云南膨胀土滑坡发育特征及其稳定性计算

云南膨胀土滑坡发育特征及其稳定性计算

蒋学广

（云南地质工程第二勘察院有限公司，云南 昆明  650218）

摘要：膨胀土滑坡的发育特征具有独特性，其稳定性计算与普通滑坡也有所不同。通过收集分析云南近十年滑坡防治资料和现场调查，对膨胀土滑坡进行研究。云南境内膨胀土滑坡具有浅层性、牵引性、平缓性、季节性、方向性，滑坡体上裂缝发育，数量众多，集中分布，单条裂缝的张开度和延伸长度较小，位移量也较小，膨胀土的胀缩变形引起地面房屋产生下降型变形和上升型变形，危害较严重。对膨胀土滑坡进行稳定性分析计算时要充分考虑水平膨胀力及降雨入渗引发土体强度衰减，C、φ降低的情况，水平膨胀力按0.8倍的测试膨胀力取值，粘聚力作0.5-0.8倍折减，内摩擦角按0.4-0.6倍折减，不考虑滑床竖向膨胀力，降雨入渗深度按整个滑体厚度计入，这样计算的滑坡稳定系数较为适宜。

关键词：膨胀土滑坡；发育特征；膨胀力；稳定性计算。

作者简介：蒋学广，男，汉族，1974年2月生，云南宣威市人，高级工程师，从事地质工程、地质环境与生态修复研究工作。邮箱1019606180@qq.com。

0 引言

膨胀土作为常见的一种特殊性土，很多地质工作者在20世纪80年代就进行了大量的研究，以往的研究主要集中在膨胀土的微观结构、膨胀特性，膨胀土地基变形，气候环境、降雨对膨胀土边坡的影响，膨胀土滑坡发生机理及治理等[1-8]。云南境内膨胀土分布范围较广，对工程建设影响较大，很多缓坡区的膨胀土滑坡对村庄和建构筑物造成了严重危害，勘察设计及防治方案多数仍按普通滑坡进行，对于膨胀土滑坡稳定性和推力计算中膨胀力如何考虑没有明确的具体规定和计算模型。鉴于此，研究膨胀土滑坡稳定性和推力计算中膨胀力如何考虑和参与，提出膨胀土滑坡计算模型具有重要的现实意义，对云南省的地质灾害防治具有一定的指导意义。

1 云南膨胀土滑坡特征

1.1 膨胀土滑坡特点

云南膨胀土成因主要是湖积、冲洪积、残坡积，不同沉积类型的地层具有不同的特征[9-10]，膨胀土滑坡具有以下五个特点：

（1）浅层性。膨胀土地区浅层滑坡较发育，滑体厚度基本小于6m，如蒙自、文山、小龙潭和曲靖等地常见的膨胀土滑坡。滑坡厚度取决于裂隙的发育深度以及风化深度，滑动带埋深在0.5-3m的约占65%，在3-6m的约占30%。

（2）牵引性。膨胀土中含有蒙脱石和伊利石等亲水性粘土矿物，降雨条件下吸水膨胀，含水率大幅度升高；高温蒸发作用下失水收缩，含水率大幅度降低。随着含水率的变化，裂缝出现张开、闭合交替现象，抗剪能力逐渐变小，当抗剪力小于重力作用产生的下滑力时即会产生初次滑坡。之后，土体又会在干湿交替环境中产生裂缝胀缩变形，抗剪强度再次衰减，如此反反复复，不断的重复稳定、蠕滑过程，不断的牵引产生多次滑动，形成阶梯状、叠瓦状等滑坡形态，直至达到新的稳定状态。

（3）平缓性。膨胀土滑坡大都发生于1:4-1:5的缓坡上，在1:8-1:10的滑坡上有时也会发生。地形坡度缓的地段为局部滑移，滑动速率缓慢，滑动迹象不明显，只有借助仪器观测或从滑动体上建筑物变形、位移等现象才能识别。如曲靖市麒麟区越州镇新田村委会偏坡村、大坡村地形坡度5°-8°，华宁五中自然地形坡度10°-15°，其斜坡区建筑物墙体、围墙、地面等受滑移挤压变形出现错位裂缝，危害性较大。

（4）季节性。膨胀土中含有强亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石，在大气降雨和高温蒸发条件下，膨胀土中的含水率变化较大，膨胀土表现出遇水分就会变大变软、脱去水分就会变小出现裂缝。在长期干旱后，雨季来临会使膨胀土边坡表现出吸水膨胀的现象，导致土体强度衰减引发滑坡。在季节性的干湿循环下，极易发生膨胀土滑坡。

