林 梅 余昌運(yùn) 錢春杰 石名磊

(1.南京市公路管理處公路科學(xué)研究所，江蘇南京 210000; 2.東南大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京 211189)

0 引言

膨脹巖土工程危害具多發(fā)性和成群性特征，其漸進(jìn)性、潛在性，有時甚至難以處置的工程特征，早期即被稱為“災(zāi)害性巖土”［1］，且在邊坡工程中尤其顯著。依托項目340省道南京段改擴(kuò)建工程，存在部分弱膨脹土路塹邊坡問題，本文圍繞膨脹巖土路塹邊坡內(nèi)外因失穩(wěn)機(jī)制、破壞特征規(guī)律以及膨脹土邊坡的穩(wěn)定加固，對膨脹土邊坡進(jìn)行了總結(jié)和分析。

1 膨脹巖土邊坡失穩(wěn)機(jī)制

1.1 內(nèi)在因素破壞機(jī)制

南方地區(qū)的自然降雨非常充沛而且降雨入滲與蒸發(fā)循環(huán)頻率高且周期短，膨脹巖土地區(qū)路塹邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象十分普遍，裂隙擴(kuò)展發(fā)育決定了邊坡濕度溫度場變化程度與耦合作用破壞效應(yīng)，成為“逢塹必崩，無堤不塌”膨脹巖土邊坡病害關(guān)鍵內(nèi)在因素。路塹邊坡膨脹巖土開挖卸載后變形發(fā)展彈性滯后裂縫擴(kuò)展，進(jìn)一步坡體滲透性能，降雨入滲與干燥蒸發(fā)循環(huán)應(yīng)力作用響應(yīng)的裂隙風(fēng)化發(fā)育及其切割效應(yīng)，導(dǎo)致變形破壞效應(yīng)更加嚴(yán)峻［2］。

膨脹巖土路塹邊坡暴露大氣中，雨水入滲與干燥蒸發(fā)循環(huán)作用下，黏土礦物等親水礦物組分與裂隙結(jié)構(gòu)體組織的耦合，形成了邊坡表層濕度溫度場循環(huán)變化，引起脹縮變形及其軟化與開裂敏感響應(yīng)，呈循環(huán)漸進(jìn)發(fā)展演化趨勢。因此，膨脹土邊坡的變形演化過程，實質(zhì)上是土體內(nèi)應(yīng)力作用變化的宏觀效應(yīng)，經(jīng)過干濕循環(huán)強(qiáng)度逐漸軟化與濕化性加劇的演化過程［1］。無荷干濕循環(huán)

次數(shù)越多，強(qiáng)度衰減速度越快［3］，或最后會趨于穩(wěn)定［4］。其中，膨脹土粘聚力與含水率呈指數(shù)負(fù)相關(guān)，內(nèi)摩擦角與含水率之間呈線性負(fù)相關(guān)［5］，粘聚力強(qiáng)度分量喪失更加嚴(yán)峻。蒙脫石等親水礦物顆粒特殊水理性質(zhì)，不僅在于表面結(jié)合水層偏厚，且水分或水化離子可浸入粘土礦物晶胞之間，導(dǎo)致膨脹土吸水后顯著體積膨脹與強(qiáng)度急劇降低。

膨脹土裂隙性結(jié)構(gòu)及其發(fā)育程度，是加劇其強(qiáng)度衰減主要因素［6，7］，不僅取決于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征及其成土邊界條件，且與土體開挖時間長短、外界氣候條件變化等關(guān)聯(lián)性密切。膨脹土普遍發(fā)育裂隙形態(tài)多樣的原生裂隙和次生裂隙。無論何種成因類型的膨脹巖土，均為多組裂隙發(fā)育所構(gòu)成的多裂隙結(jié)構(gòu)體，不僅形成了水分滲入與蒸發(fā)的良好通道，且裂隙結(jié)構(gòu)面有限淋溶化學(xué)風(fēng)化，促進(jìn)了次生伊利石和蒙脫石親水物質(zhì)在縫隙面上的發(fā)育和集聚(灰白色次生蒙脫石粘土條帶、薄膜或富集塊體)，大幅提高了膨脹巖土親水性、膨脹性與崩解性。膨脹巖土濕脹干縮循環(huán)作用的原生裂隙再發(fā)育、多裂隙結(jié)構(gòu)切割土體機(jī)械破碎等風(fēng)化效應(yīng)，促進(jìn)了坡面原生裂隙擴(kuò)展、垂直坡面風(fēng)化裂隙發(fā)育及其坡面風(fēng)化帶形成，可形成風(fēng)化帶下伏軟弱結(jié)構(gòu)面和不同程度風(fēng)化層間軟弱結(jié)構(gòu)面。

