王磊膨 胀土渠坡加固措施分析

南水北调工程膨胀土和高填方技术成果交流会南水北调中线总干渠陶岔至鲁山段膨胀土（岩）渠坡加固措施分析王磊长江勘测规划设计研究院2012.03汇报内容工程概况15工程特性2滑坡机理分析3加固措施4质量控制51工程概况南水北调中线总干渠陶岔渠首～沙河南段渠道轴线长215.811km。其中膨胀土岩共有197段，累计长181.906km，其中分布有强膨胀土岩的渠段共19段，长13.593km，分布有中膨胀土岩的渠段共86段，累计长93.769km，分布有弱膨胀土岩的渠段共92段，累计长74.544km。1工程概况项目渠道长度（km）统计范围膨胀特性挖深小于10m挖深10—15m挖深大于15m合计陶岔至鲁山段弱膨胀土47.6448.4524.46860.564中膨胀土52.4521.44219.38593.277强膨胀土6.0534.2261.07611.3552膨胀土（岩）的工程特性弱膨胀土强度统计项天然快剪饱和快剪凝聚力内摩擦角凝聚力内摩擦角

CqφqCqφq

kPa°°kPa

最小值32142116.7最大值6628.45428.8统计组数991010平均值49.420.737.822.4方差11.525.5310.983.91土体强度2膨胀土（岩）的工程特性含水量对强度的影响土体强度2膨胀土（岩）的工程特性统计项天然快剪饱和快剪凝聚力内摩擦角凝聚力内摩擦角

CqφqCqφq

kPa°°kPa

最小值18.914217.8最大值8229.47927.4统计组数13131111平均值48.821.24316.8方差18.75.420.86.2中膨胀土强度2膨胀土（岩）的工程特性土体强度指标大气影响带：该带微裂隙发育，根据现场大剪及室内残余剪强度提出。

过渡带：强、中、弱膨胀土力学指标按下式进行折减，c=c平均值×

，

=

平均值×

。建议采用饱和固结抗剪强度进行稳定性计算。

取0.4~0.6（强膨胀土

取0.4、中等膨胀土

取0.5、弱膨胀土

取0.6），

取0.9~0.95。非影响带：中、强膨胀土（岩）中有结构面及较大裂隙发育，且渠道开挖后可能产生新的卸荷裂隙。c=c平均值×

，

=

平均值×

。

取0.5~0.8（强膨胀土

取0.5、中膨胀土

取0.6、弱膨胀土

取0.7~0.8），

取0.9~0.95。对于边坡不高的渠段、且自由膨胀率在40%左右的Q3粘性土，按一般粘性土对待。土体强度2膨胀土（岩）的工程特性裂隙面强度指标裂隙面抗剪强度c=5~15kPa，

=6~10°地层软弱界面强度指标Q/N界面：C=10~15kPa，

=12~16°dlQ/Q2界面：C=11~16kPa，

=14~17°土体强度2膨胀土（岩）的工程特性强膨胀土的指标通过地质编录发现强膨胀土中裂隙极发育，土块和裂隙滑动面的强度参数宜取裂隙的强度指标。强膨胀岩强度指标强膨胀岩中裂隙较发育，尤其是裸露面风化严重，因此土块和裂隙面的强度参数宜取中膨胀土裂隙的强度指标。土体强度2膨胀土（岩）的工程特性地下水膨胀土中的自由水多赋存于土体的孔隙或颗粒之间的间隙中，部分裂隙也是其储水空间，属于孔隙—裂隙水。膨胀土的孔隙：土体孔隙主要由各个时期发育的植物根孔及虫孔所组成。试验段施工开挖过程中，上层滞水带内地下水多沿根孔性孔隙出水，说明土体中发育的孔隙是上层滞水的主要储存空间。施工中上层滞水沿边坡孔隙中溢出，基坑有一定程度的积水现象。2膨胀土（岩）的工程特性膨胀土上层滞水一般水量不丰，揭露后很快蒸发，但是随着工程进展，膨胀土渠段开挖增多，发现有些渠段上层滞水水量丰富，坡面坡脚有明流出现，且揭露几个月后仍不断外渗。地下水2膨胀土（岩）的工程特性膨胀土中的重力水主要赋存于土体孔隙和裂隙中，并以孔隙为主，形成上层滞水的共同富集空间，在大气影响带内土体中较为明显，形成孔隙—裂隙含水层（带），施工中有渗水现象，弱膨胀土中常形成渗水带，一般不易消失，消失后，降雨常使渗水带出现。上层滞水丰度与土体孔隙多少大小密切相关。中膨胀土孔隙的发育程度和深度明显小于弱膨胀土，因此中膨胀土中重力水给水度非常小，渗水量小于弱膨胀土，边坡开挖后初期，常沿地下水位面以下形成湿润带，后期湿润带消失，在坡上常沿裂隙密集带形成渗出团块点，且不连续分布。上层滞水带以下，土体孔隙少而小，无重力水分布，开挖后无地下水渗出。地下水赋存条件2膨胀土（岩）的工程特性地下水补给水位的变化与降雨量具有很好的相关性，反映了上层滞水的补给来源为大气降水。2膨胀土（岩）的工程特性地下水渗透性土体埋深渗透系数

