龔壁衛(wèi)

(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

20世紀(jì)30年代末，美國俄勒岡州在進(jìn)行鋼制虹吸管的基礎(chǔ)處理時(shí)，工程師們發(fā)現(xiàn)了一種與一般黏性土不同的高塑性黏土，并意識(shí)到這種高塑性黏土——膨脹土及其對(duì)工程的影響。為此，巖土工程師開始探討膨脹土的鑒別和試驗(yàn)技術(shù)。隨著世界各地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)膨脹土，各國相繼開始了對(duì)膨脹土的專門研究，并逐漸建立起膨脹土的理論體系[1]。1965年第一屆國際膨脹土?xí)h在美國召開，標(biāo)志著巖土工程及工程地質(zhì)中的一個(gè)新的研究領(lǐng)域的形成。20世紀(jì)70—80年代膨脹土研究在世界范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展并形成一股研究的熱潮，許多國家為統(tǒng)一對(duì)膨脹土的認(rèn)識(shí)，制定了共同遵循的設(shè)計(jì)原則和工程措施，并先后頒發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)化的文件和規(guī)程規(guī)范，一定程度上解決了膨脹土的工程問題。20世紀(jì)90年代，非飽和土土力學(xué)理論蓬勃發(fā)展，將膨脹土研究提升到一個(gè)新的高度[2-3]，人們從膨脹土的含水率改變所引起的吸力變化，聯(lián)系到土體強(qiáng)度的變化，再到邊坡的失穩(wěn)，形成一條邏輯關(guān)系明確的因果鏈，似乎解開了膨脹土邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵，有關(guān)膨脹土的研究課題也再次成為巖土工程的熱點(diǎn)之一。然而，直到21世紀(jì)初，膨脹土的工程邊坡仍時(shí)常發(fā)生失穩(wěn)，對(duì)其破壞現(xiàn)象的描述和破壞機(jī)理的分析也莫衷一是。究其原因，可歸結(jié)為對(duì)膨脹土邊坡失穩(wěn)的內(nèi)在機(jī)制尚未完全掌握。在研究膨脹土的工程問題時(shí)，往往將關(guān)注的重點(diǎn)放在膨脹土的強(qiáng)度理論研究上，而忽視了土性及地質(zhì)條件、環(huán)境因素對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。如：關(guān)注到含水率變化對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響，卻忽視了膨脹變形對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響及地質(zhì)條件的控制作用等。由此，在膨脹土工程邊坡的穩(wěn)定分析中，常常出現(xiàn)即使將土體強(qiáng)度一再折減，仍無法準(zhǔn)確得到實(shí)際邊坡的安全系數(shù)的情況。值得注意的是，工程中巖土體的破壞往往不是簡單的強(qiáng)度問題，而是土性及其特定地質(zhì)條件與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，膨脹土邊坡的破壞尤為如此。

本文歸納總結(jié)了自2000年以來長江科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)所開展的多項(xiàng)大型膨脹土渠(河)道邊坡工程的研究成果，從膨脹土的裂隙性、強(qiáng)度特性、膨脹變形特性等角度論述膨脹土邊坡的穩(wěn)定影響因素、邊坡破壞模式和破壞機(jī)理。為便于稱謂，本文所論及的膨脹土邊坡除特別說明以外，均指經(jīng)人工開挖形成的膨脹土(巖)工程邊坡。