綜上所述，膨脹土邊坡裂縫張開閉合及其變形演變過程，揭示了干濕循環(huán)下膨脹土邊坡淺層性和漸進(jìn)性破壞特征的內(nèi)在機(jī)制［8］。膨脹土地區(qū)滑坡病害，幾乎都是在原有各種傾向坡腳的軟弱結(jié)構(gòu)面的基礎(chǔ)上再發(fā)育而形成的，軟弱結(jié)構(gòu)面滑坡發(fā)育過程中產(chǎn)生漸進(jìn)性破壞，最后相互連接貫通形成完整的滑動面。因此，膨脹巖土邊坡淺層時間關(guān)聯(lián)性的營力作用風(fēng)化演化進(jìn)程，主要受控于裂隙發(fā)育程度。

1.2 外在誘因作用效應(yīng)

膨脹巖土邊坡失穩(wěn)破壞演化過程，一般來說主要是內(nèi)在的因素在某些外部條件的誘發(fā)下而發(fā)生作用的。針對膨脹巖土路塹邊坡失穩(wěn)的外在誘因的誘發(fā)破壞機(jī)制在于:濕化性、風(fēng)化性與卸載激發(fā)。

路塹邊坡開挖暴露破壞固有平衡狀態(tài)，坡面環(huán)境濕度、地下水位變化等可引起膨脹巖土濕化崩解——濕化性。膨脹巖吸水崩解濕化特征，可定義為無約束條件下塊體濕化成碎粒狀散體的不可逆過程，不同于膨脹土脹縮可逆變形演化特征，且營力循環(huán)作用的崩解疊加效應(yīng)顯著。膨脹巖濕化性地質(zhì)概念模型，可以用氣致崩潰力學(xué)來解釋［9］，即裂隙結(jié)構(gòu)膨脹巖土不均勻收縮(微)裂隙擴(kuò)展發(fā)育，裂隙結(jié)構(gòu)面上淋溶化學(xué)風(fēng)化等形成具有強(qiáng)吸濕壓力粘土礦物富集，外界水分沿(微)裂隙通道迅速遷移滲入并強(qiáng)烈吸附在裂隙結(jié)構(gòu)面上，累積擠壓裂隙內(nèi)空氣壓力上升形成楔裂壓力，破壞最薄弱結(jié)構(gòu)面聯(lián)結(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)崩解。顯然，親水性礦物和微裂隙結(jié)構(gòu)是膨脹巖濕化基礎(chǔ)，吸濕壓力是濕化動力，兩者耦合克服結(jié)構(gòu)面聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的時間，反映了膨脹巖濕化崩解難易性。膨脹巖土裂隙及其裂隙面構(gòu)成，成為影響膨脹巖土工程性狀最直接原因［10］。

開挖暴露坡面溫度濕度場環(huán)境營力響應(yīng)區(qū)，膨脹巖土干縮濕脹循環(huán)，促進(jìn)了裂隙體結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育;裂隙局部應(yīng)力集中、邊緣剪損與浸水軟化等風(fēng)化作用，隨著坡面暴露時間增加，漸進(jìn)式破壞巖土體原始結(jié)構(gòu)，逐漸形成坡面表層風(fēng)化帶。雨水入滲與干燥蒸發(fā)循環(huán)作用時，導(dǎo)致膨脹土體濕脹軟化與干縮開裂循環(huán)響應(yīng)，并引起膨脹巖土體各項性能指標(biāo)發(fā)生較強(qiáng)烈的波動。旱季干燥蒸發(fā)失水時的坡面收縮開裂，表層剝落、侵蝕與形態(tài)改變;雨季降雨入滲吸水時，坡面局部膨脹軟化或濕化性、結(jié)構(gòu)面裂隙剪損與填充物泥化，可誘發(fā)各類失穩(wěn)病害。