k（cm/s）(m)垂直风向水平方向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分布于上部土体大气影响带和过渡带中的上层滞水，受下部土体孔隙、裂隙发育减弱的影响，渗透系数小,垂直渗透系数大于水平渗透系数。②南阳试验段地下水位变化具有陡升缓降的特点。③渠道开挖后，揭穿上层滞水带，而渠道两侧土体中的地下水位变化不大。说明膨胀土上层滞水带地下水的侧向补给能力微弱。2膨胀土（岩）的工程特性裂隙发育的基本特征膨胀土裂隙发育基本特征为：弱膨胀土（岩）少于中膨胀土（岩），中膨胀（岩）土少于强膨胀土（岩）。但是，不排除弱膨胀土（岩）中长大缓倾角裂隙存在的可能，因此在地质素描中不能忽视弱膨胀土。裂隙性2膨胀土（岩）的工程特性裂隙发育的规模膨胀土体裂隙极发育，既有长度数十米的裂隙，也有肉眼不易分辨的裂隙，形态大小各异。现编录发现的最长缓倾角裂隙长达60多米裂隙性2膨胀土（岩）的工程特性裂隙产状特征膨胀土体中裂隙发育至少都有2组以上优势方向，裂隙纵横交错。裂隙的发育使膨胀土多呈网状结构，局部由于长大缓倾角裂隙的发育而具有层状结构裂隙性2膨胀土（岩）的工程特性裂隙面形态特征膨胀土裂隙面多光滑、具有蜡状光泽、有擦痕，占所统计裂隙的88.9%～98.6%，仅有1.4%～12.1%的裂隙面呈粗糙状裂隙性2膨胀土（岩）的工程特性裂隙充填物特征根据膨胀土裂隙的充填特征，归纳为灰绿色粘土充填、钙质充填、铁锰质充填和无充填等4类裂隙性2膨胀土（岩）的工程特性裂隙分布规律膨胀土裂隙的分布主要与土体的膨胀性、地形地貌有关。同时，不同深度的膨胀土裂隙的发育特点也明显不同。裂隙性2膨胀土（岩）的工程特性超固结土的形成膨胀土在沉积过程中随着上层覆土的加厚在重力作用下压实，但是自然界中沉积过程中并不是一直持续加厚，由于自然原因，像如冲刷、风蚀、冰川消融等原因上覆压力会减小，形成超固结土。超固结性3滑坡机理分析土体的抗剪强度是渠坡稳定计算的重要指标。对于膨胀土渠坡宜按照土体的膨胀性、渠坡的深度、结构面的类型不同给定不同的抗剪强度指标。计算渠坡稳定时应考虑区域的变化对膨胀土抗剪强度的影响。在渠坡稳定计算过程如已有滑坡宜对滑坡体稳定反分析综合考虑选取合理的强度参数。1、土体强度3滑坡机理分析地下水活动是膨胀土边（渠）坡破坏的首要诱发因素。近地表的膨胀土长期受地表自然环境的影响，发育较多的植物根孔性孔洞。同时，长期的干湿循环和反复胀缩形成了许多裂隙。在干旱季节，浅层土中的裂隙往往是张开的。雨水入渗并滞留在土体的孔洞和裂隙中，而形成上层滞水。上层滞水层的存在对膨胀土边坡的稳定极为不利，沿线膨胀土开挖施工中发生的多处边坡变形及滑坡现象均与地下水有关。分析原因可归纳为以下两点：2、地下水3滑坡机理分析上层滞水带的存在使得土体软弱结构面饱水软化、强度降低。土体吸水膨胀，产生膨胀应力。在原始地形条件下，土体受围压限制，不会发生明显变形现象，随着边坡的开挖，一侧土体临空，膨胀应力使土体沿软弱面产生侧向推挤，造成边坡变形失稳。2、地下水3滑坡机理分析由于膨胀土中微裂隙极发育，呈网状分布，土体被切割呈细小土粒状，易崩解，现场崩解试验1天崩解量达到10.4～17.3%。开挖揭露后，浅层土体干湿循环变化崩解呈碎土屑状，易在大雨（暴雨）时沿坡面形成土溜、雨淋沟等破坏3、多裂隙性3滑坡机理分析浅层土体干湿循环产生大量的胀缩小裂隙，裂隙使水分快速入渗，造成裂隙周边土体饱和软化并向周围扩展，降低土体的抗剪强度。长期的环境周期性变化，使浅层土体的强度处于不可逆转的持续衰减过程中，在不利的地形条件和结构面组合下，膨胀土边坡土体易形成土溜、浅表蠕滑等变形破坏。