王磊膨 脹土渠坡加固措施分析

南水北調(diào)工程膨脹土和高填方技術(shù)成果交流會南水北調(diào)中線總干渠陶岔至魯山段膨脹土（巖）渠坡加固措施分析王磊長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院2012.03匯報內(nèi)容工程概況15工程特性2滑坡機理分析3加固措施4質(zhì)量控制51工程概況南水北調(diào)中線總干渠陶岔渠首～沙河南段渠道軸線長215.811km。其中膨脹土巖共有197段，累計長181.906km，其中分布有強膨脹土巖的渠段共19段，長13.593km，分布有中膨脹土巖的渠段共86段，累計長93.769km，分布有弱膨脹土巖的渠段共92段，累計長74.544km。1工程概況項目渠道長度（km）統(tǒng)計范圍膨脹特性挖深小于10m挖深10—15m挖深大于15m合計陶岔至魯山段弱膨脹土47.6448.4524.46860.564中膨脹土52.4521.44219.38593.277強膨脹土6.0534.2261.07611.3552膨脹土（巖）的工程特性弱膨脹土強度統(tǒng)計項天然快剪飽和快剪凝聚力內(nèi)摩擦角凝聚力內(nèi)摩擦角

CqφqCqφq

kPa°°kPa

最小值32142116.7最大值6628.45428.8統(tǒng)計組數(shù)991010平均值49.420.737.822.4方差11.525.5310.983.91土體強度2膨脹土（巖）的工程特性含水量對強度的影響土體強度2膨脹土（巖）的工程特性統(tǒng)計項天然快剪飽和快剪凝聚力內(nèi)摩擦角凝聚力內(nèi)摩擦角

CqφqCqφq

kPa°°kPa

最小值18.914217.8最大值8229.47927.4統(tǒng)計組數(shù)13131111平均值48.821.24316.8方差18.75.420.86.2中膨脹土強度2膨脹土（巖）的工程特性土體強度指標(biāo)大氣影響帶：該帶微裂隙發(fā)育，根據(jù)現(xiàn)場大剪及室內(nèi)殘余剪強度提出。

過渡帶：強、中、弱膨脹土力學(xué)指標(biāo)按下式進行折減，c=c平均值×

，

=

平均值×

。建議采用飽和固結(jié)抗剪強度進行穩(wěn)定性計算。

取0.4~0.6（強膨脹土

取0.4、中等膨脹土

取0.5、弱膨脹土

取0.6），

取0.9~0.95。非影響帶：中、強膨脹土（巖）中有結(jié)構(gòu)面及較大裂隙發(fā)育，且渠道開挖后可能產(chǎn)生新的卸荷裂隙。c=c平均值×

，

=

平均值×

。

取0.5~0.8（強膨脹土

取0.5、中膨脹土

取0.6、弱膨脹土

取0.7~0.8），

取0.9~0.95。對于邊坡不高的渠段、且自由膨脹率在40%左右的Q3粘性土，按一般粘性土對待。土體強度2膨脹土（巖）的工程特性裂隙面強度指標(biāo)裂隙面抗剪強度c=5~15kPa，

