高含水區域膨脹土邊坡失穩特性與處理技術研究

高樹鑫 張雙雙

第一作者簡介：高樹鑫（1996-），男，碩士。研究方向為邊坡設計。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.044

摘? 要：高含水區域的膨脹土邊坡是一種常見的地質災害形式，其失穩性對于工程建設和地質環境具有重要影響。該研究旨在探究高含水區域膨脹土邊坡的失穩特性，并提出相應的處理技術。通過實際工程調查，分析高含水區域膨脹土邊坡的失穩特性和力學性能。結合現有的加固處理技術，提出適用于高含水區域膨脹土邊坡的處理方法，包括土體排水降濕、邊坡加固結構的設計和施工等內容。研究表明，高含水條件下膨脹土的含水量增加會導致其體積膨脹和強度降低，從而增加邊坡失穩風險。采用排水降濕法可以有效降低高含水區域膨脹土邊坡的失穩風險，保障工程建設的安全和可持續發展。

關鍵詞：高含水區域；膨脹土邊坡；邊坡失穩；處理技術；排水降濕法

中圖分類號：TU443? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0189-04

Abstract： Expansive soil slope in high water cut area is a common form of geological disaster， and its instability has an important impact on engineering construction and geological environment. The purpose of this study is to explore the instability characteristics of expansive soil slope in high water cut area， and put forward the corresponding treatment technology. Through the actual engineering investigation， the instability characteristics and mechanical properties of expansive soil slope in high water cut area are analyzed. Based on the existing reinforcement technology， the treatment method suitable for expansive soil slope in high water cut area is put forward， including soil drainage and humidity reduction， slope reinforcement structure design and construction and so on. The study shows that the increase of water content of expansive soil under the condition of high water content will lead to its volume expansion and strength decrease， thus increasing the risk of slope instability. The method of dehumidification by drainage can effectively reduce the instability risk of expansive soil slope in high water cut area and ensure the safety and sustainable development of engineering construction.

Keywords： high water cut area; expansive soil slope; slope instability; treatment technology; drainage moisture reduction method

隨著人類社會的發展和城市化進程的推進，工程建設的規模越來越大，涉及的地質環境也日益復雜多變。膨脹土分布地區的地質環境較為脆弱，人類工程活動頻繁，同時水力作用較為劇烈，導致了膨脹土邊坡容易發生滑坡失穩問題。其中，高含水區域膨脹土邊坡是一種常見的地質災害形式。高含水膨脹土邊坡的穩定性受到水分變化的影響較大，一旦土壤失去穩定性，可能引發嚴重的地質災害，對于工程建設和地質環境的穩定性和安全性帶來了嚴峻挑戰[1-2]。每年由于膨脹土滑坡災害所造成的經濟損失都超過數百億元，膨脹土滑坡不僅對當地人居環境安全和社會穩定產生影響，還對大型能源基地、水利設施、高速鐵路、高速公路等重大工程的安全運營帶來威脅。因此，膨脹土滑坡災害的防治已經成為需要解決的難題。目前，對于膨脹土滑坡和工程邊坡的水力作用機理、失穩滑動特征和安全性分析還存在認識上的不足，同時在膨脹土滑坡防治工程的新型材料和新技術方面的發展也相對滯后。因此，對高含水區域膨脹土邊坡的失穩特性與處理技術進行深入研究具有重要的理論和實際意義。

高含水區域膨脹土邊坡失穩問題主要源于土壤中的含水量異常增加所導致的體積膨脹和力學性能變化，使得高含水區域膨脹土邊坡面臨著較高的失穩風險和工程安全隱患。針對此類問題的傳統處理方法包括加固結構的設計與施工等[3-4]。然而，由于高含水條件下膨脹土的特殊性質和復雜性，這些傳統方法在實際應用中存在一定的局限性和挑戰。因此，有必要深入研究高含水區域膨脹土邊坡的失穩特性，并探索適用于該類地質環境的創新處理技術。當前高含水膨脹土邊坡失穩特性與處理技術的研究主要集中在物理性質、排水措施和加固技術等方面。未來的研究方向應該進一步深入研究不同治理方法的效果和持續性，探索更加可靠和經濟的治理技術，以確保高含水膨脹土邊坡的安全穩定，為工程實踐提供重要的理論和技術支撐。本論文旨在深入研究高含水區域膨脹土邊坡的失穩特性，并針對其特點提出相應的處理技術，為高含水區域膨脹土邊坡的處理技術創新和優化提供參考。