3、多裂隙性3滑坡机理分析膨胀土（长）大裂隙面多光滑，抗剪强度低，构成了土体中的软弱结构面，破坏了膨胀土的均一性和连续性，并导致膨胀土的抗剪强度产生各向异性特征，是影响膨胀土边坡工程的主要因素。特别是长大缓倾角裂隙（延伸长度数十米至近百米），往往对边坡的稳定具有控制作用。3、多裂隙性3滑坡机理分析膨胀土属于超固结“老粘土”在渠坡开挖过程中易产生卸荷裂隙，使原本多裂隙的膨胀土更是雪上加霜，卸荷裂隙的产生起到加速膨胀土体内部裂隙贯通的作用，对渠坡稳定极为不利。4、超固结性3滑坡机理分析通过以上分析膨胀土滑坡的发生是由边坡卸荷引起裂隙张开、降雨入渗，土体含水量上升、自重增大，长大缓倾角裂隙面软化、抗剪强度降低及裂隙面在卸荷和地下水作用下扩展贯通等因素造成。5、总结4膨胀土渠坡的加固措施这里所说的浅层变形包括微裂隙和小裂隙引起的雨淋沟、土溜和浅层滑动。对于此类渠坡破坏形式的防治措施主要依靠水泥改性土的换填，同时过水断面的混凝土板衬砌，一级马道以上渠坡的浆砌块石骨架+植草护坡也对此类滑坡有一定的防治作用。1、浅层变形4膨胀土渠坡的加固措施1、浅层变形4膨胀土渠坡的加固措施膨胀土的深层滑动主要是沿软弱面的滑动，由于裂隙面贯通后长度一般较大，滑动体大小又受贯通后的裂隙面控制，因此，此类滑坡特点是：滑坡体方量大、剩余下滑力大、滑坡危害性大。对于此类渠坡破坏形式的防治措施主要依靠抗滑桩支护。2、深层滑动4膨胀土渠坡的加固措施抗滑桩的设计步骤：a、寻找存在不同裂隙组合和无支护结构条件下单位长度设计断面最危险滑动面和桩体所在部位的剩余下滑力Pc×a，其中a为桩沿纵向分布的中心间距。b.根据桩后部分滑体的刚体极限平衡条件求出该滑体能为桩体提供的抗力pk×a；c.将剩余下滑力Pc×a、能为桩体提供的抗力pk×a施加在滑动面以上的桩体部分；d．按最危险滑弧以下部分土体对桩体提供弹性支承的悬臂梁进行桩体结构计算；e．复核桩体抗倾覆稳定；根据桩体内力对桩体进行结构配筋。2、深层滑动4膨胀土渠坡的加固措施2、深层滑动4膨胀土渠坡的加固措施2、深层滑动4膨胀土渠坡的加固措施2、深层滑动4膨胀土渠坡的加固措施2、深层滑动4膨胀土渠坡的加固措施2、深层滑动4膨胀土渠坡的加固措施2、深层滑动4膨胀土渠坡的加固措施以上支护形式主要是保证过水断面渠坡的稳定性，即防止渠坡从渠底板及渠底板以下滑出。但是，在一级马道打桩的前提下对于深挖方段仍然不能保证一级马道以上渠坡不滑动。因此，对过水断面以上渠坡仍需要采取合理的支护措施。3、过水断面以上渠坡的支护4膨胀土渠坡的加固措施3、过水断面以上渠坡的支护4膨胀土渠坡的加固措施对于过水断面以上边坡的支护形式要结合地质素描，只对存在裂隙面，以及有可能滑动的渠段进行支护。采取的支护措施主要有：a、树根桩支护方案b、土钉支护方案c、预制混凝土管桩方案d、开挖换填方案3、过水断面以上渠坡的支护4膨胀土渠坡的加固措施3、过水断面以上渠坡的支护4膨胀土渠坡的加固措施根据现有地质素描的裂隙揭露情况，部分12m以下挖深的膨胀土渠段，渠底裂隙也极为发育，并且裂隙有贯通的趋势，开挖好的渠坡已经出现滑坡变形体。因此经复核12m以下挖深的膨胀土渠坡确实需要采取支护措施，保证渠坡稳定。采取的支护措施主要有：a、加大水泥改性土换填厚度b、抗滑桩支护4、12m以下挖深渠坡的支护5抗滑桩施工质量控制抗滑桩是一项质量要求高的工程，搞滑桩的施工质量直接关系到渠坡的安全。因此，控制施工质量显得特别重要。施工时必须坚持质量第一原则，推行全面质量管理。抗滑桩多采用灌注桩，要特别注意成孔(包括钻孔和清孔)、下钢筋笼和灌注混凝土等几道关键工序。每一工