膨脹土不良工程特性對(duì)滑坡的影響
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摘要：通過對(duì)滑坡形成過程及其危害分析，和對(duì)膨脹土的膨脹指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)研究，從而進(jìn)一步研究膨脹土的物理性質(zhì)、工程性質(zhì)和膨脹土滑坡的影響因素。從實(shí)驗(yàn)和資料分析得出膨脹土的不良地質(zhì)特性對(duì)滑坡的影響。
關(guān)鍵詞：膨脹土；滑坡；影響
0引言
問題的提出：膨脹土在世界各國(guó)均有廣泛分布，但其工程特性是十分糟糕的，每年許多的工程問題和頻繁發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，都源于膨脹土不良工程特性。因此，在當(dāng)今巖土工程和工程地質(zhì)領(lǐng)域膨脹土及其工程問題也成為困擾大家的重大工程問題之一。[1]雖然經(jīng)歷近半個(gè)世紀(jì)的廣泛深入研究，但至今在各國(guó)的工程建設(shè)領(lǐng)域中，膨脹土的粘土礦物質(zhì)問題仍舊是有待深入探究解決的難題之一。大量的國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，膨脹土所處環(huán)境的變化（膨脹土與工程的相互作用）和膨脹土的膨脹勢(shì)的強(qiáng)弱（即膨脹性粘土礦物組成）會(huì)對(duì)膨脹土工程性質(zhì)的變化及工程問題的發(fā)生產(chǎn)生巨大影響。因此膨脹土的粘土礦物質(zhì)組成的定性定量研究，始終受到了國(guó)內(nèi)外的高度重視并進(jìn)行了長(zhǎng)期大量研究[2-4]。在當(dāng)今中國(guó)西部大規(guī)模的基礎(chǔ)工程建設(shè)中，有許多重大工程，特別是關(guān)乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要干線工程都遇到了膨脹土的工程地質(zhì)問題。膨脹土土粒中粘粒成分最主要的特征是含有大量的親水性礦物，其親水性礦物的主要組成成分是高嶺石、蒙脫石、伊利石。所以其具有明顯的吸水膨脹失水收縮變形的特性。在天然狀態(tài)下膨脹土常處于較堅(jiān)硬狀態(tài)，但其對(duì)氣候和水文等因素的變化有較大敏感性，而且這種敏感性通常對(duì)工程建筑物會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。2008年5月12日，四川汶川發(fā)生8.0級(jí)強(qiáng)烈地震，對(duì)陜西境內(nèi)產(chǎn)生了巨大影響，陜南山區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重，尤其是在寧強(qiáng)、略陽(yáng)、勉縣境內(nèi)震感強(qiáng)烈，地震不僅造成巖土體松散破碎，產(chǎn)生滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害，造成了房屋毀壞，基礎(chǔ)設(shè)施損毀，直接間接經(jīng)濟(jì)損失巨大，而且更為嚴(yán)重的是造成大量人員傷亡。本文從地形地貌條件、地質(zhì)構(gòu)造條件、地震荷載作用下、巖土體結(jié)構(gòu)的影響、膨脹土體中水的作用，以及人類工程對(duì)膨脹土滑坡的影響，對(duì)各因素影響原理和產(chǎn)生的結(jié)果詳細(xì)分析，研究膨脹土滑坡的影響因素，分析膨脹土邊坡滑坡機(jī)理。
1膨脹土滑坡形成的影響因素研究
1.1膨脹土邊坡的礦物質(zhì)組成，土體的結(jié)構(gòu)，以及膨脹土所在區(qū)域的地理環(huán)境
