膨胀土边坡滑坡的坡向效应及机制浅析

刘大雷

（安徽省引江济淮集团有限公司，安徽 合肥 230000）

在公路、水利和矿山工程的边坡建设中，膨胀性土石混合体是一个影响工程稳定与安全的突出地质隐患[1]。作为一种特殊的岩土体，膨胀土最大的物理力学特点是遇水容易发生理化反应，吸水时体积扩张，失水后体积收缩，遇水后同时具有易软化、崩解和泥化的特性[2,3]。其膨胀性对于湿热环境的变化非常敏感，常因为赋存状态的改变而出现明显的胀缩变形，致使弱膨胀性土石混合体地区的岩土工程发生边坡滑塌、地基沉降变形过大和地下洞室开裂等重大危害[4]。

近年来，随着近年来我国高速公路工程相继开工建设，边坡出现滑动的现象日益突出，造成的危害也不断扩大，出现了多起公路边坡岩土体发生滑塌的现象[5,6]。于此同时，通过大量滑坡现象的分析，发现支护条件保持一致的前提下，边坡阳面（阳坡）的稳定性通常都比边坡阴面（阴坡）更小，滑坡时阳面的岩土体往往先产生滑动。

对于膨胀性岩土体边坡的稳定性问题研究，前人的研究主要围绕边坡的稳定性分析，边坡产生变形的变化规律和边坡防护措施三个方面展开。例如孔令伟等[7]通过在膨胀土边坡上建立监测系统，获取了边坡随着气温变化、含水率以及时间的变化规律，得到降水是膨胀土边坡失稳的最主要原因；李三川等[8]认为土石混合体边坡的失稳破坏主要是由于水对岩土体的软化作用；夏炎等[9]对抗滑桩是否可以有效提高膨胀土边坡的稳定性安全系数展开了研究,得到抗滑桩的位置与边坡的安全系数大小有密切关系。殷宗泽等[10]通过研究发现膨胀土的滑坡具有一定方向性。然而对于边坡朝向作用于膨胀性岩土体边坡稳定性的影响机制和规律鲜有报道[11]。

综上所述，环境因素是影响膨胀土边坡稳定性的最主要因素而环境的气候条件在一定程度上受到坡向的影响。本文基于公路边坡滑坡体的地质特点，系统地阐述了边坡坡向对于膨胀性土体边坡的稳定性影响，以期加深工程中气候环境对于膨胀性岩土边坡的灾害机理的认知，了解弱膨胀性土石混合体边坡滑坡的内在机制，从而为获取边坡防护的有效方法提供参考。

1 滑坡时阴阳坡的显现特征

1.1 阴阳坡的介绍

我国的劳动人民经过长期生产实践过程，很久以前就已经注意到阴阳坡的差异问题。一般认为“山之南为阳；山之北为阴”，即坡面以南为阳坡，坡面以北为阴坡[12]。而有学者[13，14]认为阴坡和阳坡不仅是指边坡的南北面，只要因为坡向差异造成坡体两面具有明显温差异，都可以看成阴阳坡，其中，阳坡是温度较高的一侧，阴坡是温度较低的一侧，可以用太阳辐射量来区分阴阳坡。我国由于位于北半球，依靠边坡自身的遮蔽作用，太阳辐射量以此排序为南坡最大，西南和东南坡次之，东坡、西坡、西北坡和东北坡依次减小，北坡的辐射量最小，因此在地质上一般称南坡、西南坡和东南坡为阳坡，称北坡、西北和东北坡为阴坡。

1.2 滑坡体阴阳面的差异

在常人看来仅仅一坡之隔的两个坡面由于地质条件相似，其岩土体性质的差异应该不会过大。然而从大量滑坡事件的分析总结中来看，坡向对于边坡滑塌影响较大。图1和图2所示的是一处边坡在同一时期产生滑坡的阴面和阳面。从图中不难看出边坡体在突降暴雨之后边坡阳面发生滑动， 滑坡段的长度为 127m。从二者的实拍图来看阳面的岩土体边坡滑塌的严重程度比阴面大得多，在阳坡已经出现明显滑动面，坡面岩土体已经明显崩塌的同时，阴面仍然保持比较完整的边坡结构。另外由于我国的建筑通常建在采光和通风条件相对较好的阳面边坡上，尽量避开选址在阴坡，相关配套设施也主要在阳坡上建设。因此无论从地质条件还是实际工程的角度，边坡阳面的安全隐患比阴面更大。由此可见，边坡坡向效应对于其稳定性和安全施工建设具有显著的影响，深入了解边坡坡向效应的规律和内在机制有重要的实际意义。

