肯尼亚蒙巴萨地区膨胀土特性试验与边坡防护研究

何艳平

(上海海洋地质勘察设计有限公司 上海 200120)

1 引言

膨胀土是一种富含亲水性矿物蒙脱石、伊利石的高塑性黏土。由于其具有多裂隙性、强胀缩性、超固结性和强度衰减等特性，常给工程建设带来隐患[1-3]。近年来，随着“一带一路”战略的提出，我国在肯尼亚地区的交通基础设施建设也逐渐增多[4-7]。由于肯尼亚国内分布着大面积的膨胀土区域，未来的新建铁路、公路工程将面临着膨胀土问题的挑战[8]。

安爱军[9]等通过核磁共振技术和扫描电子显微镜技术，研究了肯尼亚地区膨胀土微观结构特征；骆云建[10]、张雪东[11]则分别通过室内膨胀特性试验，研究了该地区膨胀土的膨胀潜势特征和膨胀变形特性；唐皓[12]则重点对该地区膨胀土的化学处治措施进行了研究，并通过试验验证了化学处治技术的有效性。尽管部分学者对该地区膨胀土的特性进行了一些研究，但仍显不足，无法有效指导设计和施工。

为此，本文以肯尼亚蒙巴萨地区的膨胀土为研究对象，通过室内土工试验，研究了膨胀土的膨胀变形特性和抗剪强度特性，并提出相应的边坡防护建议，为该地区膨胀土边坡防护工程的设计和施工提供参考和借鉴。

2 区域自然条件

2.1 区域气候环境

蒙巴萨地区位于肯尼亚东部，印度洋西岸。该地区的气候以热带草原气候为主，每年3～6月和10～12月为该地区的雨季，其它月份为旱季，年平均温度在28℃ ～32℃，年平均降雨量在1 050 mm左右。近年来，该地区气温及降雨情况如图1所示。

图1 蒙巴萨地区气温和降雨情况

2.2 膨胀土特性

蒙巴萨地区为近海丘陵地貌，地形起伏较大。该地区的膨胀土主要为风化性泥岩，颜色多为褐黄色、灰褐色，泥状结构，层状构造，土体表面裂隙较为发育，其裂隙发育特征见图2。此外，室内自由膨胀率试验表明，该地区的膨胀土具有中等膨胀性。

图2 蒙巴萨地区膨胀土表面风化情况

3 膨胀土的主要工程性质试验及研究

3.1 膨胀土膨胀特性

室内进行了重塑膨胀土在无荷载条件下的膨胀率试验，试样均采用静压成型法制备。在无荷膨胀率试验中，试样的初始干密度分别取为1.60 g/cm3、1.65 g/cm3、1.70 g/cm3和 1.75 g/cm3；同一初始干密度条件下，试样的初始含水率分别取17%、19%、21%和23%。

(1)初始干密度对膨胀率的影响

图3为不同初始干密度条件下，膨胀率的试验结果。由图3可知，在含水率相同的条件下，土体的膨胀率随其自身干密度的增加而增大。这是因为当初始含水率相同时，土体本身的干密度越大，土体的吸水能力越强，膨胀稳定时的变形量也越大，膨胀率也相应越大。

图3 膨胀率随初始干密度变化关系曲线

采用线性函数(式1)对相同含水率条件下，膨胀率与干密度的关系进行拟合，拟合结果见表1。

式中，y1为膨胀土的膨胀率(%)；x1为干密度(g/cm3)；A、B为拟合参数。

由表1可知，相关系数R2多在0.90以上，拟合效果较好。由此可知，当干密度在1.60 g/cm3～1.75 g/cm3时，膨胀土的膨胀率与干密度呈线性增长关系。

表1 试样膨胀率与初始干密度拟合结果

(2)初始含水率对膨胀率的影响

图4为不同初始含水率条件下，膨胀土的膨胀率测试结果。由图4可知，在干密度相同的条件下，当膨胀土的含水率在17% ～21%范围内时，膨胀率随自身含水率的增加而降低；当含水率为23%时，膨胀土的膨胀率则与含水率为21%时的膨胀率差别不大，但仍有小幅度降低。这是因为当膨胀土的含水率在17%～21%时，土体的初始含水率越大，试验前土体因吸水而消耗的膨胀潜势越大，浸水膨胀后，表现出的膨胀变形量相应越小，膨胀率也越小。由于土体的干密度相同，本身所具有的膨胀潜势也相同，当初始含水率大于21%时，土体在试验前因吸水而消耗的膨胀潜势较大，剩余的膨胀潜势已不能使得土体表现出明显的变形差异，进而导致其膨胀率下降的幅度较小。