1? 高含水區域膨脹土邊坡失穩特性分析

1.1? 膨脹土的特性與力學行為

膨脹土是一種在吸濕或濕潤條件下會產生明顯體積變化的土壤，表現出的主要特征包括吸濕膨脹和干縮，這2個方面對膨脹土的穩定性有著重要影響。吸濕膨脹是指當膨脹土遇到水分時，水分會填充土壤顆粒間的空隙，從而增加了顆粒之間的吸引力，導致土壤體積膨脹。這主要是因為水分分子與土壤顆粒表面存在一定的吸附作用，使得土壤顆粒之間的間隙被填充。吸濕膨脹過程中，土壤中的顆粒會向外擴張，致使土體體積增大。這種現象在某些地區的膨脹土非常顯著，甚至可以引發建筑物的損壞。

干縮是指在干燥條件下，膨脹土會發生體積縮小的現象。當膨脹土失去水分時，土壤中的吸附水分子會逐漸脫離土壤顆粒，導致顆粒之間的吸引力減弱，土壤體積隨之收縮。干縮是由于水分所提供的膠結力減弱而引起的。這種干縮現象在干旱地區尤為明顯，會導致土壤的龜裂和不穩定。這種吸濕膨脹和干縮現象往往是膨脹土失穩的重要原因之一，當膨脹土在吸濕過程中發生體積增大時，其對周圍環境的影響可能會引起地基的變形和建筑物的沉降。而在干燥條件下，膨脹土的干縮現象會導致土壤的體積變小，從而可能引發土體的開裂和破壞。這些問題對于基礎工程和土木建筑來說都是非常重要的考慮因素。為了解決膨脹土帶來的問題，人們采取了一系列的措施。例如，在建筑物的基礎設計中，可以通過使用深基礎、改良土壤、施加預應力等方法來減少膨脹土的影響。

1.2? 高含水條件下膨脹土特性與變化

高含水條件下，水分填充土壤顆粒間的空隙，減弱了土壤內聚力，使得強度顯著降低，但膨脹土的壓縮性增加。水分對土壤顆粒之間的支撐作用降低，導致土壤體積發生更大程度的壓縮變形。由于水分填充了顆粒間的空隙，形成連通的孔隙系統，使得高含水條件下膨脹土的滲透性明顯增加，有利于水分的遷移和排泄。同時，這也增加了邊坡土體液化和流動的風險，增加了邊坡失穩的可能性。這些特性和力學行為對邊坡的穩定性起著重要的作用，需要在處理高含水區域膨脹土邊坡失穩問題時充分考慮。

1.3? 高含水區域膨脹土邊坡失穩機理及評價指標

水文地質條件：高含水區域的地質條件往往具有較高的含水層、多年積聚的地下水或地質構造中存在水體等特點。例如膨脹土邊坡底部存在溶洞或水源，會導致大量水分滲入土體中，增加土體的飽和度，引發土體液化或減弱土體的抗剪強度，引發邊坡失穩。土體飽和度變化：高含水膨脹土在不同飽和度下的力學特性不同，尤其是在飽和和非飽和狀態之間轉變時，會引發邊坡的失穩。在高含水區域，土壤表面通常受到雨水浸泡或水流沖刷，導致土體飽和度的變化。當土體飽和度增加時，土壤顆粒之間的膠結力減弱，土體的內聚力和抗剪強度降低，從而增加了邊坡失穩的風險。滲流作用：高含水區域的膨脹土容易產生大量的滲流，這會改變土體的內部水力狀態。當大量水分在邊坡土體內部積聚時，會增加土體的重量，同時也會對土體施加一定的水力壓力。水力壓力的存在會削弱土體的抗剪強度，導致邊坡失穩。土體的強度特性：高含水膨脹土的強度特性通常較差，容易發生剪切破壞或塌方。高含水膨脹土對外界應力的敏感度較高，當受到邊坡自重、地震或其他荷載作用時，土體的強度會顯著降低，從而引發邊坡的失穩。季節性變化引起的邊坡穩定性變化：在雨季或濕潤季節，土壤含水量增加，邊坡土體的稠度降低，導致邊坡整體的穩定性減弱。而在干燥季節，土壤含水量減少，邊坡土體的稠度增加，邊坡的穩定性相對改善。此外，局部滲流和浸潤引起的侵蝕和削弱：高含水邊坡的局部區域常常受到地震、洪澇、凍融等自然力因素的影響，這些外力作用會使得土體發生變形、裂縫、孔隙度改變等，破壞土體的穩定性，從而引發邊坡失穩。