=6~10°地層軟弱界面強度指標(biāo)Q/N界面：C=10~15kPa，

=12~16°dlQ/Q2界面：C=11~16kPa，

=14~17°土體強度2膨脹土（巖）的工程特性強膨脹土的指標(biāo)通過地質(zhì)編錄發(fā)現(xiàn)強膨脹土中裂隙極發(fā)育，土塊和裂隙滑動面的強度參數(shù)宜取裂隙的強度指標(biāo)。強膨脹巖強度指標(biāo)強膨脹巖中裂隙較發(fā)育，尤其是裸露面風(fēng)化嚴(yán)重，因此土塊和裂隙面的強度參數(shù)宜取中膨脹土裂隙的強度指標(biāo)。土體強度2膨脹土（巖）的工程特性地下水膨脹土中的自由水多賦存于土體的孔隙或顆粒之間的間隙中，部分裂隙也是其儲水空間，屬于孔隙—裂隙水。膨脹土的孔隙：土體孔隙主要由各個時期發(fā)育的植物根孔及蟲孔所組成。試驗段施工開挖過程中，上層滯水帶內(nèi)地下水多沿根孔性孔隙出水，說明土體中發(fā)育的孔隙是上層滯水的主要儲存空間。施工中上層滯水沿邊坡孔隙中溢出，基坑有一定程度的積水現(xiàn)象。2膨脹土（巖）的工程特性膨脹土上層滯水一般水量不豐，揭露后很快蒸發(fā)，但是隨著工程進展，膨脹土渠段開挖增多，發(fā)現(xiàn)有些渠段上層滯水水量豐富，坡面坡腳有明流出現(xiàn)，且揭露幾個月后仍不斷外滲。地下水2膨脹土（巖）的工程特性膨脹土中的重力水主要賦存于土體孔隙和裂隙中，并以孔隙為主，形成上層滯水的共同富集空間，在大氣影響帶內(nèi)土體中較為明顯，形成孔隙—裂隙含水層（帶），施工中有滲水現(xiàn)象，弱膨脹土中常形成滲水帶，一般不易消失，消失后，降雨常使?jié)B水帶出現(xiàn)。上層滯水豐度與土體孔隙多少大小密切相關(guān)。中膨脹土孔隙的發(fā)育程度和深度明顯小于弱膨脹土，因此中膨脹土中重力水給水度非常小，滲水量小于弱膨脹土，邊坡開挖后初期，常沿地下水位面以下形成濕潤帶，后期濕潤帶消失，在坡上常沿裂隙密集帶形成滲出團塊點，且不連續(xù)分布。上層滯水帶以下，土體孔隙少而小，無重力水分布，開挖后無地下水滲出。地下水賦存條件2膨脹土（巖）的工程特性地下水補給水位的變化與降雨量具有很好的相關(guān)性，反映了上層滯水的補給來源為大氣降水。2膨脹土（巖）的工程特性地下水滲透性土體埋深滲透系數(shù)