天然膨脹巖土體在歷史上往往經(jīng)受過上部土層被侵蝕的作用，且沉積生成過程中的蒸發(fā)收縮孔隙減小，形成顯著地應(yīng)力狀態(tài)的超固結(jié)性。路塹邊坡開挖卸載應(yīng)力釋放與超固結(jié)性耦合變形響應(yīng)加劇，應(yīng)力狀態(tài)變化關(guān)聯(lián)裂隙擴(kuò)展進(jìn)一步促進(jìn)裂隙再發(fā)育［11］，尤其是邊坡坡趾高應(yīng)力區(qū)卸載，可引起剪切塑性區(qū)大變形，導(dǎo)致膨脹土路塹邊坡坡趾牽引坡面疊瓦狀淺層滑動失穩(wěn)。

1.3 坡面風(fēng)化帶特征

上述膨脹巖土路塹邊坡環(huán)境營力作用時的濕化性、風(fēng)化性與卸載激發(fā)，可形成坡面表層風(fēng)化帶中，由地表向下逐漸減弱，一般可分為強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶，參見表1。路塹邊坡表層風(fēng)化帶中，不同程度風(fēng)化層分界面均為坡體的軟弱結(jié)構(gòu)面，成為各類淺層滑動機(jī)構(gòu)形成基礎(chǔ)。相對而言，膨脹巖邊坡風(fēng)化帶影響深度相對較淺，但可引發(fā)不同性質(zhì)邊坡失穩(wěn)病害。

表1 膨脹土風(fēng)化特征

2 膨脹巖土邊坡破壞特征

膨脹巖土邊坡一般存在兩大破壞形式:其一是強(qiáng)度衰減關(guān)聯(lián)性邊坡滑動，即邊坡穩(wěn)定性問題;其二是膨脹變形受限時的膨脹力的問題，導(dǎo)致邊坡襯砌頂破與支擋位移等病害。膨脹巖土邊坡失穩(wěn)機(jī)理主要為上述濕化性與風(fēng)化性及其卸荷激發(fā)，同時還存在地表水徑流與侵蝕破壞機(jī)理。膨脹巖土路塹邊坡失穩(wěn)階段性演化特征:暴露表面裂隙風(fēng)化發(fā)育及風(fēng)化帶生成，裂隙軟化剪損應(yīng)力集中剪切變形及局部軟弱結(jié)構(gòu)面剪切滑動機(jī)構(gòu)生成，坡趾剪切塑性區(qū)大變形及牽引式疊瓦狀淺層滑動機(jī)構(gòu)。膨脹土邊坡漸進(jìn)性破壞理論指出，膨脹巖土裂隙體大量裂隙存在及其風(fēng)化開合效應(yīng)，形成坡體干燥開裂應(yīng)力集中、吸水軟化或濕化崩解，導(dǎo)致局部軟弱結(jié)構(gòu)面剪切破壞，并逐漸發(fā)展的膨脹土循環(huán)漸進(jìn)性破壞、降雨滯后性破壞的基本特征［12］。

膨脹巖土路塹邊坡表層濕化性失穩(wěn)，大氣降雨蒸騰循環(huán)營力作用下，暴露坡面膨脹巖土裂隙結(jié)構(gòu)裂隙擴(kuò)展發(fā)育一定程度，強(qiáng)降雨時表層膨脹巖土雨水入滲軟化后局部濕化性崩解，在重力與滲透壓力聯(lián)合作用下，形成薄層塑流狀局部流滑體，沿坡面向下產(chǎn)生溜塌病害。溜塌病害是膨脹巖土邊坡表層常見小型病害形式之一，多發(fā)生在雨季某次強(qiáng)降雨之后，呈降雨節(jié)點短暫滯后的時間關(guān)聯(lián)特征。膨脹巖土路塹邊坡溜塌病害，可發(fā)生在邊坡的任何部位，幾乎與坡度無關(guān)。局部溜塌處上方雖有弧形水坎，但一般無明顯規(guī)則滑面或明顯裂縫，流滑體移動距離較短，且很快自行穩(wěn)定于邊坡風(fēng)帶表層內(nèi)。溜塌體厚度受邊坡表面強(qiáng)風(fēng)化帶控制，且塑流狀含水量偏高，大多在1.0 m以內(nèi)，一般不超過1.5 m。