2 膨脹土的裂隙性

多裂隙是膨脹土的重要特征之一，人們很早就開始關(guān)注到裂隙對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響，但始終沒有將不同成因的裂隙區(qū)別開來。膨脹土地區(qū)天然邊坡常見垂直于地表的、無規(guī)則的龜裂狀裂縫，其深度一般位于淺表層大氣影響深度范圍以內(nèi)，大氣降雨時(shí)這些裂縫會(huì)迅速閉合。由于這類裂隙是因土體濕脹干縮、拉裂破壞所產(chǎn)生，文獻(xiàn)[4]將其稱之為脹縮裂隙(Expansion and Shrinkage Crack)。此外，還有一類裂隙，天然狀態(tài)下是閉合、有一定的連續(xù)性和優(yōu)勢(shì)傾向，并成層分布的，部分裂隙還“充填”有灰白、灰綠色軟塑狀黏土，只有在開挖施工或邊坡發(fā)生較大變形時(shí)裂隙才可能拉開。對(duì)于這類裂隙成因，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]認(rèn)為是由構(gòu)造應(yīng)力形成的，文獻(xiàn)[7]認(rèn)為是超固結(jié)土層剝蝕卸荷和側(cè)向卸荷引起的，還有人推測(cè)是脹縮裂隙被黏土充填覆蓋后形成，但從裂隙多為水平、成層分布的形態(tài)上看，這些解釋都缺乏可靠的依據(jù)，因此，尚存在較大的爭(zhēng)議。為此，文獻(xiàn)[4]將這類裂隙稱為非脹縮裂隙(Non-expansion and Shrinkage Crack)。

廣義上的非脹縮裂隙包括原生裂隙、地層結(jié)構(gòu)面或地層分界面，在膨脹土邊坡中大量存在，其延伸性和尺度也遠(yuǎn)大于脹縮裂隙，比較典型如南水北調(diào)中線工程淅川、南陽等地的膨脹土(圖1)。該地區(qū)主要為第四系上、中更新統(tǒng)湖相或河湖相沉積黏性土，地層中普遍存在長數(shù)米乃至數(shù)十米的原生裂隙和層間界面。原始地貌多為蜿蜒起伏的丘陵?duì)睿糠值貐^(qū)自然坡度接近10°，皆因沉積地層風(fēng)化剝離和雨水沖刷的形成。類似現(xiàn)象，在廣西、安徽、四川等地也有描述，如廣西南友路膨脹土地段大量揭示的“節(jié)理”“層理面”[8]、安徽引江濟(jì)淮工程江淮溝通段膨脹土(巖)地層中的短小裂隙及泥巖軟化帶，以及鄂北調(diào)水工程的Q2與Q3地層界面等。為此，有人將膨脹土稱之為“裂土”[9]，其中，既包含膨脹土脹縮開裂形成的次生裂隙——脹縮裂隙，也包含天然形成的原生裂隙——非脹縮裂隙。

圖1 膨脹土工程中的非脹縮裂隙照片F(xiàn)ig.1 Photos of non-expansion and shrinkage crack in expansive soil engineering

脹縮裂隙與非脹縮裂隙的成因不同，其對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響也完全不同，前者主要破壞了土體的整體結(jié)構(gòu)，使降雨等地表水更容易滲透到地層內(nèi)部，從而引起土體強(qiáng)度和變形的一系列變化；后者則源于土體的各向異性以及裂隙在應(yīng)力場(chǎng)作用下的逐漸拉裂和貫通作用。有關(guān)脹縮裂隙與非脹縮裂隙的強(qiáng)度特性及對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響在后續(xù)內(nèi)容中將進(jìn)一步論述，本節(jié)重點(diǎn)論述兩類裂隙的發(fā)育規(guī)律。

前已述及，脹縮裂隙是膨脹土干濕循環(huán)產(chǎn)生的次生裂隙，因此，可以在室內(nèi)采用干濕循環(huán)試驗(yàn)制造，通過裂隙拍照獲取裂隙的數(shù)量、分布等裂隙發(fā)育規(guī)律。文獻(xiàn)[10]采用南陽膨脹土進(jìn)行室內(nèi)干濕循環(huán)(循環(huán)次數(shù)N=1～5)，通過數(shù)字化圖像得到裂隙面積，通過測(cè)量、計(jì)算得到試樣凈面積(試樣面積-裂隙面積)，繪制試樣含水率與試樣凈面積的關(guān)系曲線，如圖2[10]所示。分析可見，試樣凈面積與試樣含水率的關(guān)系呈三段變化：在塑限含水率之前，試樣凈面積快速減小，裂隙迅速增多；在塑限與縮限之間，曲線趨緩裂隙增速減慢；到達(dá)縮限含水率以后曲線趨于平緩，裂隙不再增長。此外，除起始試樣含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)有所減小外，試樣凈面積幾乎不隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化而變化，表明對(duì)同一塊土體而言，脹縮裂隙的數(shù)量不會(huì)無限地發(fā)展下去。試驗(yàn)顯示的裂隙演化規(guī)律的內(nèi)在機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。

