关于膨胀土边坡浅层失稳及防治的研究进展

关于膨胀土边坡浅层失稳及防治的研究进展

付泉, 石琳，杨艳

陕西地建土地勘测规划设计院有限责任公司陕西西安710075

项目：陕西地建土地勘测规划设计院2024年度内部科研项目（KCNY2024-4）

摘要：20世纪以来，全世界膨胀土失稳事故频发，严重威胁着工业民用建筑、铁路、公路以及水利等设施。为减轻膨胀土边坡失稳地质灾害和更有效的防治处理。在整理国内外相关资料的基础上，调研了膨胀土边坡典型事故案例，并重点阐述了膨胀土边坡浅层失稳试验、数值模拟和理论分析的研究现状，分析和总结了膨胀土边坡浅层失稳机理及目前研究存在的难点和热点问题，对膨胀土边坡浅层防治措施的研究进展进行了跟踪和分析。最后，针对现有研究的发展趋势以及存在的相关问题，对以后的研究工作进行探讨和展望。

关键词：膨胀土边坡；浅层失稳；稳定性分析；防治措施；研究进展

0 引言

膨胀土又称“胀缩土”，遇水膨胀，失水收缩的黏性土。土中含有大量伊利石、蒙脱石等黏土矿物，亲水性极强，具有高胀缩性、多裂隙性、浸水承载力衰减等特点，相比一般黏性土，颗粒分布更散，对环境的湿热变化更加敏感[1]。膨胀土吸水膨胀、失水收缩的特性是世界各国都面临的一个地质难题，各个国家都在积极研究和解决膨胀土的工程问题。膨胀土滑坡主要有结构面控制的深层滑坡和浅层失稳，前者是由于在膨胀土地层中，存在着发育较为明显的结构面，这些结构面对滑坡的形成起着重要作用。为此，在调研国内外大量相关文献的基础上，围绕膨胀土边坡的浅层失稳问题，从理论计算、试验以及数值模拟方面，对国内外当前膨胀土浅层失稳问题以及防治方法进行详细梳理。在此基础之上，对膨胀土浅层失稳问题研究的重点和方向，进行探讨和展望，以期可对膨胀土边坡浅层失稳问题的研究提供参考[2]。

1膨胀土边坡浅层失稳研究现状

针对膨胀土浅层失稳问题，研究者们通过现场试验、模型试验以及数值模拟等方法，从裂隙、干湿循环、降雨入渗等方面进行研究。裂隙的存在会破坏土体结构，影响土的整体性，从而导致膨胀土抗剪强度降低，另外，裂隙还会加快水分的入渗，并且还会让水分滞留在土体中，导致边坡渗流力的产生，发育后的裂缝还会造成局部水压力作用，会促进干湿循环作用，从而降低土体强度。由于膨胀土的胀缩性，在自然大气条件下，受大气影响深度的膨胀土会不断发生干缩循环作用，膨胀土的抗剪强度随之下降[3]。

1.1现场和模拟试验

现场试验是研究边坡稳定性问题最直接、最有效的方法，能够实时掌握边坡的动态情况，从而更加准确分析边坡稳定性以及开展边坡的预警和防护。对天然膨胀土边坡的现场试验，系统地分析了膨胀土边坡稳定性以及降雨入渗下边坡破坏机理。目前，大多数研究从裂隙土水特征曲线模型的建立、干湿循环效应开展研究。裂隙的产生导致土体抗剪强度降低，是边坡失稳的主要原因之一。模型试验是研究膨胀土边坡失稳问题的有效手段。通过对南阳某膨胀土边坡现场取样进行三轴应力试验，分析了膨胀土在吸湿后体积、含水率以及应力的变化规律[4]。

1.2数值模拟

数值模拟是一种研究膨胀土边坡稳定性的有效方法，随着计算机技术的不断革新，边该方法也得到了空前发展。目前，再现膨胀土边坡裂隙的演绎过程是边坡失稳研究的重点也是难点。此前，研究膨胀土裂隙开展规律的试验方法主要采用电子计算机断层扫描机(CT机)、激光扫描仪以及采集装置等可以直接观测的方式。为了更加贴近真实环境，基于多场耦合下数值模拟技术的研发是重中之重。数值模拟是一种有效研究膨胀土边坡稳定性的方法，但目前也存在许多不足，由于膨胀土自身复杂的特性，忽略在大气环境下水气作用所得的结果是不准确的。另外，多因素复杂环境下的模拟技术研发还需继续推进[5]。

1.3理论计算

膨胀土边坡稳定性问题一直是工程领域关注的重点。膨胀土边坡本身独特的性质，再加上边坡所处环境的复杂性，如何准确判断边坡浅层失稳一直是研究者们的难题。国外学者，对条分法进行了不同程度的改进。膨胀土饱和过程分为两个阶段，在两个饱和阶段下膨胀土有很大几率发生浅层失稳。在对膨胀土浅层稳定性分析时，都只考虑了一个饱和阶段，这与实际工程不符，因此考虑两个饱和阶段是对深入研究膨胀土浅层稳定的重要基础。因此，建立膨胀土边坡在两个饱和阶段下考虑下滑应力计算的模型是深入研究边坡浅层失稳的关键。

