南水北調(diào)中線膨脹性土地區(qū)邊坡支護(hù)技術(shù)

南水北調(diào)中線膨脹性土地區(qū)邊坡支護(hù)技術(shù)

1膨脹土物理、力學(xué)及脹縮特性試驗(yàn)成果河南省南陽市和平頂山市的引水線路陶岔至沙河南段位于河南省南陽市和平原。它從秀川縣九峪村出發(fā)，到升平區(qū)瑯琊縣薛寨村。渠道全長23公里。渠道沿線大部分為膨脹土地區(qū),工程地質(zhì)條件復(fù)雜,由于膨脹性土具有脹縮性、裂隙性、超固結(jié)等特殊的工程特性,對(duì)渠道邊坡的施工及工后運(yùn)營影響極大,因此,需要針對(duì)膨脹性土的基本物理力學(xué)等性質(zhì)開展勘探試驗(yàn),為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文針對(duì)南水北調(diào)中線一期工程總干渠陶岔—沙河南渠段膨脹土的工程特性,進(jìn)行了大量原狀膨脹土的物理、力學(xué)及脹縮特性試驗(yàn),試驗(yàn)內(nèi)容豐富、系統(tǒng),試驗(yàn)規(guī)模大,具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。本次試驗(yàn)所用的南陽膨脹土主要有褐色、棕紅色和灰白色3種,試樣普遍含鐵錳結(jié)核、鈣質(zhì)結(jié)核等,共完成4381組試樣,工作量很大,取其中最有代表性的陶岔—沙河段中勘探孔號(hào)為SC的土樣(共1371組)試驗(yàn)成果進(jìn)行物理、力學(xué)及膨脹特性指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析。室內(nèi)土工試驗(yàn)均按現(xiàn)行的《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)所規(guī)定的操作方法進(jìn)行。2膨脹土的性質(zhì)2.1其它土類所占比例由表1可知,本段膨脹土土類主要為粉質(zhì)粘土、粘土和重粉質(zhì)壤土,其所占百分?jǐn)?shù)分別為58.1%、18.1%和8.6%,其它土類所占百分比為15.2%。從表1中可以看出,粉質(zhì)粘土、粘土和重粘土的粘粒含量平均值超過40%,膠粒含量平均值超過25%,也就是說陶岔—沙河段即本段85.9%的膨脹土的粘粒、膠粒含量均很高,這和液塑限試驗(yàn)得到的大部分膨脹土一般具有高液限和高塑性指數(shù)的特點(diǎn)相一致。2.2土的礦物成分按照土性分類,對(duì)膨脹土的比重、含水濾、孔隙比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,試驗(yàn)成果見表2。(1)各類土的比重在2.64～2.77,最大值在2.76～2.77,最小值在2.64～2.67,均值為2.71。同一類土,比重變化幅度很小,不同土類之間變化也很小,說明土中礦物成分較均勻。(2)各類土含水率在9.3%～39.1%,相差較大,最大值在34.4%～39.1%,最小值在9.3%～15.9%,平均值在23.9%～24.7%。含水率除與土的種類、埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān)外,還受取樣時(shí)的氣候、降雨等因素的影響。(3)各類土的孔隙比在0.369～1.074,最大值在0.942～1.074,最小值在0.369～0.435,這是由于地理位置、取土深度及土類不一,導(dǎo)致其變化范圍較大?？紫侗染翟?.690～0.692,可判斷土為較密實(shí)的中低壓縮性土。2.3測試河段孔號(hào)sc液限和塑限指標(biāo)由光電式液塑限聯(lián)合測定儀進(jìn)行測定,根據(jù)試驗(yàn)要求,渠道地基按SL237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn),建筑物地基土按JTJ051-93《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)。