圖2 試樣凈面積與含水率關(guān)系曲線[10]Fig.2 Curves of net area of sample versus water content[10]

非脹縮裂隙的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)目前主要以現(xiàn)場(chǎng)開挖的方式進(jìn)行。南水北調(diào)中線工程在膨脹土地段開挖過程中進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)勘察工作。以南陽某渠段為例，在4.0×104m的開挖邊坡上統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)有延伸長度>2 m的長大裂隙1 374條，在788 m2的開挖窗口發(fā)現(xiàn)有延伸長度0.5～2.0 m的大裂隙929條。圖3為不同膨脹性地段裂隙密度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[11]，可以看出，膨脹性越大的區(qū)域，裂隙密度越大，裂隙發(fā)育程度與膨脹土的自身屬性有關(guān)。

圖3 南水北調(diào)中線工程南陽段非脹縮裂隙密度[11]Fig.3 Density of non-expansion and shrinkage crack in expansive soil area of the South-to-North Water Diversion Project[11]

膨脹土邊坡中的裂隙直接影響著邊坡的穩(wěn)定。脹縮裂隙在大氣影響深度范圍以內(nèi)，造成土體開裂、結(jié)構(gòu)破碎，導(dǎo)致強(qiáng)度衰減，并加劇了雨水的入滲，這一部分影響可以基于飽和—非飽和的狀態(tài)變化加以分析。但對(duì)于工程邊坡，由于坡面一般都有防護(hù)結(jié)構(gòu)，因此，坡面土體的含水率變幅并不十分顯著，對(duì)強(qiáng)度的影響有限，反而是降雨入滲引起的土體膨脹變形對(duì)邊坡應(yīng)力狀態(tài)的改變影響更大，這種影響將在下文詳細(xì)探討。

非脹縮裂隙是地層中的原生結(jié)構(gòu)，類似于巖體中的斷層，是膨脹土邊坡中天然的薄弱環(huán)節(jié)，控制著膨脹土邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，一旦裂隙的傾向、傾角有利，將發(fā)生沿裂隙面的滑坡。而且，這種滑坡有一定的時(shí)效性和整體性，大多數(shù)工程在運(yùn)行期發(fā)生的滑坡多屬此類。

3 膨脹土的土體強(qiáng)度與裂隙面強(qiáng)度

一直以來由于膨脹土裂隙分類的混亂，在探討膨脹土強(qiáng)度時(shí)也產(chǎn)生一定的困惑，如將含裂隙的土塊強(qiáng)度等同于裂隙面強(qiáng)度等。這里首先應(yīng)定義一個(gè)概念——膨脹土的土體強(qiáng)度：土體強(qiáng)度是指包含(或不包含)裂隙(脹縮裂隙或非脹縮裂隙，下同)的完整的土塊強(qiáng)度，進(jìn)一步可區(qū)分為不含裂隙的土塊強(qiáng)度、含裂隙的土塊強(qiáng)度和裂隙面強(qiáng)度3類[4]。對(duì)一般黏性土而言，室內(nèi)單元體測(cè)試得到的土塊強(qiáng)度即可代表該土體在工程結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)度，而對(duì)膨脹土而言，由于裂隙的存在，土塊強(qiáng)度則未必能代表土體的強(qiáng)度。圖4為室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)時(shí)裂隙與剪切面的相對(duì)關(guān)系示意圖。如圖4所示，當(dāng)剪切面與裂隙面不重合時(shí)，由于不同試樣的剪切面與裂隙面的夾角并不一致，因而最終得到的強(qiáng)度只能是含裂隙的土塊強(qiáng)度指標(biāo)；而且，假如取得的樣品很不均勻，則該地層土體的強(qiáng)度如圖5所示，為變幅在上、下強(qiáng)度包線內(nèi)的任一條強(qiáng)度包線，此時(shí)的土體強(qiáng)度可以認(rèn)為是一種土塊的損傷強(qiáng)度。只有當(dāng)剪切面與裂隙完全重合時(shí)，才代表裂隙面強(qiáng)度，裂隙面強(qiáng)度只會(huì)隨著裂隙與剪切面的占比發(fā)生微小的變化。區(qū)分含裂隙的土體強(qiáng)度和裂隙面強(qiáng)度對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定分析是很有必要的，相關(guān)的研究成果在下節(jié)中討論。