膨脹巖土路塹邊坡風(fēng)化帶淺層風(fēng)化性失穩(wěn)，暴露邊坡表層風(fēng)化帶入滲蒸發(fā)的濕脹干縮效應(yīng)，裂隙邊緣剪損與浸水軟化(濕化)耦合切割效應(yīng)、結(jié)構(gòu)面應(yīng)力集中與重新分布等，促進(jìn)了邊坡風(fēng)化影響帶中裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)育，局部聯(lián)通成軟弱結(jié)構(gòu)面引起剪切大變形，逐漸形成伴有坍落為特征的局部坍塌滑動機(jī)構(gòu)與坍滑病害。坍滑現(xiàn)象常發(fā)生在雨季，同樣具有降雨稍滯后的時間關(guān)聯(lián)特征。坍滑滑動機(jī)構(gòu)的軟弱結(jié)構(gòu)面清晰且有擦痕，滑體裂隙密布。坍塌多在坡腳或軟弱夾層(滑帶)處滑出，軟弱破裂面上陡下緩，且滑動帶含水量明顯高于坍塌滑體。坍滑繼續(xù)變形發(fā)展，可分級牽引形成膨脹巖土邊坡疊瓦式淺層滑坡。坍滑一般發(fā)生在營力風(fēng)化作用影響層內(nèi)，具有軟弱滑動結(jié)構(gòu)面滑動特征，滑體厚度為1.0 m～3.0 m。

膨脹巖土邊坡滑坡常具有弧形外貌和明顯的滑床，類似于一般粘性土滑坡幾何特征，失穩(wěn)切割出滑床后壁陡直。但是，前緣比較平緩，具有坡趾局部裂隙發(fā)育控制坍塌特征。膨脹巖土坡面次生裂隙(縫)風(fēng)化發(fā)展，提供了坡面入滲與蒸發(fā)通道，增強(qiáng)了滑動帶親水性黏土礦物的循環(huán)干縮濕脹效應(yīng)——裂隙結(jié)構(gòu)體裂隙強(qiáng)烈風(fēng)化發(fā)育，導(dǎo)致降雨入滲時的滑床(帶)飽和軟化與濕化崩解，強(qiáng)度急劇衰減。此外，路塹開挖卸載坡趾區(qū)域高應(yīng)力釋放與膨脹巖土超固結(jié)性的綜合，坡趾高剪力區(qū)應(yīng)力集中促進(jìn)了裂隙快速發(fā)育，且往往最先剪切變形失穩(wěn)，并沿坡面向上逐級牽引，形成坡面疊瓦狀形態(tài)滑坡的成群發(fā)生。因此，膨脹土邊坡極限平衡彈性理論認(rèn)為，首次滑移是因為坡趾附近膨脹巖土軟化崩解產(chǎn)生了剪切塑性區(qū)與剪切大變形，導(dǎo)致坡體牽引破壞。膨脹巖土路塹邊坡滑坡坡面豎向裂縫切割效應(yīng)，滑動機(jī)構(gòu)［13］一般仍為淺層滑動，滑體厚度在6.0 m 以內(nèi)，一般為 1.0 m ～3.0 m。

3 膨脹巖土邊坡防護(hù)對策

膨脹巖土路塹邊坡失穩(wěn)病害內(nèi)在機(jī)制為膨脹巖土的親水性物質(zhì)組成、裂隙性組織結(jié)構(gòu)及其天然沉積超固結(jié)性;外在誘因則包括邊坡開挖卸載應(yīng)力釋放平衡破壞、暴露坡面環(huán)境營力的循環(huán)作用。因此，膨脹巖土暴露坡面護(hù)坡系統(tǒng)工程包括:邊坡結(jié)構(gòu)支撐穩(wěn)定、抗風(fēng)化防護(hù)、截排水系統(tǒng)與坡面植被綠化。