图4 膨胀率随初始含水率变化关系曲线

采用线性函数(式2)对相同干密度，且含水率为17%～21%条件下，膨胀率与含水率的关系进行拟合，拟合结果见图5及表2。

式中，y2为膨胀土的膨胀率(%)；x2为含水率(%)；C、D为拟合参数。

图5 膨胀率随初始含水率拟合曲线(初始含水率范围17%～21%)

由表2可知，相关系数R2均在0.85以上，拟合效果较好。由此可知，当含水率在17% ～21%时，膨胀土的膨胀率与含水率呈线性降低关系；当含水率在17%～23%时，膨胀土的膨胀率与含水率呈分段线性降低关系。

表2 初始含水率范围为17%～21%的膨胀率与初始含水率拟合结果

3.2 膨胀土抗剪强度特性

室内进行重塑膨胀土在不同条件下的抗剪强度试验，试样均采用静压成型法制备。为探究不同干密度对土体抗剪强度指标的影响，试样的初始干密度分别取为 1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.70 g/cm3、1.80 g/cm3，初始含水率均取为15%；为探究不同含水率对土体抗剪强度指标的影响，试样的初始含水率分别取为10%、15%、20%、25%，初始干密度均取为1.60 g/cm3；为探究干湿循环效应对土体抗剪强度指标的影响，控制试样的初始含水率为21%，初始干密度为1.70 g/cm3，并分别进行0次、1次、2次、4次、6次和8次干湿循环后的剪切试验，其干湿循环路径见图6。

图6 干湿循环路径

(1)初始干密度对抗剪强度指标的影响

图7为初始含水率为15%时，不同初始干密度条件下土体抗剪强度指标的测试结果。由图7可知，相同含水率条件下，膨胀土的黏聚力随其自身干密度的增加而增大，内摩擦角则无明显变化。这是因为土体的干密度越大，土体颗粒间的水膜越薄，分子间作用力也越强，土体的黏聚力也相应越大；而土颗粒间分子作用力对土体的内摩擦角影响较小，因此土体的内摩擦角未随土体干密度的增大而表现出明显的规律性。

图7 膨胀土抗剪强度指标与初始干密度关系曲线

采用指数函数(式3)对相同含水率、不同干密度条件下膨胀土的黏聚力与干密度关系进行拟合，拟合结果见表3。

式中，y3为土体黏聚力(kPa)；x3为土体干密度(g/cm3)；E、F为拟合参数。

由表3可知，相关系数R2在0.95左右，拟合效果较好。由此可见，当干密度在1.50 g/cm3～1.80 g/cm3时，土体的黏聚力随其自身干密度的增加而呈指数关系增大。

表3 不同干密度条件下的拟合结果

(2)初始含水率对抗剪强度指标的影响

图8为初始干密度为1.60 g/cm3时，不同初始含水率条件下土体抗剪强度指标的测试结果。由图8可知，相同干密度条件下，土体的黏聚力和内摩擦角均随其自身含水率的增加而降低。这是因为土体较大的含水率使得土体颗粒间的水膜相应增厚，润滑作用增强，分子间的作用力减小，导致土体黏聚力和内摩擦角相应降低。