（5）方向性。向阳的斜坡，由于日照时间长，温度变化差异较大，土体中的水分蒸发会导致裂隙发育，从而导致雨季降水渗透引发滑坡的可能性增大，滑坡多是向干湿变化大的方向滑移。

1.2 膨胀土滑坡裂缝特征

膨胀土滑坡裂缝基本呈各向异性，以张性和剪切裂缝居多，少见挤压裂缝。张性裂缝走向大致垂直坡向，多数具有向坡体上方突出的弧形特征；剪切裂缝走向基本与坡向斜交，多数情况下较平直，多具有平行裂缝群特征。地形平坦地段的膨胀土裂缝多呈不规则的网状发育，数量多而密集，延伸长度小，可见深度小。膨胀土的胀缩变形引起地面房屋产生下降型变形和上升型变形[11-12]。下降型变形特点是房屋随季节变化，雨季上升，旱季下降，长时间上升量小于下降量，导致房屋出现不均匀沉降裂缝，房屋山墙部位多出现“倒八字”裂缝，并有基础转动现象，外纵墙有斜裂缝、“X”裂缝或水平裂缝。坡地上房屋受地基水平膨胀力作用，产生水平位移。上升型变形特点是房屋地基土体初始含水量低，土体膨胀变形量大于收缩变形量，主要变形现象为地面拱起。

1.3 膨胀土滑坡成因

引发膨胀土滑坡的外在因素主要包括地形地貌、气候、人类工程活动等，内在因素主要包括膨胀土的成因、物质组成、特殊性质等，具体体现在以下四个方面：

（1）土坡稳定性决定于土体的抗剪强度（抗滑力）与剪应力（滑动力）之间的平衡条件。土体的抗剪强度小于剪应力时土体产生滑移，反之，土体处于稳定状态。膨胀土在天然状态下抗剪强度较高，但浸水膨胀后，土体的结构强度破坏，土体强度衰减很大，如蒙自的膨胀土浸水后膨胀达胀限后，强度衰减达50%。因此膨胀土边坡经常在雨季或受人为浸水后，产生浅层塑性滑坡。

（2）土体膨胀时在三维空间产生膨胀力，在天然状态下，土体产生膨胀时，垂直荷载（土体自重和附加荷载）及周围土体在三个轴向对膨胀土产生相应的约束力，约束力最小的方向，土体膨胀变形量最大，因此，斜坡临空面土体膨胀应力的切向分力较大，土体剪应力随之增加，容易破坏其稳定平衡条件。这是膨胀土土坡比非膨胀土土坡稳定性差的原因之一，膨胀性愈强的斜坡稳定性越差。膨胀土的胀缩变形问题是三维空间问题[13-15]，工程中在滑坡计算中的水平膨胀力是不容忽视的，在膨胀土地区由于土体侧向膨胀引起的工程事故也不乏其例：如膨胀土地区常见的挡土墙倒塌或呈蛇形弯曲变形，地裂的张闭变化现象证明土体有侧向胀、缩变形。基于以上原因，膨胀土地区地形坡度大于15°，滑坡现象更明显，在这些地区，“逢坡必滑，遇坎必塌”。

（3）膨胀土自生成以来，在漫长的地史时期经受无限次往复循环胀缩应力作用，往往在土中应力集中部位或物质差异面上形成局部剪切面，就是所谓的膨胀裂隙，其表面光滑似镜，并具有剪切面相对位移挤压后遗留的擦痕。膨胀裂隙的产状不规则，分布不连续，排列不定向，埋深也不相同，这是由于土层在不同地史时期受风化、剥蚀或堆积覆盖作用下和地下水位升降变化影响之故。膨胀土体收缩时，地表经常产生收缩裂隙，深可达2m，宽度由数毫米至数百毫米不等，长度最大数十米[16]。膨胀土的膨胀裂隙和收缩裂隙是土体中的软弱结构面，它增加土体的透水性，降低其整体强度。在土体无休止的反复胀缩变形过程中，软弱结构面日愈增多，土体剪应力也随之增加，一旦土体稳定条件被破坏，应力释放和颗粒应力传递作用，使土体中连续结构面应力叠加，产生连锁反应式的、缓慢的局部滑移。

（4）在膨胀土分布的部分区域，地形坡度很缓的地段（＜5°），基岩埋藏浅且起伏较大，其上覆土层厚度小于当地大气影响深度，地表水垂直入渗，在基岩顶板上部聚积，使基岩顶板附近的土层含水量增高，呈软塑或可塑状态，抗剪强度降低，形成“软弱层”。“软弱层”处于下卧坚硬基岩和上覆硬壳层之间，犹如“馅饼”中的软馅心。在上部土层反复膨胀、收缩应力和附加应力作用下，很容易被挤出，沿基岩顶板倾斜面滑动，因此在这些地区虽然地表平缓，而土体滑移现象明显，建筑破坏严重。

