非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩(wěn)定問題

1、【摘要】主要敘述非飽和膨脹土及其邊坡穩(wěn)定研究方面的新進展。首先討論了非飽和土研究中與土坡穩(wěn)定性有關(guān)的若干重要特性,指出非飽和土的氣P水形態(tài)問題是非飽和土研究的一個基本問題。并提出隨含水率由小變大,非飽和土存在四種氣P水形態(tài),不同氣P水形態(tài)的土具有不盡相同的性狀。然后,對非飽和土的吸力和土水特征曲線以及不同氣P水形態(tài)下的強度作了討論,并對非飽和土的本構(gòu)關(guān)系作了簡要的介紹。接著以南水北調(diào)中線膨脹土渠道工程為背景,以吸力問題為中心,對非飽和膨脹土邊坡滑動的各種內(nèi)在的和外界的因素進行了分析,尤其對新近研究的降雨入滲和裂隙影響的研究進行了定量的分析,改變了以往對這方面只進行定性研究的情況。在此基礎(chǔ)上對邊

2、坡失穩(wěn)的機理和考慮裂隙及雨水入滲的穩(wěn)定分析方法進行了研究。【關(guān)鍵詞】非飽和膨脹土;氣P水形態(tài);吸力;降雨入滲;裂隙網(wǎng)絡(luò);邊坡穩(wěn)定一、非飽和土的性狀土體中含有氣體使非飽和土的性質(zhì)遠(yuǎn)比兩相的飽和土復(fù)雜,飽和土的某些原理對非飽和土不再適用,或者需要重新論證。弄清非飽和土的基本性狀和工程性狀及其主要影響因素,在此感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上進行性質(zhì)抽象和關(guān)系抽象,建立非飽和土研究的基本思路,探索在工程中考慮這些性狀的本構(gòu)關(guān)系和定性的、定量的分析方法,提出合理的計算公式,選擇合適的特性參數(shù)試驗方法(尤其是吸力的量測技術(shù)) ,確定各特性參數(shù)量值的范圍,并將分析結(jié)果在實踐中進行驗證和修正等:這些就是非飽和土力學(xué)研究的主

3、要任務(wù)。鑒于本文的主題為邊坡穩(wěn)定,因此在敘述中與穩(wěn)定性相關(guān)的內(nèi)容敘述得較為詳細(xì),為節(jié)省篇幅,與穩(wěn)定性關(guān)系較少的內(nèi)容則敘述得較為簡單。二、膨脹土特性的研究1、膨脹土研究概況我國膨脹土研究始于20 世紀(jì)五六十年代。首先出現(xiàn)的工程危害是因膨脹土地基基土脹縮而產(chǎn)生的房屋開裂和倒塌。當(dāng)時的研究主要集中于膨脹土的分類鑒別、試驗方法和變形特性等,在膨脹量和膨脹力及其影響因素方面有不少的研究成果,這方面研究成果后來還有發(fā)展,并將膨脹力與吸力聯(lián)系起來。以后,膨脹土修筑的堤壩開裂的事故相繼出現(xiàn),故某些部門對于膨脹土的填筑標(biāo)準(zhǔn)、壓實工藝等的研究曾予以關(guān)注,但隨著研究的深入和工程問題的轉(zhuǎn)化(如高層建筑的大荷重促使膨脹

4、土地基的脹縮影響退居到次要地位等) ,人們的注意力更多地轉(zhuǎn)到開挖邊坡的安全上。因為大規(guī)模的鐵路、公路以及大量水利工程的建設(shè),引起的膨脹土(或稱裂土) 工程的失穩(wěn),使得邊坡的穩(wěn)定問題成為膨脹土研究中的重點課題。問題不僅在于這類工程事故數(shù)量多,危害大,而且也比一般工程問題復(fù)雜。2、膨脹土的“三性”膨脹土是常給工程造成麻煩的土,所以它被稱為“難對付土”或“有問題土”。它的主要特征是“失水收縮、遇水膨脹”的脹縮性。膨脹土的膨縮性主要取決于蒙脫石(尤其是鈉蒙脫石) 的含量,因為蒙脫石具有最強的脹縮性,可以說蒙脫石是膨脹土具有特殊性質(zhì)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。膨脹性可以表現(xiàn)為膨脹量,但在有一定荷重(約束) 作用時部