采用直线函数(式4和式5)分别对相同干密度、不同含水率条件下膨胀土的黏聚力、内摩擦角与含水率的关系进行拟合，拟合结果见表4。

式中，y4和y5分别为黏聚力(kPa)和内摩擦角(°)；x4为含水率(%)；G、H、I、J均为拟合参数。

由表4可知，相关系数R2均在0.90以上，拟合效果较好。由此可见，当含水率在10% ～25%时，土体的黏聚力和内摩擦角均随其自身含水率的增加而呈线性关系降低。

表4 不同含水率条件下的拟合结果

(3)干湿循环效应对抗剪强度指标的影响

图9为土体的抗剪强度指标与干湿循环次数的关系曲线。由图9可知，随着干湿循环次数的增加，土体黏聚力先大幅降低后趋于稳定；而干湿循环效应对土体的内摩擦角无显著影响。上述现象与干湿循环过程中土体裂隙的出现和发展密切相关。由于膨胀土本身的透水性较差，在脱水干燥过程中，失水极不均匀，使得其体积收缩也极不均匀；土体不均匀的收缩变形使得土体表面出现应力集中现象，当土体表面的应力超过土体的抗拉强度时，表面裂隙出现并持续发展；当土体再次吸水后，已出现的裂隙会因土体的吸水膨胀而愈合，但会随着土体的失水收缩而再次开裂。裂隙的出现和发展对土体的结构造成破坏，最终影响其强度，造成其黏聚力的大幅衰减。随着土体干湿过程的反复进行，土体的裂隙逐渐达到稳定状态，黏聚力也逐渐趋于稳定，并维持在一定水平。

图9 膨胀土抗剪强度指标与干湿循环次数关系曲线

4 针对该地区膨胀土边坡防护工程的建议

通过以上分析可知，蒙巴萨地区膨胀土本身的含水率及干密度对其吸水后的膨胀性和抗剪强度指标影响显著，且干湿循环效应会使得其黏聚力出现大幅度的下降，导致其抗剪强度降低。蒙巴萨地区为热带草原气候，雨季和旱季分明，雨季雨水的入渗和旱季水分的蒸发不仅使得土体内部土水状态发生变化，导致土体体积发生胀缩变形，造成防护结构的开裂、破坏；同时降雨和蒸发作用还类似于室内干湿循环效应，反复降雨和蒸发作用使得土体裂隙发展，抗剪强度降低，极大地增加了边坡失稳的风险。因此，对于边坡工程而言，通过防护措施防止雨水的入渗，保持边坡内部土水状态的稳定就显得尤为重要。为此，结合该地区的膨胀土边坡防护工程案例与膨胀土的特性，提出以下4点建议:

(1)当边坡高度≤3 m时，边坡宜设置合理的坡率并植草防护，且选择的植被应能适应当地雨季湿热多雨、旱季炎热干燥的气候特征。

(2)当边坡高度为3～10 m时，边坡宜设置合理的坡率并采用片石骨架、混凝土骨架以及锚杆框架格梁与植草防护相结合的防护方式，且坡脚处应设置高度不小于2 m的浆砌片石挡墙。

(3)当边坡的高度＞10 m时，边坡应进行多级放坡(坡高不宜大于6 m)，并采用桩板墙或钢筋混凝土挡墙与锚杆框架格梁的组合防护方式。挡墙的高度不宜小于5 m。此外，边坡坡面宜采用混凝土进行隔水处理。

(4)边坡防护工程的设计过程，要充分考虑地下水、地表水对边坡土体以及防护结构稳定性的影响。同时要加强边坡排水系统的设置，尽量使其能够与路基排水系统构成一体，从而保证边坡排水的顺畅。此外，还应避免在雨季进行边坡防护工程的施工。

5 结论

(1)膨胀土本身的干密度和含水率对膨胀变形特征影响显著。当干密度在1.60 g/cm3～1.75 g/cm3时，土体的膨胀率与干密度呈线性增大关系；当含水率在17% ～23%时，土体的膨胀率与含水率呈分段线性减小关系。

(2)膨胀土本身的干密度、含水率对其抗剪强度指标影响显著。当干密度在1.50 g/cm3～1.80 g/cm3时，土体的黏聚力与干密度呈指数增大关系；当含水率在10% ～25%时，土体的黏聚力和内摩擦角均与含水率呈线性减小关系。

(3)干湿循环效应加剧了膨胀土裂隙的出现和发展，进而导致其抗剪强度降低。其中黏聚力随干湿循环次数的增加先大幅降低后趋于稳定，而内摩擦角无显著变化。

(4)针对蒙巴萨地区的边坡防护工程，有必要通过防护措施防止雨水入渗，进而保持边坡内部土水状态的稳定。