坡存在明显的失稳风险。在高含水条件下，土壤颗粒之间的结构相互作用受到水分的显著影响，导致土壤强度明显降低，而渗透性和固结性能也发生显著变化。这些因素使得高含水区域膨胀土边坡易发生变形和破坏。

2）排水降湿是处理高含水区域膨胀土边坡失稳问题的重要手段。通过合理设计和施工排水系统，可以有效降低土壤含水量，提高土壤的抗剪强度和稳定性。排水降湿对于控制高含水膨胀土边坡的变形和破坏具有重要作用。

参考文献：

[1] 徐永福，程岩，唐宏华.膨胀土边坡失稳特征及其防治技术标准化[J].中南大学学报（自然科学版），2022，53（1）：1-20.

[2] 邓铭江，蔡正银，朱洵，等.北疆渠道膨胀土边坡破坏机制及加固措施[J].岩土工程学报，2020，42（S2）：50-55.

[3] 杨文琦，周成，王林，等.降雨作用下考虑膨胀推力的膨胀土边坡稳定性分析[J].防灾减灾工程学报，2018，38（5）：874-880.

[4] 韦秉旭，陈亮胜，肖罗明，等.基于多场耦合的膨胀土边坡非饱和降雨入渗分析[J].长江科学院院报，2021，38（3）：90-96.

[5] 赵思奕，石振明，鲍燕妮，等.考虑吸湿膨胀及软化的膨胀土边坡稳定性分析[J].工程地质学报，2021，29（3）：777-785.