圖4 三軸試驗(yàn)剪切面示意圖Fig.4 Shear plane for triaxial test

圖5 膨脹土強(qiáng)度包線Fig.5 Shear strength envelopes of expansive soil

為獲取膨脹土裂隙面的強(qiáng)度，有學(xué)者建議采用現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)，以大變形下的殘余強(qiáng)度作為裂隙面強(qiáng)度，這種試驗(yàn)方法有一定的合理性，但是，由于裂隙在空間的展布規(guī)律十分復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)往往也難得到比較規(guī)律性的成果。長江科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在“十一五”“十二五”期間開展了大量膨脹土的強(qiáng)度試驗(yàn)研究[12-14]，分別采用傳統(tǒng)的三軸、直剪反復(fù)剪等試驗(yàn)方法測(cè)試了膨脹土干濕循環(huán)和殘余強(qiáng)度指標(biāo)，并創(chuàng)新提出了運(yùn)用CT三軸儀進(jìn)行膨脹土裂隙面的強(qiáng)度試驗(yàn)和指標(biāo)整理方法[4]。表1是南水北調(diào)中線工程南陽膨脹土殘余強(qiáng)度與CT三軸裂隙面強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比。其中，土塊的殘余強(qiáng)度取自現(xiàn)場(chǎng)不含裂隙的土樣，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)中殘余強(qiáng)度的試驗(yàn)方法測(cè)定的指標(biāo)；裂隙面強(qiáng)度是采用室內(nèi)CT三軸儀測(cè)定的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

分析表1可知，不含裂隙面的土塊的抗剪強(qiáng)度，無論是峰值強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度，均高于含裂隙面的土體的抗剪強(qiáng)度。為分析該現(xiàn)象的原因，通過獲取包含原生裂隙的土塊原狀試樣，對(duì)比分析了裂隙充填物和兩側(cè)土體物理、化學(xué)以及黏土礦物成分的差異[14]，發(fā)現(xiàn)裂隙充填物的含水率比兩側(cè)土體高2.24%～6.84%，相應(yīng)的干密度則低于兩側(cè)土體。而從黏土礦物成分上看，裂隙充填物主要黏土礦物成分為伊/蒙混層礦物，其含量比兩側(cè)土體高約4%，故裂隙充填物的自由膨脹率為54%，也比自由膨脹率為50%的兩側(cè)土體高出不少。由此可見，膨脹土地層的不均勻性和各向異性比一般黏性土地層更為顯著，這種不均勻性和各向異性主要體現(xiàn)在土體內(nèi)部的“裂隙損傷”和含水率的突變上，類似于沉積巖地層中的軟弱泥化夾層對(duì)巖體的影響。

表1 南水北調(diào)中線工程南陽膨脹土強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)

對(duì)比土塊殘余強(qiáng)度、干濕循環(huán)強(qiáng)度和裂隙面強(qiáng)度試驗(yàn)成果可見，CT三軸儀測(cè)得的裂隙面強(qiáng)度最低，是膨脹土裂隙面強(qiáng)度的真實(shí)反映，而土塊的殘余強(qiáng)度中內(nèi)摩擦角比較接近裂隙面強(qiáng)度，但凝聚力最高；干濕循環(huán)的土塊強(qiáng)度則介于兩者之間。可見，對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，不能采用土體的“綜合強(qiáng)度”，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際地層情況，分別以土塊強(qiáng)度和裂隙面強(qiáng)度進(jìn)行描述。這里的土塊，既包括天然狀態(tài)下無裂隙的土塊，也包括經(jīng)干濕循環(huán)產(chǎn)生了干縮裂隙的土塊兩類，而裂隙面則僅僅是指因非脹縮原因產(chǎn)生的“原生裂隙”。只有將土體的各類強(qiáng)度區(qū)別測(cè)定，才能完整地描述膨脹土地層的土體強(qiáng)度。膨脹土邊坡的安全系數(shù)也只有在充分考慮非脹縮裂隙的傾角、強(qiáng)度后才能準(zhǔn)確得到。

