膨胀土边坡失稳与防治研究*

张德辉，刘伟明，冯善周，郝献省

（1.水泥基生态修复技术湖北省工程研究中心（三峡大学），湖北 宜昌 443002；2.三峡库区地质灾害教育部重点实验室，三峡大学，湖北 宜昌 443002；3.湖北省清江路桥建筑有限公司，湖北 宜昌 443000；4.河南丛林环境工程有限公司，河南 郑州 450003）

膨胀土是在自然地质过程中形成的富含蒙脱石、伊利石等亲水性矿物的特殊土，粒度多以粘粒为主，具有显著的胀缩性、裂隙性及超固结性[1]。在我国，膨胀土分布广泛，也因其特殊性，往往会带来地基不均匀沉降、构筑物变形开裂等一系列的工程问题[2]。因此，总结膨胀土边坡失稳的影响因素对膨胀土边坡的防治意义重大。本文针对这些问题，主要研究总结了膨胀土胀缩性、裂隙性、超固结性及土体渗透性对膨胀土边坡失稳的影响机理，归纳了现有的膨胀土边坡防治措施，并提出了膨胀土边坡生态防护的研究思路。

1 膨胀土边坡失稳因素

导致膨胀土边坡破坏失稳的影响因素主要包括土体的成因类型、矿物组成及地下水地表水作用、气候作用等。膨胀土边坡破坏失稳的本质原因有两个，一是反复胀缩变化形成众多不规则的裂隙破坏土体结构；二是其抗剪强度由于含水量的增加和干湿循环等外界因素的影响而衰减[3]。通过微观分析还可以发现，膨胀土的“胀缩性、裂隙性、超固结性”对边坡稳定而言，裂隙性是重要因素。另外，膨胀土渗透性与裂隙性息息相关，超固结性易引发开挖边坡的失稳破坏。因此，本文膨胀土边坡失稳因素主要围绕胀缩性、裂隙性、超固结性、渗透性进行研究。

1.1 膨胀土的胀缩性

膨胀土的“吸水膨胀、失水皱缩”特性主要来源于土体中亲水性矿物蒙脱石，可以说蒙脱石是膨胀土具有特殊性质的主要物质基础[2]。通过胀缩试验发现[4-5]，膨胀土产生胀缩变形的内因是土体中含有大量的黏土颗粒、亲水性矿物以及显著的微观结构特征，而土体中原生裂隙的存在与发育，是膨胀土产生胀缩变形的外因。从晶格扩张理论、双电层理论、渗透理论以及渗透压理论及吸力势等10 种理论也可以解释膨胀土的胀缩机理[6-7]。

1.2 膨胀土的裂隙性

膨胀土裂隙的产生主要与其内在因素和外在因素有关。内在因素主要包括土体的矿物组成、结构组成；外在因素主要受到自然环境条件、人为条件的影响。膨胀土在严重失水时，其表面会逐渐产生大量相互交错的裂纹。另外，由于膨胀土强烈的收缩特性和较低的土体渗透系数，使得膨胀土收缩时不同位置处的土体含水率不均匀，从而产生裂缝，正是往复多次的不均匀收缩导致了膨胀土多裂隙的产生[8]。

1.3 膨胀土的超固结性

膨胀土的超固结性是土体在地质历史演化过程中，曾经承受过比目前土体上覆土层压力更大的地质荷载压力作用，并已经达到完全或部分固结的一种特性[9]。超固结性使膨胀土具有较大结构强度和水平应力，易在开挖过程中引起较强的卸荷效应，是促进边坡失稳的重要因素[7]。膨胀土由于其特殊的超固结性，边坡一经开挖，超固结应力将会释放，从而引起开挖工程的变形破坏[10]。对于膨胀土的超固结性质，目前仍需大量试验研究。

1.4 膨胀土的渗透性

膨胀土的渗透系数影响因素较多，主要与粘土矿物含量、干湿循环开展次数、土样干密度、原生裂隙等有关。渗透性在很大程度上受裂隙的控制，但目前关于两者之间的定量关系还缺少系统研究[7]。通过室内土体渗透试验和现场试验可以发现[11-15]，渗透系数随土样干湿循环次数、重塑土样高度、原生裂隙数量的增加而增大，随上覆荷载、干密度、粘土矿物含量的增加而减小；膨胀土渗透系数与试样面积、干湿循环次数有关，当土体的含水率较低、裂隙发育程度较高时，土体的渗透性会大大提高，在未扰动区存在植被时，土体的渗透性与裸露边坡相比有较大差异。

2 膨胀土边坡防治措施

自然状态下的膨胀土边坡有植被层保护，大气营力作用（降雨、日照、蒸发与地温等）对土体影响不明显，土体长期处于稳定状态。当路堑开挖后，由于膨胀土的超固结性，短期内不易失稳，但长时间的日晒雨淋致使浅层土体经历失水-吸水的干湿循环过程，会产生并发展成裂缝，从而造成边坡失稳。因此，膨胀土边坡开挖后应及时进行防护，而通常采用换填法、化学改良法、支挡结构、生态防护等方式进行防护。