图1 边坡发生滑塌的阳面

图2 边坡发生滑塌的阴面

2 滑坡坡向效应的机制浅析

2.1 膨胀土滑坡的内在机制

通过地质调查知道该地区的岩土体具有强烈的遇水敏感性，在干燥条件下岩土体的强度较高，经过水的入渗后发生物理化学变化导致体积膨胀，并且强度大幅降低。从图3的扫描电镜（SEM）的图像可以看出该地区的弱膨胀性岩土混合体试样内部具有大量的裂隙，且有明显的层理方向性。在边坡开挖过程中，边坡内部的裂隙形成降雨入渗的通道，使得弱膨胀性岩土混合体的抗剪强度指标大大降低，边坡坡体的抗滑力迅速下降。因此，该地区的滑坡事故通常发生在暴雨后，大量的降水是膨胀性岩土边坡产生滑动的直接诱因。而岩土体在历史过程中的环境影响效应和开挖、卸荷带来的影响使弱膨胀性岩土混合体的基本性状逐渐产生变异，形成大量内部裂隙和潜在裂隙，这是该地区发生山体滑坡的最主要内在原因。

图3 膨胀土 的SEM图像

2.2 膨胀土体滑坡坡面效应的机制浅析

从图5和图6所示的滑坡体阳面和阴面揭露出来的膨胀性土体的实拍图可以看出：阳坡滑坡体揭露出的岩土体的膨胀土体呈红褐色，表面的裂隙非常发育，结构很疏松，易破碎；而阴面的岩土体呈黄褐色，节理为层状构造，质地较为坚硬，岩土结构的完整性较高。由此可见，由于坡面朝向的不同，该地区的膨胀性岩土体的物理和化学性质出现了较大的分异，这种分异对于岩土体边坡保持整体稳定性有显著的影响。

以上述参考图中边坡的地质勘查报告显示滑坡带的边坡走向为 NE19°，其左边的倾向指向东南面，为阳坡；右坡的倾向指向西北面，为阴坡。边坡内部充填大量膨胀性岩土体，土体中的裂隙十分发育。从图7可以看出，边坡裂隙的倾向玫瑰图显示裂隙在东南方向为优势倾向，即裂隙在阳坡内的分布明显多于阴面。

从上面我们可以知道我国山区阴坡和阳坡的气候条件往往会存在比较明显的差别。因此，由气候条件形成的不同辐射强度、降雨量、温湿度及植被等因素会对边坡稳定性产生直接影响，并以滑坡的方式反作用于边坡的地质地貌形态。通常，边坡阳面的光照持续时间长，辐射强度大，降水量大，温湿度变化也较大，而边坡阴面则相反，并且其岩土体的含水量高，土壤较为肥沃，植被也比较茂密。 由于光照、温度和降雨量的差异性导致吉林省延边地区的阳坡土石混合体内所积聚热能比阴坡多，造成冻土和积雪更易融化，岩土体吸湿脱湿更加频繁，因此阳坡更易产生夜冻昼融和干湿循环的现象。较之阴坡，阳坡的岩土体内部形成了大量原生裂隙，对边坡的稳定和安全造成隐患。

基于以上对膨胀性土体滑坡的坡向效应分析，本文得出降水是边坡产生滑动的直接诱因，裂隙是该滑坡的内在原因，而阳坡的裂隙数量明显多于阴面，这是边坡的坡面效应的根本原因。故在边坡开挖，特别是边坡阳面开挖后应当及时建造地表和地下的排水设施，防止大量地表水入渗，并加快坡体内部的排水速度；同时，为了防止边坡的坡体出现大量干缩裂隙，也要保证岩土体内含水率不能过低。对于我国季节性冻土区的膨胀性岩土体边坡，在采取防排水和保湿措施的同时，也要注意对边坡进行保温，避免坡体产生剧烈的温度变化。因此，在该地区边坡开挖的过程中，应当注意加强对施工现场的气象监测和及时采取应对气象变化影响的措施。

图4 滑坡体阳面揭露的膨胀性岩土体

图5 阴面面揭露的膨胀性岩土体

图6 边坡裂隙的风向玫瑰图

3 总结

本文通过对工程现场的调查和相关资料的整理，探讨了膨胀性岩土体滑坡坡向效应的特点，分析了膨胀性岩土边坡的滑塌机制，主要认识如下：

（1）在公路、水利和矿山等工程的边坡建设中，膨胀土体是一个影响工程稳定与安全的突出地质安全隐患，边坡的朝向对于膨胀土边坡的稳定性有重要影响。

（2）膨胀土边坡的滑坡事故通常发生在暴雨后，大量的降水是产生滑动的直接诱因。而环境和开挖、卸荷的影响使膨胀土内部形成大量原生和次生裂隙，是该地区发生山体滑坡的最主要内在原因。

（3）我国山区的膨胀性岩土体边坡受到坡向影响，边坡阳面稳定性比阴面小，事故发生时通常是阳面先出现滑塌。因此，对膨胀土边坡，特别是边坡阳面应当进行合理的防护，在季节性冻土地区，采取防排水和保湿措施的同时，也要注意对边坡进行保温。