2防治措施

2.1刚性支护

传统的支护方式分为刚性支护和柔性支护，它们有着不同的适用范围。刚性支护主要依靠结构的自重和抗力来抵抗主动土压力以及滑坡的推力，从而达到阻止边坡失稳的目的。主要包括挡墙、抗滑桩、预应力预应力锚索或锚杆等。由于膨胀土特性所带来较大的水分膨胀性和裂隙敏感性，易造成边坡失稳。而锚杆加固可以通过提高土体的抗剪强度，减少土体位移和拉裂变形，从而控制膨胀土边坡的变形和破坏。刘红卫等人为解决膨胀土边坡困扰难题，将锚索、锚杆等施工技术运用到实际工程当中，成功地解决了边坡稳定性难问题。

2.2柔性支护

大量工程实例显示：使用刚性支护对膨胀土进行加固，支护工程量大且支护效果并不理想，相比之下，柔性支护的工程量较少，施工简便高效，目前也被越来越广泛使用。大气作用下裂隙影响是膨胀土边坡浅层破坏分析的关键因素，土工格栅在冻融循环期间膨胀土边坡稳定性中的作用，对膨胀土边坡可以起到良好的加固效果随着绿色工程理念的推进，这种环保无污染、价格低、耐久性好的方法成为了处理膨胀土边坡的“助手”，在南北干线等工程中已突显其优异性，目前对土工袋的研究值得深入展开。

2.3生态护坡

生态护坡的理念很早就在国外萌生。经过国内学者们半世纪的研究，中国膨胀土边坡生态护坡技术也处于世界领先水平。植物的根系可以作为加筋材料，提高膨胀土边坡土体抗剪强度，从而解决膨胀土边坡浅层失稳问题。水分与裂隙的发育是导致膨胀土滑坡的关键因素，控制水分变化和裂隙的发育是治理膨胀土滑坡的重点。生态护坡的重点在于使边坡体的周围环境相融合，相适应，借助植被来改善边坡。一方面植被能对边坡有着理想的保护效果，另一方面与一般的工程护坡来说，减少了大量的支出，由此可见，生态护坡是可行也是不错的发展方向。

2.4化学改良

从膨胀土自身出发，通过化学的方法对膨胀土复杂的性质进行改良不失为一种好方法。余颂等将CMA膨胀土生态改性剂运用在膨胀土中并开展室内试验，结果表明CMA膨胀土生态改性剂能够使膨胀土的膨胀性大幅度降低，减少胶粒的含量并增加了粉粒的含量，在饱和和非饱和状态下土体的抗剪强度都得到了提高，稳定性增强。将CMA膨胀土生态改性剂运用在衡茶吉铁路膨胀土路段，取得了良好的工程效果。通过往膨胀土中加入聚醋酸乙烯脂、聚甲基丙烯酸甲酯、呋喃对膨胀土进行改良，使得膨胀土的膨胀性得到明显抑制。

3.结论及展望

膨胀土边坡分布广泛，遍及我国二十余省，对工业民用建筑、铁路、公路以及水利设施等领域都造成了严重危害，对世界各国的工程建设造成了极大的破坏和巨大的经济损失。膨胀土边坡浅层失稳具有渐进性、牵引性以及多重滑动性。离心机试验可以再现原型的应力场，使得其模型与原型应力应变相等、破坏机理相同以及变形相似，是目前研究边坡浅层失稳的重要手段之一。目前，我国膨胀土边坡防治技术已取得了世界领先水平，但由于膨胀土自身复杂的特性，当前膨胀土边坡防治技术依然难以支撑膨胀土边坡工程的推进，导致许多重大工程中防治措施的失败。因此，膨胀土边坡防治技术的研究还需不断挖掘，刚柔结合，搭配生态护坡，是未来膨胀土边坡防治的大势所趋。

参考文献

[1] 詹良通，吴宏伟，包承纲，等.降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测[J].岩土力学，2003，(2):151-158.

[2] 孔令伟，陈建斌，郭爱国，等.大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究[J].岩土工程学报，2007(7):1065-1073.

[3] 叶为民，孔令伟，胡瑞林，等.膨胀土滑坡与工程边坡新型防治技术与工程示范研究[J].岩土工程学报，2022，44(7):1295-1309.

[4] 张新生.膨胀土滑坡深部位移监测与分析[J].铁道科学与工程学报，2011，8(4):50-54.

[5] 汪磊，谢彦初，孙德安，等.基于GS-SVM的膨胀土边坡防护工程健康预测模型[J].中南大学学报(自然科学版)，2022，53(1):250-257