2 膨胀土滑坡稳定性计算方法

2.1 传递系数法

膨胀土滑坡的滑面形态基本为折线形，与一般滑坡的主要区别在于滑体的膨胀性，干湿交替的变化会导致滑体强度急剧变化，特有的膨胀力会明显降低滑体强度，降低滑坡稳定系数。根据云南近十年的地质灾害防治实践，膨胀土滑坡的稳定性计算采用考虑膨胀力的传递系数法较为适宜。基于传递系数法进行改进计算，引进水平膨胀力对下滑力的作用，不考虑水平膨胀力对抗滑力的作用，膨胀土影响深度考虑大气影响深度da（m），膨胀土滑坡体不考虑地下水作用，计入土体吸水膨胀后强度衰减的影响，计算滑坡时计入膨胀土的水平膨胀力。膨胀土滑坡滑动面多为折线型，由GB∕T38509-2020滑坡防治设计规范附录A可得到折线型滑动面安全系数如下式：

        （1）

     （2）

         （3）

（4）

（5）

式中：——滑坡安全系数；

——第i滑动条块抗滑力，单位为千牛（kN)，第n滑动条块抗滑力；

——第i-1滑动条块的传递系数；

——第i滑动条块下滑力，单位为千牛（kN)，第n滑动条块下滑力；

——第i滑动条块的重量，单位为千牛（kN）；

——第i滑动条块垂直向地震惯性力（V向上取“-”，向下取“+”），单位为千牛（kN）；

——第i滑动底面的空隙压力，单位为千牛（kN）；

——第i滑动条块底面与水平面的夹角（以水平线为起始线，逆时针为正角，顺时针为负角），单位为度（°）；

——第i滑动条块的外力Pi与水平线的夹角（以水平线为起始线，顺时针为正角，逆时针为负角），单位为度（°）；

、——第i滑动条块底面的有效凝聚力，单位为千帕（kPa）和内摩擦角，单位为度（°）；

——第i滑动条块沿滑面的长度，单位米（m）；

——第i-1条滑动条块作用于第i条滑动条块的推力，单位为千牛（kN），i=2,3，···，n；

——第i+1条滑动条块对第i条滑动条块侧面的反作用力，单位为千牛（kN），与第i滑动条块推力大小相等，方向相反；

按传递系数法，并考虑一定的安全度之后，第ｉ条块的推力如下式：

           （6）

（6）式中，、分别为第ｉ条块的抗滑力和下滑力；为第ｉ-１条块传递到第ｉ条块的滑坡推力；为第ｉ-１条块传递至第ｉ条块的传递系数。

因膨胀土斜坡在干燥状态时具有很大的膨胀潜势，降雨条件下膨胀力会随着含水率的增加而减小。所以，膨胀土滑坡稳定性计算时，要充分考虑膨胀力的影响，推力计算公式中应计入膨胀力Pe才能更符合膨胀土滑坡的实际情况。关于膨胀力的分布，不同的研究者提出过不同的分布形式，有的研究者认为是按倒三角形分布[17]，有的研究者认为是按矩形分布[18]。结合云南膨胀土的分布特征分析，膨胀土滑坡基本是浅层滑坡，裂缝发育深度不大，假定膨胀力沿深度呈矩形均匀分布（图1）较为合适。

图1  第i土条上膨胀力分布示意图

由此可将式（1）进行修改，改动后可得第ｉ条块下滑力如下式所示：

     （7）

（7）式中，为土条左侧的高度（超过大气影响深度按大气影响深度考虑；为土条底部长度；Pe为水平膨胀力，水平膨胀力按0.8倍的测试膨胀力值考虑。

将滑坡稳定系数计算公式（1）中下滑力计算公式（3）用考虑膨胀力作用的（7）代替，即得出改进后的考虑膨胀力作用的滑坡稳定系数计算公式。

2.2膨胀土滑坡计算参数的确定

(1)水平膨胀力的取值

水平膨胀力的大小可通过室内或现场试验获得，室内测试值是在土体完全侧限条件下实测的峰值膨胀力，前苏联学者索洛日建议取0.8倍测试的水平力进行计算。变形与水平膨胀力的衰减受多种因素的影响[19-20]，没有规律性，很难确定一个衰减系数。根据云南膨胀土成因及特性分析，膨胀土滑坡水平膨胀力按0.8倍的测试膨胀力值考虑，可不考虑衰减系数。