陶岔—沙河段(孔號(hào)SC)均屬于渡槽段,按SL237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn),取其錐深17mm的液限、塑性指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),成果見表3。由表3可知,各類土液限在29.2%～91.7%,最大值在67.2%～91.7%,最小值在29.2%～34.4%,均值在41.8%～57.6%,可知南陽膨脹土的液限相當(dāng)高,大多屬高液限粘土或粉質(zhì)粘土。塑性指數(shù)在11.0～57.5,最大值在39.4～57.5,最小值在11.0～17.2,均值在21.7～33.2。說明膨脹土的塑性指數(shù)比較高,通過試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)天然狀態(tài)下的膨脹土其含水量一般低于或接近塑限,表現(xiàn)為硬塑或可塑狀態(tài)。3土壤肥力學(xué)和滲透特性基本力學(xué)及滲透試驗(yàn)包括壓縮、滲透、直剪和三軸試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)要求,本次試驗(yàn)主要為天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度和變形試驗(yàn)。3.1膨脹土的壓縮性按照土性分類,對(duì)膨脹土的快壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,成果見表4。由表4可以看出,壓縮系數(shù)均值在0.132～0.162MPa-1,壓縮模量均值在15.57～17.85MPa,南陽膨脹土的壓縮性普遍較低,各類土壓縮性質(zhì)相差不大。3.2土性分類試驗(yàn)結(jié)果采用變水頭的滲透試驗(yàn)得到了飽和狀態(tài)下膨脹土的滲透性指標(biāo),在試驗(yàn)前用抽氣法飽和。按照土性分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì),所得試驗(yàn)結(jié)果見表5?？芍蛎浲翝B透系數(shù)數(shù)量級(jí)在10-9～10-4cm/s,均值在2.86×10-6～3.91×10-5cm/s,滲透性較差。3.3內(nèi)摩擦角變化規(guī)律(1)從表6可以看出南陽膨脹土的飽和固結(jié)快剪強(qiáng)度粘聚力均值在37.9～51.0kPa,內(nèi)摩擦角均值在16.6°～20.0°。本次天然固結(jié)快剪試驗(yàn)相對(duì)較少,天然固結(jié)快剪粘聚力平均值在63.5～72.9kPa之間,內(nèi)摩擦角平均值在15.3°～17.8°。飽和快剪粘聚力平均值在44.0～60.9kPa之間,內(nèi)摩擦角平均值在13.1°～14.3°。天然快剪粘聚力平均值在51.4～72.6kPa之間,內(nèi)摩擦角平均值在16.7°～19.4°。慢剪粘聚力平均值在28.9～34.3kPa之間,內(nèi)摩擦角平均值在19.5°～22.1°。排水反復(fù)剪峰值強(qiáng)度:粘聚力平均值為22.4～23.9kPa,內(nèi)摩擦角平均值為18.6°～22.3°;殘余強(qiáng)度:粘聚力平均值為12.7～14.0kPa,內(nèi)摩擦角平均值為13.3°～19.1°。(2)膨脹土粘聚力、內(nèi)摩擦角與試樣的初始含水量狀態(tài)、鐵錳結(jié)核有關(guān),一般說來初始含水量越低粘聚力越大,所含鐵錳結(jié)核越多內(nèi)摩擦角越大。(3)對(duì)比飽和與天然狀態(tài)膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo),無預(yù)固結(jié):天然狀態(tài)的粘聚力大,內(nèi)摩擦角大;預(yù)固結(jié)后:天然狀態(tài)的粘聚力大,內(nèi)摩擦角規(guī)律跟土性有關(guān),粉粒含量高時(shí)天然狀態(tài)的內(nèi)摩擦角小,粘粒含量高時(shí)天然狀態(tài)的內(nèi)摩擦角大。