3.1 路塹邊坡坡面防護(hù)

膨脹巖土路塹邊坡具有幾乎與邊坡坡度幾何條件無關(guān)的緩坡破壞特征顯著。因此，單純采用緩坡穩(wěn)定的幾何緩坡調(diào)坡方案，往往難以取得滿意的效果。

邊坡坡面抗風(fēng)化植被防護(hù)，系指使用植被結(jié)合土木工程與非生命生物材料，增強(qiáng)坡體穩(wěn)定和減少坡面侵蝕的措施，且符合現(xiàn)代工程綠化景觀設(shè)計要求。植被護(hù)坡根系力學(xué)效應(yīng)與莖葉水文效應(yīng)，形成了坡面表層土體加筋、錨固、支撐與抑制裂隙體結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育功能。尤其是大氣降雨時的植被護(hù)坡，可顯著削弱坡面強(qiáng)降雨濺蝕與緩解坡面徑流沖蝕，且可改善坡面濕度溫度場改變。

針對膨脹巖土暴露坡面非結(jié)構(gòu)性溜塌滑落等病害系統(tǒng)性群發(fā)特征，基于抑制坡面濕度溫度場變化、雨水表面流沖蝕等坡面保濕防滲封層的抗風(fēng)化穩(wěn)定要求，現(xiàn)代植被加筋錨固護(hù)坡系統(tǒng)中，厚基質(zhì)客土(干法)噴附技術(shù)，結(jié)合固土網(wǎng)墊材料為高強(qiáng)度(普通三維網(wǎng)10倍)、高剛度(低延伸率)和耐久性(50年)土工合成加筋型材料，或高強(qiáng)耐久金屬網(wǎng)及其短錨釘(earth anchor)注漿地錨淺層加固型掛網(wǎng)構(gòu)造［14］，形成了坡面淺層柔性主動支撐穩(wěn)定與封層保濕抗風(fēng)化的植被護(hù)坡系統(tǒng)，坡面膨脹變形自適應(yīng)性或變形受限時膨脹力補(bǔ)償功能，更加的剛?cè)嵯酀?jì)，實現(xiàn)了坡面淺層穩(wěn)定加固、表面風(fēng)化防護(hù)與植被景觀綠化的統(tǒng)一。

3.2 路塹邊坡結(jié)構(gòu)支撐

膨脹巖土坡面風(fēng)化帶中坡面法向裂縫發(fā)育的入滲通道與風(fēng)化切割效應(yīng)，可形成坡面風(fēng)化帶中軟弱結(jié)構(gòu)面坍塌剪切滑動機(jī)構(gòu)。膨脹性巖土坡趾高地應(yīng)力區(qū)卸荷應(yīng)力釋放及其超固結(jié)性激發(fā)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)松馳流變、濕度與溫度場變化等引起坡趾局部裂隙強(qiáng)烈發(fā)育與塑性剪切大變形，產(chǎn)生坡趾局部坍塌關(guān)聯(lián)的漸進(jìn)式牽引淺層滑動機(jī)構(gòu)。針對性采取膨脹巖土邊坡坡面結(jié)構(gòu)支撐與坡趾抗滑支擋結(jié)構(gòu)加固，十分必要。

此外，不同于一般巖土體，膨脹性巖土路塹邊坡開挖卸荷后，立即設(shè)置高剛度結(jié)構(gòu)支擋或可有效邊坡卸荷變形，但膨脹巖土變形約束可轉(zhuǎn)換為膨脹力顯著提高，即邊坡結(jié)構(gòu)加固荷載作用水平的顯著提高。因此，膨脹性巖土路塹邊坡開挖后，綜合暴露坡面環(huán)境營力作用風(fēng)化響應(yīng)特征以及臨時性柔性抗風(fēng)化防護(hù)、坡腳欠挖壓腳穩(wěn)定與封層保濕截排水疏干構(gòu)造等確保短期(short term)穩(wěn)定前提下，開挖卸載后留出一段應(yīng)力釋放時間，適應(yīng)膨脹巖土卸荷彈性滯后效應(yīng)——彈性后效［10］等，具有顯著的減小膨脹力的變形減載“補(bǔ)償”效應(yīng)，對于減小膨脹巖土路塹邊坡壓腳支擋結(jié)構(gòu)變形、避免變形關(guān)聯(lián)損傷或結(jié)構(gòu)損毀十分有利，且可優(yōu)化壓腳支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計。尤其是，既有公路膨脹土路塹邊坡經(jīng)歷若干年后發(fā)生失穩(wěn)病害的后加固處理，應(yīng)充分考慮源于膨脹性巖土卸荷膨脹力的變形關(guān)聯(lián)減載補(bǔ)償機(jī)制。