k（cm/s）(m)垂直風(fēng)向水平方向0～2.01.84×10-3

2.0～4.01.26×10-42.58×10-64.0～6.06.18×10-55.37×10-66.0～8.02.42×10-52.30×10-68.0～10.03.18×10-52.81×10-610.0～12.04.84×10-62.36×10-7①分布于上部土體大氣影響帶和過渡帶中的上層滯水，受下部土體孔隙、裂隙發(fā)育減弱的影響，滲透系數(shù)小,垂直滲透系數(shù)大于水平滲透系數(shù)。②南陽試驗段地下水位變化具有陡升緩降的特點。③渠道開挖后，揭穿上層滯水帶，而渠道兩側(cè)土體中的地下水位變化不大。說明膨脹土上層滯水帶地下水的側(cè)向補給能力微弱。2膨脹土（巖）的工程特性裂隙發(fā)育的基本特征膨脹土裂隙發(fā)育基本特征為：弱膨脹土（巖）少于中膨脹土（巖），中膨脹（巖）土少于強膨脹土（巖）。但是，不排除弱膨脹土（巖）中長大緩傾角裂隙存在的可能，因此在地質(zhì)素描中不能忽視弱膨脹土。裂隙性2膨脹土（巖）的工程特性裂隙發(fā)育的規(guī)模膨脹土體裂隙極發(fā)育，既有長度數(shù)十米的裂隙，也有肉眼不易分辨的裂隙，形態(tài)大小各異。現(xiàn)編錄發(fā)現(xiàn)的最長緩傾角裂隙長達(dá)60多米裂隙性2膨脹土（巖）的工程特性裂隙產(chǎn)狀特征膨脹土體中裂隙發(fā)育至少都有2組以上優(yōu)勢方向，裂隙縱橫交錯。裂隙的發(fā)育使膨脹土多呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，局部由于長大緩傾角裂隙的發(fā)育而具有層狀結(jié)構(gòu)裂隙性2膨脹土（巖）的工程特性裂隙面形態(tài)特征膨脹土裂隙面多光滑、具有蠟狀光澤、有擦痕，占所統(tǒng)計裂隙的88.9%～98.6%，僅有1.4%～12.1%的裂隙面呈粗糙狀裂隙性2膨脹土（巖）的工程特性裂隙充填物特征根據(jù)膨脹土裂隙的充填特征，歸納為灰綠色粘土充填、鈣質(zhì)充填、鐵錳質(zhì)充填和無充填等4類裂隙性2膨脹土（巖）的工程特性裂隙分布規(guī)律膨脹土裂隙的分布主要與土體的膨脹性、地形地貌有關(guān)。同時，不同深度的膨脹土裂隙的發(fā)育特點也明顯不同。裂隙性2膨脹土（巖）的工程特性超固結(jié)土的形成膨脹土在沉積過程中隨著上層覆土的加厚在重力作用下壓實，但是自然界中沉積過程中并不是一直持續(xù)加厚，由于自然原因，像如沖刷、風(fēng)蝕、冰川消融等原因上覆壓力會減小，形成超固結(jié)土。超固結(jié)性3滑坡機理分析土體的抗剪強度是渠坡穩(wěn)定計算的重要指標(biāo)。對于膨脹土渠坡宜按照土體的膨脹性、渠坡的深度、結(jié)構(gòu)面的類型不同給定不同的抗剪強度指標(biāo)。計算渠坡穩(wěn)定時應(yīng)考慮區(qū)域的變化對膨脹土抗剪強度的影響。在渠坡穩(wěn)定計算過程如已有滑坡宜對滑坡體穩(wěn)定反分析綜合考慮選取合理的強度參數(shù)。1、土體強度3滑坡機理分析地下水活動是膨脹土邊（渠）坡破壞的首要誘發(fā)因素。近地表的膨脹土長期受地表自然環(huán)境的影響，發(fā)育較多的植物根孔性孔洞。同時，長期的干濕循環(huán)和反復(fù)脹縮形成了許多裂隙。在干旱季節(jié)，淺層土中的裂隙往往是張開的。雨水入滲并滯留在土體的孔洞和裂隙中，而形成上層滯水。上層滯水層的存在對膨脹土邊坡的穩(wěn)定極為不利，沿線膨脹土開挖施工中發(fā)生的多處邊坡變形及滑坡現(xiàn)象均與地下水有關(guān)。分析原因可歸納為以下兩點：2、地下水3滑坡機理分析上層滯水帶的存在使得土體軟弱結(jié)構(gòu)面飽水軟化、強度降低。土體吸水膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。在原始地形條件下，土體受圍壓限制，不會發(fā)生明顯變形現(xiàn)象，隨著邊坡的開挖，一側(cè)土體臨空，膨脹應(yīng)力使土體沿軟弱面產(chǎn)生側(cè)向推擠，造成邊坡變形失穩(wěn)。2、地下水3滑坡機理分析由于膨脹土中微裂隙極發(fā)育，呈網(wǎng)狀分布，土體被切割呈細(xì)小土粒狀，易崩解，現(xiàn)場崩解試驗1天崩解量達(dá)到10.4～17.3%。開挖揭露后，淺層土體干濕循環(huán)變化崩解呈碎土屑狀，易在大雨（暴雨）時沿坡面形成土溜、雨淋溝等破壞3、多裂隙性3滑坡機理分析淺層土體干濕循環(huán)產(chǎn)生大量的脹縮小裂隙，裂隙使水分快速入滲，造成裂隙周邊土體飽和軟化并向周圍擴展，降低土體的抗剪強度。