在研究高含水區域膨脹土邊坡的失穩特性時，常用的評價指標包括滑動安全系數、變形性態以及邊坡變形與裂縫?；瑒影踩禂悼紤]邊坡整體和局部的滑動穩定性，通過計算判斷邊坡滑動風險。變形性態監測和分析可以揭示邊坡內部土體的變形機理，評估穩定性。變形與裂縫作為失穩前兆跡象，通過觀察和測量邊坡變形與裂縫情況，及時發現潛在失穩問題，并進行治理加固。綜合利用這些指標進行準確評估，可為保障邊坡安全可靠性提供依據，制定相應處理技術和措施。

2? 高含水區域膨脹土邊坡處理技術

2.1? 傳統處理方法

在實際工程中，應綜合考慮土壤類型、水文地質條件、工程要求等因素來選擇合適的處理方法。目前，工程中處理高含水區域膨脹土邊坡穩定問題的處理方法主要為改良土體，通過添加石灰、水泥等摻合料或添加化學藥劑來改變高含水區域膨脹土的物理和化學性質，以此增加土壤的強度和穩定性[5]。而對于邊坡土體較弱的部分，可以采用襯砌結構來增加邊坡的穩定性。在排水方面，可采用側向排水和底部排水的方法，通過排出土壤內的水分來降低水壓力，減小土體重量，提高穩定性。表面渠化也是一種有效的排水手段。加筋加固是提高邊坡穩定性的重要手段，包括錨桿加固、植物加固和加筋框架等。通過預應力錨桿固定土體，增加植物根系的黏結力，或設置鋼筋框架來增強土體的強度和穩定性。此外，邊坡抗滲防護也至關重要，可采用防滲層和壓實加固等方法來減少水分滲透和侵蝕。在土體表面提高植被覆蓋率，可以減少土壤表面的水分蒸發，降低高含水區域邊坡的水分含量。傳統的處理技術在實際工程中得到廣泛應用，并取得了良好效果。隨著科技的進步，未來可能會有更多創新和有效的處理方式出現。

2.2? 相關加固結構的原理及特點

高含水區域的膨脹土邊坡失穩問題是一項常見但嚴重的工程安全隱患。為了加固和穩定這些邊坡，可以采用多種原理和特點的加固結構。排水降濕原理采用水平或垂直排水井，以減小土體的飽和度，降低膨脹土的含水量，從而減緩邊坡的膨脹變形和失穩。加固土體機械性能改善原理通過增強抗剪強度和抗滑穩定性，采用鋼筋混凝土墻、噴射混凝土覆蓋層或土體改良劑等方式來提高土體的抗剪能力，增加邊坡的穩定性。減輕自重原理通過在邊坡上設置輕質填料、減重材料，減輕邊坡的自重以降低對膨脹土的壓實作用，減少因自重引起的邊坡滑動和失穩。地下排水原理設置地下排水系統，通過排水管或排水井將過量的地下水排出，降低土體飽和度，減少膨脹土的膨脹性。防護結構原理通過在邊坡表面設置防護結構，如鋼絲網、錨桿、擋墻等，增加邊坡的抗滑安全系數，通過在土體內設置錨桿，并與土體連接，提高整體抗拉強度，確保邊坡在各種荷載條件下都能保持穩定，有效抵抗邊坡的滑動和變形。柵欄網結構原理通過鋼筋網格和土工合成材料組成的結構，增加土體內聚力。植被加固原理通過植物的根系系統牢固地固結膨脹土，形成根織物，增加整體抗滑強度。減少水力影響原理通過修建溝渠或排水溝等方式，將外部水流遠離邊坡區域，減少沖刷和侵蝕，提高邊坡的穩定性。實施定期巡查和養護工作，及時發現并處理邊坡上的變形跡象、裂縫或其他問題，避免失穩事故的發生。