(4)對(duì)比預(yù)固結(jié)與無預(yù)固結(jié)膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo),天然狀態(tài):固結(jié)后的內(nèi)摩擦角小,粘聚力規(guī)律與土性有關(guān),粘粒含量高時(shí)固結(jié)后的粘聚力小,粉粒含量高時(shí)固結(jié)后的粘聚力大;飽和狀態(tài):固結(jié)后的粘聚力小,內(nèi)摩擦角大。(5)不同剪切速度強(qiáng)度指標(biāo)比較:剪切速度越慢,粘聚力小,內(nèi)摩擦角大。(6)反復(fù)剪殘余強(qiáng)度指標(biāo)與峰值強(qiáng)度指標(biāo)比較:殘余強(qiáng)度的粘聚力與內(nèi)摩擦角均比峰值強(qiáng)度的粘聚力與內(nèi)摩擦角要低,尤其是粘聚力降低幅度較大,表明膨脹土具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。3.4膨脹土試驗(yàn)特性由于膨脹土屬于裂隙性粘土,其原生與次生結(jié)構(gòu)面十分發(fā)育,室內(nèi)小尺寸的直剪試驗(yàn)很難反映其結(jié)構(gòu)面特性。三軸試驗(yàn)沒有固定的剪切面,其剪切破壞一般發(fā)生在軟弱面上,因此更能反應(yīng)膨脹土在實(shí)際工程中的力學(xué)特性。陶岔—沙河段膨脹土進(jìn)行了99組試樣的各種三軸試驗(yàn),主要統(tǒng)計(jì)特性見表7。三軸UU試驗(yàn)粘聚力均值在49.5～111.4kPa,內(nèi)摩擦角均值在3.5°～5.5°;三軸CU試驗(yàn)總應(yīng)力指標(biāo)粘聚力均值在26.4～50.0kPa,內(nèi)摩擦角均值在12.3°～21.7°;三軸CD試驗(yàn)粘聚力均值在19.1～39.9kPa,內(nèi)摩擦角均值在12.5°～25.8°;膨脹土采取預(yù)固結(jié)與排水處理措施,有利于膨脹土內(nèi)摩擦角的提高。4膨脹土壤收縮特征4.1膨脹性土樣的測定(1)自由膨脹率試驗(yàn)是測定人工制備的松散的、干燥的試樣,在純水中膨脹穩(wěn)定后的體積增量與原體積之比。由表8可知,各類土體自由膨脹率均值在37%～69%。按照自由膨脹率區(qū)分標(biāo)準(zhǔn),自由膨脹率在40%～65%為弱膨脹性土,65%～90%為中膨脹性土,陶岔—沙河段膨脹土粉質(zhì)粘土自由膨脹率為54%,粘土自由膨脹率為69%,重粉質(zhì)壤土自由膨脹率為37%,又由于粉質(zhì)粘土、粘土、重粉質(zhì)壤土所占土樣百分?jǐn)?shù)分別為58.1%、18.1%和8.6%,因此試驗(yàn)土樣主要為弱膨脹土,其次為中膨脹土。(2)膨脹力試驗(yàn)是測定土體體積受到限制時(shí),吸水膨脹所產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力。按土性分類后統(tǒng)計(jì),由表8可知,各類土膨脹力均值在24.9～116.6kPa。(3)無荷膨脹率試驗(yàn)是測定試樣無加載,有側(cè)限條件下膨脹的增量與初始高度之比值。由表8可知,各類土無荷膨脹率均值在1.4%～12.3%。4.2土線收縮變形參數(shù)(1)收縮系數(shù)試驗(yàn)是測點(diǎn)原狀土樣在直線收縮階段,含水量減少1%時(shí)的豎向線縮率,收縮系數(shù)是用來評(píng)價(jià)地基脹縮等級(jí),計(jì)算膨脹土地基脹縮變形量的指標(biāo)。取各類土收縮系數(shù)均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由表9可知,其均值在0.30～0.51。