膨胀土边坡强度理论及稳定性分析方法研究 常海宁 ，覃 静 （１．河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄０５００３１；２．常州大学环境与安全工程学院，江苏常州２１３１６４） 【摘要】 膨胀土是一种主要由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石组成的具有特殊结构的高液限粘土。根 据膨胀土自身的结构特点，对各种边坡强度理论进行了分析。并在此基础上，研究了目前常用的膨胀土边坡 稳定性分析方法。 【关键词】膨胀土；边坡；强度理论；稳定性 【中图分类号】ＴＵ４４３ 膨胀土是一种特殊性土，是在自然地质过程中形成的一 种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体。粘粒主要由强亲水 性矿物蒙脱石与伊利石组成。膨胀土具有超固结性、裂隙 性、遇水膨胀、失水收缩开裂且反复变形等与正常固结粘土 不相同的工程地质性质，膨胀土造成的破坏往往是长期的、 【文献标识码】Ａ 起的风化作用下，作用层的强度会随时间衰减，从而引起边 坡的破坏。他根据边坡土体风化程度随深度的变化分为三 层：①强风化层。土体破碎，能充分蒸发并迅速吸水，干缩湿 胀尤为明显，建议采用残余强度；②过渡层。采用峰值强度 与残余强度之平均值；③未风化层。采用峰值强度。 （５）胀缩效应理论。廖世文等人认为，膨胀土边坡的变 形演化实际上是土体在风化应力作用下，经往复干缩湿胀效 应其抗剪强度逐渐衰减的过程，并建议采用“模拟”边坡土体 干缩湿胀效应的方法测试膨胀土的抗剪强度。 反复的和潜在的，将给工程造成巨大的经济损失…。因此， 需要对其边坡破坏的机理和稳定性分析的方法进行研究。 ｌ膨胀土边坡强度理论研究 膨胀土由于本身结构构造的特点，强度在不同含水量下 表现出较大的差异，受到众多因素的影响，因此强度的复杂 性使得这方面的研究仍不成熟。不同的学者在各自研究的 基础上提出了不同的理论和选取强度的办法 Ｊ，加深了对膨 （６）分期分带理论。廖济川认为，确定膨胀土的抗剪强 度应考虑以下三个方面：①强度分带的界限。为使界限明 确，按地下水位上下分别取强度值；②强度使用期限。按短 期及长期稳定分别取不排水及排水强度值；③膨胀土的工程 特性。对胀缩性考虑长期浸水或干湿效应，对超固结为渐进 胀土特性及其土坡破坏规律的认识，现有的强度理论归纳 如下。 性破坏，对裂隙性为裂隙状态。 （７）非饱和土强度理论。工程中遇到的膨胀土大多数处 （１）渐进性破坏理论。Ｌ．Ｂｊｅｒｒｕｍ认为，超固结膨胀土的 边坡破坏是渐进的，其抗剪强度弗非在整个滑动面上同时发 挥。即由于裂隙的存在和开挖边坡所产生的应力释放，造成 膨胀土强度的不均匀性和应力差异，当土中某一点的剪应力 于非饱和状态，因而可采用非饱和土强度理论来研究膨胀土 问题。目前，较有代表性的有下列两种。 Ｂｉｓｈｏｐ理论：Ｂｉｓｈｏｐ的理论已为许多学者所接受，但由 于其中的吸力（“ 一ｕ ）数值难以测定，而且ｘ参数值也不易 选定，所以一直未能广泛地在工程中应用。 Ｆｒｅｄｌｕｎｄ理论：Ｄ．Ｇ．Ｆｒｅｄｌｕｎｄ等人提出以两个独立的应 增加到等于其抗剪强度时，便产生剪切破坏，这种剪切破坏 逐渐传播开来，最后引起坡体的整体滑动。 （２）滞后破坏理论。膨胀土边坡破坏往往是在开挖后几 个月或若干年，甚至几十年才发生。对此，许多学者进行了 长期的探索工作。Ａ．ｗ．Ｂｉｓｈｏｐ和Ｂｊｅｒｒｕｍ认为膨胀土边坡 由于应力集中和吸水等原因造成土质软化，因而使粘聚力ｃ 随时间而减小，引起滞后破坏。他们对伦敦粘土的大量反 算，证明了ｃ 确实随时间而降低。Ｒ．Ｊ．Ｃｈａｎｄｌｅｒ和Ｓｋｅｍｐｔｏｎ 认为滞后破坏的根本原因，除了由于存在裂隙使ｃ 随时间降 低外，更主要的是由于孔隙水压力达到平衡的速度非常缓慢 所致。 力分量（ｏｒ一“ ）和（“。一／Ｚ ）来表达非饱和土的强度。Ｆｒｅｄ— ｌｕｎｄ等人的成果已得到国际公认和局部采用，但由于目前的 吸力测试技术仍较繁难复杂，所以也未能在Ｔ程实践中大量 应用。 上述强度理论可以归纳为两种思路：一是考虑时间因素 的渐进破坏和空间上的分带取值；另一个思路是按非饱和土 考虑，这是研究膨胀土强度问题的主要途径。 （３）极限平衡一弹性理论。朱梅生认为，膨胀土边坡的 首次滑动是因为坡脚附近首先产生剪切区（塑性区），该区由 ２膨胀土边坡稳定性分析方法研究 膨胀土含有大量亲水性蒙脱石、伊利石等矿物，边坡水 于应变软化而强度降低，从而导致坡体破坏。据此，他建议 穿过剪切区的滑弧采用残余强度，剪切区以外的滑弧采用峰 值强度，另外在地表拉裂区范围内的强度取为零。 ［定稿日期］２０１１—０６—３０ ［作者简介］常海宁（１９７９～），男，助理工程师；覃静 （１９８３～），女，硕士研究生。 （４）气候作用层理论。潘君牧认为，边坡土体在气候引 四川Ｉ建筑第３２卷２期２０１２．０４ 文地质条件随季节和环境水变化发生改变，土体反复干湿胀 缩变形，使原来连接强度较高的膨胀土颗粒结构重新排列， （３）有限元分析法。由于有限元法的物理概念清晰，对 结构或系统的适应强（不同材料、复杂外形、环境变化等），程 序通用好等优点而得到最广泛的应用。在土的应力一应变 关系方面，可以采用线弹性、非线性弹性、弹塑性和粘弹性等 各种模型；可以采用不同的模型以参数去描述不同的材料， 例如掺和砂土、石灰土、土工织物和抗滑桩单元，以便研究不 同加固措施的作用。膨胀土的性质，尤其是高水平的应力， 都可以较好的给予考虑。通过计算，可以得到关于土体各点 粘结力减低，裂隙密度加大 Ｊ。经过一个长期的过程，土体 强度衰减，并形成软弱结构面，成为潜在的滑动面。 土的裂隙性是形成滑坡的另一重要因素。产生滑坡处 土的节理裂隙纵横交错，裂隙形成受沉积历史和新构造运动 控制。原生裂隙一般闭合，由于渠、河道的开挖，土体载荷加 大了裂隙发育，同时土的胀缩变形形成胀缩裂隙。由于裂隙 的影响，整块土体要比单块土体强度低很多。土体裂隙性的 存在加大了土体透水性，使地下水在边坡中活动性加强。 膨胀土滑坡形成与坡体地下水活动有着极其密切的关 系。从多个滑坡勘察资料看，滑坡体中地下水一般较为丰 富，在膨胀土层中，一般上部土层裂隙比较发育，下部土质密 实、裂隙闭合，起一个相对隔水作用，下伏基岩也起隔水作 用。在两种渗透性能差异处，地下水活动频繁，水与土中粘 土矿物发生物理化学作用，产生次生粘土矿物，并通过地下 水的渗透和淋滤作用带走钙质成份，土中粘土矿物吸收水份 形成结合水，颗粒结合水膜厚度加大，土体含水量加大、浸湿 软化，抗剪强度降低 。 根据膨胀土边坡的特点，目前较为广泛采用的稳定性分 析方法主要有以下几种： 的变形及应力应变方面的信息，可以了解破坏区（塑性区、拉 裂区）发生和发展的过程和范围。 （４）非确定性方法。膨胀土边坡稳定是一个非常复杂的 问题，其稳定性受多种不确定性因素影响，以往将它们均作 为确定性问题处理，抹煞了它的随机特性。在未来的土力学 发展中，土性的随机特性将受到重视，模糊分析、灰色理论、 人工神经网络等不确定性理论将越来越在岩土工程中显示 威力。 ３结束语 对于膨胀土边坡工程的研究，要因地制宜、系统全面的 分析当地膨胀土的特征、水文条件、滑坡机理，根据滑坡产生 原因和阶段，采取适宜的强度理论和边坡稳定性分析方法对 （１）静力平衡分析法。这是一种宏观的力系平衡的分析 方法，该法是Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ（１９１５）首先提出的，后经Ｗ．Ｆｅｌ・ 膨胀土边坡进行计算研究，进而采用抗滑桩、挡土墙、削坡减 载、排水等综合方法进行治理，以保证边坡稳定和工程安全 运行。 参考文献 ［１］刘特洪．工程建设中的膨胀土问题［Ｍ］．北京：中国建筑工业 出版社，１９９７ ｌｅｎｉｕｓ，Ｄ．Ｗ．Ｔａｙｌｏｒｄ等人的改进。由于其比较简单实用，已 经得到了普遍采用。但是，对于边坡滑动面附近土体为非饱 和的情况，尤其是土体饱和度受降雨或蒸发作用而反复变化 的情况，这种方法显然不能反映工程实际问题。 （２）统计比较判别法。该法建立在野外调查和数理统计 的基础上，采用地质学中的比较判别法，对已有的大量边坡 （包括破坏的和稳定的、自然边坡和人工边坡）进行调查，对 ［２］崔正兵．关于成都膨胀土地区边坡稳定性的探讨［Ｊ］．中国市 政工程，２００２（４）：１１一ｌ３ 比各种条件（包括地质条件、运行条件），经过数理统计，找出 各种主要因素，例如坡高、坡比、液限、ｃ、 值等的关系曲线， 得到稳定边坡的断面形式或经验公式。这种方法虽未完全 ［３］卫军，谢海洋，李小对，等．膨胀土边坡的稳定性分析［ｊ］．岩石 力学与工程学报，２００４，２３（１７）：２８６５—２８６９ ［４］ 肖世国．膨胀土堑坡稳定性分析［Ｊ］．岩土力学，２００１，２２（２）： 】５２—１５５ 揭示边坡破坏的力学机理，但它来源于实践，考虑了复杂的 地质因素，能够解决一定的具体问题，并能验证其他理论研 究或数值分析方法的合理性。 （上接第８３页） 参考文献 ［２］ＴＢ １００２５—２００６铁路路基支挡结构设计规范［ｓ］ ［３］铁道部第一勘测设计院．铁路工程地质手册（修订版）［Ｍ］．北 京：中国铁道出版社，２００２ ［１］李海光．新型支挡结构设计与工程实例（第二版）［Ｍ］ 北京：人民交通出版社，２０１０ ［４］铁道部第一勘测设计院．铁路工程设计技术手册（路基修订 版）［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９５ 四川建筑第３２卷２期２０１２．０４ ８５