5、分膨脹量轉(zhuǎn)化為膨脹力,兩者都會導(dǎo)致上部或相鄰建筑物的損壞或事故。影響膨脹性的因素除礦物成分外,還有它的微結(jié)構(gòu)。外在的最大影響因素則是水和與此相關(guān)的氣候條件,土中水的移動又取決于土體中吸力分布剖面,以及有關(guān)的地面溫度梯度、供水與失水條件和土的起始狀態(tài)等,例如原狀土的膨脹性與重塑土的膨脹性就有區(qū)別。除脹縮性以外,膨脹土另外兩個重要特點是裂隙性和超固結(jié)性。膨脹土裂隙的產(chǎn)生是與脹縮性密切聯(lián)系的。裂隙有原生裂隙與次生裂隙之分。由于大氣的影響,土體失水干縮產(chǎn)生的裂隙為原生裂隙,蒙脫石含量越多,原生裂隙也越發(fā)育。由于大氣的影響深度一般僅達土層表部2 m 左右,故裂隙深度一般也在2 m ,最大可達34 m。次

6、生裂隙可能是由于膨脹土的坡體滑動時各點的位移不均勻,導(dǎo)致滑坡體扭轉(zhuǎn)、局部隆起或形成疊瓦狀的塊體造成的。此外,也可能是邊坡開挖卸荷,應(yīng)力釋放造成的。由此認(rèn)為,次生裂隙的產(chǎn)生往往與土體某種形式的不穩(wěn)定相聯(lián)系。這是一個值得注意的信號。超固結(jié)特性通常是由于上覆土層的侵蝕而形成的,同時還有因次固結(jié)作用形成的和膠結(jié)物質(zhì)的陳化形成的擬似超固結(jié)(壓密) 作用。這種超壓密作用所儲存的內(nèi)部能量可能因卸荷而釋放,也可能因水的長期飽和,淋濾或溶解而減弱,這樣就會導(dǎo)致較大的水平位移或者強度的減弱,不利于土體的穩(wěn)定。上述的膨脹土“三性”對工程影響很大,但不同類型的工程有不同的影響。例如,對房屋地基,脹縮性的影響最大。就本

7、文所關(guān)心的土坡穩(wěn)定而言,裂隙性是關(guān)鍵因素,脹縮性是產(chǎn)生裂隙的內(nèi)因,而超固結(jié)性則是促進因素。脹縮性和超固結(jié)性的影響,在一定程度上是通過裂隙性作為載體表現(xiàn)出來的。因此研究膨脹土邊坡的穩(wěn)定性必須著重研究它的裂隙及其影響。有關(guān)裂隙方面問題,以往曾有不少人指出過它的重要性,但大多限于定性描述,定量的研究尚不多見。三、膨脹土邊坡的穩(wěn)定問題1、膨脹土邊坡滑動的特征膨脹土地區(qū)邊坡的滑動,依不同的角度可以有不同的分類,鐵路部門根據(jù)滑坡的結(jié)構(gòu)面分為,層間結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化界面和裂隙結(jié)構(gòu)面三種滑坡類型,也有的只分為層間結(jié)構(gòu)面和裂隙結(jié)構(gòu)面的。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,膨脹土滑坡具有淺層性、漸進性和長期性。淺層性即膨脹土滑坡的深度一般僅