(2)滑床竖向膨胀力的取值

膨胀土的膨胀率跟所受的压力相关。若压力越大，则膨胀率越小；若压力达到50kPa,则膨胀率急剧降低。云南省膨胀土滑坡的滑床基本位于大气影响深度以下，胀缩变形小，上覆土压力基本超过50kPa,故可不考虑滑床竖向膨胀力。

(3)膨胀土湿度系数及大气影响深度

云南膨胀土的湿度系数及大气影响深度可按《云南省云南省膨胀土地区建筑技术规程》（DBJ53/T-83-2017）选用。

(4)滑带土抗剪强度参数的选取

膨胀土滑坡，在反复胀缩作用下土体抗剪强度低于峰值强度，且土工式样的抗剪强度未考虑裂隙的影响，实际上裂隙的存在极大的降低了膨胀土体的抗剪强度，膨胀土的胀缩特性与裂隙性及含水量密切相关，总体上裂隙性和含水量在上部膨胀土中随深度增加呈递减趋势，即膨胀作用向下减弱，土体的抗剪强度向下衰减也随之减弱。膨胀土体吸水膨胀产生水平膨胀力的同时，也会使膨胀土体密度和抗剪强度指标降低，强度指标的降低幅度与膨胀土特性、含水量初始值及含水量的增量有关。我国学者廖济川用天然含水量为28%的滑带土样进行先干缩后浸水的快剪试验，其C、φ值都减少了50%以上[21]；云南省设计院用天然含水量为32%-47%的蒙自膨胀土分别做天然状态和浸水状态的剪切实验，天然状态下，随着含水量的增加，C值自64kPa降为42kPa,降低了32%；φ值由17°降为9.5°，降低了44%；人工浸水状态下，C值由87kPa降为33kPa，降低了62%；φ值由20°降为4°，降低了80%。经总结研究分析，云南膨胀土滑坡区定量计算对粘聚力作0.5-0.8倍折减、内摩擦角作0.4-0.6倍折减使用较为适宜。

(5)降雨入渗深度取值

云南膨胀土滑坡基本都是浅层滑坡，旱季土体失水收缩开裂，裂缝逐渐张开、加深，雨季地表水沿裂缝下渗至底部形成饱水带软化土体形成滑动带，滑体厚度基本与裂缝发育深度相当，降雨入渗深度按整个滑体厚度计入较为适宜。

3 膨胀土滑坡稳定性分析实例

(1)昌宁县更戛乡大沙坝膨胀土不稳定斜坡稳定性分析

该不稳定斜坡总体地形坡度10°，基本呈直线形，略有起伏，前后缘高差36m。轴向水平投影平均长195m，平均宽94m，面积18338m2。采用考虑水平膨胀力作用的传递系数法进行稳定性计算，结果是：①峰值强度指标不加水平膨胀力稳定系数2.57；②峰值强度指标增加水平膨胀力稳定系数2.09；③饱和强度指标不加水平膨胀力稳定系数1.25；④饱和强度指标增加水平膨胀力稳定系数1.03。

（2）曲靖市麒麟区越州镇新田村委会膨胀土滑坡稳定性分析

滑坡平面形状呈不规则簸箕状，宽约210m，轴向长约220m，平面面积约46190m2。滑后缘相对高差约14-30m。滑体平均厚度约5.24m，总体积约为24.83×104m3，属中型浅层复合式土层滑坡。根据勘察结果，滑体由人工填土和残坡积层粘性土构成，填土天然重度17.5kN/m3，饱和重度18.0kN/m3；残坡积层粘性土天然重度17.6kN/m3，饱和重度17.92kN/m3，饱和C值11.2kpa，峰值C值14.0kpa，饱和φ值4.8°，峰值φ值8°，自由膨胀率68%，竖向膨胀力33.63kpa，按0.8倍取值是26.90kpa。采用考虑水平膨胀力作用的传递系数法进行稳定性计算，结果是：①峰值强度指标不加水平膨胀力稳定系数1.17；②峰值强度指标加水平膨胀力稳定系数1.13；③饱和强度指标不加水平膨胀力稳定系数0.78；④饱和强度指标加水平膨胀力稳定系数0.75。

从上述两个案例可以看出，考虑膨胀力的安全系数较未考虑的减小了5％-17％，滑坡稳定性明显降低。在考虑峰值加水平膨胀力的作用下，滑坡稳定系数下降大。降雨工况下考虑了水平膨胀力的作用，滑坡稳定系数下降大，这与自然界中膨胀土边坡经常雨后失稳的情况基本吻合。