4 膨脹土邊坡穩(wěn)定與破壞機(jī)理

與一般巖土邊坡滑坡所不同的是，膨脹土邊坡的失穩(wěn)往往呈現(xiàn)出更多復(fù)雜的形態(tài)。從時(shí)間上看，有施工期失穩(wěn)、運(yùn)行期失穩(wěn)，個(gè)別工程邊坡還可能在運(yùn)行數(shù)十年后失穩(wěn)；從處理與否上看，有邊坡表層換填處理后失穩(wěn)、有抗滑樁施工后失穩(wěn)，甚至邊坡放緩到1∶4仍反復(fù)失穩(wěn)[1]。這些紛亂的破壞現(xiàn)象，如果單從土體強(qiáng)度衰減的角度分析，似乎并不足以解釋其失穩(wěn)的機(jī)理。膨脹土邊坡的滑坡常常伴隨降雨等發(fā)生，因此，人們自然聯(lián)想到土體從非飽和到飽和過程強(qiáng)度的衰減，然而，大部分這類邊坡，即使應(yīng)用土的殘余強(qiáng)度去計(jì)算，其安全系數(shù)仍然滿足設(shè)計(jì)要求。由此不禁想到，膨脹土邊坡失穩(wěn)的機(jī)制究竟是怎樣的?

膨脹土邊坡的失穩(wěn)模式巖土界普遍認(rèn)為有3個(gè)重要特征：①淺層性。指膨脹土邊坡失穩(wěn)多為大氣影響深度范圍的滑坡，認(rèn)為深層滑動(dòng)與一般黏性土無異，無需特別關(guān)注。②逐級(jí)牽引性。膨脹土邊坡失穩(wěn)通常從坡腳處開始，逐漸向上發(fā)展，最終形成多級(jí)滑坡。③降雨后滑坡。鑒于大多數(shù)膨脹土邊坡失穩(wěn)多發(fā)生在降雨之后，巖土工程師更多地關(guān)注了膨脹土從非飽和狀態(tài)到飽和狀態(tài)的演化過程，以非飽和土理論分析滑坡的機(jī)理認(rèn)為：降雨入滲到膨脹土裂隙中，導(dǎo)致土體吸力降低，含水率增大，土體強(qiáng)度由非飽和強(qiáng)度變化到飽和土強(qiáng)度，在裂隙附近形成低強(qiáng)度區(qū)域，當(dāng)下滑力(剪應(yīng)力)增大到一定數(shù)量后，沿邊坡發(fā)生破壞。而從飽和土強(qiáng)度理論分析滑坡機(jī)理認(rèn)為：超固結(jié)土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有明顯的應(yīng)變軟化特征，當(dāng)下滑力(剪應(yīng)力)超過土體的抗剪強(qiáng)度后，剪切面上的抗剪強(qiáng)度將達(dá)到土體的殘余強(qiáng)度，因此，在開挖卸荷的作用下，坡腳的區(qū)域首先達(dá)到塑性平衡，同時(shí)，隨著塑性平衡區(qū)域逐漸向上發(fā)展，最終形成漸進(jìn)性破壞[15]。上述兩類機(jī)理分析無疑是正確的，但進(jìn)一步研究就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中還有更深層次的問題存在，一個(gè)最大的疑問就是，即使采用土體的殘余強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核，那些已經(jīng)滑動(dòng)的邊坡計(jì)算得到的安全系數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1.0。