8、2 m 左右,最深也不過4 m。這是與裂隙的開展深度和受氣候影響的風(fēng)化深度有關(guān)的?；逻^程的觀測表明,滑動時水平向的變形在底部及坡腰處位移大,坡頂部位較小,因此,滑坡往往從底部首先開始,因為那里是應(yīng)力集中區(qū)?；碌陌l(fā)展是從底部向上發(fā)展,逐漸形成漸進性滑坡?；碌拈L期性是與膨脹土裂隙的發(fā)育過程、膨脹土的軟化過程和蠕變的發(fā)展等因素相關(guān)的。這種過程可持續(xù)幾個月、幾年、甚至幾十年。因此一個工程在使用三四十年后出現(xiàn)破壞是一點不奇怪的。2、考慮裂隙的非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定分析非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩(wěn)定問題這里所考慮的穩(wěn)定分析方法也是就非飽和膨脹土處于氣相的第二形態(tài)和第三形態(tài)而言的。膨脹土邊坡穩(wěn)定分析方法

9、一般有靜力平衡分析法、統(tǒng)計比較判別法或工程地質(zhì)對比法和有限元分析法。在上述方法中, 定量地考慮裂隙影響的方法僅有少量報導(dǎo)。王文生在他的學(xué)位論文中提出了一種裂隙材料等效法來考慮裂隙的影響。袁俊平的研究成果是以有限元法為基礎(chǔ)發(fā)展的,其思路有二:一是首先用有限元方法計算土坡中的應(yīng)力分布,將應(yīng)力水平較高的點連起來作為計算的潛在滑動面,該面上各單元沿滑動方向的剪應(yīng)力總和與抗剪強度總和的比值,作為安全量度指標(biāo);二是對抗剪強度指標(biāo)進行一定折減,或?qū)⒑奢d放大,計算此時的土體變形量,若變形量已與折減倍數(shù)基本無關(guān)時,即認(rèn)為土體已經(jīng)失穩(wěn),此時的折減系數(shù)(或放大系數(shù)) 即為安全系數(shù),該法尚需進一步驗證。對于裂隙的模擬

10、也采用兩種方法:一是對裂隙發(fā)育程度較高的膨脹土,將裂隙影響均化在土體中,即將強度指標(biāo)按完整土體的強度進行一定程度的折減,強度值的計算可參照近似公式采用。另一是若裂隙的分布呈現(xiàn)明顯的方向性,即應(yīng)考慮土的各向異性,則可采用裂隙元(可設(shè)為有厚度的薄單元) 模擬裂隙的強度特性,強度值可取裂隙面的試驗值。有了上述的基礎(chǔ),可以導(dǎo)出考慮裂隙影響的邊坡穩(wěn)定分析方法,并編制程序UCFEM,結(jié)合現(xiàn)場試驗和降雨入滲的研究,即可求得非飽和膨脹土邊坡在各種條件下,尤其是降雨入滲條件下的穩(wěn)定狀況。3、膨脹土邊坡穩(wěn)定研究的基本思路邊坡穩(wěn)定研究中的基本問題應(yīng)包含兩方面:一是內(nèi)外各種因素的變化對膨脹土狀態(tài)的影響,尤其是土的密度

11、、含水率以及某些特性指標(biāo)(如抗剪強度指標(biāo))的影響;二是外在的荷重、氣候和各種因素作用下,膨脹土產(chǎn)生的應(yīng)力和變形的大小及其影響。這兩方面的問題都與水的因素直接相關(guān)。4、對非飽和膨脹土特性的認(rèn)識膨脹土對于我國工程界和學(xué)術(shù)界來說并不陌生。對它的特性已有相當(dāng)?shù)牧私?在處理因膨脹土引起的工程事故上也有了一定的經(jīng)驗。但近幾年來,由于對其研究的深化,故對它的特性和滑動機理的認(rèn)識又有了一些進步,這些認(rèn)識概括起來主要有如下幾點。(1)膨脹土是一種很典型的非飽和土,因此吸力對它的性質(zhì)影響極大。由于吸力與非飽和膨脹土中的強度密切相關(guān),因此,它是研究膨脹土工程性狀的中心問題之一,在強度或變形問題的研究中均不可忽視。(