既有工程實踐表明，膨脹巖土邊坡結(jié)構(gòu)支撐與支擋護(hù)坡技術(shù)中，采用坡面錨桿框架梁與坡趾支擋結(jié)構(gòu)組合的邊坡支撐方案成功率高，其他方案則經(jīng)常失效，甚至出現(xiàn)反復(fù)治理、反復(fù)失敗現(xiàn)象。膨脹性巖土路塹邊坡的坡面錨桿框架梁體系將坡面切割分離，減小了膨脹巖土坡面獨(dú)立風(fēng)化單元面積，自由坡面單元的自穩(wěn)定性顯著提高，粘結(jié)式注漿地錨體的局部加筋效應(yīng)，阻斷膨脹巖土連續(xù)結(jié)構(gòu)面發(fā)展，分散了軟弱結(jié)構(gòu)面應(yīng)力集中與滑體下滑力，同時有利于坡面局部坍塌加固穩(wěn)定，有利于坡面植被護(hù)坡固土穩(wěn)定。同時框架梁地錨拉彎組合結(jié)構(gòu)提供了梁底局部坡面變形的膨脹力反力(抗力)，提高坡面裂隙結(jié)構(gòu)風(fēng)化發(fā)育的抵抗能力;且框架梁間坡面獨(dú)立單元自由表面適度變形，亦可發(fā)揮膨脹巖土變性關(guān)聯(lián)的膨脹力減載補(bǔ)償效應(yīng)，剛?cè)嵯酀?jì)。

4 結(jié)語

膨脹巖土邊坡失穩(wěn)是由內(nèi)因和外因共同控制的，失穩(wěn)機(jī)理內(nèi)在因素主要有脹縮性、裂隙性與超固結(jié)性;外在誘因主要是氣候變化、地下水位變動和開挖卸荷應(yīng)力釋放?；谂蛎泿r土邊坡特殊的失穩(wěn)機(jī)制，得出如下結(jié)論:

1)膨脹巖土邊坡失穩(wěn)誘發(fā)破壞機(jī)制主要為濕化性、風(fēng)化性、地表水徑流侵蝕破壞作用機(jī)理。邊坡破壞形式以淺表層的溜塌、塌滑與坡趾塑性剪切大變形牽引式淺層滑動為主，幾乎與坡度無關(guān)，簡單調(diào)坡難以起到穩(wěn)定效果。

2)膨脹巖土路塹邊坡坡面護(hù)坡，應(yīng)重視坡面深層結(jié)構(gòu)加固的軟弱結(jié)構(gòu)面分割阻斷等穩(wěn)定機(jī)制，重視坡面植被護(hù)坡厚基質(zhì)客土噴附技術(shù)等形成的坡面封層保濕抗風(fēng)化護(hù)坡機(jī)制，以及坡面地錨釘注漿淺層加筋固土穩(wěn)定及其高強(qiáng)掛網(wǎng)(墊)墊柔性支撐穩(wěn)定，即深層、淺層加固抗失穩(wěn)與表面封層保濕抗風(fēng)化的綜合穩(wěn)定效應(yīng)。

3)膨脹巖土路塹邊坡開挖時的坡趾高地應(yīng)力場卸荷釋放及其超固結(jié)性激發(fā)效應(yīng)，裂隙強(qiáng)烈發(fā)育與塑性剪切大變形機(jī)制，必須加強(qiáng)膨脹巖土邊坡坡趾抗滑支擋;結(jié)合膨脹巖土卸荷彈性后效機(jī)制等，應(yīng)充分考慮源于膨脹巖土卸荷膨脹力的變形關(guān)聯(lián)減載補(bǔ)償機(jī)制。