膨脹土的特殊物理性質(zhì)———膨脹性主要受自身所含的粘土礦物質(zhì)成分和含量的不同所影響。蒙脫石、伊利石、高嶺石三者都是親水性礦物質(zhì)，其含量不同所占比例不同，致使自由膨脹率FS，塑性指數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率Wf三指標(biāo)不同，使其脹縮等級(jí)不同。裂隙性：膨脹土的脹縮性是導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生的重要原因。土中的裂隙從形態(tài)上分為豎向裂隙和水平裂隙，裂隙的發(fā)育越豐富，導(dǎo)致工程性質(zhì)越不良，土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和土體強(qiáng)度也隨之降低。膨脹土具有遇水膨脹失水收縮的特點(diǎn)，受外界影響明顯，含水量變化產(chǎn)生的收縮裂縫也將引起土體位移加劇發(fā)展。超固結(jié)性促進(jìn)了裂隙的發(fā)育。隨著人類活動(dòng)范圍擴(kuò)大，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，大量工業(yè)民用建筑的修建及鐵路公路網(wǎng)建設(shè)過程中的土方工程，勢(shì)必要開挖土體，使得土中超壓密所儲(chǔ)存的內(nèi)部能量在開挖過程中卸載，從而引起底部土體產(chǎn)生隆起、裂隙，破壞土體局部結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步發(fā)展可能導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生。本文以從實(shí)地采集的膨脹土作為研究對(duì)象，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)。①三聯(lián)固結(jié)儀：本儀器用于進(jìn)行土的壓縮試驗(yàn)，測(cè)定土的變形和壓力或孔隙比和壓力的關(guān)系，變形和時(shí)間和關(guān)系，以便計(jì)算土的單位沉，壓縮系統(tǒng)，壓縮指數(shù)，回彈指數(shù)，壓縮模量固結(jié)系數(shù)等。②電動(dòng)擊實(shí)儀：在一定擊實(shí)次數(shù)下測(cè)定土的干密度與含水量的關(guān)系，從而確定土的最大干密度和最優(yōu)含水量,借以了解土的壓實(shí)性質(zhì)。③烘箱、天平等：土的基本物理參數(shù)測(cè)量。作為試樣的膨脹土屬于高液限土，含水量較高且自由膨脹率較大。土的顆粒級(jí)配。膨脹土顆粒成分以粘土為主，其中小于0.1毫米的粒級(jí)占有相當(dāng)大的比率，可以看出該膨脹土分散性較高。其次，該膨脹土粘粒與膠粒含量較高，膨脹性強(qiáng)，力學(xué)強(qiáng)度低。膨脹土中粘粒具有較強(qiáng)的膠體化學(xué)性質(zhì)，粘粒含量愈多，比表面積愈大，使膨脹土具有液限高而膨脹性大的特性。當(dāng)非飽和土體中含水量較小時(shí)，水膜變薄，顆粒間的吸力加大，此時(shí)膨脹土具有較高的強(qiáng)度。若土中含水量較高時(shí)，吸附在粘粒周圍的水膜隨之增厚，其強(qiáng)度就會(huì)顯著降低，壓縮性則愈大，工程性質(zhì)就愈差。
1.2滑坡的活動(dòng)時(shí)間關(guān)系
從滑帶土破壞到形成滑坡時(shí)時(shí)間間隔長(zhǎng)短，與外界誘發(fā)因素的作用關(guān)系密切，如地震、降雨、凍融循環(huán)、海嘯、風(fēng)暴潮及人類活動(dòng)等都有可能影響滑坡活動(dòng)的進(jìn)程。大致有如下規(guī)律：①同時(shí)性。某些膨脹土邊坡滑坡與誘發(fā)因素呈即時(shí)伴隨關(guān)系，即在誘發(fā)因素作用的很短時(shí)間內(nèi)，滑坡發(fā)生。如強(qiáng)烈地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、局部地區(qū)短時(shí)暴雨、地震或強(qiáng)對(duì)流天氣引發(fā)的海嘯、依山修建工業(yè)民用進(jìn)行的開挖、爆破等的不合理的人類活動(dòng)，其作用時(shí)都會(huì)造成天然邊坡的失穩(wěn)，形成邊坡滑移、塌方。②滯后性。