(2)縮限是土在收縮過程中其體積開始停止變化時(shí)的含水量。由表9可知,各類土體縮限含水量均值在12.9%～17.4%。(3)線率試驗(yàn)是測定原狀土樣的豎向收縮變形與原始高度之比值(%),由表9可知,各類土線收縮率均值在1.9%～5.8%。(4)體縮試驗(yàn)是測定土體收縮達(dá)穩(wěn)定時(shí)的體積收縮量與原體積的比值(%),由表9可知,各類土體收縮率均值在9.4%～18.3%。5膨脹土主要特性(1)南陽膨脹土的粘粒和膠粒含量較高,粉質(zhì)粘土、粘土和重粘土的平均粘粒含量超過40%,粘粒中膠粒成分大于60%。南陽膨脹土的比重變化幅度很小,不同土類之間變化也很小,均值為2.71,說明土中礦物成分較均勻。南陽膨脹土的平均孔隙比約為0.690～0.692,最大可達(dá)到1.0以上,南陽膨脹土的平均壓縮系數(shù)變化范圍為0.132～0.162MPa-1,壓縮模量均值在15.57～17.85MPa,為較密實(shí)的中、低壓縮性土。南陽膨脹土的平均天然含水率在23.9%～24.7%,液限平均值在41.8%～57.6%,絕大部分大于40%,塑性指數(shù)平均值在21.7～33.2,可知南陽膨脹土的液限相當(dāng)高,大多屬高液限粘土或粉質(zhì)粘土,呈硬塑或可塑狀態(tài)。南陽膨脹土大部分試樣的平均滲透系數(shù)在2.86×10-6～3.91×10-5cm/s,飽和狀態(tài)膨脹土滲透性較差。(2)南陽膨脹土的飽和固結(jié)快剪強(qiáng)度粘聚力均值在37.9～51.0kPa,內(nèi)摩擦角均值在16.6°～20.0°;天然固結(jié)快剪粘聚力平均值在63.5～72.9kPa,內(nèi)摩擦角平均值在15.3°～17.8°;飽和快剪粘聚力平均值在44.0～60.9kPa,內(nèi)摩擦角平均值在13.1°～14.3°;天然快剪粘聚力平均值在51.4～72.6kPa,內(nèi)摩擦角平均值在16.7°～19.4°;慢剪粘聚力平均值在28.9～34.3kPa,內(nèi)摩擦角平均值在19.5°～22.1°;排水反復(fù)剪峰值強(qiáng)度:粘聚力平均值為22.4～23.9kPa,內(nèi)摩擦角平均值為18.6°～22.3°;排水反復(fù)剪殘余強(qiáng)度:粘聚力平均值為12.7～14.0kPa,內(nèi)摩擦角平均值為13.3°～19.1°。(3)對(duì)比飽和與天然狀態(tài)膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo),無預(yù)固結(jié):天然狀態(tài)的粘聚力大,內(nèi)摩擦角大;預(yù)固結(jié)后:天然狀態(tài)的粘聚力大,內(nèi)摩擦角規(guī)律跟土性有關(guān)。對(duì)比預(yù)固結(jié)與無預(yù)固結(jié)膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo),天然狀態(tài):固結(jié)后的內(nèi)摩擦角小,粘聚力規(guī)律與土性有關(guān);飽和狀態(tài):固結(jié)后的粘聚力小,內(nèi)摩擦角大。不同剪切速度強(qiáng)度指標(biāo)比較,剪切速度越慢,粘聚力小,內(nèi)摩擦角大。反復(fù)剪殘余強(qiáng)度指標(biāo)與峰值強(qiáng)度指標(biāo)比較:殘余強(qiáng)度的粘聚力與內(nèi)摩擦角均比峰值強(qiáng)度的粘聚力與內(nèi)摩擦角要低,尤其是粘聚力降低幅度較大,表明膨脹土具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。(4)南陽膨脹土三軸UU試驗(yàn)粘聚力均值在49.5～111.4kPa,內(nèi)摩擦角均值在3.5°～5.5°;三軸CU試驗(yàn)總應(yīng)力指標(biāo)粘聚力均值在26.4～50.0kPa,內(nèi)摩擦角均值在12.3°～21.7°;三軸CD試驗(yàn)粘聚力均值在19.1～39.9kPa