4.1 膨脹變形與邊坡穩(wěn)定

為分析膨脹土邊坡的破壞機(jī)理，研究人員在室內(nèi)應(yīng)用大型物理模型進(jìn)行了膨脹土邊坡的降雨試驗(yàn)[16-18]。試驗(yàn)在側(cè)壁開窗的鋼結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)箱中進(jìn)行，模型箱尺寸6.0 m×2.0 m×2.8 m(長×寬×高)，以1∶10的比例，模擬最大坡高20 m、坡比1∶1.5的膨脹土邊坡。試驗(yàn)土樣取自河北邯鄲，其自由膨脹率為95%～112%，液限指數(shù)為81.2%，塑性指數(shù)為48.2。采用分層振搗碾壓方法制模，試驗(yàn)正式開始前在坡體不同部位鉆孔測(cè)得含水率為19.6%～24.4%，含水率平均值為22%，干密度為1.60 g/cm3。

模型試驗(yàn)降雨控制為低強(qiáng)度、持續(xù)降雨(晚間停歇，無人為加速蒸發(fā))，以保證坡面不產(chǎn)生徑流也不開裂。同時(shí)，在模型坡體內(nèi)均勻布設(shè)砂井，其作用是加速水分在坡內(nèi)入滲，使膨脹變形盡可能增大；同時(shí)，還可以作為坡體變形的標(biāo)識(shí)。砂井直徑3 cm，井間距0.5 m，深度在坡面以下0.5 m。

降雨開始44 h后，坡面下部對(duì)應(yīng)表面位移測(cè)點(diǎn)首先出現(xiàn)張拉開裂，至降雨257 h，從模型箱側(cè)面觀察窗發(fā)現(xiàn)坡體內(nèi)部多處已產(chǎn)生順坡向拉裂，并隨著降雨的持續(xù)，裂縫在進(jìn)一步擴(kuò)展。從坡中部水平位移觀察點(diǎn)可見邊坡已產(chǎn)生明顯的水平滑移，且坡頂也產(chǎn)生貫穿性的張拉裂縫；至降雨384 h，邊坡上部近坡肩部位出現(xiàn)貫穿性的裂縫；降雨試驗(yàn)426 h后，坡體下部原裂隙處土體首先發(fā)生局部坍塌，繼而引發(fā)上部開裂處土體在2 min內(nèi)滑坡。試驗(yàn)結(jié)束后通過開挖滑坡橫剖面，根據(jù)砂芯的變形得到滑坡形態(tài)如圖6所示。

圖6 膨脹土模型邊坡破壞形態(tài)Fig.6 Failure patterns of the model slope

從滑坡剖面的形態(tài)來看，該邊坡至少發(fā)生過3次類似牽引滑動(dòng)：第1條滑弧位于坡中偏下部位，第2條滑弧向上延伸，隨后，滑裂面逐漸向深部和坡頂發(fā)展，最后形成橫貫上下的整體破壞。該滑坡為典型的淺層性、牽引式滑動(dòng)模式。以邊坡滑動(dòng)后的滑帶土取樣，進(jìn)行土的飽和固結(jié)排水剪試驗(yàn)，并采用傳統(tǒng)的極限平衡理論，驗(yàn)算模型邊坡的安全系數(shù)為1.9。由于模型邊坡在制作過程中已經(jīng)排除了原生裂隙，試驗(yàn)過程也未經(jīng)過干濕循環(huán)，模型邊坡的高度和自重也不大，且非超固結(jié)土邊坡，因此，該邊坡失穩(wěn)按以往的破壞機(jī)理均難以合理解釋。

為進(jìn)一步分析模型邊坡的破壞機(jī)理，運(yùn)用非線性有限元計(jì)算方法對(duì)模型邊坡進(jìn)行了分析。該方法引入了長江科學(xué)院提出的膨脹模型，將降雨引起的膨脹變形以及初始應(yīng)力的變化考慮到邊坡應(yīng)力應(yīng)變分析中[4，19]。圖7為模型邊坡順坡向的剪應(yīng)力(kPa)等值線，圖8為等效塑性應(yīng)變隨含水率變化過程。

