膨胀土裂隙对强度指标影响的思考

发表时间:2019/5/8   来源:《防护工程》2019年第2期   作者:路洪斌 刘加冬
[导读] 分析膨胀土边坡稳定时,要充分考虑影响膨胀土强度的因素,合理选取强度指标,确保分析结果的有效性。

皖江工学院  安徽马鞍山  243000
  摘要:膨胀土是一种特殊性粘土,有较强的胀缩性,由于它的这种特性,导致膨胀土在自然界的干湿循环条件下极易产生裂隙。裂隙的存在,破环了膨胀土的完整性,使得膨胀土渗透性增大,强度变小。本文通过膨胀土的工程特性探讨裂隙对膨胀土强度指标影响,对解决膨胀土地区工程地质问题有一定的指导意义。
  关键词:膨胀土;裂隙;强度;影响
  
  
  一、膨胀土的工程地质特性
  膨胀土属于特殊土,在我国分布较为广泛。膨胀土中含有大量的粘土矿物,主要由强亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石组成,其中蒙脱石的存在使得土体亲水性强、液限和自由膨胀率高,从而导致膨胀土极易开裂,裂隙的大小与膨胀土的等级息息相关。判断一种土是否为膨胀土可依据土体的液限和自由膨胀率,当土的液限和自由膨胀率均大于40%时,则视为膨胀土。膨胀土的破坏特性是复杂的,具有潜在性、反复性、季节性和长期性,全世界由于膨胀土造成的损失平均每年高达50亿美元以上,己超过洪水、飓风和地震等所造成的损失的。国际土力学及基础工程大会、国际土力学及岩土工程学术大会以及国际工程地质大会都会针对膨胀土的裂隙、强度、稳定性进行探讨。从20世纪五十年代我国也开始注重膨胀土给工程带来的一系列问题。但是当时对膨胀土的工程特性、膨胀土裂隙量化分析、强度指标研究不够深入,成果较少。
  1、膨胀土的胀缩性。当天气比较干燥时,在大气营力作用范围内的膨胀土土体因失水产生负的张力,土体收缩,收缩与膨胀土的膨胀等级、失水速度、土体密度、失水程度等有关。表层土因暴露于外界环境直接受大气营力作用,一般呈散体结构,下部受大气营力影响存在收缩缝隙。土体收缩后竖直方向高度降低,水平方向土体拉裂,或呈碎裂状或形成长大裂缝,裂缝上宽下窄,直至尖灭。若作为基础,易产生不均匀沉降,造成工程的结构性破坏或上覆建筑物拉裂。土的自由膨胀率越大、起始含水率越高、失水量越大,收缩量越大;失水趋势延续时间越长,影响越深、作用范围越广;环境变化越大、越剧烈,影响越大。当雨水特别充足时,膨胀土因吸水而产生膨胀,土体软化,膨胀土边坡极易产生滑坡,膨胀土地基易鼓起。因此膨胀土地区施工期尽量避开雨季,施工面做好排水措施;工程中深开挖大断面暴露应快挖快填或边挖边填,不能回填要快速覆盖;库岸、渠道排空需加强巡视观测,尽量避免长时间排空,以免收缩引起工程结构的破坏。
  2、膨胀土的超固结性及各向异性。除新近沉积地层外,地表以下大气营力作用范围内膨胀土体历经多次胀缩,每次胀缩对土体都将产生作用力,其大小在一定深度范围内大于上覆重力,这是导致膨胀土超固结性的重要原因之一,所以大部分膨胀土为超固结土,一般呈低压缩性。膨胀土收缩后裂缝在竖直方向上张开,地表杂物充填裂隙,吸水潮湿后土体膨胀、裂隙闭合,充填杂物起到楔的作用,水平方向的应力快速增加。多次胀缩循环下,造成膨胀土水平方向和竖向应力不同,成分不同,结构不同,使得膨胀土呈现出各向异性的特征。
  3、膨胀土的崩解性。