某些膨脹土邊坡滑坡與誘發(fā)因素呈延時(shí)伴隨關(guān)系，即在誘發(fā)因素作用后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著誘發(fā)因素的累積，邊坡從穩(wěn)定狀態(tài)向臨界狀態(tài)遷移，最終發(fā)生滑坡塌方。如在地震作用加持續(xù)強(qiáng)降雨、融雪作用及人類活動(dòng)之后發(fā)生的滑坡。在降雨誘發(fā)型滑坡中這種滯后性規(guī)律表現(xiàn)最為突出，該類滑坡多發(fā)生在長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)降雨之后，巖土體的結(jié)構(gòu)、巖石特性，降雨量（土壤的含水量）決定了滯后時(shí)間的長(zhǎng)短。一般來講，坡體風(fēng)化程度越高，滑坡體越松散、裂隙越發(fā)育、持續(xù)降雨作用下坡體土壤含水量越高，坡體容重越大，則結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，同時(shí)滯后時(shí)間也越短。另外，在坡肩一定范圍內(nèi)持續(xù)堆載，開挖坡腳或坡體中部，水庫(kù)蓄、泄水之后發(fā)生的滑坡也屬于這類。由人為活動(dòng)因素誘發(fā)的滑坡的滯后時(shí)間的長(zhǎng)短與人類活動(dòng)對(duì)自然邊坡的擾動(dòng)強(qiáng)度大小、擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短及原先坡體在自然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度有關(guān)。人類活動(dòng)的擾動(dòng)強(qiáng)度越大、擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)、原自然坡體巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度越低，則延時(shí)間隔時(shí)間越短。
1.3滑坡的空間分布
其主要與氣候以及地質(zhì)活動(dòng)等因素有關(guān)。通常、下列地帶是滑坡的易發(fā)和多發(fā)地區(qū)：①臨近江、河、湖（水庫(kù)）、海、溝的沿岸邊坡地帶，垂直高差較大的縱深峽谷地帶，山區(qū)及平原深丘區(qū)，鐵路、公路、工業(yè)民用建筑物和構(gòu)筑物的邊坡地段等。上述地帶都為滑坡的產(chǎn)生提供了有利的地形地貌基礎(chǔ)；②地質(zhì)構(gòu)造帶之中，如斷裂帶、地震帶等。斷裂帶、地震帶中的巖體結(jié)構(gòu)通常呈破碎狀、裂隙發(fā)育充分，是非常有利于滑坡的形成的地形；因此地震烈度大于7度的地區(qū)，坡度大于25度的坡體，在劇烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中淺層巖土體極易失穩(wěn)發(fā)生滑坡。③易滑（坡）的巖、土分布區(qū)。如松散覆蓋層、黃土、泥巖、頁(yè)巖、煤系地層、凝灰?guī)r、片巖、板巖、千枚巖等巖、土的存在，由于其土體間的抗剪切力較弱，為滑坡形成提供了絕好的物質(zhì)基礎(chǔ)。④暴雨多發(fā)區(qū)或異常的強(qiáng)降雨地區(qū)。在上述區(qū)域內(nèi)，坡體土壤含水量因短時(shí)強(qiáng)降雨作用發(fā)生巨大變化，土的工程特性也隨之改變?yōu)榛掳l(fā)生提供了有利的誘發(fā)因素。上述地帶的疊加區(qū)域，就是滑坡的密集發(fā)育區(qū)。從我國(guó)的太行山到秦嶺、經(jīng)鄂西、四川、云南到藏東一帶就是這種典型地區(qū)，滑坡發(fā)生密度極大，危害非常嚴(yán)重，而這些區(qū)存又在大面積的膨脹土。
1.4人類活動(dòng)影響