圖7 模型邊坡順坡向的剪應(yīng)力等值線Fig.7 Shear stress contours along the model slope

圖8 模型邊坡等效塑性應(yīng)變區(qū)域Fig.8 Equivalent plastic strain zone of the model slope

圖9 模型深度方向含水率分布Fig.9 Distribution of water content along depth of model

分析表明，模型邊坡在降雨作用下淺表層土體發(fā)生膨脹變形，在邊坡淺表層產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)含水率變化幅度達(dá)到11.0%時(shí)，由邊坡表層0.5 m內(nèi)某一點(diǎn)開始分別產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的順坡向的剪應(yīng)力，邊坡中下部為向下的剪應(yīng)力，邊坡中上部位為向上的剪應(yīng)力，兩者沿著某一中性點(diǎn)逐步自平衡并在薄弱點(diǎn)處引起破壞；從等效塑性應(yīng)變隨含水率變化過程可知，當(dāng)含水率變化范圍為11%時(shí)，邊坡坡腳處土體已經(jīng)達(dá)到了土體的峰值強(qiáng)度，隨著含水率繼續(xù)增大，在邊坡坡腳處將形成了一個(gè)等效塑性應(yīng)變完全貫通區(qū)域，此時(shí)整個(gè)邊坡已經(jīng)達(dá)到了破壞狀態(tài)。圖9為試驗(yàn)前、后模型邊坡中部沿深度方向的含水率分布(實(shí)測(cè)土樣含水率)。對(duì)比可見，在持續(xù)降雨的作用下，邊坡1.0 m范圍內(nèi)含水率均有所變化，其中，以深度0.6 m以上的土層含水率變幅最大。

通過模型試驗(yàn)和有限元計(jì)算，對(duì)模型邊坡的破壞機(jī)理分析如下：降雨入滲造成邊坡淺層土體中剪應(yīng)力顯著增大，這是由于膨脹土體在順坡向的膨脹趨勢(shì)受到限制所致，順坡向剪應(yīng)力增大，使得土體的應(yīng)力比達(dá)到被動(dòng)極限狀態(tài)，從而發(fā)生局部破壞。在一定條件下，如持續(xù)降雨，此局部破壞范圍將向周邊繼續(xù)擴(kuò)散，最后發(fā)展成為膨脹土中常見的“漸進(jìn)式”滑坡，這類破壞模式是與膨脹土的脹縮性相關(guān)的，因此，是膨脹土邊坡所特有的。文獻(xiàn)[20]通過實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)降雨前后膨脹土邊坡的土壓力，也證實(shí)邊坡土體垂直方向與水平方向的應(yīng)力比達(dá)2.0～3.0，按照朗肯土壓力理論，此時(shí)邊坡已處于被動(dòng)極限平衡狀態(tài)。由此可見，膨脹土邊坡的這類滑坡，是由于膨脹變形所導(dǎo)致。

4.2 膨脹土的裂隙與邊坡穩(wěn)定

前已述及，膨脹土的裂隙從成因上可以分為脹縮裂隙和非脹縮裂隙兩類。脹縮裂隙造成土體破碎，透水性增大，當(dāng)土體含水率發(fā)生變化時(shí)，強(qiáng)度衰減，土體膨脹變形引起邊坡局部隆起或失穩(wěn)。這類滑坡多屬于淺層性、漸進(jìn)式破壞。此外，還有一類滑坡呈整體滑動(dòng)形態(tài)，其顯著特征是滑面光滑、且大多沿地層中的原生裂隙或結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)。南水北調(diào)中線工程在河南淅川、鄧州、南陽等地的渠道施工過程中發(fā)生了不同程度的膨脹土滑坡，從滑坡開挖揭示的地層剖面情況來看，這些滑坡所在的沖-湖積地層中普遍存在一定厚度的的原生裂隙帶，裂隙帶內(nèi)的裂隙長數(shù)米至數(shù)十米，成層不均勻分布，且傾向渠道，在開挖卸荷時(shí)極易發(fā)生順坡向滑動(dòng)。