3? 高含水區域膨脹土邊坡處理技術應用分析

3.1? 工程概況及數據采集

鄭州市某道路工程位于高含水膨脹土地帶，邊坡工程涉及范圍內部土體大多為膨脹性黏土，其中邊坡高度約20 m，邊坡坡度30°。表1給出了土壤主要物理力學特性參數。因工程規模較大，且降雨量不斷增加，為防止邊坡滑坡和塌方，需要采取多種措施確保工程安全。

表1? 土壤主要物理力學特性參數

3.2? 排水降濕技術和施工方案

制定土體技術處理方法前需要對邊坡及其周圍地形進行勘測，獲得邊坡的幾何結構和地質情況等信息，設計時需要考慮到地下水位、雨量等因素，排水降濕技術設計流程圖如圖1所示。同時現場人員清理邊坡表面的植被、雜物等，使得施工區域清晰可見，以便安裝排水系統并確保其正常運行。如有需要，可以進行斜坡切割或者平整。根據地質勘察結果，合理布置排水系統，可以采用水平、垂直或傾斜布置的排水管道網絡。確定好施工方案后，展開具體設計環節的施工建設，針對邊坡土體的特點，設計了導流排水系統。根據工程的實際地理位置和氣候區域，設置基礎的表層排水措施，避免降雨影響導致的雨水積聚，并在邊坡的上部增設了泄水槽和泄水溝，將邊坡上部降雨收集后進行排放，避免積水造成土壤過飽和。

圖1? 排水降濕技術設計流程圖

為了提高工程的安全性，采取了排水降濕技術。高含水區域膨脹土邊坡排水降濕技術是指通過在邊坡土壤中設置導流排水系統或其他排水措施，控制和降低土壤內部的水分含量，以減小土壤的膨脹和收縮，提高土壤的穩定性和抗滑能力。通過排水系統將土壤內部的自由水或過剩毛細水排出邊坡，使土壤處于飽和-不飽和狀態之間，降低土壤的含水率，控制土壤膨脹和收縮的變形和應力，從而提高邊坡的穩定性。

針對上述情況進行模擬，如圖2所示給出了降雨過程的示意圖，圖3為干濕循環次數對邊坡穩定性的影響。從圖3中可以看出，當考慮膨脹變形時，邊坡的穩定性系數Fs顯著減小。僅2次干濕循環后，邊坡即失穩破壞。在降雨作用下，風化層土體吸濕膨脹發生較大的向邊坡外側的位移，并在下半邊坡的淺層首先出現局部滑動。坡腳淺層滑塌后，上部的土體失去支持力，隨后發生牽引式滑動?；瑒用娴纳疃群头秶粩嘣黾?，多次滑動后，最終坡腳出現層疊狀的破壞形態，這與膨脹土滑坡特有的淺層性、牽引性和多次發生性相符合。

圖2? 降雨過程

圖3? 干濕循環對邊坡穩定性的影響

4? 結論

本論文深入研究了高含水區域膨脹土邊坡的失穩特性與處理技術。結合現場數據采集及分析，得出主要結論如下。

1）高含水區域膨脹土邊坡存在明顯的失穩風險。在高含水條件下，土壤顆粒之間的結構相互作用受到水分的顯著影響，導致土壤強度明顯降低，而滲透性和固結性能也發生顯著變化。這些因素使得高含水區域膨脹土邊坡易發生變形和破壞。

2）排水降濕是處理高含水區域膨脹土邊坡失穩問題的重要手段。通過合理設計和施工排水系統，可以有效降低土壤含水量，提高土壤的抗剪強度和穩定性。排水降濕對于控制高含水膨脹土邊坡的變形和破壞具有重要作用。

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