12、2)非飽和膨脹土受土中水、氣含量的相對比例不同的影響而呈現(xiàn)出不同的性狀,在研究中必須首先明確所研究對象的氣P水狀態(tài)。(3)由于吸力量測的困難,在工程中可以通過土水特征曲線(SWCC) 的測定來間接獲得吸力的影響。吸力與含水率在一般情況下存在著對應(yīng)的關(guān)系,但增濕路徑與減濕路徑對應(yīng)著不同的土水特征曲線。憑借SWCC 的成果,可以導(dǎo)出非飽和膨脹土的強度簡化表達式,以便于工程實踐中應(yīng)用。(4)膨脹土的主要成分為黏土礦物,大量蒙脫石的存在會給膨脹土帶來高脹縮性、強親水性、易開裂、強度變化很大等特殊性狀。土中的膠結(jié)物質(zhì)的陳化會使膨脹土具有結(jié)構(gòu)性。這種結(jié)構(gòu)性會隨著土中水分增大逐漸喪失,導(dǎo)致土體軟化和強度降低

13、。含水率對非飽和膨脹土性狀的這種雙重影響是導(dǎo)致邊坡雨后失穩(wěn)的主要因素。(5)膨脹土邊坡的表層常因氣候的影響而存在著發(fā)育的裂隙(fissures) 和裂縫(cracks) ,它們是降雨入滲的方便通道。裂隙的存在是膨脹土邊坡穩(wěn)定的控制因素之一,但以往少有定量研究。從近來的定量研究表明,裂隙可使非飽和膨脹土總體的強度值降低60 %70 %左右。雨水首先通過裂隙入滲,使裂隙面及其附近的土體產(chǎn)生復(fù)雜的吸力變化和體積變化過程,這個機理也已作了初步的定量研究。應(yīng)當(dāng)注意,裂隙主要發(fā)生在土體的表層2. 0 m 左右,較深部的土體裂隙較少。同時,土體降雨后的飽和軟化主要也是在表層,即使在降雨的整個過程中該處土體也

14、不一定會達到完全飽和狀。由于膨脹土邊坡的滑動常具有淺層性、牽引性和滯后性,因此若按現(xiàn)有常規(guī)的飽和土邊坡穩(wěn)定分析思路來核算并未處于完全飽和狀態(tài)的膨脹土邊坡,對于淺層土體不夠安全,而對深部土體則過于保守。結(jié) 論膨脹土作為一種典型的非飽和土,吸力對它的特性具有十分重要的影響,因此非飽和土的理論引入膨脹土邊坡穩(wěn)定研究中是必要的,它有助于膨脹土研究的深化和理論化,使有關(guān)分析和計算更加符合實際。本文對非飽和膨脹土中的新進展作了扼要的敘述,其中氣水形態(tài)的研究、降雨入滲的機理和分析方法、裂隙對邊坡穩(wěn)定影響的定量研究、非飽和裂隙膨脹土的強度變化規(guī)律等重要的關(guān)鍵技術(shù)問題已有比較清楚的認(rèn)識。建立在這些認(rèn)識基礎(chǔ)上的邊坡穩(wěn)定分析方法和滑坡防治措施將更有依據(jù),也更符合實際情況。由于非飽和膨脹土問題的復(fù)雜性,研究的條件要求較高,研究的難度很大,有許多問題尚需進一步深化和細(xì)化。需要指出的是,膨脹土邊坡失穩(wěn)常會造成重大的損失,本文建議的有關(guān)早期預(yù)報的“雙鏈”框圖,可以在今后工作中進一步研究,以期實現(xiàn)事先預(yù)警預(yù)報的目的,減少生命財產(chǎn)的損失?！緟⒖嘉墨I】1 Fredlund D G ,Rahardjo H. Soil Mechanics for Unsaturated SoilsM . J ohn Wiley &Sons INC ,1993.2 包承綱. 非飽和壓實土的氣相形態(tài)及其與裂隙