4 结论

（1）云南膨胀土滑坡具有浅层性、牵引性、平缓性、季节性、方向性特点。

（2）膨胀土滑坡区裂缝力学性质呈张性，裂缝数量多且密集，单条裂缝规模和位移量较小、形态不规则，一般水平位移量大于垂直位移量。膨胀土滑坡引起的房屋变形表现为下降型变形和上升型变形两种形式。

（3）引发膨胀土滑坡的外在因素主要包括地形地貌、气候、人类工程活动等，内在因素主要包括膨胀土的成因、物质组成、特殊性质等。滑坡的力学机理就是斜坡连续破坏滑动面的形成和土抗剪强度衰减的过程，滑动体在反复稳滑之中产生滑动面。膨胀土在干湿交替环境中反复胀缩，在重力作用下缓慢向地势低的地方滑移形成滑坡。

（4）膨胀土滑坡的安全系数随着降雨强度和降雨历时的增加而减小。水平膨胀力是考虑膨胀土斜坡降雨破坏问题时不可忽略的因素。在稳定性计算时要充分考虑水平膨胀力及降雨入渗引发土体强度衰减，C、φ降低的情况。

（5）水平膨胀力按0.8倍的测试膨胀力取值，粘聚力作0.5-0.8倍折减、内摩擦角作0.4-0.6倍折减，不考虑滑床竖向膨胀力，降雨入渗深度按整个滑体厚度计入。这样较为适宜，也较符合实际。

参考文献:

[1]陈宇龙.云南膨胀土的微观结构特征[J].岩土工程学报,2013,35(S1):334-339.

[2]杨和平,郑健龙.云南楚大公路膨胀土的土性试验研究[J].中国公路学报,2002(01):13-17.DOI:10.19721/j.cnki.1001-7372.2002.01.003.

[3]余成光.昆明膨胀土与建筑物变形破坏初步研究[J].中国地质灾害与防治学报,1994(S1):196-200.

[4]曹可之.膨胀土地基建筑物的变形特征[J].岩土工程学报,1985(03):78-83.

[5]李宝平,高诗明,王雷等.降水对膨胀土滑坡稳定性影响的有限元分析[J].甘肃科学学报,2014,26(04):138-141.DOI:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2014.04.011.

[6]张良以,陈铁林,张顶立.非饱和膨胀土模型的参数确定及应用[J].北京交通大学学报,2020,44(04):42-48.

[7]杨文琦,周成,王林等.裂隙膨胀土边坡模型降雨变形破坏过程数值分析[J].水利与建筑工程学报,2018,16(06):117-122.

[8]白玉祥,韦秉旭,郑威等.考虑裂隙和膨胀力的膨胀土边坡稳定性分析[J].交通科技与经济,2020,22(05):49-56.DOI:10.19348/j.cnki.issn1008-5696.2020.05.011.

[9]廖世文,膨胀土与铁路工程,[M],铁道出版社,北京,1984.11.

[10]程展林,龚壁卫.膨胀土边坡[M].科学出版社,北京,2015.

[11]郑健龙,杨和平.膨胀土处治技术、理论与实践[M].北京:人民交通出版社,2004,12.

[12]白杨.膨胀土滑坡形成机理及治理措施研究[D].兰州交通大学,2017.

[13]梁之凡.云南保山地区某膨胀土滑坡成因机制与防治措施研究[D].中国地质大学(北京),2016.

[14]杨和平,郑健龙.云南楚大公路膨胀土的土性试验研究[J].中国公路学报,2002(01):13-17.DOI:10.19721/j.cnki.1001-7372.2002.01.003.

[15]徐鹏.膨胀土滑坡形成机理及其稳定性评价[D].吉林大学,2019.

[16]蔡耀军,阳云华，胡瑞华等.膨胀土开挖边坡稳定性预测研究[M].武汉,长江出版社，2015.

[17]杜兆萌,肖世国.加固膨胀土边坡的单排抗滑桩受力性能分析[J].铁道建筑,2020,60(02):95-100.

[18]司光武,蒋良潍,罗强等.膨胀土边坡稳定性影响因素的作用效应分析[J].地下空间与工程学报,2016,12(S1):386-392+419.

[19]刘伟,尹琼,方娜等.云南文山膨胀土强度参数变化规律初探[J].昆明冶金高等专科学校学报,2019,35(01):6-10+25.

[20]赵思奕,石振明,鲍燕妮等.考虑吸湿膨胀及软化的膨胀土边坡稳定性分析[J].工程地质学报,2021,29(03):777-785.DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2020-173.

[21]陶太江,廖济川.膨胀土地区开挖渠道滑坡的规律与特征[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),1996(03):35-40+55.