膨胀土具有崩解性,大量的研究证明,膨胀土的崩解速度与膨胀性、干湿程度、裂隙有关。一般来讲,干燥的膨胀土如果膨胀性越强,一旦水浸入,土体吸水软化迅速崩解,崩解速度较快;潮湿的膨胀土,吸水性差,崩解较慢,但崩解作用一直持续。土体崩解后强度变低,极易产生滑动,因此,要避免膨胀土的崩解,尤其是膨胀土河堤,应采用“好土”对工程的临水面进行处理,阻止流水大量渗入。
  4、膨胀土的强度特性。膨胀土的土块强度>土体强度>裂隙面强度。膨胀土是由许多裂隙面切割的土块组成,膨胀土的土块强度高,但是膨胀土强度不仅决定于土块强度,更受裂隙面强度控制,胡波,龚壁卫等人通过直剪和三轴试验对南阳膨胀土和其裂隙面强度进行了研究,结果表明,膨胀土裂隙面的峰值强度不仅远远小于两侧土块的峰值强度,而且也小于两侧土块的残余强度。此外,膨胀土的强度还受降雨及作用时间的长短影响。所以单纯研究土块强度意义不大,必须深入研究裂隙大小、多少、开展深度对膨胀土强度的影响,才有益于选取合理的强度指标。
  二、膨胀土裂隙对强度指标影响的思考
  裂隙的存在意味着土体被拉开,土体之间没有力的联系,从而显著影响着膨胀土的强度。据观察可知,大多数土体的裂隙都是从地面向下逐步发展,膨胀土也不例外;裂隙愈深,裂隙的宽度愈小,达到一定深度后裂隙逐渐消失,土体之间的力也越强。
  1、裂隙发育对强度的影响
  在0~2m范围内,由于水分蒸发,膨胀土含水量少,土块强度较高,但是土体强度却非常低。一方面,上层膨胀土在气候条件变化下产生竖向裂隙,裂隙较宽,土块小,土块之间的联结力弱;另一方面,浅层的膨胀土由于反复收缩膨胀还存在横向裂隙,导致上其抗剪强度低。特别是降雨后,土体还能快速吸水软化,强度衰减快。这也就是较为平缓的膨胀土边坡常会产生滑坡的根本原因。
  在2~4m范围内,由于上层膨胀土的覆盖作用,水分蒸发较少,竖向裂隙张开度都不大,当雨水在此处汇集,土的强度也会衰减,但衰减比较缓慢。此外,此处土承受上层土的重量横向裂隙较少。受外界影响,抗剪强度指标有变化,但没有浅层明显。
  在4~6m范围内,膨胀土水分基本未蒸发,几乎没有裂隙存在,当降雨来临时,受雨水影响不大,土的强度变化不大。因此下层的膨胀土中,无较大裂隙和层理等特殊情况,很少产生滑坡。
  由此可见,裂隙发育程度对于土体的抗剪强度指标,有着很大的影响。
  2、膨胀土裂隙对边坡稳定分析的影响。
  膨胀土裂隙的宽窄、深浅等,显著影响到膨胀土的抗剪强度指标,也就显著影响到膨胀土边坡稳定安全系数的计算。在均质的一般粘性土边坡稳定计算中,裂隙浅而小,水不易进入土体,强度变化不大,通常认为滑动面上的抗剪强度指标是一个定值。而对裂隙膨胀土边坡的稳定性分析时,由于裂隙又深又大,水极易进入土体,土体软化,应考虑其抗剪强度指标是随深度而变化的。这是裂隙膨胀土与一般粘性土作边坡稳定性分析时的一个很大差异。
  在边坡稳定性分析时,强度的取值直接决定着分析结果。由前可知,不同深度应取不同的强度指标,这就给膨胀土边坡的分析增加了困难。在实际工程中,对膨胀土边坡进行稳定计算时,有些人分层考虑了土的强度,对表层土采用了饱和土的峰值强度,计算结表明边坡稳定,但许多边坡还是发生了滑动,这不得不使研究人员重新思考其原因。研究不同含水量的膨胀土的强度,雨水的入渗时土的强度的变化。可见,不同深度强度的取值是值得我们探索与研究的永恒课。
  结束语
  膨胀土强度的高低关键取决于裂隙的发育程度,裂隙张开度越大,土体侧向拉应力越弱,雨水容易渗入,土体软化崩解,强度极易降低;裂隙张开度越小,雨水渗入难,土体不易软化崩解,强度较高。因此,要加强对膨胀土裂隙的研究,提出合理的处理措施,阻止雨水渗入膨胀土中,防止膨胀土软化,强度降低。此外,分析膨胀土边坡稳定时,要充分考虑影响膨胀土强度的因素,合理选取强度指标,确保分析结果的有效性。
  参考文献:
  [1]赵杰平.膨胀土边坡的失稳机理及其加固[J].水利学报,2019(14):186.
  [2]刘华彬.反映裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析[J].岩土工程学报,2018(23):254-256.
  [3]徐凯.膨胀土强度影响因素与规律的试验研究[J].岩土力学,2018(21):134-136.

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