2.1 换填法

换填土可以阻断浅层土体发生干湿循环，以减少大气作用影响。工程中常见的做法是挖出表层膨胀土，选择适宜植物生长的非膨胀土进行分层回填，最后进行植草皮防护坡面。表面覆盖的植被以及换填过后的非膨胀土能有效阻挡大气作用，使土体上下收缩均匀，避免裂隙的产生[16]。换填法施工难度低，操作方便，但需要大量种植土，同时挖出的膨胀土若不及时处理，会影响挖填区生态环境。

2.2 化学改良法

在土体中掺加适量的化学改良剂，使其与膨胀土发生复杂的化学反应，从而改良土体内部结构，提高改良土强度[17]。常见的有水泥改良、石灰改良、粉煤灰改良、生物酶改良等。目前，无论是单一改良还是混合改良，相关研究和实践都较多。该方法在一定程度上能够改善土体性能，减少边坡失稳，但施工期长，同时也容易造成环境污染，不利于绿色发展。

2.3 支挡结构

工程中膨胀土边坡防护采用的支挡结构主要分为刚性防护和柔性防护[18]。刚性支护[19]主要利用圬工结构自重或抗力来抵抗滑坡推力或主动土压力。由于其本身刚性较大，相容变形能力差，往往造成结构物的破坏。目前常用的刚性防护有重力式挡土墙、抗滑桩、预应力锚索（杆）等；柔性防护主要是指采用土工合成材料和其它的有效措施相结合的处理方案对边坡进行防护。不同于刚性防护，柔性防护可以释放膨胀土边坡发生胀缩变形时土体内部较大的膨胀力，更能适应边坡的变形[20]。常见的柔性防护有土工格栅、土工格室、加筋生态袋、土工布等。与刚性防护相比，以柔治胀更适合膨胀土挖方边坡的修复。

2.4 生态防护

生态护坡[21]是指综合工程力学、土壤学、生态学和植物学等学科的基本知识对边坡进行支护，形成由植物或工程和植物组成的综合护坡系统的护坡技术，利用植物根系加筋作用，提高边坡稳定性。常见措施有拱型骨架内植草护坡、石灰土改性后进行植被防护等[22]。通过分析植被护坡机理发现[23-24]，植被有改善土体的渗透性、调节孔隙水压力、截留降雨、减少雨滴冲刷坡面等作用，根系较深的灌木类植被可以形成限制土体变形且具有一定强度和刚度的“根土复合体”，起到锚固加筋作用。如植被混凝土技术[25-26]在基材中添加水泥和专利产品润智生态改良剂，基材强度较高，能够有效封闭坡面防止雨水冲刷并营造良好的植物生长环境，具体的植被对膨胀土边坡的防护示意图，见图1。

图1 植被对膨胀土边坡的防护示意图

相比于传统护坡方法，植被护坡兼顾力学加固和生态防护作用[23-27]，通过坡面覆盖的植物，提高坡面抗侵蚀能力。同时，能有效地削减大气影响深度，增加边坡土体强度。另外，应选择须根系发达、繁殖能力较强并适应当地气候条件的护坡植物，优先选用乡土本地的护坡植物，符合生物多样性和可持续原则[19]。

3 结论

膨胀土的干湿循环使其表面产生大量裂纹，在膨胀土胀缩特性加持下使得土体含水率分布存在显著的局部差异性，导致发展出裂缝；膨胀土渗透性与裂隙性息息相关，当含水率较低时，裂隙的存在会大大提高土体渗透性，进而降低土体强度，引发边坡失稳。

膨胀土的胀缩变形特征与土体微观结构、粘土矿物含量、吸力状态、含水率、干湿循环次数等都紧密相关。经过多次循环后，土体膨胀或崩塌应变和膨胀压力达到平衡，体积呈现先减小后增大的趋势。长期稳定的膨胀土土体开挖后会释放超固结应力，使得边坡易失稳破坏，对于膨胀土的超固结性质，目前仍需大量试验研究。

从目前已有的研究来看，对膨胀土边坡的防治措施大多采用换填土、化学改良、支挡结构等形式，虽然能起到一定的防护作用，但也会带来环境污染、扰乱生态、占用土地资源等问题，生态防护方面虽有研究，但仍处于起步阶段。生态护坡技术通过在坡面建立起立体防护体系，能有效降低大气营力作用对土体的影响，同时避免了上述其他措施所带来的问题。

本文通过对膨胀土边坡失稳与防治的研究，认为还可以在以下方面加强：如生态防护技术的革新和生态防护中的植被种类的遴选研究，在实际工程应用中，选择直根系或须根系植物，也还需要大量的室外研究；原位试验研究能真实反映膨胀土边坡的破坏机理，但目前关于膨胀土的原位监测仍较少，应加强该方面的研究。