與一般脹縮裂隙不同，膨脹土地層中的非脹縮裂隙往往是成層分布的，這就導(dǎo)致滑坡在時(shí)間上的滯后效應(yīng)。圖10為南水北調(diào)中線工程南陽膨脹土試驗(yàn)段的一處滑坡剖面，該滑坡發(fā)生在試驗(yàn)段工程模擬運(yùn)行1 a以后，滑坡斷面有換填土工袋保護(hù)，水下一級(jí)馬道還有混凝土襯砌?；聫亩?jí)邊坡以上開始，出口位于一級(jí)邊坡，使襯砌板翹起1 m有余。從滑坡開挖后的剖面發(fā)現(xiàn)有多層裂隙，滑坡首先在下滑力的作用下沿上層裂隙面啟動(dòng)，當(dāng)積累到一定的變形以后，滑坡剪力向更深層發(fā)展，在上下層裂隙的最薄弱部位拉斷，然后繼續(xù)沿下層裂隙發(fā)展，逐漸形成貫穿邊坡的整體滑動(dòng)。

圖10 滑動(dòng)面裂隙素描及照片F(xiàn)ig.10 Sketch and photos of cracks on sliding plane

地層中裂隙的延伸性和成層性影響著膨脹土邊坡失穩(wěn)的時(shí)效，其滯后效應(yīng)可能長達(dá)10 a甚至數(shù)十年。引丹干渠陶岔渠首引渠建造于20世紀(jì)70年代，渠道坡高約30 m，綜合坡比1∶4.0，2005年在渠道建成30 a以后，又發(fā)生了一處方量達(dá)40萬m3的特大滑坡，其主要原因就是上部Q2—Q3土層在干濕循環(huán)作用下塑性變形經(jīng)年累計(jì)，導(dǎo)致下部N—Q1結(jié)構(gòu)面逐漸貫通并進(jìn)一步惡化，最終在巨大的下滑力作用下失穩(wěn)。

4.3 膨脹土邊坡的破壞機(jī)理

運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析等研究手段，長江科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)按膨脹土邊坡破壞的力學(xué)機(jī)制提出了2類破壞模式[21-23]：第一類是土體含水率變化引起的膨脹變形、強(qiáng)度衰減和應(yīng)力重分布所產(chǎn)生，第二類是膨脹土原生裂隙(包括結(jié)構(gòu)面)的拉裂、貫穿所產(chǎn)生。歸納為兩種破壞機(jī)理[4]，即：膨脹變形引起的淺層滑動(dòng)和裂隙強(qiáng)度控制的整體滑動(dòng)。實(shí)際工程中，上述兩類破壞在地層、土性等綜合條件下可能同時(shí)存在，也可能只出現(xiàn)一類，但無論如何，膨脹土邊坡的破壞均是在土性、環(huán)境和地質(zhì)條件等多種因素共同作用下所發(fā)生的。

5 結(jié) 語

膨脹土是工程中經(jīng)常遇到的一類特殊土，其各向異性比一般黏性土更為強(qiáng)烈。膨脹土的裂隙應(yīng)區(qū)分為脹縮裂隙和非脹縮裂隙；與之對(duì)應(yīng)，膨脹土土體的強(qiáng)度也應(yīng)區(qū)分為土塊強(qiáng)度和裂隙面強(qiáng)度。膨脹土脹縮裂隙的發(fā)育使土體易受外部環(huán)境影響，引起脹縮變形和土塊強(qiáng)度的衰減，而非脹縮裂隙帶通常是飽和的，裂隙面上的強(qiáng)度甚至低于土塊的殘余強(qiáng)度。膨脹土的脹縮裂隙和非脹縮裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響機(jī)制不同，前者主要使邊坡土體在干濕循環(huán)作用下強(qiáng)度衰減并發(fā)生塑性變形，后者在合適的外部因素影響下逐漸貫通，直至發(fā)生整體失穩(wěn)。膨脹變形引起的滑動(dòng)可以通過表面防護(hù)和壓重措施加以解決，而裂隙強(qiáng)度控制的滑動(dòng)只能通過設(shè)置支檔結(jié)構(gòu)處治。

致謝：本文中的資料和數(shù)據(jù)主要源自長江科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)多年來在膨脹土研究領(lǐng)域的創(chuàng)新成果，在此一并表示感謝！