違反自然規(guī)律、破壞斜坡穩(wěn)定條件的都會(huì)誘發(fā)滑坡。①開挖坡腳。在山區(qū)依山修建鐵路、公路、房屋和工廠，往往由于邊坡下部失去支撐而發(fā)生下滑。例如由于地形地貌工程施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件等因素的制約，西南和西北地區(qū)的一些鐵路和公路已采用爆破和強(qiáng)行開挖法施工。后來邊坡上相繼發(fā)生的滑坡給公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)帶來巨大危害。②蓄水、排水。水渠和水池的漫溢和滲漏，工業(yè)生產(chǎn)用水和廢水的不合理排放、農(nóng)業(yè)的不科學(xué)灌溉等，均易使水流滲入坡體，加大孔隙水壓力，軟化巖土，增大邊坡坡體容重，坡腳支撐不了上部過大的荷載，坡體失去平衡，沿軟弱面下滑。在雨季，水庫(kù)的水位上下變化劇烈，加大了邊坡的動(dòng)水壓力，誘發(fā)邊坡和岸坡滑坡的發(fā)生。另外、劈山開礦的爆破作用會(huì)使斜坡的巖體和土體受振動(dòng)擠壓而破碎從而產(chǎn)生滑坡；在邊坡上亂砍濫伐會(huì)使坡體失去保護(hù)，這有利于雨水和其他水體的入滲從而誘發(fā)滑坡等。當(dāng)以上人類活動(dòng)在不利的自然環(huán)境進(jìn)行時(shí)就更容易促進(jìn)滑坡的發(fā)生。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，越來越多的自然坡體受到破壞，因而近年來滑坡事件越來越多，并有愈演愈烈的趨勢(shì)。應(yīng)加以重視。
1.5一般開挖邊坡膨脹土滑坡機(jī)理
膨脹土邊坡滑帶土破壞及滑動(dòng)面的形成，實(shí)質(zhì)上是滑帶土抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間變化逐漸降低的過程。膨脹土所具備的基本特性———脹縮性、超固結(jié)性和裂隙性，又是導(dǎo)致滑帶土破壞及滑動(dòng)面形成的根本原因。膨脹土自然邊坡在開挖前，處于長(zhǎng)期的地質(zhì)演化過程中，坡體中軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度經(jīng)歷著長(zhǎng)期的浸水軟化和流變衰減的強(qiáng)度下降過程。先是表層巖土體因長(zhǎng)期風(fēng)化作用及由脹縮性引發(fā)的反復(fù)脹縮行為，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)部分發(fā)生破壞，使得大氣降水、地表水滲入，進(jìn)而自然邊坡中膨脹土含水量增加，造成表層土體的抗剪強(qiáng)度降低。然后由于膨脹土另一特性———裂隙性，土體的局部結(jié)構(gòu)遭到破壞后會(huì)產(chǎn)生較大的豎向與水平裂隙，此時(shí)地表水、大氣降水等將沿裂隙下滲并積聚于下部軟弱夾層層面上，軟弱夾層吸水膨脹，邊坡土體的含水量進(jìn)一步增大，孔隙水壓力增大，有效應(yīng)力則降低，軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度降低。又因?yàn)榕蛎浲辆哂谐探Y(jié)性，而大量研究結(jié)果表明超固結(jié)土的強(qiáng)度呈應(yīng)變軟化型，這種長(zhǎng)期存在的流變會(huì)削弱和破壞土粒間的連結(jié)作用，進(jìn)一步造成其強(qiáng)度的喪失，最終導(dǎo)致軟弱地質(zhì)夾層抗剪強(qiáng)度流變衰減。因此膨脹土自然邊坡在開挖前的變形過程中，主要力學(xué)特征表現(xiàn)為土體抗剪強(qiáng)度逐漸喪失。膨脹土邊坡在開挖后，土體抗剪強(qiáng)度大幅降低，在無(wú)有效支擋情況下產(chǎn)生邊坡滑移，塌方。其漸變過程如下：由于陡坡路段薄層開挖、高邊坡深路塹開挖等不良施工方式，挖掉了坡腳或坡體中部的膨脹土，下部呈超固結(jié)性的膨脹土因上部土體的移除，處于卸荷狀態(tài)，產(chǎn)生較大的水平剪應(yīng)力和側(cè)向的剪切位移，伴隨側(cè)向剪切位移增大的力學(xué)特征為土體抗剪強(qiáng)度的衰減，此時(shí)在剪切力作用下產(chǎn)生土顆粒間的相對(duì)滑移，應(yīng)力由土顆粒骨架轉(zhuǎn)移到土中水上，產(chǎn)生孔隙水壓力并因側(cè)向剪切位移的不斷累積，孔隙水壓力不斷增加，有效應(yīng)力則逐漸降低，從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低，發(fā)生滑帶土破壞，最終引發(fā)膨脹土邊坡滑移、塌方。