長期的環(huán)境周期性變化，使淺層土體的強度處于不可逆轉(zhuǎn)的持續(xù)衰減過程中，在不利的地形條件和結(jié)構(gòu)面組合下，膨脹土邊坡土體易形成土溜、淺表蠕滑等變形破壞。3、多裂隙性3滑坡機理分析膨脹土（長）大裂隙面多光滑，抗剪強度低，構(gòu)成了土體中的軟弱結(jié)構(gòu)面，破壞了膨脹土的均一性和連續(xù)性，并導(dǎo)致膨脹土的抗剪強度產(chǎn)生各向異性特征，是影響膨脹土邊坡工程的主要因素。特別是長大緩傾角裂隙（延伸長度數(shù)十米至近百米），往往對邊坡的穩(wěn)定具有控制作用。3、多裂隙性3滑坡機理分析膨脹土屬于超固結(jié)“老粘土”在渠坡開挖過程中易產(chǎn)生卸荷裂隙，使原本多裂隙的膨脹土更是雪上加霜，卸荷裂隙的產(chǎn)生起到加速膨脹土體內(nèi)部裂隙貫通的作用，對渠坡穩(wěn)定極為不利。4、超固結(jié)性3滑坡機理分析通過以上分析膨脹土滑坡的發(fā)生是由邊坡卸荷引起裂隙張開、降雨入滲，土體含水量上升、自重增大，長大緩傾角裂隙面軟化、抗剪強度降低及裂隙面在卸荷和地下水作用下擴展貫通等因素造成。5、總結(jié)4膨脹土渠坡的加固措施這里所說的淺層變形包括微裂隙和小裂隙引起的雨淋溝、土溜和淺層滑動。對于此類渠坡破壞形式的防治措施主要依靠水泥改性土的換填，同時過水?dāng)嗝娴幕炷涟逡r砌，一級馬道以上渠坡的漿砌塊石骨架+植草護坡也對此類滑坡有一定的防治作用。1、淺層變形4膨脹土渠坡的加固措施1、淺層變形4膨脹土渠坡的加固措施膨脹土的深層滑動主要是沿軟弱面的滑動，由于裂隙面貫通后長度一般較大，滑動體大小又受貫通后的裂隙面控制，因此，此類滑坡特點是：滑坡體方量大、剩余下滑力大、滑坡危害性大。對于此類渠坡破壞形式的防治措施主要依靠抗滑樁支護。2、深層滑動4膨脹土渠坡的加固措施抗滑樁的設(shè)計步驟：a、尋找存在不同裂隙組合和無支護結(jié)構(gòu)條件下單位長度設(shè)計斷面最危險滑動面和樁體所在部位的剩余下滑力Pc×a，其中a為樁沿縱向分布的中心間距。b.根據(jù)樁后部分滑體的剛體極限平衡條件求出該滑體能為樁體提供的抗力pk×a；c.將剩余下滑力Pc×a、能為樁體提供的抗力pk×a施加在滑動面以上的樁體部分；d．按最危險滑弧以下部分土體對樁體提供彈性支承的懸臂梁進行樁體結(jié)構(gòu)計算；e．復(fù)核樁體抗傾覆穩(wěn)定；根據(jù)樁體內(nèi)力對樁體進行結(jié)構(gòu)配筋。2、深層滑動4膨脹土渠坡的加固措施2、深層滑動4膨脹土渠坡的加固措施2、深層滑動4膨脹土渠坡的加固措施2、深層滑動4膨脹土渠坡的加固措施2、深層滑動4膨脹土渠坡的加固措施2、深層滑動4膨脹土渠坡的加固措施2、深層滑動4膨脹土渠坡的加固措施以上支護形式主要是保證過水?dāng)嗝媲碌姆€(wěn)定性，即防止渠坡從渠底板及渠底板以下滑出。但是，在一級馬道打樁的前提下對于深挖方段仍然不能保證一級馬道以上渠坡不滑動。因此，對過水?dāng)嗝嬉陨锨氯孕枰扇『侠淼闹ёo措施。3、過水?dāng)嗝嬉陨锨碌闹ёo4膨脹土渠坡的加固措施3、過水?dāng)嗝嬉陨锨碌闹ёo4膨脹土渠坡的加固措施對于過水?dāng)嗝嬉陨线吰碌闹ёo形式要結(jié)合地質(zhì)素描，只對存在裂隙面，以及有可能滑動的渠段進行支護。采取的支護措施主要有：a、樹根樁支護方案b、土釘支護方案c、預(yù)制混凝土管樁方案d、開挖換填方案3、過水?dāng)嗝嬉陨锨碌闹ёo4膨脹土渠坡的加固措施3、過水?dāng)嗝嬉陨锨碌闹ёo4膨脹土渠坡的加固措施根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)素描的裂隙揭露情況，部分12m以下挖深的膨脹土渠段，渠底裂隙也極為發(fā)育，并且裂隙有貫通的趨勢，開挖好的渠坡已經(jīng)出現(xiàn)滑坡變形體。因此經(jīng)復(fù)核12m以下挖深的膨脹土渠坡確實需要采取支護措施，保證渠坡穩(wěn)定。采取的支護措施主要有：a、加大水泥改性土換填厚度b、抗滑樁支護4、12m以下挖深渠坡的支護5抗滑樁施工質(zhì)量控制抗滑樁是一項質(zhì)量要求高的工程，搞滑樁的施工質(zhì)量直接關(guān)系到渠坡的安全。因此，控制施工質(zhì)量顯得特別重要。施工時必須堅持質(zhì)量第一原則，推行全面質(zhì)量管理?？够瑯抖嗖捎霉嘧?，要特別注意成孔(包括鉆孔和清孔)、下鋼筋籠和灌注混凝土等幾道關(guān)鍵工序。每一工