綜上，膨脹土的邊坡滑坡及塌方的形成過程和機(jī)制為：自然坡體開挖———非飽和滑帶土抗剪強(qiáng)度的浸水軟化和飽和滑帶土有效應(yīng)力降低引起抗剪強(qiáng)度喪失———坡面進(jìn)一步突出隆起———坡面或坡頂裂隙進(jìn)一步發(fā)育———坡腳剪切破壞———剪破區(qū)向上發(fā)展與后緣張裂隙貫通———滑動(dòng)面貫通———滑坡發(fā)生對(duì)此可預(yù)防措施為：首先要防止大氣降水、地表水等滲入坡體，同時(shí)要注意及時(shí)疏導(dǎo)地下水，采取合理的防排水措施，例如在坡體周圍及坡體上布設(shè)環(huán)形截水溝，沿坡面布設(shè)縱向排水溝，在坡腳設(shè)置排水溝，嚴(yán)防水流對(duì)坡面的沖蝕和對(duì)坡體的浸入。同時(shí)可進(jìn)行坡面防風(fēng)化處理，如植被防護(hù)、坡面混凝土面板、漿砌石防護(hù)。
2總結(jié)
膨脹土邊坡穩(wěn)定性問題一直是困擾巖土界的重大問題，本文通過對(duì)影響膨脹土邊坡滑坡因素的綜合研究分析，認(rèn)為土體中的礦物質(zhì)組成與含量和水的作用是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的重要因素。同時(shí)地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌及人類活動(dòng)也是影響邊坡穩(wěn)定性的因素。當(dāng)膨脹土邊坡因自身坡體風(fēng)化，大氣降水、地表水下滲造成多次脹縮循環(huán)，形成軟弱地質(zhì)夾層，嚴(yán)重影響膨脹土邊坡自身穩(wěn)定性時(shí)，建議對(duì)膨脹土邊坡先進(jìn)行有效支護(hù)，防止其在雨季發(fā)生滑塌，例如布設(shè)重力式擋土墻、加筋擋土墻、土釘墻、抗滑樁等邊坡支擋結(jié)構(gòu)物；為了防止風(fēng)化的進(jìn)一步加劇和地表水下滲使裂隙進(jìn)一步發(fā)育，影響滑帶土的抗剪切強(qiáng)度，建議進(jìn)行坡面綜合防治，例如在坡比合理情況下，采取工程防護(hù)（擋土墻、封閉式平臺(tái)、拱形骨架護(hù)坡、表層土壤換填）措施，加上植被防護(hù)（在拱內(nèi)種植草皮或低矮灌木），形成拱形骨架防護(hù)與邊坡植被防護(hù)綜合處置，有效治理膨脹土邊坡失穩(wěn)問題；對(duì)于開挖部分：已經(jīng)形成明顯的剪切滑移且坡比不合理的高邊坡路段，建議先進(jìn)行削坡處理，滿足永久穩(wěn)定目的，再進(jìn)行坡體支護(hù)和坡面防護(hù)綜合處理；由于膨脹土的脹縮性，遂邊坡滑帶土的抗剪切能力與水的影響甚密，因此對(duì)膨脹土邊坡的防水排水處理至關(guān)重要，建議在坡體周圍布設(shè)截水溝，在坡腳設(shè)置排水溝，及時(shí)封閉坡面。膨脹土邊坡防護(hù)總體原則：坡面排水，坡體支護(hù)，綜合處理，保護(hù)環(huán)境。通過對(duì)膨脹土滑坡過程及機(jī)制的研究能更好預(yù)防滑坡地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)的或伴生的其它地質(zhì)災(zāi)害的鏈生性，對(duì)在以后的生產(chǎn)生活中能避免的災(zāi)害做到有效地防治。
參考文獻(xiàn)：
[1]夏炎，劉海笑，劉軍.膨脹土地區(qū)土工膜結(jié)合抗滑樁結(jié)構(gòu)在滑坡治理與橋梁樁基防護(hù)中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2016，38（S1）：248-252.
作者：馬強(qiáng)強(qiáng) 梁昕宇 代梓帆 寧少帥 余錦 單位：西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院
